东方闪光为您介绍最新一代科学相机冷却技术

许多微光成像和光谱应用依赖于基于高灵敏度硅或InGaAs的科学探测器。 这些应 用包括天文光度测量、活体小动物成像、拉曼光谱、化学/生物发光和软x射线成像，需要深度冷却的探测器，将热产生的暗噪声降至最低，以允许积分时间从几分钟到数小 时。

尽管多年来，许多冷却技术（如热电、低温、焦耳-汤姆逊）已被用于科学相机，但热电冷却已被证明是最具吸引力的，因为其无需维护且运行可靠。该技术将传感器冷却到-100°C以上，并提供可达到的最低暗噪声水平。

理想情况下，光子探测器的信噪比（SNR）仅受光子散粒噪声限制。然而，在实际应用中，信噪比会因其他噪声源而降低，其中最常见的是读取噪声和暗噪声。数学上，以下形式表示。

光子散粒噪声（σS ）可归因于光子到达率的随机性，等于检测到的光子数的平方根。读出噪声（σR）由传感器读出电子器件的设计和读出速度决定。暗噪声（σD）——暗电荷的平方根，通常被指定为每秒每像素的电子数（e-/p/s）——由热激发在传感器像素中产生。在典型的硅基CCD中，在正常工作范围内，每冷却5到7度，暗电荷就会减少一半。对于深冷CCD相机，在-70°C（或更低）的传感器温度下，0.001 e-/p/s的典型暗电荷规格并不少见。

TEC的基本原理

热电制冷器（TEC）是一种固态设备，当应用电能时，它将热量从一端传递到另一端。这种效应也称为珀尔帖效应；因此，TEC被称为珀尔帖设备。虽然个别TEC设计中使用的实际材料和结构是特殊的，但典型的材料包括碲化铋、硅锗和各种铋锑合金。尽管珀尔帖设备可以根据电能的方向进行加热或冷却，但它们最常见的用途是冷却（见图1）。通常情况下，珀尔帖设备根据其可传递的热量进行评级。

Figure 1. Rendering of a Peltier device

虽然使用珀尔帖设备实现适度冷却是一个相对简单的方法，但实现最深的冷却和最大的可靠性相矛盾的。通常，相机制造商提到使用多级（即三级、四级或五级珀耳帖设备）只是为了表示不同程度的深度冷却。整个热设计，包括珀尔帖几何结构、传感器热负荷、输入电压电流（功率）参数、热交换器和真空室设计，都必须进行优化，以确保传感器的可靠深度冷却。最新的深度冷却相机利用先进的计算流体动力学（CFD）分析工具来优化热设计的各个方面。

使用TEC设备实现最深的冷却需要

•传感器周围的超高真空（UHV）环境

•非放气材料；没有环氧树脂

•永久性全金属密封件

•高效热交换器，实现高散热

•实现高可靠性和温度稳定性的智能控制

超高真空：TEC的额定值是指其热侧和冷侧之间可达到的最大温度增量，通常为“零”负载。然而，TEC不仅需要去除自身运行产生的热量，还需要去除传感器运行产生的多余热量。为了将热负荷降至最低，传感器需要封装在真空度高达10-10托的超高真空（UHV）室内。虽然许多超高压室设计可用于真空室构造，但只有真正可靠的超高压室设计依靠多年的制造专业知识和材料专有技术保证其使用寿命。参见图2。

Figure 2. All-metal vacuum seals

高性能真空设计必须具备以下属性：

•全金属密封真空室

•永久性密封，无需维护

•不使用环氧树脂密封窗户和真空室：环氧树脂会排气并降解，随着时间的推移，固有地损害真空。

•10-10托范围内的超高真空水平，以将热损失降至最低

•先进的“吸气剂”材料，可在多年运行中保持真空水平

•可靠、经验证的制造工艺

高效热交换器：珀尔帖设备提供了一种将热量从冷侧（传感器）传递到热侧（环境）的简单方法，但效率非常低。它们传递的热量越多，效率就越低。换句话说，有一个最佳范围，在该范围内TEC的运行效率最高。

因此，重要的是相机要有热交换器，通常称为散热器，以尽可能有效地去除热侧的热量。ArcTec technology采用了一种组合式空气/液体热交换器，可最大化表面积而且散热效率很高。通过使用超大风扇、室温液体循环器、冷却器或它们的组合，将传递到散热器的热量耗散（到周围环境中）。

智能控制： 最新的热设计还包括智能反馈控制，通过控制珀尔帖设备的电参数，将传感器温度保持在设定点的±0.01°C范围内。 此外，这种先进的设计要么控制风扇的速度（以尽量减少振动），要么允许风扇完全关闭，利用液体循环。

普林斯顿仪器TEC相机

2016年推出的普林斯顿仪器公司SOPHIA摄像头采用了ArcTec先进的热电冷却技术。 ArcTec是InGaAs焦平面阵列（FPA）相机NIRvana系列的先驱，基于普林斯顿仪器公司经验证的全金属密封真空设计，ArcTec使用最新的计算流体力学（CFD）分析工具，为当今市场上任何基于TEC的相机提供最高水平的冷却和可靠性。

审核编辑 黄宇