小型化像增强器系统的研制及其制冷性能的研究

论文摘要

微光像增强器是一种微光探测器,同时也是一种成像器件,主要用于微弱光信号和瞬态光信号的观测。其工作原理是通过阴极光电转换、微通道板电子倍增和阳极的电光成像,将被观测物体发出的微弱光信号（通常是不可见,有时是瞬态的）放大为适合肉眼观察的图像。像增强器广泛应用于军事、天文、公安、安防、生物医学等多种领域。随着应用的扩大与深入,便携式小型化以及高灵敏度高分辨率的像增强器已成为国内外发展趋势。研究发现,阴极热噪声占据像增强器总体噪声的绝大部分（约90%）,因此,阴极降噪成为发展高性能像增强器的一个研究热点。本文主要工作是在SJTU第一代像增强器的基础上,开展小型化和阴极制冷降噪的研究。在小型化方面,本文开展了下列工作:（1）利用半导体制冷具有体积小、反应速率快、控制精度高的优势,采用一级环形半导体制冷片直接对阴极制冷。（2）设计了一种梭型的散热片,采用散热片加风冷却的方式代替水冷却,这样不需采用水泵、冰箱等笨重的设备。（3）把整个像增强器系统设计、制作成驱动机箱和紧凑的腔体两部分。其中驱动机箱提供腔体所需的所有电源,腔体则将其余功能包含在其中,包括:雪崩三极管脉冲电路、高压电路以及制冷散热系统。为了使腔体也尽量小型化,我们定制了体积较小的高压模块,并且将脉冲产生电路设计在一块35mm?35mm的方形电路板上。在制冷降噪研究中,为了验证一级制冷片在结合梭型散热片工作时能否达到项目所需的低温,本文利用COMSOL软件仿真了该情况下的制冷性能,发现当外界温度为20℃,半导体制冷片工作在6V的时候,阴极温度最低,为-5.91℃,达到了低于常温15℃的要求。实验测试发现:结合所设计的梭型散热片,半导体制冷片最佳工作电压在6V7V,阴极的温度可以从21℃降至0℃以下,最后稳定在4℃左右,达到了设计要求。最后,通过阴极热噪声测试实验,发现系统噪声抑制能力可达5.87dB。为了进一步提升系统的制冷性能,本文提出了两级半导体制冷、提高风扇风速以及改进散热片材料和腔体结构三种技术途径。采用COMSOL软件对其制冷性能开展了仿真模拟,发现:当两级制冷片工作电压分别取3.5V和5V时,制冷效果最佳且明显好于一级制冷片,可达-23.81℃;半导体制冷片工作电压越高,提高散热风扇风速对制冷性能提高的影响越明显。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 微光像增强器阴极噪声分类与降噪方法
• 1.3 国内外微光成像器件制冷性能现状
• 1.4 本文的主要工作
• 第二章 制冷技术理论分析及散热系统的设计与仿真
• 2.1 半导体制冷技术
• 2.1.1 制冷技术
• 2.1.2 半导体制冷原理
• 2.2 散热片设计
• 2.3 系统制冷性能仿真
• 2.3.1 仿真模型的建立
• 2.3.2 参数确定
• 2.3.3 仿真结果
• 2.4 本章小结
• 第三章 小型化像增强器系统的设计与研制
• 3.1 微光像增强器工作原理
• 3.1.1 光电阴极
• 3.1.2 微通道板（MCP）
• 3.1.3 阳极
• 3.2 系统电路部分设计与实现
• 3.2.1 开关电路
• 3.2.2 雪崩三极管脉冲电路
• 3.2.3 MCP 和阳极驱动
• 3.3 系统结构设计与实现
• 3.3.1 驱动机箱设计与实现
• 3.3.2 像增强器腔体设计与实现
• 3.4 本章小结
• 第四章 系统制冷降噪性能的实验测定与分析
• 4.1 系统制冷性能测试实验
• 4.1.1 实验平台搭建
• 4.1.2 实验结论及分析
• 4.1.3 仿真实验对比
• 4.2 系统制冷性能的改进
• 4.2.1 空气流动对散热效果的影响
• 4.2.2 两级半导体制冷对系统性能的改进
• 4.2.3 散热片材料和腔体结构的改进讨论
• 4.3 系统降噪性能测试实验
• 4.3.1 实验平台搭建
• 4.3.2 实验结论及分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 附录
• 图1 开关电路板
• 图2 三极管脉冲产生电路数字电路部分PCB 原理图
• 图3 三极管脉冲产生电路板
• 图4 驱动机箱实物图
• 图5 散热片实物图
• 图6 SJTU 第二代微光像增强器系统图
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表或录用学术论文