科学相机冷却技术 保持冷静的艺术与科学

图 1.Peltier 器件的渲染

介绍最新一代的科学相机冷却技术，许多低照度成像和光谱学应用依赖于高度灵敏的硅或InGaAs基科学探测器。这些应用包括天文光度测量、体内小动物成像、拉曼光谱、化学/生物发光和软 X 射线成像，需要深度冷却的相机，以最大限度地减少热产生的暗噪声，以便允许积分时间从几分钟到几小时不等。

尽管多年来科学相机已使用许多冷却技术(例如热电、低温、焦耳-汤姆逊)，但热电或帕尔帖冷却已被证明是最具吸引力的，因为它免维护且运行可靠。还应该注意的是，在极低光照下的应用，如近红外光谱，可能会受益于使用基于液氮的低温冷却技术，该技术将传感器冷却到-100°C以上，并提供最低水平的暗噪声。

冷却需求

理想情况下，光子探测器应提供仅受光子散粒噪声限制的信噪比 (SNR)。然而，在实践中，SNR会受到其他噪声源的降低，最常见的是读取噪声和暗噪声。从数学上讲，这在下面的方程式中显示出来。

信噪比 (SNR) = S/σ，其中S = 检测到的光子数σ = 总噪声 = √(σS2+ σD2+ σR2 )σS= 光子散粒噪声σD= 热噪声或暗噪声σR= 读取噪声

光子散粒噪声 (σS)，这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。读取噪声 (σR)由传感器读出电子设备的设计和读出速度决定。暗噪声 (σD) — 暗电荷的平方根，通常指定为每秒像素电子数 (e-/p/s) — 由传感器像素中由于热激发而产生的无用信号产生。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，在传感器温度为-0°C(或更低)时，001.70 e-/p/s的典型暗电荷规格并不少见。

TE 冷却器的基础知识

热电冷却器 (TEC) 是一种固态设备，当施加电能时，它会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被称为帕尔帖器件。虽然单个TEC设计中使用的实际材料和结构通常是专有的，但典型的材料包括碲化铋、硅锗和各种铋锑合金。虽然帕尔帖器件可以根据电能的方向加热或冷却，但它们最常见的用途是冷却(见图 1)。通常，帕尔帖设备是根据它们可以传递的热量来评定的。

虽然使用 Peltier 设备实现适度冷却是一个相对简单的命题，但以最大的可靠性实现最深的冷却则不然。通常，相机制造商提到使用多级(即三级、四级或五级帕尔帖设备)只是为了暗示不同级别的深度冷却。尽管理论上这些规格可以通过他们的相机在完美的条件下实现，但这些规格并不一定是现实的。整个热设计，包括帕尔帖几何形状、传感器热负载、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。如果做得好，带有TEC的相机可以根据可实现的绝对温度来指定，并具有一定程度的动态余量，以处理各种环境条件下预期的合理变化。最新的深冷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 或 Peltier 设备实现最深的冷却需要

• 传感器周围的超高真空 (UHV) 环境

• 不释气材料;不含环氧树脂

• 永久性、全金属、气密密封

• 高效热交换器，可实现高散热

• 智能控制，实现高可靠性和温度稳定性

超高真空：TEC的额定值是根据其热侧和冷侧之间可实现的最高温度差来的，通常具有“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。为了将热负荷保持在最低限度，传感器需要封装在真空度高达 10-10 torr 的超高真空 (UHV) 室中。虽然许多超高真空室设计可用于真空室结构，但只有真正可靠的设计才能根据多年的制造专业知识和材料专业知识保证使用寿命性能。请参阅图 2。

图2.全金属真空密封。

高性能真空设计必须具备以下属性：

• 全金属、气密密封的真空室

• 永久密封，无需维护操作

• 不使用环氧树脂密封窗户和真空室：环氧树脂会释放气体并降解，随着时间的推移，本质上会损害真空度。

• 10-10 torr 范围内的超高真空度，可最大限度地减少热损失

• 先进的“吸气剂”材料，可在多年运行

中保持真空度 • 可靠、成熟的制造工艺

高效换热器：帕尔帖器件提供了一种将热量从冷侧(传感器)传递到热侧(周围环境)的简单方法，但它们的效率非常低。它们传递的热量越多，它们的效率就越低。换言之，存在一个最佳范围，TECs在其内运行最有效。

因此，对于相机来说，必须具有热交换器(通常称为散热器)，以尽可能有效地从热侧带走热量。ArcTec技术使用空气/液体组合式热交换器，可最大化表面积并有效散热

。传递到散热器的热量通过使用超大风扇、室温液体循环器、冷却器或其组合消散(到周围环境)。

注意：一些制造商将实现的最大冷却指定为与环境温度 (ΔT) 的增量，而不是使用冷至 +10°C 的冷冻液体的绝对值 (T)。 但是，对于潮湿环境中或缺乏超稳定

温度和湿度控制的实验室，不建议这样做。使用低于露点的液体会导致冷凝(水蒸气积聚)，从而损坏相机周围的电子设备和敏感光学元件。请参阅图 3。

图3.可以使用而不会引起冷凝的最低液体温度。

智能控制：最新的散热设计还包括智能反馈控制，通过控制 Peltier 器件的电气参数，将传感器温度保持在设定点的 ±0.01°C 以内。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，有利于液体循环。

总结

最新一代的热电冷却科学级相机提供了前所未有的冷却性能和可靠性。新的性能水平是通过优化热设计的多个方面来实现的，包括帕尔帖几何形状、真空室、热交换器和电子设备。

差异在于：ArcTec™ 冷却技术

2016 年推出的 Princeton Instruments SOPHIA 相机采用了 ArcTec 先进的热电冷却技术。ArcTec 首先在我们的 NIRvana 系列 InGaAs 焦平面阵列 (FPA) 相机中率先推出，并基于普林斯顿仪器 (Princeton Instruments) 成熟的全金属密封真空设计，使用最新的计算流体动力学 (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