圖 1.Peltier 器件的渲染

介紹最新一代的科學相機冷卻技術，許多低照度成像和光譜學應用依賴于高度靈敏的硅或InGaAs基科學探測器。這些應用包括天文光度測量、體內小動物成像、拉曼光譜、化學/生物發光和軟 X 射線成像，需要深度冷卻的相機，以最大限度地減少熱產生的暗噪聲，以便允許積分時間從幾分鐘到幾小時不等。

盡管多年來科學相機已使用許多冷卻技術(例如熱電、低溫、焦耳-湯姆遜)，但熱電或帕爾帖冷卻已被證明是最具吸引力的，因為它免維護且運行可靠。還應該注意的是，在極低光照下的應用，如近紅外光譜，可能會受益于使用基于液氮的低溫冷卻技術，該技術將傳感器冷卻到-100°C以上，并提供最低水平的暗噪聲。

冷卻需求

理想情況下，光子探測器應提供僅受光子散粒噪聲限制的信噪比 (SNR)。然而，在實踐中，SNR會受到其他噪聲源的降低，最常見的是讀取噪聲和暗噪聲。從數學上講，這在下面的方程式中顯示出來。

信噪比 (SNR) = S/σ，其中S = 檢測到的光子數σ = 總噪聲 = √(σS2+ σD2+ σR2 )σS= 光子散粒噪聲σD= 熱噪聲或暗噪聲σR= 讀取噪聲

光子散粒噪聲 (σS)，這歸因于光子到達率的隨機性，等于檢測到的光子數的平方根。讀取噪聲 (σR)由傳感器讀出電子設備的設計和讀出速度決定。暗噪聲 (σD) — 暗電荷的平方根，通常指定為每秒像素電子數 (e-/p/s) — 由傳感器像素中由于熱激發而產生的無用信號產生。在典型的硅基 CCD 中，在正常工作范圍內，每冷卻 5 到 7 度，暗電荷就會減少一半。對于深冷CCD相機，在傳感器溫度為-0°C(或更低)時，001.70 e-/p/s的典型暗電荷規格并不少見。

TE 冷卻器的基礎知識

熱電冷卻器 (TEC) 是一種固態設備，當施加電能時，它會將熱量從一端傳遞到另一端。這種效應也稱為珀爾帖效應;因此，TEC被稱為帕爾帖器件。雖然單個TEC設計中使用的實際材料和結構通常是專有的，但典型的材料包括碲化鉍、硅鍺和各種鉍銻合金。雖然帕爾帖器件可以根據電能的方向加熱或冷卻，但它們最常見的用途是冷卻(見圖 1)。通常，帕爾帖設備是根據它們可以傳遞的熱量來評定的。

雖然使用 Peltier 設備實現適度冷卻是一個相對簡單的命題，但以最大的可靠性實現最深的冷卻則不然。通常，相機制造商提到使用多級(即三級、四級或五級帕爾帖設備)只是為了暗示不同級別的深度冷卻。盡管理論上這些規格可以通過他們的相機在完美的條件下實現，但這些規格并不一定是現實的。整個熱設計，包括帕爾帖幾何形狀、傳感器熱負載、輸入電壓-電流(功率)參數、熱交換器和真空室設計，都必須進行優化，以確保傳感器的可靠、深度冷卻。如果做得好，帶有TEC的相機可以根據可實現的絕對溫度來指定，并具有一定程度的動態余量，以處理各種環境條件下預期的合理變化。最新的深冷相機利用先進的計算流體動力學(CFD)分析工具來優化熱設計的各個方面。

使用 TEC 或 Peltier 設備實現最深的冷卻需要

? 傳感器周圍的超高真空 (UHV) 環境

? 不釋氣材料;不含環氧樹脂

? 永久性、全金屬、氣密密封

? 高效熱交換器，可實現高散熱

? 智能控制，實現高可靠性和溫度穩定性

超高真空：TEC的額定值是根據其熱側和冷側之間可實現的最高溫度差來的，通常具有“零”負載。然而，TEC不僅需要去除自身運行產生的熱量，還需要去除傳感器運行產生的多余熱量。為了將熱負荷保持在最低限度，傳感器需要封裝在真空度高達 10-10 torr 的超高真空 (UHV) 室中。雖然許多超高真空室設計可用于真空室結構，但只有真正可靠的設計才能根據多年的制造專業知識和材料專業知識保證使用壽命性能。請參閱圖 2。

圖2.全金屬真空密封。

高性能真空設計必須具備以下屬性：

? 全金屬、氣密密封的真空室

? 永久密封，無需維護操作

? 不使用環氧樹脂密封窗戶和真空室：環氧樹脂會釋放氣體并降解，隨著時間的推移，本質上會損害真空度。

? 10-10 torr 范圍內的超高真空度，可最大限度地減少熱損失

? 先進的“吸氣劑”材料，可在多年運行

中保持真空度 ? 可靠、成熟的制造工藝

高效換熱器：帕爾帖器件提供了一種將熱量從冷側(傳感器)傳遞到熱側(周圍環境)的簡單方法，但它們的效率非常低。它們傳遞的熱量越多，它們的效率就越低。換言之，存在一個最佳范圍，TECs在其內運行最有效。

因此，對于相機來說，必須具有熱交換器(通常稱為散熱器)，以盡可能有效地從熱側帶走熱量。ArcTec技術使用空氣/液體組合式熱交換器，可最大化表面積并有效散熱

。傳遞到散熱器的熱量通過使用超大風扇、室溫液體循環器、冷卻器或其組合消散(到周圍環境)。

注意：一些制造商將實現的最大冷卻指定為與環境溫度 (ΔT) 的增量，而不是使用冷至 +10°C 的冷凍液體的絕對值 (T)。 但是，對于潮濕環境中或缺乏超穩定

溫度和濕度控制的實驗室，不建議這樣做。使用低于露點的液體會導致冷凝(水蒸氣積聚)，從而損壞相機周圍的電子設備和敏感光學元件。請參閱圖 3。

圖3.可以使用而不會引起冷凝的最低液體溫度。

智能控制：最新的散熱設計還包括智能反饋控制，通過控制 Peltier 器件的電氣參數，將傳感器溫度保持在設定點的 ±0.01°C 以內。此外，這種先進的設計要么控制風扇的速度(以盡量減少振動)，要么允許風扇完全關閉，有利于液體循環。

總結

最新一代的熱電冷卻科學級相機提供了前所未有的冷卻性能和可靠性。新的性能水平是通過優化熱設計的多個方面來實現的，包括帕爾帖幾何形狀、真空室、熱交換器和電子設備。

差異在于：ArcTec? 冷卻技術

2016 年推出的 Princeton Instruments SOPHIA 相機采用了 ArcTec 先進的熱電冷卻技術。ArcTec 首先在我們的 NIRvana 系列 InGaAs 焦平面陣列 (FPA) 相機中率先推出，并基于普林斯頓儀器 (Princeton Instruments) 成熟的全金屬密封真空設計，使用最新的計算流體動力學 (CFD) 分析工具，為當今市場上任何基于 TEC 的相機提供最高水平的冷卻和可靠性。

審核編輯 黃宇