Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
17
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ УКРАЇНИ
Національний Технічний Університет
«Харківський Політехнічний Інститут»
Кафедра інформатики та інтелектуальної власності
ЗВІТ
про патентні дослідження на тему:
ТЕРМОРЕГУЛЬОВАНИЙ АЗОТНИЙ КРІОСТАТ ДЛЯ ФОТОЕЛЕКТРОННИХ ПРИЙМАЧІВ РІЗНОГО ТИПУ
|
Виконав: |
|||
|
студент 5-го курсу |
|||
|
група ФТ-19м |
|||
|
Лозинський Н.М. |
|||
|
Перевірив: |
|||
|
Кривобок. Р.В. |
Харків 2013
ЗМІСТ
|
Вступ.................................................................................................................... |
4 |
|
Описання об’єкту аналізу………….................................................................. |
5 |
|
Таблиця патентів………………………..……………………..……….…...… |
16 |
|
Динаміка патентування…………………………….......................................... |
19 |
|
Висновки……………………...............................................................……… |
20 |
|
Список використаних джерел………………………………………………. |
21 |
ВСТУП
Сучасна кріогеніка набрала високих обертів в проведенні досліджень та застосуванні відкриттів в області низьких температур. Одними із найголовніших є: відкриття надтекучості гелію, та надпровідність металів. Це все забезпечується розвитком нових технологій для створення низькотемпературних середовищ.
Область зацікавлення низькотемпературної фізики, в теперішній час, все більше акцентується на фотоелектронних приймачах (Приймач оптичного випромінювання,в якому перетворення оптичноговипромінювання в електричний сигнал здійснюється з використанням потокувільних електронів чи електронного променя у вакуумному чи газонаповненомуоб'ємі)
Кріостат - пристрій, за допомогою якого робочий об'єм підтримується при низькій температурі за рахунок стороннього джерела холоду. Зазвичай в якості такого джерела використовують рідкі гази з низькими температурами конденсації (азот, водень, гелій та ін) - тобто холодоагенти.
ОПИСАННЯ ОБ’ЄКТУ АНАЛІЗУ
Терморегульований азотний кріостат для фотоелектронних приймачів (ФЕПР) містить вакуумований корпус, в якому розташовано бак для кріогенної рідини з вхідним патрубком і сорбційним кріонасосом, при тому, що бак зв'язаний з корпусом ФЕПР, віконні введення і вставка для корпуса ФЕПР, яка розташована навпроти них, та електронагрівач. Віконні введення і вставка для корпуса ФЕПР виконані роз'ємними і змінними, а кріостат додатково оснащений вертикальною шахтою, на якій розташований теплообмінник, з'єднаний підвісом з корпусом ФЕПР, електронагрівачем і датчиком температури, які розташовані на вставці кріостата, а бак додатково оснащений випарником, вхідним і вихідним патрубками, при тому, що вихідний патрубок з'єднаний з теплообмінником.
Корисна модель належить до галузі фізико-технічних випробувань та досліджень матеріалів і призначається для використання в засобах реєстрації інформації.
Загально відомий той факт, що рівень теплових шумів в твердих тілах або пристроях прямо пропорційно залежить від температури навколишнього середовища. При високій температурі він високий, а при зниженні її зменшується, фактично шум стає непомітним при температурі абсолютного нуля. На використанні цього явища побудований ряд приладів для зменшення теплових шумів приймачах випромінювання. Так, наприклад, відомий термоелектричний холодильник для детекторів випромінювання типа TERMOEL-9982, виготовлюваний компанією "Криомагнитные системы" (Черноголовка, Московської обл.), виконаний із двох блоків: власне холодильника і блока живлення та керування. Всередині корпуса холодильника розташований охолоджуваний металічний корпус для фотоелектронного підсилювача, далі ФЕП, покритий шаром теплоізоляції, два термоелектричних модулі, що мають тепловий контакт з корпусом, радіатор, який розсіює тепло з "гарячих" поверхонь термоелектричних модулів, і вентилятор, що відсмоктує повітря із корпуса холодильника. Блок живлення та керування підтримує задану температуру корпуса фотопомножувача. Недоліками такого холодильника є невелика температура максимального охолоджування (-45° С), вага, і габарити. Відомі також термоелектричні охолоджувачі типу С10372,С10373 для ФЕП, які виробляються фірмою Hamamatsu (Японія) і базовані на використанні явища Пельтьє. Ці охолоджувачі виконані теж із двох блоків: власно охолоджувача і блока живлення та керування. Всередині корпуса охолоджувача, охолоджуваного водою або повітрям розташований металічний корпус для фотопідсилювача з вакуумованим вікном для підведення світла до нього, покритий шаром теплоізоляції, термоелектричний модуль, що має тепловий контакт з корпусом, радіатор, який розсіює тепло з "гарячих" поверхонь термоелектричного модуля і канали для підводу води або повітря для видалення тепла із корпуса холодильника. Блок живлення та керування підтримує задану температуру корпуса фотоелектронного підсилювача.
Недоліками такого охолоджувача є невелика температура максимального охолодження (-30° С), вага, габарити, необхідність підводу води або повітря для охолодження кожуху.
Відомий також пристрій для охолодження 14 - детекторів. Пристрій містить теплоїзольовану посудину, заповнену охолоджуючою рідиною, наприклад, рідким азотом, 14 - 30 детектор, розташований на кінці з'єднаного з посудиною металічного стержня і охолоджується шляхом відводу тепла по стержню, вікно для приймання "14-випромінення". Отриманий сигнал від детектора по проводам передається до підсилювача сигнала і індикатора. Однак цей пристрій не дозволяє отримати мінімально низьку (близьку до точки кипіння охолоджуючої рідини) температуру із-за відсутності безпосереднього контакта детектора з охолоджуючою рідиною і призначений для розміщення малогабаритних детекторів. Близьким до пристрою, що заявляється є азотний кріостат для охолодження ІЧ-детекторів типа MN1815 випуску фірми "Oxford Instruments" (Англія). Вказаний кріостат містить теплоізольований азотний бак для розміщення кріоагента, який знаходиться всередині вакуумованого корпуса кріостата і підвішений до кришки корпуса на тонкостінних трубках, а також вугільний кріонасос, закріплений на кришці азотного бака кріостата для досягнення максимального вакуума.
Кріостат має 4 бокових оптичних вводи і один донний для прийому оптичного випромінювання і може приймати горизонтальне або вертикальне положення в рабочому режимі. 14 - детектор розташовується на зовнішній поверхні азотного бака. Недоліком цього рішення є його обмежене призначення тільки для невеликих за розмірами ІЧ-детекторів, і неможливість використання для ФЕП, що мають більші розміри.
Найбільш близьким до заявленого пристрою є кріостат для фотоелектронних підсилювачів. Кріостат складається з розбірного корпуса, в якому встановлений бак з рідким азотом, що охолоджує ФЕП через дно бака, стійки, гнучкі високотеплопровідні переходи і гнучкий пелюстковий фланець. Крім того, ФЕП закріплюється і ущільнюється в корпусі за допомогою шайб, ущільнень і різьбової втулки, що ввертається в корпус. Для фіксації кутового положення ФЕП відносно корпуса у фланці і корпусі є пази для ключа, що мається на ФЕП.
Розбірний корпус має знизу притискувальний фланець, до якого приєднується дно за допомогою гвинтів і герметизується ущільненням. Знизу до дна закріплений стрижень, призначений для встановлення кріостата на оптичній лаві з регулюванням по вертикалі. Для прийому оптичного випромінювання на корпусі на оптичній осі ФЕП встановлено вікно з блендою.
Вакуумна порожнина кріостата відкачується форвакуумним насосом через вакуумний кран. Високий вакуум забезпечує сорбційний кріонасос.
Азотний бак закріплений за допомогою трубки в верхній частині корпуса.
Після закінчення заливки рідкого азоту в бак труба закривається пінопластовою пробкою. Але й для цього рішення присутні певні недоліки, а саме:
Обмежена область застосування, оскільки кріостат орієнтований тільки на фотоелектронні помножувачі, а сучасні методи фотореєстрації передбачають застосування не тільки фотопомножувачів, але й фотоелектронних приймачів далі ФЕПР інших типів, а саме: багатоелементних ПЗС або КМОП матриць, приймачів 14 - випромінювання, в тому числі болометрів т.п.
Обмежена спектральна область застосування, оскільки вхідне вікно кріостата призначене під конкретний тип ФЕП, а зі зміною ФЕП міняється і спектральна область його дії і, отже, необхідно змінювати спектральний матеріал вхідного вікна.
Неефективне охолодження ФЕП, оскільки разом з падінням шумів ФЕП і зростанням відношення "сигнал/шум" спостерігається зменшення квантового виходу ФЕП, тобто падає ефективність ФЕП а, отже, необхідно знайти "золоту середину»- тобто таку температуру 15 охолодження ФЕП при якій шуми були б зведені до мінімуму і відношення "сигнал/шум" було б максимальним при максимальній ефективності ФЕП.
В основу корисної моделі поставлена задача створення конструкції кріогенного пристрою для ефективного охолодження фотоелектронних приймачів, далі ФЕПР різного типу шляхом зменшення теплових шумів. Поставлена задача вирішується тим, що у азотному кріостаті для фотоелектронних підсилювачів, що містить вакуумований корпус, в якому розташовано бак для кріогенної рідини з вхідним патрубком і сорбційним кріонасосом, при тому, що бак зв'язаний з корпусом ФЕП, віконні введення і вставка для корпуса ФЕП, яка розташована навпроти них, та електронагрівач, віконні введення і вставка для корпуса ФЕП виконані роз'ємними і змінними, а кріостат додатково оснащений вертикальною шахтою, на якій розташований теплообмінник з'єднаний підвісом з корпусом ФЕПР, електронагрівачем і датчиком температури, які розташовані на вставці кріостата, а бак додатково оснащений випарником, вхідним і вихідним патрубками, при цьому вихідний патрубок з'єднаний з теплообмінником, а вставка кріостата для корпусів ФЕП являє собою послідовно чотири співвісні втулки, перша з яких закріплена з корпусом, а дві інші роз'ємні, розташовані одна в одній і ущільнені, третя втулка оснащена різьбовою затискною гайкою на зовнішній поверхні, а четверта виконана глухою з центральним отвором і зі знімним фланцем на зовнішній поверхні, на якій розташовані електронагрівач та датчик температури, при цьому глуха втулка за допомогою теплового моста, який у свою чергу виконаний із трьох глухих співвісних трубок, з'єднана з третьою роз'ємною трубкою, а затискна гайка встановлена, у свою чергу, з можливістю переміщення по зовнішній трубці моста.
Те, що віконні введення і вставка для корпуса ФЕПР, виконані роз'ємними і змінними, а кріостат додатково оснащений вертикальною шахтою на котрій розташований теплообмінник, що з'єднаний підвісом з корпусом ФЕПР, а бак додатково оснащений випарником, вхідним патрубком і вихідним, який з'єднаний з теплообмінником, а сама вставка являє собою чотири співвісні втулки, перша з яких закріплена у корпусі, а друга і третя - роз'ємні, розташовані одна в одній і ущільнені, при тому, друга з них оснащена різьбовою затискною гайкою на зовнішній поверхні, а четверта виконана глухою з центральним отвором і з фланцем на зовнішній поверхні, на якій розташовані електронагрівач і датчик температури, і яка, за допомогою теплового моста, що у свою чергу виконаний з трьох послідовних глухих співвісних трубок, з'єднана з третьою роз'ємною трубкою, при цьому затискна гайка встановлена, у свою чергу, з можливістю переміщення по зовнішній трубці теплового моста - все це дозволяє розширити область застосування кріостата за рахунок розширення типів фотопомножувачів та фотоприймачів та ефективного їх охолодження.
Суть винаходу пояснюється кресленням, де на Фіг. 1 наведена структурна схема 50 підключень, а на Фіг. 2 наведений вертикальний розтин терморегульованого кріостата для фотоприймачів різного типа.
Кріостат складається з розбірного корпуса 1 (Фіг.2), в якому встановлений бак 2 з двома вхідними і вихідним патрубками із кріогенною рідиною - рідким азотом. Всередині бака встановлені для досягнення високого вакууму вугільний кріонасос 3, підвішений до кришки бака 2, показчик- сигналізатор 4 рівня рідкого азоту, і випарник 5 азоту. Азот надходить по вихідному патрубку 6 в теплообмінник 7, котрий підвішений до верхньої кришки корпуса кріостата 1 на центральній трубі 8. Теплообмінник 7 з'єднаний з фланцем 10 корпуса ФЕПР гнучким підвісом 9, виконаним у вигляді мідного троса для компенсації температурних деформацій. На фланці 10 розташований нагрівач 11 і датчик температури 12, виводи з яких підключені до роз'єм 13.
Сигнали з нагрівача і датчика температури подаються на регулятор температури 14 (Фіг. 1). В середину фланця 10 встановлена глуха втулка з центральним отвором 15 для монтажу фотоприймача 16, яка співвісна закріплена на втулці 17 через тепловий міст 18, котрий складається з трьох тонкостінних трубок з матеріалу з низькою теплопровідністю і призначений для того, щоб не пропустити тепло в робочу зону кріостата. Електричні виводи ФЕПР 16 5 підпаяні до розє'му 19, що герметично за допомогою ущільнення 20 кріпиться на вставці 17, яка вакуумно-щільно через ущільнення 21, втулки 22 і 23 гайкою 24 стягується з різьбовою втулкою 25 в одну складальну одиницю, яка встановлена в корпус 26 і герметизується за допомогою ущільнення 27 і гвинтів 28.
Бак 2 з рідким азотом підвішений до верхньої кришки корпуса 1 на двох трубках - вхідних 10 патрубках 29 і 30, які призначені для заливання азоту в бак 2 і розміщення випарника 5.
Для прийому різного оптичного випромінювання на корпусі 1 на оптичній осі ФЕПР 16 розташований змінний оптичний ввід 31, який встановлюється в корпус 32. притискується планкою 33, гвинтами 34 і герметизується ущільненням 35. На корпус 32 встановлюється бленда 36.
Розбірний корпус 1 має знизу притискувальний фланець 37, до якого приєднується дно 38 за допомогою гвинтів 39 і герметизується ущільненням 40. Знизу до дна 38 закріплений стрижень 41, призначений для встановлення кріостата на оптичній лаві з регулюванням по вертикалі.
Вакуумна порожнина 42 кріостата відкачується форвакуумним насосом через вакуумний 20 кран 43. Високий вакуум забезпечує сорбційний кріонасос 3, прикріплений до верхньої частини азотного бака 2.
ПРАЦЮЄ КРІОСТАТ НАСТУПНИМ ЧИНОМ
По перше, треба встановити ФЕПР 16 у вставку. ФЕПР встановлюється при знятому дні 38 у втулку з центральним отвором 15, яка кріпиться до фланця 10 з нагрівачем 11 і датчиком 25 температури 12. Електричні виводи ФЕПР підпаюють до роз’ємну 19, котрий кріпиться на вставці 17 і герметизується за допомогою ущільнення 20.
В різьбову втулку 25 встановити деталі в такій послідовності: втулку 22, ущільнення 21, вставку 17 з роз'ємом 19, втулку 23 і підтискують гайкою 24. Цю складальну одиницю встановлюють і герметизують в корпус 26 за допомогою ущільнення 27 і гвинтів 28. 30 Після встановлення ФЕПР закріплюють дно 38 кріостата за допомогою гвинтів 39 і герметизують ущільненням 40. Відкачують вакуумну порожнину 42 кріостата і закривають вакуумний кран 43. Через трубку 29 заливають рідкий азот в бак 2.
Для того, щоб подати газоподібний азот в теплообмінник 7 треба включити випарник 5, для створення тиску в баку 2. Керуючи потоком газу, що проходить через теплообмінник 7, та 35 напругою на електронагрівачі 11 отримують необхідну температуру охолодження ФЕПР 16.
ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ
Терморегульований азотний кріостат для фотоелектронних приймачів (ФЕПР), що містить вакуумований корпус, в якому розташовано бак для кріогенної рідини з вхідним патрубком і сорбційним кріонасосом, при тому, що бак зв'язаний з корпусом ФЕПР, віконні введення і вставку для корпуса ФЕПР, яка розташована навпроти них, та електронагрівач, який відрізняється тим, що віконні введення і вставка для корпуса ФЕПР виконані роз'ємними і змінними, а кріостат додатково оснащений вертикальною шахтою, на якій розташований теплообмінник, з'єднаний підвісом з корпусом ФЕПР, електронагрівачем і датчиком температури, які розташовані на вставці кріостата, а бак додатково оснащений випарником, вхідним і вихідним патрубками, при тому, що вихідний патрубок з'єднаний з теплообмінником. 2. Кріостат за п. 1, який відрізняється тим, що вставка кріостата для корпусів ФЕПР являє 60 собою послідовно чотири співвісні втулки, перша з яких прикріплена до корпусу кріостата, а друга і третя роз'ємні, розташовані одна в іншій і ущільнені, причому друга з них оснащена різьбовою затискною гайкою на зовнішній поверхні, а четверта виконана глухою з центральним отвором і зі знімним фланцем на зовнішній поверхні, на якій розташовані електронагрівач та датчик температури, при цьому глуха втулка за допомогою теплового моста, який у свою чергу виконаний із трьох глухих співвісних трубок, з'єднана з третьою роз'ємною втулкою, а затискна гайка встановлена, у свою чергу, з можливістю переміщення по зовнішній трубці моста.
Комп’ютерна верстка А. Крижанівський
ДИНАМІКА ПАТЕНТУВАННЯ
ВИСНОВКИ
В процесі роботи по темі «ТЕРМОРЕГУЛЬОВАНИЙ АЗОТНИЙ КРІОСТАТ ДЛЯ ФОТОЕЛЕКТРОННИХ ПРИЙМАЧІВ РІЗНОГО ТИПУ» було переглянуто 21 патент на винаходи та корисні моделі.
Після виконання роботи та побудови гістограми можна зробити висновок про те, що вдосконалення кріостатів на винайдення нових способів їх конструювання просувається швидкими та великими темпами. Також збільшується кількість методів дослідження фотоелектронних приймачів при низьких температурах
Підводячи підсумок, потрібно сказати, що найближчим часом слід очікувати нових технічних рішень конструкторів щодо азотних кріостатів для фотоелектронних приймачів.
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1.Дані із сайту http://base.uipv.org/
2.Объединенная научная компания "Криомагнитные системы"., Оборудование для физических исследований. Черноголовка.: ИФТТ РАН, 1995,-с.54
3. Микулин Е.И. Криогенная техника-Москва.: Машиностроение. 1969.-с.272
4.Жарков І.П. Маслов В.О., Ходунов В.О., Чмуль А.Г., Патент України №56983 на корисну модель „Кріостат для фотоелектронних підсилювачів",- Бюл. №3. від 10.02.2011.,МПК G05D 23/30, опубл. 10.02.2011