光谱分析用CCD探测器热电制冷技术及暗噪声研究

摘要

电子耦合器件（CCD）探测器的采用，使得激光拉曼光谱技术获得了飞跃性的进步，能应用于气体、液体、固体等多种形态物质的化学成分的检测，成为一种通用检测技术。气体拉曼散射信号微弱，对气体的微量组分进行检测时，要求CCD探测器有较高的灵敏度。CCD探测器对温度特别敏感，因此，如何有效地降低CCD温度来降低其暗电流噪声是提高CCD检测灵敏度的一个重要课题。
　　降低CCD温度的通用做法是采用热电制冷技术进行制冷，CCD温度越低，其暗电流就越小。本文采用热电制冷技术对CCD进行制冷。为提高热电制冷片（TEC）的制冷效率，分析了TEC的工作原理及传热特性，确认TEC冷、热端温差及散热能力是影响其工作性能关键因素。针对这些因素设计了一套制冷系统:采用真空隔离的方法将TEC放置在真空环境下制冷，避免室内气体温度太低导致水蒸气凝结成而影响电路及电子器件正常工作；利用有限元分析软件 ANSYS热分析模块模拟了散热结构的导热情况，并根据模拟结果对结构进行优化设计，得到了一套制冷性能优良的系统结构。基于所设计的结构，利用ANSYS中的计算流体动力学（FLOTRAN CFD）模块研究了腔室内低、中真空度下气体流动及温度分布情况，结果表明低真空时，腔室内气温较低、流速加快，对腔室壁及热沉均具有冷却作用，可有利于TEC制冷。
　　根据设计的结构搭建了一套真空实验装置，并对装置进行真空测试，发现真空性能良好。实验测量了CCD腔室在低、中真空度范围内充入不同气压环境空气，及充入氩气、氖气、氮气作为缓冲气体时TEC冷端温度随制冷时间变化特性曲线。结果表明氮气效果较好，与环境最大温差达到55℃以上，并且并非真空度越高制冷效果越好，在压强为60mbar及以上时能够达到最佳效果，这与流-固耦合分析结果相符。同时也测量了CCD在不同温度下暗电流噪声，结果显示研制的TEC制冷CCD系统有效降低了暗电流噪声。最后搭建了激光拉曼散射实验装置，并对空气中的气体成分进行检测，结果表明降低CCD温度可有效提高检测灵敏度。

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1 绪论

1.1 CCD探测器简介

1.2 激光拉曼光谱检测技术

1.3 热电制冷CCD国内外研究现状

1.4 本文主要研究内容

2 热电制冷系统结构设计及散热模拟分析

2.1 热电致冷技术

2.2 系统初步结构设计

2.3 转接电路板设计

2.4 散热结构导热性能研究

2.5 系统结构优化设计

2.6 散热优化结构导热性能研究

2.7 本章小结

3 真空室内流-固耦合分析

3.1 气体输运特性

3.2 ANSYS中FLOTRAN CFD流体分析简介

3.3 真空室内流-固耦合分析

3.4 本章小结

4 制冷及CCD暗电流噪声特性研究

4.1 实验装置

4.2 系统制冷特性研究

4.3 噪声特性测试及分析

4.4 本章小结

5 气体拉曼光谱检测

5.1 实验装置搭建

5.2 气体拉曼散射信号测试

5.3 本章小结

总结与展望

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间发表的论文目录