[发明专利]一种探测器气冷测试装置

说明书

本发明公开了一种探测器气冷测试装置，其特征在于，包括气体降温装置(1)、流量控制器(2)、可调导流装置(3)、冷却腔(4)、可调扰流装置(6)、若干测温探头(8)和位于冷却腔(4)内部用于支撑探测器的上游隔热支架(51)、下游隔热支架(52)；其中，气体降温装置(1)一端用于与气源连接，另一端依次经流量控制器(2)、可调导流装置(3)与冷却腔(4)的入口端连接，上游隔热支架(51)与下游隔热支架(52)之间的冷却腔内壁上设置可调扰流装置(6)，各测温探头用于对探测器的各设定位置进行温度测量。通过本发明可以对不同环境下探测器冷却效果进行测量，以研究得出较优的探测器气冷方案。

技术领域

本发明涉及一种冷却测试装置，尤其涉及一种用气体冷却探测器的冷却测量装置，属于气冷测试技术领域。

背景技术

高空间分辨率的硅像素探测器技术在材料科学、生物化学、航天航空与高能物理等领域发挥着越来越重要的作用。硅像素探测器由于其优异的探测和位置分辨性能，可应用于高精度的成像、下一代高能物理大装置的粒子径迹重建等。尤其是高能物理大装置的粒子径迹重建上，比如高能环形正负电子对撞机，其顶点探测器初步规划方案即采用多个探测器模块通过相互叠加，布置成多个直径不同的桶装结构，这些探测器模块共同作用实现径迹测量，达到顶点探测目的。每个探测器模块由支撑结构、电路板、探测器芯片组成，探测器模块上的探测器芯片相对支撑结构可以是单面安装或双面安装。探测芯片正常工作状态的发热功率一般在100-200mW/cm²之间，未来预期可控在50mW/cm²以内，对探测器模块的冷却，相比液体冷却，采用气体冷却具有最明显的低物质量优势，减低物质引起的多次散射效应，可以保持高探测精度，更适合下一代对撞机的要求。因此，未来顶点探测器的冷却方式趋向是采用气体冷却方案。顶点探测器模块通常为条状结构，虽然探测总面积不大，但其宽度窄、长度相对较长，最主要的是由于探测器的结构限制，流经探测器的冷却气流无论是采用哪种气道(比如总体平直的气道或是螺旋式的)，总体上一般只能从探测器的一侧流向另一侧。这就会引起探测器模块在靠近冷却气体入口的上游部位，其上的探测芯片的冷却效果好，而靠近冷却气体出口的下游部位，由于上游气流带来的热量影响，其上的冷却芯片冷却效果差，即沿冷却气流方向，探测器芯片产生温度梯度。硅像素探测器的探测精度对温度比较敏感，随着温度的升高，漏电流增加，探测器噪声相应增加，导致探测精度降低；如果温度过高，会导致探测器损坏。故对探测器模块的冷却控制目标一方面是控制各部位的芯片温度冷却到适合的工作温度，另一方面，要尽量减少沿探测器模块纵向芯片的温度梯度，以减少不同区域的受温度梯度引起的探测精度差异。

对于类似顶点探测器的高分辨像素探测器，对探测器的气冷系统进行冷却测试是非常关键的一项工作。根据探测器在不同流量、气流状态下的冷却效果研究，可以评估并制定最优的冷却方案；同时根据测试结果可以指导探测器自身结构设计及总体支撑结构设计。目前市面上没有对此类风冷探测器进行冷却测试的装置或类似装置可用。

发明内容

针对类似硅(顶点)径迹探测器模块的气冷测试，本发明的目的在于提出一种探测器气冷测试装置。本发明的气冷测试装置可对单个探测器(整体探测器的模块)提供不同的气流状态下的冷却测试环境，并对不同环境下探测器冷却效果进行测量，以研究得出较优的探测器气冷方案，总结出包含各部分气流调节装置的合理参数，指导探测器在气冷下既可以实现好的冷却效果，又控制沿气流方向均匀的温度或较小的梯度，保证探测精度。该发明的测试结果还可以检验和指导探测器模块及探测器整体的结构设计。

本发明中的单个探测器气冷测试装置，是一个具有对上游气体预冷却，对气体流量、入口导流、气道内扰流、出气口开度等进行调节功能的测试装置，同时可以采用非接触式或接触式方式或者二者结合的方式对探测器进行温度测量。适用于强迫气冷的探测器，尤其是纵向长度较长、横向尺寸相对较小且探测器气冷下的温度及梯度要求严格控制的情况。探测模块可在其支撑结构的单面或双面安装探测芯片，通过该装置的相关气流调节功能，获得不同流量、流态的气体环境，并通过监测探测器表面温度，测得不同状态下的冷却效果，可总结评判出对既定探测器的优化气冷配置方案，做到既要冷却效果好，又要温升梯度小。