CN209605948U - 单光子探测器及其低温保温装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种单光子探测器及其低温保温装置，其涉及设备制冷技术领域，所述低温保温装置包括固定模块、半导体制冷器、电路板、压板、保温壳体、保温壳盖、第一密封圈、第二密封圈以及散热器；所述保温壳体、保温壳盖以及散热器通过所述第一密封圈和第二密封圈组成一个密闭的低温保温空间；所述一个固定模块、一个半导体制冷器以及一个电路板组成一个制冷模块，制冷模块的数量至少为两个；所述压板与所有的制冷模块内置于所述低温保温空间，压板将所有制冷模块固定于所述散热器；低温保温空间内的所有制冷模块横向排列，最外侧的两个制冷模块远离低温保温空间的边界。本申请的低温保温装置一体化、安装方便、成本低、制冷保温效果较好。

Description

单光子探测器及其低温保温装置

技术领域

本申请涉及设备制冷技术领域，具体涉及一种单光子探测器及其低温保温装置。

背景技术

目前，量子信息科学的研究中大量采用单光子作为量子信息的载体，因此单光子探测技术起着至关重要的作用。单光子探测器可以检测携带量子信息的单光子，并转换为电信号输出，然后通过符合测量、计数等手段提取单光子所携带的量子信息。

在量子通信产品开发设计中，单光子探测器通常采用雪崩光电二极管，而应用于单光子探测器的雪崩光电二极管需要在-40至-50摄氏度的低温下工作，以提高其工作效率。低温工作环境可使单光子探测器的暗电流噪声降低，从而可极大的提高它的灵敏度。因此，单光子探测器工作时需要一个能够制冷且能一直保持低温的工作环境。上述制冷保温环境的内部温度为-40至-50摄氏度、外部温度为环境温度即室温，内外温差较大，极易热量交换，因而对该制冷保温装置的设计有着严苛的要求。

现有单光子探测器的一套低温保温装置通常只能容纳一个光电二极管，当单光子探测器需要采用多个光电二极管时就需要同时采用对应数量的多套低温保温装置，在采用多套低温保温装置的情况下安装不方便、成本高且制冷保温效果较差。

实用新型内容

为了克服现有技术的上述缺陷，本实用新型实施例所要解决的技术问题是提供一种单光子探测器及其低温保温装置，其中的低温保温装置一体化、安装方便、成本低、制冷保温效果较好。

本实用新型实施例的具体技术方案是：

一种单光子探测器及其低温保温装置，所述低温保温装置包括固定模块、半导体制冷器、电路板、压板、保温壳体、保温壳盖、第一密封圈、第二密封圈以及散热器；所述保温壳体、保温壳盖以及所述散热器通过所述第一密封圈和所述第二密封圈组成一个密闭的低温保温空间；所述一个固定模块、一个半导体制冷器以及一个电路板组成一个制冷模块，所述制冷模块的数量至少为两个；所述压板与所有的所述制冷模块内置于所述低温保温空间，所述压板将所有所述制冷模块固定于所述散热器；所述低温保温空间内的所有所述制冷模块横向排列，最外侧的两个所述制冷模块远离所述低温保温空间的边界。

优选地，所述低温保温空间中的所有所述制冷模块共用一块压板，所述压板通过螺钉将所有所述制冷模块固定于所述散热器，所述压板采用韧性适中的塑料板材。

优选地，所述压板开设有制冷器安置孔，所述制冷器安置孔的数量与所述半导体制冷器的数量保持一致，所述半导体制冷器仅有部分可以穿过所述制冷器安置孔，所述固定模块、电路板以及部分半导体制冷器设置于所述压板的上方，部分所述半导体制冷器以及所述散热器设置于所述压板的下方。

优选地，还包括隔热填充物，所述隔热填充物为多孔材料、热反射材料和真空材料三类隔热材料中的一种或多种，所述隔热填充物充满所述低温保温空间的剩余空间。

优选地，所述保温壳体的上下端面设置有凹槽，所述第一密封圈设置于所述保温壳体与保温壳盖之间的上凹槽处，所述第二密封圈设置于所述保温壳体与散热器之间的下凹槽处，所述保温壳体与保温壳盖之间以及所述保温壳体与散热器之间通过螺钉固定。

优选地，还包括电学接口，所述电学接口与所述电路板连接，所述电路板与光电二极管连接，所述电学接口穿过所述保温壳体并采用胶体密封。

优选地，连接光电二极管的光纤贯穿所述保温壳体，所述保温壳体上开设有光纤通孔，所述光纤通孔的数量与所述低温保温空间内光电二极管的数量保持一致，所述光纤通孔的直径大于或等于所述光纤的直径，所述光纤贯穿所述光纤通孔后采用胶体密封所留缝隙。

优选地，所述半导体制冷器具有相对的冷面和热面，所述固定模块将光电二极管固定于所述冷面，所述热面连接于所述散热器。

优选地，所述固定模块包括扣紧弹片、下管座、上管座以及螺栓，所述扣紧弹片的顶部开设有贯通的螺孔，所述螺栓拧入所述螺孔用于紧固所述下管座与上管座，所述下管座与上管座均设置有凹槽，光电二极管设置于所述下管座与上管座之间的凹槽处，所述扣紧弹片将光电二极管、所述下管座与上管座紧扣于所述冷面。

一种单光子探测器，包括：如上述任一所述的单光子探测器的低温保温装置。

由以上方案可知，本申请提供一种单光子探测器及其低温保温装置，其中低温保温装置的低温保温空间包括至少两个制冷模块，低温保温装置中所有的制冷模块设置于同一个低温保温空间内，所有制冷模块共用同一块压板，上述压板将所有制冷模块固定于散热器，实现了低温保温装置的一体化，在需要采用多个制冷模块的情况下，相比于现有的一套低温保温装置仅容纳一个制冷模块，降低了装置整体的成本，且不需要把多个制冷模块安装在不同的保温壳体中，一个压板就可以固定所有的制冷模块，安装便捷方便。此外，低温保温空间内的所有制冷模块横向排列，最外侧的两个制冷模块远离低温保温空间的边界，在总体的低温保温装置体积一定的情况下，一体化的低温保温装置相比于单个独立的低温保温装置，制冷模块之间的位置距离排列可以更加灵活，即相邻两个制冷模块的距离可以更近，最外侧的制冷模块可以距离低温保温空间的边界更远，可以降低保温壳体外部环境温度对制冷模块的影响，制冷保温效果较好。隔热填充物充满了低温保温空间的剩余空间，上述隔热填充物可以降低制冷保温空间内的热量交换，进一步加强其保温效果。

参照后文的说明和附图，详细公开了本实用新型的特定实施方式，指明了本实用新型的原理可以被采用的方式。应该理解，本实用新型的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本实用新型的实施方式包括许多改变、修改和等同。针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本实用新型公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本实用新型的理解，并不是具体限定本实用新型各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本实用新型的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本实用新型。

图1为本申请的一种单光子探测器的低温保温装置的正视结构示意图；

图2为本申请的一种单光子探测器的低温保温装置的剖面结构示意图；

图3为本申请的一种单光子探测器的低温保温装置的立体结构示意图；

图4为本申请中固定模块、半导体制冷器以及光电二极管的剖面结构示意图。

具体实施方式

结合附图和本实用新型具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本实用新型的细节。但是，在此描述的本实用新型的具体实施方式，仅用于解释本实用新型的目的，而不能以任何方式理解成是对本实用新型的限制。在本实用新型的教导下，技术人员可以构想基于本实用新型的任意可能的变形，这些都应被视为属于本实用新型的范围。需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本申请提供一种单光子探测器及其低温保温装置，图1为本申请的一种单光子探测器的低温保温装置的正视结构示意图，图2为本申请的一种单光子探测器的低温保温装置的剖面结构示意图，图3为本申请的一种单光子探测器的低温保温装置的立体结构示意图。参照图1-3所示，一种单光子探测器的低温保温装置可以包括：固定模块4、半导体制冷器5、电路板3、压板6、保温壳体71、保温壳盖72、第一密封圈81、第二密封圈82以及散热器10。半导体制冷器5是指利用半导体的热-电效应制取冷量的器件，优选地，上述半导体制冷器5为4级制冷半导体制冷芯片；保温壳体71与保温壳盖72均采用隔热效果较好的金属材质，既能隔热降低热交换又具备较好的机械性能坚固牢靠，例如金属银、金属铝、金属镍等，优选地选用金属铝，金属铝是热反射材料之一，具有很高的热反射指数，而且成本较低；散热器10包括导热板101与散热片102，导热板101与散热片102为金属材质并且一体成型，在本实施例中，其他部件与散热器10相连接均表示其他部件与散热器10中的导热板101相连接。

上述保温壳体71、保温壳盖72以及散热器10通过第一密封圈81和第二密封圈82组成一个密闭的低温保温空间。具体地，保温壳体71的上下端面设置有凹槽，第一密封圈81设置于保温壳体71与保温壳盖72之间的上凹槽处，第二密封圈82设置于保温壳体71与散热器10之间的下凹槽处，第一密封圈81使得保温壳体71与保温壳盖72的连接处具有良好的气密性，降低保温壳体71内外的热量交换，同理，第二密封圈82使得保温壳体71与散热器10之间的连接处具有良好的气密性。保温壳体71与保温壳盖72之间以及保温壳体71与散热器10之间可以通过螺钉、粘结、铆接或者卡接等方式连接，优选地，选择螺钉连接固定，螺钉连接方便拆卸，密封性好，固定牢靠，即使低温保温装置发生晃动也能够保持良好的稳定性。

上述一个固定模块4、一个半导体制冷器5以及一个电路板3组成一个制冷模块。所述制冷模块的数量至少为两个，压板6与所有的所述制冷模块内置于上述低温保温空间，具体地，压板6将所有制冷模块固定于散热器10。低温保温空间内的所有制冷模块横向排列，最外侧的两个制冷模块远离上述低温保温空间的边界。上述低温保温空间可以为正方体、长方体或者圆柱体等形状，具体形状可以根据具体需求不同而作适应性的调整，本申请在此并不作具体的限定。

图4为本申请中固定模块、半导体制冷器以及光电二极管的剖面结构示意图。参照图4所示，半导体制冷器5具有相对的冷面51和热面52，固定模块4将光电二极管1固定于上述冷面51，上述热面52连接于散热器10，热面52与散热器10之间通过导热材料例如导热硅脂连接。固定模块4包括扣紧弹片41、下管座42、上管座43以及螺栓44，扣紧弹片41的顶部开设有贯通的螺孔，上述螺栓44拧入上述螺孔用于紧固下管座42与上管座43，下管座42与上管座43均设置有凹槽，光电二极管1设置于下管座42与上管座43之间的凹槽处，扣紧弹片41将光电二极管1、下管座42与上管座43紧扣于上述冷面51。具体地，下管座42与上管座43的材质为导热金属例如银、铜、金等，下管座42与上管座43均设置有弧形的凹槽，下管座42与上管座43的弧形凹槽对接起来后可以包裹光电二极管1的外表面，光电二极管1设置于下管座42与上管座43之间的凹槽处，下管座42的底面与半导体制冷器5的冷面51通过导热材料例如导热硅脂连接；扣紧弹片41由金属片制成，金属片例如铁、铜、铝等具有一定的刚度，能承受一定的张力即满足技术要求；上述扣紧弹片41可以在装设后其顶部紧压着上管座43，上述扣紧弹片41也可以在装设后其顶部高于上管座43；扣紧弹片41的顶部开设有贯通的螺孔，上述螺孔用于拧入螺栓44，并使螺栓44的底部紧压着上管座43，可以通过螺栓44的拧入程度控制对上管座43、光电二极管1以及下管座42的紧固力。扣紧弹片41的两侧的末端向内侧弯折成卡扣，上述卡扣用于卡在半导体制冷器5的冷面51上。经上述方式，扣紧弹片41可以方便快捷地将光电二极管1固定于上述冷面51上，并且可以保证光电二极管1所需的制冷效果。

参照图1-3所示，上述低温保温空间中的所有制冷模块共用一块压板6，压板6通过螺钉将所有制冷模块固定于散热器10，压板6与散热器10之间通过螺钉固定，螺钉连接方便拆卸，密封性好，固定牢靠，即使低温保温装置发生晃动也能够保持很好的稳定性，当然本申请的压板6与散热器10之间也可以通过粘结、铆接、卡接等方式固定。上述压板6采用韧性适中的塑料板材例如聚四氟乙烯，由于现有大部分的半导体制冷器5具有陶瓷材质，韧性适中的塑料板材可以保护半导体制冷器5不至于被压伤损坏，且又具有一定的强度可实现半导体制冷器5的固定。

上述压板6开设有制冷器安置孔，所有制冷器安置孔对应低温保温空间内的所有制冷模块横向排列，开设的制冷器安置孔的数量与半导体制冷器5的数量保持一致，半导体制冷器5仅有部分可以穿过上述制冷器安置孔，即制冷器安置孔的周长介于半导体制冷器5的冷面51与热面52的周长之间。部分半导体制冷器5穿过压板6，与上述固定模块4以及电路板3设置于压板6的上方，部分上述半导体制冷器5以及散热器10设置于压板6的下方。

通过上述实施方式，低温保温装置中所有的制冷模块设置于同一个低温保温空间内，所有制冷模块共用同一块压板，压板将所有的制冷模块固定于散热器，实现了低温保温装置的一体化，安装方便，成本低。低温保温空间内的所有制冷模块横向排列，最外侧的两个制冷模块远离低温保温空间的边界，即制冷模块距离保温壳体71较远，可以减少制冷模块温度与外部环境温度的热量交换，制冷与保温效果较好。

上述单光子探测器的低温保温装置还可以包括隔热填充物，该隔热填充物为多孔材料、热反射材料和真空材料三类隔热材料中的一种或多种，例如泡沫小球、气凝胶、隔热棉、真空绝热板等等，上述隔热填充物可以为上述材料的一种或者多种组合。具体地，参照图1-3所示，上述隔热填充物充满上述低温保温空间的所有剩余空间，例如压板6上部的部分空余空间塞入真空绝热板，其余剩余空间灌满泡沫小球，泡沫小球具有良好的隔热效果，能有效降低相邻区域内的能量交换。通过以上方式，上述隔热填充物可以降低低温保温空间内的热量交换以及低温保温空间与外部环境温度的热量交换，进一步加强了该装置的保温效果。

参照图1和图3所示，连接光电二极管1的部分光纤2需要贯穿保温壳体71，保温壳体71上开设有光纤通孔，光纤通孔的数量与上述低温保温空间内光电二极管1的数量保持一致，光纤通孔的直径大于或等于光纤2的直径，光纤2贯穿上述光纤通孔后采用胶体密封光纤通孔所留缝隙，采用胶体密封光纤通孔缝隙即可以满足气密性的要求，密封方便且成本较低。

参照图1-3所示，在上述低温保温装置的外部设置有两种电学接口，均与电路板3电学连接，电学接口穿过上述保温壳体71并采用胶体密封所留缝隙。上述两种电学接口，具体地，一种为同轴线接口91，一种为排线接口92，其中同轴线接口91的数量为两个，一个用于向电路板3输入门控信号，另一个用于输出检测的电信号，排线接口92用于输入与输出状态检测与控制信号。电路板3与光电二极管1电学连接并内置于上述低温保温空间，电路板3与光电二极管1组合实现光信号转换成电信号以及弱信号处理的功能。

一种单光子探测器，包括：如上述任一所述的单光子探测器的低温保温装置。在一种可行的实施方式中，参照图1-3所示，一种单光子探测器的低温保温空间中包括四个制冷模块，上述四个制冷模块横向并排放置在单光子探测器的低温保温空间中，它们可以同时工作也可以各自分工实现不同的探测。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本申请进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本申请的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本申请精神和范围的情况下，可以对本申请技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本申请的范围内。本申请的保护范围以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种单光子探测器的低温保温装置，其特征在于，包括固定模块（4）、半导体制冷器（5）、电路板（3）、压板（6）、保温壳体（71）、保温壳盖（72）、第一密封圈（81）、第二密封圈（82）以及散热器（10）；

所述保温壳体（71）、保温壳盖（72）以及所述散热器（10）通过所述第一密封圈（81）和所述第二密封圈（82）组成一个密闭的低温保温空间；

所述一个固定模块（4）、一个半导体制冷器（5）以及一个电路板（3）组成一个制冷模块，所述制冷模块的数量至少为两个；

所述压板（6）与所有的所述制冷模块内置于所述低温保温空间，所述压板（6）将所有所述制冷模块固定于所述散热器（10）；

所述低温保温空间内的所有所述制冷模块横向排列，最外侧的两个所述制冷模块远离所述低温保温空间的边界。

2.根据权利要求1所述的单光子探测器的低温保温装置，其特征在于，所述低温保温空间中的所有所述制冷模块共用一块压板（6），所述压板（6）通过螺钉将所有所述制冷模块固定于所述散热器（10），所述压板（6）采用韧性适中的塑料板材。

3.根据权利要求2所述的单光子探测器的低温保温装置，其特征在于，所述压板（6）开设有制冷器安置孔，所述制冷器安置孔的数量与所述半导体制冷器（5）的数量保持一致，所述半导体制冷器（5）仅有部分可以穿过所述制冷器安置孔，所述固定模块（4）、电路板（3）以及部分半导体制冷器（5）设置于所述压板（6）的上方，部分所述半导体制冷器（5）以及所述散热器（10）设置于所述压板（6）的下方。

4.根据权利要求3所述的单光子探测器的低温保温装置，其特征在于，还包括隔热填充物，所述隔热填充物为多孔材料、热反射材料和真空材料三类隔热材料中的一种或多种，所述隔热填充物充满所述低温保温空间的剩余空间。

5.根据权利要求4所述的单光子探测器的低温保温装置，其特征在于，所述保温壳体（71）的上下端面设置有凹槽，所述第一密封圈（81）设置于所述保温壳体（71）与保温壳盖（72）之间的上凹槽处，所述第二密封圈（82）设置于所述保温壳体（71）与散热器（10）之间的下凹槽处，所述保温壳体（71）与保温壳盖（72）之间以及所述保温壳体（71）与散热器（10）之间通过螺钉固定。

6.根据权利要求4所述的单光子探测器的低温保温装置，其特征在于，还包括电学接口，所述电学接口与所述电路板（3）连接，所述电路板（3）与光电二极管（1）连接，所述电学接口穿过所述保温壳体（71）并采用胶体密封。

7.根据权利要求4所述的单光子探测器的低温保温装置，其特征在于，连接光电二极管（1）的光纤（2）贯穿所述保温壳体（71），所述保温壳体（71）上开设有光纤通孔，所述光纤通孔的数量与所述低温保温空间内光电二极管（1）的数量保持一致，所述光纤通孔的直径大于或等于所述光纤（2）的直径，所述光纤（2）贯穿所述光纤通孔后采用胶体密封所留缝隙。

8.根据权利要求4所述的单光子探测器的低温保温装置，其特征在于，所述半导体制冷器（5）具有相对的冷面（51）和热面（52），所述固定模块（4）将光电二极管（1）固定于所述冷面（51），所述热面（52）连接于所述散热器（10）。

9.根据权利要求8所述的单光子探测器的低温保温装置，其特征在于，所述固定模块（4）包括扣紧弹片（41）、下管座（42）、上管座（43）以及螺栓（44），所述扣紧弹片（41）的顶部开设有贯通的螺孔，所述螺栓（44）拧入所述螺孔用于紧固所述下管座（42）与上管座（43），所述下管座（42）与上管座（43）均设置有凹槽，光电二极管（1）设置于所述下管座（42）与上管座（43）之间的凹槽处，所述扣紧弹片（41）将光电二极管（1）、所述下管座（42）与上管座（43）紧扣于所述冷面（51）。

10.一种单光子探测器，其特征在于，包括如权利要求1至9任一所述的单光子探测器的低温保温装置。