摘要：为将低等级探测器应用于宇航等高可靠性应用环境，对探测器进行可靠性环境试验考核至关重要。本文提出了一种探测器的热真空实验方法，对多种型号星载探测器进行热真空环境考核试验，通过对比热真空环境试验前后探测器的相对光谱响应率、暗电流、制冷器驱动电流、探测器制冷特性等参数的变化，分析各型号探测器热真空环境的适应性，从而在早期暴露可能存在质量及其他缺陷的产品，筛选出性能最优产品用于宇航产品。试验结果表明，参试的探测器在热真空环境试验考核和筛选之后的各项性能指标满足设计要求，具有很好的可靠性，可以满足航天载荷应用需求。
关键字：航天载荷；探测器；可靠性；热真空试验；筛选
0 引言
探测器关键性能参数主要包括暗电流、相对光谱响应度、制冷特性等[1]，暗电流作为探测器的重要性能指标，是探测系统性能的最重要影响因素，具有较强的温度敏感性，温度波动将直接影响系统暗电流变化从而影响短波红外偏振测量仪器测量精度[2-3]。此外，探测器的响应度和制冷特性等，也是探测系统性能的重要影响因素。
为了满足不同型号低等级探测器在高精度高可靠性领域的应用需求，文献[4-5]提出一种方法将温变速率这一应力作为主要研究对象，对多种型号同批次星载红外探测器进行加速寿命试验，并对试验前后探测器相对光谱响应率和制冷器驱动电流进行分析。文献[6]提出对星载红外探测器组件进行温度循环试验、力学试验以及高温老炼试验等环境试验考核，通过对比环境试验前后红外探测器组件相对光谱响应率变化，分析红外探测器组件的环境适应性。文献[7]提出了一种有利于空间外差光谱仪探测器的筛选方法，利用设计的探测器筛选装置进行了探测器筛选实验，对实验数据进行处理和分析，从备选探测器中选取了最优性能的探测器。文献[8]介绍了CCD的筛选流程，第一步是从各CCD裸片的信噪比、相对光谱响应、暗电流等角度进行筛选，将不满足指标的CCD剔除。
本文设计并提出了一种探测器的热真空实验方法，在文献[6]的基础上对多种型号的星载探测器组件进行进一步的环境考核试验，并对环境试验前后探测器的相对光谱响应率、暗电流、制冷器驱动电流、探测器制冷特性等性能进行测试。通过对比热真空环境试验前后探测器各性能的变化，分析各型号探测器热真空环境的适应性，从中优选出具有高可靠性高稳定性的探测器进行高精度大气偏振探测应用。
1 光电探测器失效模式分析
实践证明大多数设备的故障率是时间的函数，典型故障曲线称之为浴盆曲线（Bathtub curve），如图1所示。浴盆曲线具有明显的阶段性，失效率随使用时间变化分为3个阶段：早期失效期（Ⅰ）、偶然失效期（Ⅱ）和耗损失效期（Ⅲ）[6,9]。
图1 浴盆曲线
Fig.1 Bathtub curve
在I以前是早期失效阶段，主要由制造、装配、质量控制与检验不严引起的，中间为平坦的随机失效阶段，Ⅱ以后为老化阶段，起始与末尾期失效率很高，这说明在起始期要严格筛选[9]。
2 热真空试验
本文所述的多型号星载探测器主要包括5只硅探测器S13735、9只红外探测器（5只InGaAs G12180探测器以及4只InGaAs G12183探测器），其中硅探测器典型响应波长分别为490nm、550nm、670nm、870nm、910nm，InGaAs G12180红外探测器的典型响应波长为1380nm和1610nm，G12183型红外探测器的典型响应波长为2250nm。这些型号的探测器在出厂前已由厂家对其进行了一些可靠性试验，本文的主要目的是对这些型号的探测器进行进一步的热真空环境适应性分析从而实现二次筛选，确保探测器在实际使用时能够安全可靠地工作。
参考探测器使用说明并结合探测器实际运行环境条件，设置了探测器热真空环境试验条件，在保证环境试验条件对探测器的筛选力度的同时防止环境试验应力过大对探测器产生过试验而损伤器件。
2.1 试验条件
探测器的热真空试验主要是模拟真实在轨运行环境的温度、真空环境、极端高低温以及主要温度工作点等环境条件进行循环试验，考核其工作的稳定性和可靠性。设计热真空实验条件如表1所示。
表1 热真空试验条件
Table 1 Thermal vacuum test conditions
探测器热真空高低温分别为＋55℃正偏差4℃和－20℃负偏差4℃，性能测试温度点在－7℃和－17℃进行，该温度点各进行1h测试，具体的探测器热真空循环试验状态如图2所示。试验温度通过真空罐制冷、加热系统实现。
图2 探测器热真空试验状态
Fig.2 Thermal vacuum test state of detector
2.2 试验步骤
1）将测试专用设备和探测器组件按要求放置在真空罐冷板上，连接好地检、温度检测系统电缆，并检查连接状态进行系统状态确认；
2）放入防污染镜片后关闭罐门进行探测器试验前性能测试。按照真空罐流程开始抽真空，待真空度优于1.3×10－3 Pa后，进行工况设置；
3）设置真空罐为高温工况，待探测器监测点温度满足＋55℃温度点要求时，进入热真空循环流程高温保持阶段；
4）待高温保持结束后调整真空罐状态，使探测器热沉温度为－7℃，待探测器监测点温度满足允许的误差要求时，开启探测器制冷器和校正仪数据采集功能进行－7℃性能保持测试阶段；
5）－7℃性能结束后调整真空罐状态，使探测热沉温度为－17℃，待监测点温度满足允许误差要求时，进行－17℃性能保持测试阶段；
6）－17℃性能结束后，设置真空罐为低温工况，待探测器监测点温度满足－20℃温度点要求时，进入热真空循环流程低温保持阶段。
按照以上流程完成10次近一周的循环实验，其真空内产品状态如图3所示。
图3 真空罐内探测器组件状态图
Fig.3 Status diagram of detector assembly in vacuum tank
2.3 探测器试验前后各性能参数测试方法
试验前后探测器的相对光谱响应率和暗电流的测试是基于波段式均匀照明光源系统实现，测试系统如图4所示。积分球A内置卤钨灯作为照明光源，产生的光通过滤光片盒内的滤光片分光后进入积分球B，积分球B匀光后进入待测探测器和参考探测器。待测探测器与固定板连接后通过螺钉与积分球正面中心连接，滤光片盒内置多个与拉杆连接的滤光片拉板，通过调节拉杆切换不同的滤光片得到多个测试波段的均匀光照。
利用计算机、光功率计、数字源表等配套采集设备采集被测探测器组件相关数据。测试过程中用制冷器驱动红外探测器组件内置TEC（Thermo Electric Cooler）进行制冷至设定温度进行制冷驱动电流的测试。红外探测器制冷特性的温度数据获取则是通过数据采集器实时采集。规定波长照明下，光电二极管探测器相对光谱响应率计算公式见式(1)：
(1)
式中：I(l, i)为探测器在波长l照明下输出电流值；Idark(i)为探测器暗场输出电流值；F(l,j)为监视探头在波长λ照明下输出功率值；Fdark(j)为监视探头暗场输出电流值；m，n为采样点个数。
图4 波段式均匀照明光源系统
Fig.4 Band uniform illumination light source system
试验前后各型号探测器相对光谱响应率变化率计算公式见式(2)：
(2)
式中：R(l2)为试验后探测器的相对光谱响应率；R(l1)为试验前探测器的相对光谱响应率。
3 试验结果分析
利用上述探测器环境试验装置和测试方法，对硅探测器S13735、红外InGaAs探测G12180和G12183的3种型号的探测器进行热真空环境试验考核。
根据星载探测器环境试验要求，试验前后探测器的相对光谱响应率变化范围为±10%以内即满足使用要求，S13735和G12180探测器的暗电流不超过100pA即认为探测器性能满足需要，对于G12183探测器的试验后暗电流变化率不超过试验前5倍即认为探测器性能满足需要。红外G12180、G12183两种型号探测器试验前后的制冷驱动电流的变化率要求在±10%以内，温控精度均满足±0.2℃的要求则探测器制冷和温控特性满足要求。
3.1 探测器试验前后相对光谱响应率变化
由于探测器在实际环境工作时不需要加偏压，所以在测量时给探测器加0mV偏压，同时加38mV偏压的目的是为了将背景辐射降到1%以下，减小温度对探测器测量的影响。通过公式(1)计算得到S13735、G12180和G121833种探测器的试验前后的光谱响应率的相对变化率如图5、图6所示。图中A和B分别表示每只探测器的A像元和B像元。
图5 S13735试验前后光谱响应率相对变化率
Fig.5 Relative change rate of spectral response rate before and after s13735 test
根据星载探测器环境试验要求，从图5、图6可以看出，各型号探测器试验前后的相对光谱响应率的变化率都在±3%以内，为了得到性能更优的探测器组件，根据使用数量要求，依照优中选优的标准可以筛选出变化率更低的探测器，从而应用到高精度偏振和光谱测量中。
3.2 探测器试验前后暗电流变化
探测器作为一种典型的光电二极管，其暗电流是指在没有输入光信号的情况下输出的电流信号。探测器暗电流来源复杂影响因素较多，且其测量不确定度也是影响短波红外偏振测量仪器测量精度的最重要因素，所以对于星载探测器组件进行试验前后暗电流变化情况分析就显得尤为重要。图7、图8、图9分别为各型号探测器试验前后暗电流值。
由图7、图8可以看出：S13735和G12180探测器试验前后暗电流都不超过50pA，小于100pA的要求，说明这几种型号的探测器组件经过试验考核后具有较好的稳定性和可靠性，满足航天载荷性能需求。由图9可以看出：对于G12183探测器的0mV偏压和30mV偏压也满足试验后暗电流变化率不超过试验前5倍的要求，同样满足航天载荷性能要求。
3.3 制冷器制冷驱动电流试验前后变化
红外探测器制冷器制冷驱动电流在室温22℃条件下进行测试（注：编号1～5表示5只InGaAs G12180探测器，编号6～9表示4只InGaAs G12183探测器），测试结果及变化率如图10所示。
图6 G12180和G12183试验前后光谱响应率相对变化率
Fig.6 Relative change rate of spectral response before and after G12180 and G12183 tests
图7 S13735探测器试验前后暗电流值
Fig.7 Dark current before and after S13735 detector test
图8 G12180探测器试验前后暗电流值
Fig.8 Dark current value of G12180 detector before and after test
图9 G12183探测器0mV和38mV偏压试验前后暗电流值
Fig.9 Dark current value of G12183 detector before and after 0mV and 38mV bias test
图10 红外探测器试验前后制冷驱动电流值及其变化率
Fig.10 Driving current value and change rate of refrigeration before and after infrared detector test
红外InGaAs探测器的G12180、G12183两种型探测器试验前后的制冷驱动电流的变化率最大分别为－8.108%、－8.609%，也满足实验前初始测试值的±10%误差变化。
3.4 探测器制冷特性测试结果
红外InGaAs探测器制冷特性在探测器外壳温度为－7℃～－17℃时进行探测器制冷性能测试，各个探测器温控最大最小值测试结果如图11所示。
试验过程中，红外探测器温控精度均满足21.36±0.2℃要求，探测器制冷特性满足要求。
4 结论
试验结果表明：S13735、G12180、G12183型探测器组件试验前后的相对光谱响应率最大变化率分别为－1.3315%、2.2061%、0.8775%，满足试验前初始测试值的±10%误差变化。S13735、G12180型探测器组件的试验前后的暗电流都不超过100Pa，G12183探测器的试验后暗电流变化率不超过试验前5倍，皆满足试验误差要求。红外G12180和G12183型探测器的试验前后制冷器制冷驱动电流的变化率最大分别为－8.108%、－8.609%，满足实验前初始测试值的±10%误差变化，探测器的制冷性能满足要求。
图11 红外探测器温控值
Fig.11 Temperature control value of infrared detector assembly
红外探测器温控精度均满足21.36℃±0.2℃要求。说明经过热真空环境试验考核后的各探测器组件具有较好的稳定性和可靠性，探测器热真空试验后各项性能指标正常。
结合各参数在实际工程中对探测器性能的影响的重要性设置各参数权重因子，进行定量计算后，从参试各类型探测器中选取试验综合性能最优的产品用于星载高精度偏振和光谱测量中。
