一种用于水下读出电子学系统的散热方法及装置

技术领域

本发明属于光电倍增管制造领域，涉及一种用于光电倍增管水下读出电子学系统的散热方法及装置。

背景技术

光电倍增管(Photomultiplier Tube，PMT)是一种高灵敏度的光电转换器件，广泛应用于医学成像、天文学观测、粒子物理学实验等众多领域。该器件由光电阴极、一系列倍增极和收集极组成。当光子照射到光电阴极上时，会释放出电子，这些电子会被加速并进入第一个倍增极。由于倍增极上的高电压，这些电子会在倍增极上撞击产生更多的电子，这些电子又会被加速并进入下一个倍增极，最终产生大量的电子，并被收集极收集，形成一个电流信号输出，并被其配套的读出电子学系统获取、处理。光电倍增管及其读出电子学经常在各类水下探测器中使用(例如切伦科夫探测器)。这是因为水有很好的抗辐射性能，可以保护光电倍增管免受高能带电粒子的辐射损伤。此外，水还可以起到减弱背景辐射的作用，提高探测器的信噪比。

为了确保光电倍增管及其读出电子学可以在水下正常工作，通常会设计高可靠的防水结构，将读出电子学和水进行隔离。此外，还需要将读出电子学的热量高效、可靠地传递到防水结构外侧，以将读出电子学的温度控制在合理的范围内。然而，实现读出电子学的散热仍存在以下几个技术难题：

1.从物理的角度，所使用的材料必须避免铀、钍、钾等元素的掺杂，以确保放射性本底低于各探测器需要的水平。

2.从传热的角度，应具有稳定、可靠的传热性能。即便散热装置在长期使用时出现老化，也应有足够的设计冗余度，避免立刻失效，从而导致读出电子学快速温升并损坏。

3.从电子学的角度，散热装置应远离读出电子学的高压器件，并实现电路板和散热片之间的地绝缘，以避免对前端电子学的高速读出信号造成影响。

4.从机械设计的角度，散热装置在密封腔体内须获得良好的固定，避免在成品运输过程中，由于振动导致读出电子学或散热装置损坏。

5.从制造工艺的角度，散热装置的各个零件制造工艺应适合批量制造，从而降低制造成本。

6.从组装的角度，散热装置的组装应便于人员操作，满足快速、低成本和批量化制造的需求。

发明内容

本发明提供了一种光电倍增管水下读出电子学系统的散热方法和装置，旨在解决光电倍增管的水下读出电子学的散热问题。

本发明的技术方案为：

一种用于水下读出电子学系统的散热方法，其步骤包括：

1)将水下读出电子学系统的电路板密封在一腔体2内，所述电路板包括两块高压电路板5和两块低压电路板6；所述腔体2的密封盖1上设有多个密封接插件3；两所述高压电路板5通过所述密封接插件3与所述腔体2外的光电倍增管互联；

2)在所述腔体2的底部设置一突起结构13，所述突起结构13穿过环形铜板12中心，利用所述环形铜板12支撑两传热铜板7，两块所述高压电路板5设置于靠近所述腔体2的中心，两所述低压电路板6置于两所述高压电路板5的两侧，每一所述低压电路板6的外侧设置一传热铜板7；所述低压电路板6的功耗芯片18设置在对应低压电路板6靠近传热铜板7的一侧且与对应传热铜板7上的散热铜块11贴合；

3)所述功耗芯片18通过散热铜块11、传热铜板7和环形铜板12将部分热量传递到所述腔体2外侧的环境中；所述功耗芯片18的部分热量通过自然对流的方式传递到所述腔体2内的空气中，然后经所述腔体2的侧壁传递到外界环境中；所述高压电路板5的芯片的热量通过自然对流方式传递到所述腔体2内的空气中，然后通过所述腔体2的壁面将热量传递到外界环境。

进一步的，所述传热铜板7一端与所述环形铜板12连接，另一端与所述密封盖1连接；所述传热铜板7与所述低压电路板6之间电绝缘连接；相邻电路板之间通过螺柱8固定并控制间距。

进一步的，两所述传热铜板7的边缘是高度一致的铆柱9，所述铆柱9与所述低压电路板6之间设有绝缘垫片20，通过放松螺钉15依次穿过所述低压电路板6、绝缘垫片20、铆柱9、绝缘平垫21与螺母16，实现所述传热铜板7与所述低压电路板6的电绝缘连接。

进一步的，在固体传热的缝隙填充导热硅胶垫14，所述导热硅胶垫14的压缩量控制在初始厚度的20％-30％。

进一步的，所述环形铜板12、传热铜板7、散热铜块11的表面均电镀一层无磁性镍，用于避免铜与所述导热硅胶垫14直接接触。

进一步的，当所述低压电路板6的第一区域内仅有一个功耗芯片18，且该功耗芯片18的高度小于设定值，则所述功耗芯片18对应的散热铜块11为一面平整、另外一面带有凹槽的第一散热铜块；该凹槽的深度为所述导热硅胶垫14初始厚度的70％-80％，通过沉头螺钉17将该第一散热铜块固定在所述传热铜板7上；当所述低压电路板6的第二区域内有多个相邻的功耗芯片18，且相邻各功耗芯片的高度不一致，则该第二区域内各功耗芯片18对应的散热铜块11为一面带有凹槽结构、另外一面是台阶结构的第二散热铜块，通过该第二散热铜块台阶结构控制该第二区域内各功耗芯片与该第二散热铜块之间的间距，从而控制该第二区域内各功耗芯片与对应散热铜块11间的硅胶垫压缩量一致；当所述低压电路板6的功耗芯片18高度大于所述低压电路板6与对应传热铜板7之间的间距时，在对应散热铜块11上加工凹槽并填充硅胶垫，用于通过控制硅胶垫的压缩量嵌入所述功耗芯片18。

一种用于水下读出电子学系统的散热装置，其特征在于，包括一腔体2；所述腔体2的密封盖1上设有多个密封接插件3；

所述腔体2，用于容纳并密封水下读出电子学系统的电路板，所述电路板包括两块高压电路板5和两块低压电路板6；两所述高压电路板5通过所述密封接插件3与所述腔体2外的光电倍增管互联；

所述腔体2的底部设置一突起结构13，所述突起结构13穿过环形铜板12中心，利用所述环形铜板12支撑两传热铜板7，两块所述高压电路板5设置于靠近所述腔体2的中心，两所述低压电路板6置于两所述高压电路板5的两侧，每一所述低压电路板6的外侧设置一传热铜板7；所述低压电路板6的功耗芯片18设置在对应低压电路板6靠近传热铜板7的一侧且与对应传热铜板7上的散热铜块11贴合。

本发明的水下电子学系统主要由4块电路板构成，其中包括功率较小的两块高压电路板和功率较大的两块低压读出电路板。所有电路板都被密封在一个圆柱形的腔体内，腔体的一端是用于密封的盖子，盖子上有多个密封接插件，通过连接在高压电路板上，用于腔内读出电子学和腔外光电倍增管的信号互联。低压电路板从高压电路板获取信号。

其中，两块高压电路板靠近腔体中心，低压电路板置于高压电路板两侧，两块巨大的散热铜板位于低压电路板两侧。功耗芯片布局在每块低压电路板靠近传热铜板一侧，并与传热铜板贴合。每块电路板的之间是不锈钢材质的螺柱，用于电路板之间的机械固定和间距控制。两块传热铜板边缘是高度一致的铆柱，利用铆柱和一种绝缘垫片结构实现低压电路板和传热铜板的间距控制，同时利用螺钉、螺母、绝缘平垫实现两者之间的机械连接和电绝缘。一块环形铜板机械固定在电路板的垂直方向，并通过螺钉、防松螺母等紧固零件与传热铜板实现机械固定，在腔体内侧与电路板和传热铜板构成整体结构。腔体端盖和传热铜板通过螺钉进行机械固定，为了避免整体结构形成悬臂梁，产生较大的变形或振动，在腔体底面的中心焊接了圆柱形的突起结构，该突起结构穿过环形铜板中心，在环形铜板的径向实现整体结构的机械支撑。

为了减少热量传递路径中的接触热阻，固体传热的缝隙填充了导热硅胶垫，所有硅胶垫的压缩量控制在初始厚度的20％-30％。该压缩量一方面避免硅胶垫压缩过量导致损坏，另一方面确保了足够压缩冗余，避免硅胶垫老化失效，造成芯片温度立刻升高而损坏。

作为优选方案，为了降低散热铜板的制造成本，在确保较小接触热阻的同时控制缝隙中硅胶垫的压缩量。对于不同高度、不同尺寸和不同位置的功耗芯片，采取不同机械结构将热量传递到传热铜板上。如果芯片高度尺寸较小，且该芯片周围不存在其他功耗芯片，其机械结构是一面平整，另外一面带有凹槽的散热铜块。该凹槽深度为硅胶垫初始厚度的70％-80％，通过沉头螺钉将该散热铜块固定在传热铜板上，使凹槽中的硅胶垫压缩，当螺钉拧紧后，凹槽中硅胶垫的压缩量即为初始厚度的20％-30％。除此之外，功耗芯片和散热铜块之间的间距是同样为硅胶垫初始厚度的70％-80％，从而实现此处硅胶垫的压缩量控制。作为优选，如果几个功耗芯片距离很近，且每个芯片的高度尺寸不同，其机械结构是一面带有凹槽结构，另外一面是台阶结构的散热铜块，该铜块和上述铜块的最大不同是台阶结构控制各个功耗芯片和散热铜块之间的间距，从而控制各个功耗芯片和散热铜板间的硅胶垫压缩量一致。这两种散热铜块结构，避免对整个传热铜板进行大面积的铣床加工，极大节省了材料成本和制造难度，也避免了铣床大面积加工导致的传热铜板翘曲变形。作为优选，如果功耗芯片尺寸过高，大于电路板和散热片之间的间距，可在传热铜板上加工不同深度的凹槽，并填充导致特定厚度的硅胶垫，实现硅胶垫的压缩量控制。

作为优选，电路板PCB和传热铜板的间距应大于安全距离，同时尽量减少在铜板制造凹槽和制造铜块的数量，节省制造成本。

传热铜板和环形铜板之间的接触面上，传热铜板具有凹槽结构，一旦两者实现固定，硅胶垫压缩量控制在其初始厚度的20％-30％。在环形铜板和腔体底面之间的缝隙，是一块圆环状的导热硅胶垫，由于腔体的轴向尺寸公差和内部散热结构在轴向的装配公差较大，为了控制硅胶垫压缩量为初始厚度的20％-30％，此处的硅胶垫较厚，导热系数须更大。

导热硅胶垫相较于不锈钢和无氧铜，更容易老化，其失效形式是：硅胶垫首先缓慢变硬，后缓慢变软，最终硅胶垫和其中一个接触面不再贴合。当铜和硅胶垫贴合时，铜将作为催化剂加速硅胶垫老化失效。为了避免加速老化现象，所有铜零件表面均电镀了一层催化活性较低的无磁性镍，避免铜和硅胶垫直接接触。

该散热装置的传热方式如下：低压电路板的功耗芯片通过传热铜板和环形铜板将热量传递到腔体外侧的环境中。在这个过程中，部分热量通过自然对流的方式传递到腔体内侧的空气中，最终经过腔体侧壁传递到外界环境中；高压电路板的芯片通过自然对流的方式将热量传递到腔体的空气中，随后通过腔体壁面传递到外界环境。

本发明采用的材料是放射性较低的无氧铜、不锈钢、硅胶垫和无磁性镍，总体质量小，满足PMT在多种低本底探测中的应用需求。

本发明是一种光电倍增管水下读出电子学的散热方法和装置，该发明的有益效果是：

(1)该散热装置具有足够的设计冗余，能够实现散热装置高效、可靠散热，确保PMT电子学工作在较低温度，提升了电子学的可靠性。

(2)散热装置的总体放射性本底低，能够满足PMT在各种低本底探测的使用需求。

(3)散热系统和PMT读出电子学实现了良好耦合，避免对前端电子学的高速读出信号造成影响。

(4)散热装置实现了良好的机械固定，避免悬臂梁结构，避免轻微振动出现损坏。

(5)散热装置的设计节省了制造及组装成本，适合实现批量化制造。

附图说明

图1是本发明PMT水下读出电子学的散热装置实施例(剖面图)。

图2是PMT水下读出电子学的散热装置实施例(3D视图)。

图3是功耗芯片和传热铜板之间的铜块结构示意图。

图4是功耗芯片和传热铜板之间的凹槽结构示意图。

图5是位于传热铜板和环形铜板接触面的凹槽结构示意图。

图中，1-密封盖，2-密封腔体，3-密封接插件，4-电缆，5-高压电路板，6-低压电路板，7-传热铜板，8-螺柱，9-铆柱，10-螺钉，11-散热铜块，12-环形铜板，13-突起结构，14-导热硅胶垫，15-防松螺钉，16-防松螺母，17-沉头螺钉，18-功耗芯片，19-凹槽结构，20-绝缘垫片，21-绝缘平垫。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1展示了圆柱形腔体中散热装置的剖面图，该水下电子学系统主要由四块电路板构成，其中包括功率较小的两块高压电路板5和功率较大的两块低压读出电路板6。所有电路板都被密封在一个圆柱形的腔体2内，腔体的一端是用于密封的盖子1，盖子上有多个密封接插件3，通过连接在高压电路板上，通过同轴电缆4用于腔内读出电子学和腔外光电倍增管的信号互联，低压电路板和高压电路板通过线缆实现互联。

其中，两块高压电路板5靠近腔体中心，低压电路板6置于高压电路板两侧，两块巨大的散热铜板7位于低压电路板两侧。功耗芯片布局在每块低压电路板靠近传热铜板一侧，并各有和传热铜板贴合。每块电路板的之间是不锈钢材质的螺柱8，用于电路板之间的机械固定和间距控制。两块传热铜板边缘是高度一致的铆柱9，利用铆柱9和一种绝缘垫片20实现低压电路板和传热铜板的间距控制，同时利用螺钉15、螺母16、绝缘平垫21实现两者之间的机械连接和电绝缘。一块环形的铜板12机械固定在电路板的垂直方向，并通过螺钉15、防松螺母16等紧固零件与传热铜板实现机械固定，在腔体内侧与电路板和传热铜板7构成整体结构。腔体端盖1和传热铜板7通过螺钉进行机械固定，为了避免整体结构形成悬臂梁，产生较大的变形或振动，在腔体底面的中心焊接了圆柱形的突起结构13，该突起结构穿过环形铜板中心，在环形铜板12的径向实现整体结构的机械支撑。

为了减少热量传递路径中的接触热阻，固体传热的缝隙填充了导热硅胶垫14，所有硅胶垫的压缩量控制在初始厚度的20％-30％。该压缩量一方面避免硅胶垫压缩过量导致损坏，另一方面确保了足够压缩冗余，避免硅胶垫老化失效，造成芯片温度立刻升高而损坏。

作为优选方案，为了降低散热铜板的制造成本，在确保较小接触热阻的同时控制缝隙中硅胶垫的压缩量。对于不同高度、不同尺寸和不同位置的功耗芯片，采取不同机械结构将热量传递到传热铜板上。如果芯片高度尺寸较小，且该芯片周围不存在其他功耗芯片，散热铜块11的机械结构是一面平整，另外一面带有凹槽的散热铜块。该凹槽深度为硅胶垫初始厚度的70％-80％，通过沉头螺钉17将该散热铜块11(如图2)固定在传热铜板上，使凹槽中的导热硅胶垫14压缩，当螺钉拧紧后，凹槽中硅胶垫的压缩量即为初始厚度的20％-30％。除此之外，功耗芯片和散热铜块之间的间距是同样为硅胶垫初始厚度的70％-80％，从而实现此处硅胶垫的压缩量控制。作为优选，如果几个功耗芯片距离很近，且每个芯片的高度尺寸不同，其机械结构是一面带有凹槽结构，另外一面是台阶结构的散热铜块(如图3)，该铜块和上述铜块的最大不同是台阶结构控制各个功耗芯片和散热铜块之间的间距，从而控制各个功耗芯片和散热铜板间的硅胶垫压缩量一致。这两种散热铜块结构，避免对整个传热铜板进行大面积的铣床加工，极大节省了材料成本和制造难度，也避免了铣床大面积加工导致的传热铜板翘曲变形。作为优选，如果功耗芯片尺寸过高，大于电路板和散热片之间的间距，可在传热铜板上加工不同深度的凹槽(如图4)，并填充导致特定厚度的硅胶垫，实现硅胶垫的压缩量控制。

作为优选，电路板PCB和传热铜板的间距应大于安全距离，同时尽量减少在铜板制造凹槽和制造铜块的数量，节省制造成本。

传热铜板和环形铜板之间的接触面上，传热铜板具有凹槽结构(如图5)，一旦两者实现固定，硅胶垫压缩量控制在其初始厚度的20％-30％。在环形铜板和腔体底面之间的缝隙，是一块圆环状的导热硅胶垫，由于腔体的轴向尺寸公差和内部散热结构在轴向的装配公差较大，为了控制硅胶垫压缩量为初始厚度的20％-30％，此处的硅胶垫较厚，导热系数须更大。

导热硅胶垫相较于不锈钢和无氧铜，更容易老化，其失效形式是：硅胶垫首先缓慢变硬，后缓慢变软，最终硅胶垫和其中一个接触面不再贴合。当铜和硅胶垫贴合时，铜将作为催化剂加速硅胶垫老化失效。为了避免加速老化现象，所有铜零件表面均电镀了一层催化活性较低的无磁性镍，避免铜和硅胶垫直接接触。

该散热装置的传热方式如下：低压电路板的功耗芯片通过传热铜板和环形铜板将热量传递到腔体外侧的环境中。在这个过程中，部分热量通过自然对流的方式传递到腔体内侧的空气中，最终经过腔体侧壁传递到外界环境中；高压电路板的芯片通过自然对流的方式将热量传递到腔体的空气中，随后通过腔体壁面传递到外界环境。

本发明采用的材料是放射性较低的无氧铜、不锈钢、硅胶垫和无磁性镍，总体质量小，满足PMT在多种低本底探测中的应用需求。目前申请人已经基于本发明，完成了sPMT水下读出电子学散热装置的制备，同时开展了水下电子学散热系统的测试，测试结果显示，芯片表面的温度均维持在40度以下(环境温度20℃)。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。