低溫真空光學設計管理論文

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摘要：低溫光學就是要解決光學系統在低溫情況下的一系列問題，如材料特性、光學元件單元及系統整體性能變化、光學元件變形、低溫污染等等。為適應航天某光學系統研究的需要，研制了一套低溫真空實驗裝置。該低溫真空光學實驗裝置包括低溫真空腔體、真空抽氣系統、ZYGO干涉儀和防振平臺以及監控測溫系統。其中的低溫真空腔體是針對小型光學元件實驗設計的，它主要用于測量光學元件的溫度場和低溫變形，并且把電機產生的局部熱量盡可能的導出系統外部。本文還對真空低溫腔的關鍵部件光學窗口和梯形支撐的設計進行了詳細分析。

關鍵詞：低溫真空低溫光學實驗裝置有限元ZYGO干涉儀梯形支撐

1引言

隨著空間技術和軍事技術的發展需要，探測儀器的分辨率要求越來越高。在深冷的條件下，當需要探測的目標信號十分虛弱時，探測儀器的背景輻射主要來自儀器本身的光學系統和支撐結構，探測儀器靈敏度嚴重受到系統本身輻射的影響，為減少這一熱噪聲，冷卻光學系統是必需采用的方法。只有把光學系統冷卻及其相關部件冷卻到一定程度，才能有效地減少背景光子的通量，發揮背景極限探測器的作用，大大提高探測器靈敏度。在低溫狀態下工作的光學系統需要解決一系列問題，這些問題涉及材料特性、光學元件單元及系統整體性能變化、光學元件變形、低溫污染等等，這就形成了一門新興學科——低溫光學。

自上世紀七十年代開始，美國首先對低溫光學技術進行研究，最初主要用于各種觀察、測量系統，例如低溫紅外望遠鏡、空載干涉儀器等。從機載、球載到星載，大多數系統都成功有效地完成了對外空的各種探測任務。歐洲一些國家也對低溫光學系統的觀察儀器進行了研究。國內起步于上世紀八十年代末，由于國內航天及其國防事業的發展要求有高靈敏度的探測器，而這些儀器將不可避免地用到低溫光學系統。

我國的未來光學遙感系統采用了十幾個光學元件，這些系統要求冷卻到150K，并且對光學元件的控溫范圍要求非常嚴格，因此就需要研制一套低溫真空實驗裝置對相關的光學元件進行低溫實驗。

2系統實驗裝置的建立

該光學系統的最主要部件之一是動鏡裝置部分。基于反射鏡的溫度要冷卻到150K并對反射鏡的變形進行研究的目的，就需要建立一套高真空和低溫應用的實驗系統，該系統還要滿足進行其它光學元件的低溫實驗需要。系統實驗裝置由真空機組、低溫真空腔體、防振系統、測量裝置等主要部分組成。

2.1低溫真空腔體設計

低溫真空光學實驗裝置系統示意圖如圖1所示，1-機械泵2-預閥3-分子泵4-高閥5-銅帶6-低溫真空腔7-直線電機8-電源9-被測量光學系統10-ZYGO干涉儀11-光學窗口12-監控計算機13-溫控電路14-鉑電阻15-電熱器16-液氮箱17-活性炭18-氮氣19液氮20低閥。低溫真空腔體是實驗系統的核心部分，其示意圖見如圖2，1—抽氣管2-液氮桶3-上腔體4-銅帶5-引線出口6-支撐平臺7-下腔體8-電機支撐9-梯形支撐10-光學窗口11-O形圈12-動鏡支撐框架13-O形圈14-活性炭15-出氣管16-進液管。腔體總高461mm，外殼直徑284mm。內有圓柱形液氮容器，可以儲存液體約4升。其中的光學元件支撐框架是專門為動鏡設計的，其高度177mm。整個腔體可以測試直徑小于250mm,高度小于200mm的各類反射鏡和光學元件。

液氮桶下面用銅帶接光學元件裝置，當液氮桶灌注液氮后，冷量通過銅帶傳導給光學元件裝置。下腔體的石英玻璃光學窗口直徑為64mm.光學元件支撐結構由支撐平臺和固定夾板組成。用固定夾板是為了防止光學元件框架移動，并保證光線垂直射到動鏡表面上。由于動鏡需要電機驅動，而電機的發熱量為3-5W，而這部分熱量輻射對動鏡有很大影響，因此就用導熱率較高的紫銅支撐把一部分熱量盡可能的傳遞給系統外部。由于光學元件裝置部分需要冷卻因此就需要盡量避免它與外界和腔體傳遞熱量，因此就考慮用梯形支撐，由于梯形支撐壁很薄，就起到了很好的隔熱作用。

2.2真空抽氣系統和活性炭處理

真空抽氣系統由機械泵和分子泵組成。由于ZYGO干涉儀器對震動非常敏感，在光學測試的同時，關掉機械泵和分子泵。在關掉機械泵和分子泵的期間，還要維持真空腔體內的真空，故考慮在腔體內加活性炭以維持腔體內的真空度。為了去處活性炭中的水汽和其它氣體，需要對其進行烘烤預處理?；钚蕴吭诩庸さ臅r候已經固定于上組件中，所以把整個上組件放在DZF-6210真空干燥箱中，在溫度為100°C，烘烤約48小時使得真空度穩定在0.1Pa，然后再做真空低溫實驗。

2.3ZYGO激光平面干涉儀器

非平面的光學元件可以用He-Ne儀器進行光學測量，而平面型光學元件只能用ZYGO干涉儀如圖3進行測量，由于ZYGO干涉儀器對震動非常敏感，因此就需要防震措施。如圖3為ZYGO激光平面干涉儀及其防震裝置。

圖1低溫真空光學實驗裝置系統示意圖

圖2低溫真空腔體結構示意簡圖

3關鍵部件的分析與設計

3.1光學窗口的有限分析

干涉測量的光線要通過窗口，所以就要考慮窗口的厚度對測量誤差的影響，應盡可能使光學窗口厚度最小，同時還要能承受外部一個大氣壓的作用。在外部一個大氣壓，內部幾乎為真空的條件下，綜合考慮窗口折射帶來誤差的影響和其強度的大小，要求石英玻璃窗口的最大變形小于一個波長λ（λ=0.53μm）。

通過ANSYS軟件建立動鏡的有限元模型，并施加邊界條件，改變動鏡的厚度，進行變厚度有限元分析。如圖4-圖6是其中比較有代表性的三個分析結果。從有限元分析結果可以得到不同厚度玻璃窗口最大變形比較。光學窗口厚8mm時其最大變形0.989μm遠超過一個波長，當其厚度從10mm變到12mm,起最大變形都小于一個波長，但是變化值并不大。窗口厚度變大，其折射帶來的誤差就大，為了保證其強度，綜合這兩個因素選擇10mm厚，徑厚比為6.4∶1的玻璃窗口。

3.2梯形支撐的設計

梯形支撐是連接真空腔體和支撐平臺的關鍵部件，如圖7為其示意圖,圖中為熱端溫度，為冷端溫度。它一方面要求滿足盡量減少導熱，起到“絕熱”的作用，另一方面又要求其強度能滿足實驗的要求。

圖7梯形支撐模型示意圖

根據[1]知道，梯形支撐的熱傳導量為：

（1）

式中：——從支撐熱端溫度到冷端溫度之間支撐材料的平均熱導率；其表達式為：

（2）

——支撐的橫截面積；

L——支撐的高度。

考慮到起其強度[5]，有：

（3）

式中：——作用于構件的設計載荷；

——安全系數；

——支撐材料的屈服強度。

由公式（1）、（2）和（3）可得：

（4）

由公式4可以看出傳熱量與材料屈服強度與材料導熱系數之比成反比。欲使傳熱量越小，就應該選擇越大的材料，即材料的屈服強度盡量大，材料的導熱系數盡量小。由文獻[2]和[3]并且考慮到加工成本經濟性，選擇不銹鋼作為梯形支撐的材料。并計算選取梯形支撐的壁厚1mm。參閱金屬材料數據庫可得到不銹鋼的低溫導熱系數，對溫度區間20K∽300K進行擬合可以得到不銹鋼的導熱系數擬合公式如圖8所示。即

（5）

圖8不銹鋼導熱系數擬合

在設計載荷為500N,安全系數取1.5,不銹鋼的屈服強度為210MPa,支撐高度為0.046m,高溫端為300K,低溫端取150K。由公式（4）計算得漏熱量為0.042W,可以忽略不計。

4小結

現代技術的發展對觀測和成像設備的工作波段和空間分辨率都有很高的要求，低溫真空技術越來越受到關注。本文研究了小型低溫光學實驗裝置的相關技術。重點討論了真空低溫腔的結構、光學窗口影響及其有限元分析和梯形支撐的設計，并給出了實驗裝置的系統示意圖，對相關技術進行了探討，為近一步的低溫光學研究打下了基礎，并在以后的工作中不斷完善。

參考文獻

[1]楊世銘陶文銓《傳熱學》（第三版）高等教育出版社1998

[2]馬慶芳芳榮生項立成郭舜《實用熱物理性質手冊》中國農業出版社1986

[3]宋鍵朗楊奮為袁文彬等《材料手冊——金屬》上海航天局第八零七研究所1992

[4]達道安邱家穩等真空設計手冊（第3版）國防工業出版社2004.7

[5]機械設計手冊編委會《機械設計手冊》（第三版）機械工業出版社2004.8