小型低溫真空光學(xué)實(shí)驗(yàn)論文

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摘要摘要：低溫光學(xué)就是要解決光學(xué)系統(tǒng)在低溫情況下的一系列新問題，如材料特性、光學(xué)元件單元及系統(tǒng)整體性能變化、光學(xué)元件變形、低溫污染等等。為適應(yīng)航天某光學(xué)系統(tǒng)探究的需要，研制了一套低溫真空實(shí)驗(yàn)裝置。該低溫真空光學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置包括低溫真空腔體、真空抽氣系統(tǒng)、ZYGO干涉儀和防振平臺以及監(jiān)控測溫系統(tǒng)。其中的低溫真空腔體是針對小型光學(xué)元件實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的，它主要用于測量光學(xué)元件的溫度場和低溫變形，并且把電機(jī)產(chǎn)生的局部熱量盡可能的導(dǎo)出系統(tǒng)外部。本文還對真空低溫腔的關(guān)鍵部件光學(xué)窗口和梯形支撐的設(shè)計(jì)進(jìn)行了具體分析。

摘要：低溫真空低溫光學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置有限元ZYGO干涉儀梯形支撐

1引言

隨著空間技術(shù)和軍事技術(shù)的發(fā)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(dāng)需要探測的目標(biāo)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(xué)系統(tǒng)和支撐結(jié)構(gòu)，探測儀器靈敏度嚴(yán)重受到系統(tǒng)本身輻射的影響，為減少這一熱噪聲，冷卻光學(xué)系統(tǒng)是必需采用的方法。只有把光學(xué)系統(tǒng)冷卻及其相關(guān)部件冷卻到一定程度，才能有效地減少背景光子的通量，發(fā)揮背景極限探測器的功能，大大提高探測器靈敏度。在低溫狀態(tài)下工作的光學(xué)系統(tǒng)需要解決一系列新問題，這些新問題涉及材料特性、光學(xué)元件單元及系統(tǒng)整體性能變化、光學(xué)元件變形、低溫污染等等，這就形成了一門新興學(xué)科——低溫光學(xué)。

自上世紀(jì)七十年代開始，美國首先對低溫光學(xué)技術(shù)進(jìn)行探究，最初主要用于各種觀察、測量系統(tǒng)，例如低溫紅外望遠(yuǎn)鏡、空載干涉儀器等。從機(jī)載、球載到星載，大多數(shù)系統(tǒng)都成功有效地完成了對外空的各種探測任務(wù)。歐洲一些國家也對低溫光學(xué)系統(tǒng)的觀察儀器進(jìn)行了探究。國內(nèi)起步于上世紀(jì)八十年代末，由于國內(nèi)航天及其國防事業(yè)的發(fā)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(xué)系統(tǒng)。

我國的未來光學(xué)遙感系統(tǒng)采用了十幾個光學(xué)元件，這些系統(tǒng)要求冷卻到150K，并且對光學(xué)元件的控溫范圍要求非常嚴(yán)格，因此就需要研制一套低溫真空實(shí)驗(yàn)裝置對相關(guān)的光學(xué)元件進(jìn)行低溫實(shí)驗(yàn)。

2系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置的建立

該光學(xué)系統(tǒng)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(jìn)行探究的目的，就需要建立一套高真空和低溫應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)還要滿足進(jìn)行其它光學(xué)元件的低溫實(shí)驗(yàn)需要。系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置由真空機(jī)組、低溫真空腔體、防振系統(tǒng)、測量裝置等主要部分組成。

2.1低溫真空腔體設(shè)計(jì)

低溫真空光學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)示意圖如圖1所示，1-機(jī)械泵2-預(yù)閥3-分子泵4-高閥5-銅帶6-低溫真空腔7-直線電機(jī)8-電源9-被測量光學(xué)系統(tǒng)10-ZYGO干涉儀11-光學(xué)窗口12-監(jiān)控計(jì)算機(jī)13-溫控電路14-鉑電阻15-電熱器16-液氮箱17-活性炭18-氮?dú)?9液氮20低閥。低溫真空腔體是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)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(jī)支撐9-梯形支撐10-光學(xué)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(jìn)液管。腔體總高461mm，外殼直徑284mm。內(nèi)有圓柱形液氮容器，可以儲存液體約4升。其中的光學(xué)元件支撐框架是專門為動鏡設(shè)計(jì)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(xué)元件。

液氮桶下面用銅帶接光學(xué)元件裝置，當(dāng)液氮桶灌注液氮后，冷量通過銅帶傳導(dǎo)給光學(xué)元件裝置。下腔體的石英玻璃光學(xué)窗口直徑為64mm.光學(xué)元件支撐結(jié)構(gòu)由支撐平臺和固定夾板組成。用固定夾板是為了防止光學(xué)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(jī)驅(qū)動，而電機(jī)的發(fā)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(dǎo)熱率較高的紫銅支撐把一部分熱量盡可能的傳遞給系統(tǒng)外部。由于光學(xué)元件裝置部分需要冷卻因此就需要盡量避免它和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功能。

2.2真空抽氣系統(tǒng)和活性炭處理

真空抽氣系統(tǒng)由機(jī)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(xué)測試的同時，關(guān)掉機(jī)械泵和分子泵。在關(guān)掉機(jī)械泵和分子泵的期間，還要維持真空腔體內(nèi)的真空，故考慮在腔體內(nèi)加活性炭以維持腔體內(nèi)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(jìn)行烘烤預(yù)處理。活性炭在加工的時候已經(jīng)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(wěn)定在0.1Pa，然后再做真空低溫實(shí)驗(yàn)。

2.3ZYGO激光平面干涉儀器

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

3關(guān)鍵部件的分析和設(shè)計(jì)

3.1光學(xué)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(yīng)盡可能使光學(xué)窗口厚度最小，同時還要能承受外部一個大氣壓的功能。在外部一個大氣壓，內(nèi)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(qiáng)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(jìn)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(jié)果。從有限元分析結(jié)果可以得到不同厚度玻璃窗口最大變形比較。光學(xué)窗口厚8mm時其最大變形0.989μm遠(yuǎn)超過一個波長，當(dāng)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(qiáng)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(shè)計(jì)

梯形支撐是連接真空腔體和支撐平臺的關(guān)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(dǎo)熱，起到“絕熱”的功能，另一方面又要求其強(qiáng)度能滿足實(shí)驗(yàn)的要求。

由公式4可以看出傳熱量和材料屈服強(qiáng)度和材料導(dǎo)熱系數(shù)之比成反比。欲使傳熱量越小，就應(yīng)該選擇越大的材料，即材料的屈服強(qiáng)度盡量大，材料的導(dǎo)熱系數(shù)盡量小。由文獻(xiàn)[2和[3并且考慮到加工成本經(jīng)濟(jì)性，選擇不銹鋼作為梯形支撐的材料。并計(jì)算選取梯形支撐的壁厚1mm。參閱金屬材料數(shù)據(jù)庫可得到不銹鋼的低溫導(dǎo)熱系數(shù)，對溫度區(qū)間20K∽300K進(jìn)行擬合可以得到不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)擬合公式如圖8所示。即

在設(shè)計(jì)載荷為500N,平安系數(shù)取1.5,不銹鋼的屈服強(qiáng)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(jì)算得漏熱量為0.042W,可以忽略不計(jì)。

4小結(jié)

現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展對觀測和成像設(shè)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(shù)越來越受到關(guān)注。本文探究了小型低溫光學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置的相關(guān)技術(shù)。重點(diǎn)討論了真空低溫腔的結(jié)構(gòu)、光學(xué)窗口影響及其有限元分析和梯形支撐的設(shè)計(jì)，并給出了實(shí)驗(yàn)裝置的系統(tǒng)示意圖，對相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了探索，為近一步的低溫光學(xué)探究打下了基礎(chǔ)，并在以后的工作中不斷完善。

參考文獻(xiàn)

[1楊世銘陶文銓《傳熱學(xué)》（第三版）高等教育出版社1998

[2馬慶芳芳榮生項(xiàng)立成郭舜《實(shí)用熱物理性質(zhì)手冊》中國農(nóng)業(yè)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探究所1992

[4達(dá)道安邱家穩(wěn)等真空設(shè)計(jì)手冊（第3版）國防工業(yè)出版社2004.7

[5機(jī)械設(shè)計(jì)手冊編委會《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》（第三版）機(jī)械工業(yè)出版社2004.8