1、小型低溫真空光學實驗裝置設計 (1) 低溫光學就是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，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、ZYGOF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

2、隨著空間技術和軍事技術的發展需，探測儀器的分辨率求越來越高。在深冷的 條件下，當需探測的目標信號十分虛弱時，探測儀器的背景輻射主來自儀器本 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

3、，最初主用于各種 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，這些系統求冷卻到150K,并 且對光學元件的控溫范圍求非常嚴格，因此就需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 該光學系統的最主部件之一是動鏡裝置部分。基于反射鏡的溫度冷卻到150K并 對反射鏡

4、的變形進行研究的目的，就需建立一套高真空和低溫應用的實驗系 統，該系統還滿足進行其它光學元件的低溫實驗需。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- ZYGOF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

5、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 11-0形圈12-動鏡支撐框架13-0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200mnt勺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

6、 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冷卻因此就需盡量 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，還維 持真空腔體內的真空，故考慮在腔體內

7、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，需對其進行烘烤預處理。活性炭在加工的時 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。 2.3 ZYGO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 ZYGOF涉儀如圖3進行測量，由于ZYGOF涉儀器對震動非常敏感，因此就需 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

8、設計 3.1 光學窗口的有限分析 干涉測量的光線通過窗口，所以就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，求石英玻璃窗口的最大變形小于一個波長入（入=0.53卩m 。 通過ANSY歎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寸 其最大變形0.989 ym遠超過一個波長，當其厚度從10mn變到

9、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。 圖3 ZYGO激光平面干涉儀 圖4 8mm厚動鏡有限元分析結果 圖5 10mm厚動鏡有限元分析結果 圖6 12mm厚動鏡有限元分析結果 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 摘低溫光學就是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 本篇論文是由3COM文檔頻道的網友為您在網絡上收集整理餅投稿至本站 的，論文版權屬原作

10、者，請不用于商業用途或者抄襲，僅供參考學習之用，否 者后果自負，如果此文侵犯您的合法權益，請聯系我們。 為熱端溫度， 為冷端溫度。它一方面求滿足盡量減少導熱，起到“絕熱”的作 用，另一方面又求其強度能滿足實驗的求。 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

11、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 20Q 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 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