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小型低温真空光学实验装置设计

　　摘要　　低温光学就是要解决光学系统在低温情况下的一系列问题，如材料特性、光学元件单元及系统整体性能变化、光学元件变形、低温污染等等。为适应航天某光学系统研究的需要，研制了一套低温真空实验装置。该低温真空光学实验装置包括低温真空腔体、真空抽气系统、ZYGO干涉仪和防振平台以及监控测温系统。其中的低温真空腔体是针对小型光学元件实验设计的，它主要用于测量光学元件的温度场和低温变形，并且把电机产生的局部热量尽可能的导出系统外部。本文还对真空低温腔的关键部件光学窗口和梯形支撑的设计进行了详细分析。
关键词低温真空 低温光学 实验装置 有限元 ZYGO干涉仪 梯形支撑

1 引言
随着空间技术和军事技术的发展需要，探测仪器的分辨率要求越来越高。在深冷的条件下，当需要探测的目标信号十分虚弱时，探测仪器的背景辐射主要来自仪器本身的光学系统和支撑结构，探测仪器灵敏度严重受到系统本身辐射的影响，为减少这一热噪声，冷却光学系统是必需采用的方法。只有把光学系统冷却及其相关部件冷却到一定程度，才能有效地减少背景光子的通量，发挥背景极限探测器的作用，大大提高探测器灵敏度。在低温状态下工作的光学系统需要解决一系列问题，这些问题涉及材料特性、光学元件单元及系统整体性能变化、光学元件变形、低温污染等等，这就形成了一门新兴学科——低温光学。
自上世纪七十年代开始，美国首先对低温光学技术进行研究，最初主要用于各种观察、测量系统，例如低温红外望远镜、空载干涉仪器等。从机载、球载到星载，大多数系统都成功有效地完成了对外空的各种探测任务。欧洲一些国家也对低温光学系统的观察仪器进行了研究。国内起步于上世纪八十年代末，由于国内航天及其国防事业的发展要求有高灵敏度的探测器，而这些仪器将不可避免地用到低温光学系统。
我国的未来光学遥感系统采用了十几个光学元件，这些系统要求冷却到150K，并且对光学元件的控温范围要求非常严格，因此就需要研制一套低温真空实验装置对相关的光学元件进行低温实验。
2 系统实验装置的建立
该光学系统的最主要部件之一是动镜装置部分。基于反射镜的温度要冷却到150K并对反射镜的变形进行研究的目的，就需要建立一套高真空和低温应用的实验系统，该系统还要满足进行其它光学元件的低温实验需要。系统实验装置由真空机组、低温真空腔体、防振系统、测量装置等主要部分组成。
低温真空腔体设计
低温真空光学实验装置系统示意图如图1所示，1-机械泵 2-预阀 3-分子泵 4 -高阀 5 -铜带 6 -低温真空腔 7 -直线电机 8 -电源 9 -被测量光学系统 10- ZYGO干涉仪 11 -光学窗口 12- 监控计算机 13 -温控电路 14- 铂电阻 15- 电热器 16- 液氮箱 17 -活性炭 18- 氮气19 液氮 20 低阀。低温真空腔体是实验系统的核心部分，其示意图见如图2，1—抽气管 2-液氮桶 3-上腔体 4-铜带 5-引线出口 6-支撑平台7-下腔体 8-电机支撑9-梯形支撑10-光学窗口 11-O形圈 12-动镜支撑框架 13-O形圈 14-活性炭 15-出气管16-进液管。腔体总高461mm，外壳直径284mm。内有圆柱形液氮容器，可以储存液体约4升。其中的光学元件支撑框架是专门为动镜设计的，其高度177mm。整个腔体可以测试直径小于250mm,高度小于200mm的各类反射镜和光学元件。
液氮桶下面用铜带接光学元件装置，当液氮桶灌注液氮后，冷量通过铜带传导给光学元件装置。下腔体的石英玻璃光学窗口直径为64mm.光学元件支撑结构由支撑平台和固定夹板组成。用固定夹板是为了防止光学元件框架移动，并保证光线垂直射到动镜表面上。由于动镜需要电机驱动，而电机的发热量为3-5W，而这部分热量辐射对动镜 有很大影响，因此就用导热率较高的紫铜支撑把一部分热量尽可能的传递给系统外部。由于光学元件装置部分需要冷却因此就需要尽量避免它与外界和腔体传递热量，因此就考虑用梯形支撑，由于梯形支撑壁很薄，就起到了很好的隔热作用。
真空抽气系统和活性炭处理
真空抽气系统由机械泵和分子泵组成。由于ZYGO干涉仪器对震动非常敏感，在光学测试的同时，关掉机械泵和分子泵。在关掉机械泵和分子泵的期间，还要维持真空腔体内的真空，故考虑在腔体内加活性炭以维持腔体内的真空度。为了去处活性炭中的水汽和其它气体，需要对其进行烘烤预处理。活性炭在加工的时候已经固定于上组件中，所以把整个上组件放在DZF-6210真空干燥箱中，在温度为100°C，烘烤约48小时使得真空度稳定在，然后再做真空低温实验。
ZYGO激光平面干涉仪器非平面的光学元件可以用He-Ne仪器进行光学测量，而平面型光学元件只能用ZYGO干涉仪如图3进行测量，由于ZYGO干涉仪器对震动非常敏感，因此就需要防震措施。如图3为ZYGO激光平面干涉仪及其防震装置。
图1 低温真空光学实验装置系统示意图
图2 低温真空腔体结构示意简图
3 关键部件的分析与设计
光学窗口的有限分析
干涉测量的光线要通过窗口，所以就要考虑窗口的厚度对测量误差的影响，应尽可能使光学窗口厚度最小，同时还要能承受外部一个大气压的作用。在外部一个大气压，内部几乎为真空的条件下，综合考虑窗口折射带来误差的影响和其强度的大小，要求石英玻璃窗口的最大变形小于一个波长λ。
通过ANSYS软件建立动镜的有限元模型，并施加边界条件，改变动镜的厚度，进行变厚度有限元分析。如图4-图6是其中比较有代表性的三个分析结果。从有限元分析结果可以得到不同厚度玻璃窗口最大变形比较。光学窗口厚8mm时其最大变形μm远超过一个波长，当其厚度从10mm变到12mm,起最大变形都小于一个波长，但是变化值并不大窗口厚度变大，其折射带来的误差就大，为了保证其强度，综合这两个因素选择10mm厚，径厚比为∶1的玻璃窗口。
图3 ZYGO激光平面干涉仪
图4 8mm厚动镜有限元分析结果
图5 10mm厚动镜有限元分析结果
图6 12mm厚动镜有限元分析结果
　　梯形支撑的设计
梯形支撑是连接真空腔体和支撑平台的关键部件，如图7为其示意图, 图中 为热端温度， 为冷端温度。它一方面要求满足尽量减少导热，起到“绝热”的作用，另一方面又要求其强度能满足实验的要求。
图7 梯形支撑模型示意图
根据[1]知道，梯形支撑的热传导量为
式中： ——从支撑热端温度到冷端温度之间支撑材料的平均热导率；其表达式为

——支撑的横截面积；
L ——支撑的高度。
考虑到起其强度，有
式中：——作用于构件的设计载荷；
——安全系数；
——支撑材料的屈服强度。
由公式、和可得
由公式4可以看出传热量与材料屈服强度与材料导热系数之比成反比。欲使传热量越小，就应该选择越大的材料，即材料的屈服强度尽量大，材料的导热系数尽量小。由文献和并且考虑到加工成本经济性，选择不锈钢作为梯形支撑的材料。并计算选取梯形支撑的壁厚1mm。参阅金属材料数据库可得到不锈钢的低温导热系数，对温度区间20K∽300K进行拟合可以得到不锈钢的导热系数拟合公式如图8所示。即

图8 不锈钢导热系数拟合
在设计载荷为 500N ,安全系数取　, 不锈钢的屈服 强度为210MPa,支撑高度为,高温端为300K,低温端取150K。由公式计算得漏热量为 ,可以忽略不计。
4 小结
现代技术的发展对观测和成像设备的工作波段和空间分辨率都有很高的要求，低温真空技术越来越受到关注。本文研究了小型低温光学实验装置的相关技术。重点讨论了真空低温腔的结构、光学窗口影响及其有限元分析和梯形支撑的设计，并给出了实验装置的系统示意图，对相关技术进行了探讨，为近一步的低温光学研究打下了基础，并在以后的工作中不断完善。
参考文献
[1] 杨世铭陶文铨 《传热学》 高等教育出版社 1998
马庆芳 芳荣生 项立成 郭舜 《实用热物理性质手册》 中国农业出版社 1986
宋键朗杨奋为 袁文彬等 《材料手册——金属》 上海航天局第八零七研究所 1992
达道安邱家稳等 真空设计手册国防工业出版社
机械设计手册编委会 《机械设计手册》机械工业出版社