小型低溫真空光學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)(1)

1、小型低溫真空光學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì) (1) 低溫光學(xué)就是解決光學(xué)系統(tǒng)在低溫情況下的一系列問題，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)研究的需，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)、ZYGOF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)行了詳細(xì)分析。 關(guān)鍵詞：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

2、隨著空間技術(shù)和軍事技術(shù)的發(fā)展需，探測儀器的分辨率求越來越高。在深冷的 條件下，當(dāng)需探測的目標(biāo)信號十分虛弱時(shí)，探測儀器的背景輻射主來自儀器本 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 測器的作用，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)需解決一 系列問題，這些問題涉及材料特性、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)行研究

3、，最初主用于各種 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)行了研究。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(gè)光學(xué)元件，這些系統(tǒng)求冷卻到150K,并 且對光學(xué)元件的控溫范圍求非常嚴(yán)格，因此就需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)的最主部件之一是動(dòng)鏡裝置部分?；诜瓷溏R的溫度冷卻到150K并 對反射鏡

4、的變形進(jìn)行研究的目的，就需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)還滿足進(jìn)行其它光學(xué)元件的低溫實(shí)驗(yàn)需。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- ZYGOF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)?19 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

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(jī)支撐 9-梯形支撐 10-光學(xué)窗口 11-0形圈12-動(dòng)鏡支撐框架13-0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(chǔ)存液體約4升。 其中的光學(xué)元件支撐框架是專門為動(dòng)鏡設(shè)計(jì)的，其高度177mm整個(gè)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(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)

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(xué)元件框架移動(dòng)，并保 證光線垂直射到動(dòng)鏡表面上。由于動(dòng)鏡需電機(jī)驅(qū)動(dòng)，而電機(jī)的發(fā)熱量為3-5W， 而這部分熱量輻射對動(dòng)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(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(dòng)非常敏感，在 光學(xué)測試的同時(shí)，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，還維 持真空腔體內(nèi)的真空，故考慮在腔體內(nèi)

7、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，需對其進(jìn)行烘烤預(yù)處理。活性炭在加工的時(shí) 候已經(jīng)固定于上組件中，所以把整個(gè)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(shí)使得真空度穩(wěn)定在0.1Pa，然后再做真空低溫實(shí) 驗(yàn)。 2.3 ZYGO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 ZYGOF涉儀如圖3進(jìn)行測量，由于ZYGOF涉儀器對震動(dòng)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(xué)實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)示意圖 圖2 低溫真空腔體結(jié)構(gòu)示意簡圖 3 關(guān)鍵部件的分析與

8、設(shè)計(jì) 3.1 光學(xué)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(yīng)盡可 能使光學(xué)窗口厚度最小，同時(shí)還能承受外部一個(gè)大氣壓的作用。在外部一個(gè)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，求石英玻璃窗口的最大變形小于一個(gè)波長入（入=0.53卩m 。 通過ANSY歎件建立動(dòng)鏡的有限元模型，并施加邊界條件，改變動(dòng)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(gè)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寸 其最大變形0.989 ym遠(yuǎn)超過一個(gè)波長，當(dāng)其厚度從10mn變到

9、12mm起最大變 形都小于一個(gè)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(gè)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(dòng)鏡有限元分析結(jié)果 圖5 10mm厚動(dòng)鏡有限元分析結(jié)果 圖6 12mm厚動(dòng)鏡有限元分析結(jié)果 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 摘低溫光學(xué)就是解決光學(xué)系統(tǒng)在低溫情況下的一系列問題，如材料特性、光學(xué) 元件單元及系統(tǒng)整體性能變化、光 本篇論文是由3COM文檔頻道的網(wǎng)友為您在網(wǎng)絡(luò)上收集整理餅投稿至本站 的，論文版權(quán)屬原作

10、者，請不用于商業(yè)用途或者抄襲，僅供參考學(xué)習(xí)之用，否 者后果自負(fù)，如果此文侵犯您的合法權(quán)益，請聯(lián)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(dǎo)熱，起到“絕熱”的作 用，另一方面又求其強(qiáng)度能滿足實(shí)驗(yàn)的求。 圖 7 梯形支撐模型示意圖 根據(jù) 1 知道，梯形支撐的熱傳導(dǎo)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(dǎo)率；其表達(dá)式 為： （2） 支撐的橫截面積； L 支撐的高度。 考慮到起其強(qiáng)度 5 ，有： （3） 式中：作用于構(gòu)件的設(shè)計(jì)載荷； 安全系數(shù)； 支撐材料的屈服強(qiáng)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(qiáng)度

11、與材料導(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 20Q 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 圖 8 不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)擬合 在設(shè)計(jì)載荷為500N ,安全系數(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求，低 溫真空技術(shù)越來越受到關(guān)注。本文研究了小型低溫光學(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)行了探討，為近一步的低 溫光學(xué)研究打下了基礎(chǔ)，并在以后的工作中不斷完善。 參考文獻(xiàn) 1 楊世