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(wèn)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)、ZYGO干涉儀和防振平臺(tái)以及監(jiān)控測(cè)溫系統(tǒng)。其中的低溫真空腔體是針對(duì)小型光學(xué)元件實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的，它主用于測(cè)量光學(xué)元件的溫度場(chǎng)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(duì)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

2、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 引言隨著空間技術(shù)和軍事技術(shù)的發(fā)展需，探測(cè)儀器的分辨率求越來(lái)越高。在深冷的條件下，當(dāng)需探測(cè)的目標(biāo)信號(hào)十分虛弱時(shí)，探測(cè)儀器的背景輻射主來(lái)自儀器本身的光學(xué)系統(tǒng)和支撐結(jié)構(gòu)，探測(cè)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(cè)器的作用，大大提高探測(cè)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(wèn)題，這些問(wèn)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

3、門(mén)新興學(xué)科低溫光學(xué)。自上世紀(jì)七十年代開(kāi)始，美國(guó)首先對(duì)低溫光學(xué)技術(shù)進(jìn)行研究，最初主用于各種觀察、測(cè)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(duì)外空的各種探測(cè)任務(wù)。歐洲一些國(guó)家也對(duì)低溫光學(xué)系統(tǒng)的觀察儀器進(jìn)行了研究。國(guó)內(nèi)起步于上世紀(jì)八十年代末，由于國(guó)內(nèi)航天及其國(guó)防事業(yè)的發(fā)展求有高靈敏度的探測(cè)器，而這些儀器將不可避免地用到低溫光學(xué)系統(tǒng)。我國(guó)的未來(lái)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(duì)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(duì)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

4、裝置部分?；诜瓷溏R的溫度冷卻到150K并對(duì)反射鏡的變形進(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(cè)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(cè)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

5、真空腔體是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的核心部分，其示意圖見(jiàn)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(tái)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(dòng)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(chǔ)存液體約4升。其中的光學(xué)元件支撐框架是專門(mén)為動(dòng)鏡設(shè)計(jì)的，其高度177mm。整個(gè)腔體可以測(cè)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(guò)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.

6、光學(xué)元件支撐結(jié)構(gòu)由支撐平臺(tái)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(duì)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(duì)震動(dòng)非常敏感，在光學(xué)測(cè)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)加活性

7、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(duì)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(cè)量，而平面型光學(xué)元件只能用ZYGO干涉儀如圖3進(jìn)行測(cè)量，由于ZYGO干涉儀器對(duì)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(jiǎn)圖3 關(guān)鍵部件的分析與設(shè)計(jì)3.1 光學(xué)窗口

8、的有限分析干涉測(cè)量的光線通過(guò)窗口，所以就考慮窗口的厚度對(duì)測(cè)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(lái)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(zhǎng)（=0.53m）。通過(guò)ANSYS軟件建立動(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時(shí)其最大變形0.989m遠(yuǎn)超過(guò)一個(gè)波長(zhǎng)，當(dāng)其厚度從10mm變到12mm,起最大變形都小于一個(gè)波長(zhǎng)，但是變化值并不大

9、。窗口厚度變大，其折射帶來(lái)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6.41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(tái)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(wèn)題，如材料特性、光學(xué)元件單元及

10、系統(tǒng)整體性能變化、光         本篇論文是由3COME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)屬原作者，請(qǐng)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(qǐng)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

11、，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(kù)可得到不銹鋼的低溫導(dǎo)熱系數(shù)，對(duì)溫度區(qū)間20K300K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（5）     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(duì)觀測(cè)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(lái)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