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低溫光學(xué)系統(tǒng)兩級溫區(qū)的設(shè)�(jì)與分�

2013-11-09 admin1

在低溫光�(xué)系統(tǒng)�(nèi)建立兩級溫區(qū)是紅外弱目標(biāo)雙波段探測的基礎(chǔ)和關(guān)�� 采用氦氣壓縮式制冷技�(shù)� 通過精密的結(jié)�(gòu)、熱、光�(xué)�(shè)�(jì)和分�� �(shí)�(xiàn)了低溫光�(xué)系統(tǒng)�(nèi)兩�(gè)低溫溫區(qū)的隔離與建立� 一級溫區(qū)8 0 �1 0 0 K � 二級溫區(qū)4 0 �8 0 K � 控溫精度±0 . 5 K � 溫區(qū)�(nèi)最大溫�2 . 4 K � 兩溫區(qū)�(dú)立控�、互不干�� 克服了國�(nèi)低溫光學(xué)研究受液氮制冷對溫度和使用條件的限制� 使國�(nèi)低溫光學(xué)的研究達(dá)到了具有更低工作溫度和雙溫區(qū)同時(shí)工作的水��

  降低紅外探測光學(xué)系統(tǒng)的溫�� 可明顯減少系�(tǒng)�(nèi)部熱輻射� 降低探測器背景噪�� 有效提高系統(tǒng)探測能力和靈敏度。隨著航天事�(yè)及紅外探測技�(shù)的發(fā)�� 探測目標(biāo)溫度的降�� 要求紅外探測系統(tǒng)的工作溫度更�� 同時(shí)也對探測系統(tǒng)提出了多波段探測的要�� 探測系統(tǒng)同時(shí)�(jìn)行多波段的探測時(shí)� 由于不同波段受背景輻射的影響和探測器件低溫性能的不一�� 各波段探測需要在不同的低溫溫度下工作� 從而為低溫光學(xué)系統(tǒng)的研究提出了在系�(tǒng)�(nèi)建立多級溫區(qū)的要��

  20 世紀(jì)90 年代我國研制成功的低溫光�(xué)系統(tǒng),用液氮制冷� 溫度控制�100 K 左右� 只具有單一溫區(qū)。與單一溫區(qū)低溫光學(xué)系統(tǒng)相比� 兩級溫區(qū)系統(tǒng)的設(shè)�(jì)將更加復(fù)雜和難以控制� 不但要考慮同時(shí)將兩�(gè)溫區(qū)制冷到相�(yīng)的低溫, 還要�(jìn)行獨(dú)立的溫度控制� 避免相互干擾和影��

  為建立兩級溫區(qū)的低溫光�(xué)系統(tǒng)� 文中采用新型制冷技�(shù)� 通過精密的結(jié)�(gòu)、熱、光�(xué)�(shè)�(jì)和分�� �(shí)�(xiàn)了低溫光�(xué)系統(tǒng)�(nèi)兩�(gè)低溫溫區(qū)的隔離與建立� 控溫精度分別�(dá)±0 . 5 K 和�0 . 2 K 。該�(shè)�(jì)克服了液氮制冷對低溫光學(xué)系統(tǒng)工作溫度和工作方向的制約� 提供給紅外探測更低的溫度和用兩級溫區(qū)�(jìn)行探測的低溫條件� 將有效提高低溫光�(xué)系統(tǒng)紅外探測的探測能力和靈敏�� 為紅外目�(biāo)的雙波段探測奠定了良好的基礎(chǔ)�

  1、低溫光�(xué)系統(tǒng)兩級溫區(qū)的建�

  1.1、實(shí)�(yàn)低溫光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)�(jì)

  根據(jù)通常紅外探測對中長波探測器工作溫度的要求� �(jìn)行了相應(yīng)一級溫區(qū) 80�100 K� 二級溫區(qū) 40�80 K 低溫光學(xué)系統(tǒng)布置與設(shè)�(jì)� 可實(shí)�(xiàn)對紅外目�(biāo)的成像或探測�

  光線�(jīng)離軸拋物� M1、M2 組成縮束系統(tǒng)�� 被分光鏡 Spliter 分光� 分別通過離軸拋物� M3、M4 聚焦� HgCdTe 探測� 1 � 2 �。其中光�(xué)系統(tǒng)與中波探測器 1 均處于一級溫區(qū)� 而對背景輻射更敏感的長波探測� 2 則單�(dú)處于工作溫度更低的二級溫區(qū)�

  整�(gè)低溫光學(xué)系統(tǒng)被放置在一�(gè)真空低溫倉中,通過�(jī)械泵和低溫泵抽真�� 可使倉內(nèi)真空度低�1×10- 4Pa� 減少�(nèi)部對�� 抑制倉內(nèi)外的熱交�� 保持倉內(nèi)低溫和溫度平�� 同時(shí)可以保持倉內(nèi)清潔� 光學(xué)性能�(wěn)��

  1.2、系�(tǒng)低溫絕熱�(shè)�(jì)

  低溫光學(xué)系統(tǒng)工作狀�(tài)下與真空低溫倉的溫差將大� 200 K� 同時(shí)一二級溫區(qū)間的溫差也將�(dá)到幾� K� 必須�(jìn)行有效的絕熱�

  一級溫區(qū)與真空低溫倉間的絕熱設(shè)�(jì)如圖 2 所�� 熱隔離用低導(dǎo)熱率的高分子材料�(shí)�(xiàn)� 并采用了接觸面很小的錐面配合�(jié)�(gòu)做支�� 極大減小了系�(tǒng)漏熱率和漏熱截面�。同�(shí)由該�(shè)�(jì)組成� 3 �(diǎn)溝槽式向心支撐結(jié)�(gòu)還具有高精度自動(dòng)�(fù)�� 保持光學(xué)系統(tǒng)低溫視軸�(wěn)定的作用。低溫光�(xué)系統(tǒng)一二級溫區(qū)間的絕熱同樣采用低導(dǎo)熱率的高分子材料隔離�(shí)�(xiàn)�

  1.3、系�(tǒng)低溫?zé)崞胶鉅顟B(tài)分析

  在低溫光�(xué)系統(tǒng)兩�(gè)溫區(qū)的溫度已確定的情況下� 裝在真空低溫倉中� �(jīng)過適�(dāng)?shù)慕^熱設(shè)�(jì)� 其低�?zé)崞胶饩褪且粋�(gè)確定的穩(wěn)�(tài)換熱狀�(tài)�

  由傳熱學(xué)理論可得系統(tǒng)低溫下一級溫區(qū)、二級溫區(qū)、真空低溫倉間的換熱關(guān)�。  由圖可見� 系統(tǒng)低溫?zé)崞胶鈺r(shí)� 一級溫區(qū)從真空低溫倉吸� 5.23 W� 向二級溫區(qū)放熱 0.19 W� 向一級冷頭放� 5.04 W� 從而達(dá)到平�; 二級溫區(qū)從一級溫區(qū)吸熱 0.19 W� 真空低溫倉吸� 1.21 W� 向二級冷頭放� 1.40 W� 以達(dá)到平衡�

  1.4、系�(tǒng)兩級溫區(qū)的制�

  由低�?zé)崞胶夥治隹芍�?系統(tǒng)對制冷能力的要求為一級大� 5.04 W� 二級大于 1.40 W。通常液氮制冷能夠獲得的低溫僅� 80 K� 若同�(shí)�(jìn)行兩�(gè)溫區(qū)的制冷, 系統(tǒng)�(huì)更復(fù)雜和難以控制�

  采用兩級氦氣壓縮式制冷對系統(tǒng)兩級溫區(qū)�(jìn)行制冷, 具有制冷溫度�、制冷功率大、分級制冷的特點(diǎn)� 其制冷功率一級在 77 K �(shí)�(dá) 65 W� 二級� 20 K�(shí)�(dá) 7 W� 最低制冷溫度空載時(shí)� 一二級分別� 45�16 K� 滿足系統(tǒng)低溫要求�

  系統(tǒng)兩�(gè)溫區(qū)與制冷機(jī)冷頭間的熱傳�(dǎo)采用銅帶作軟連接�(shí)�(xiàn)� 以避免制冷機(jī)工作�(shí)的振�(dòng)和裝配時(shí)對光�(xué)系統(tǒng)的位置干擾�

  �(jīng)有限元優(yōu)化設(shè)�(jì)� 使其在有足夠的導(dǎo)熱能力時(shí)仍保持一定的柔�。當(dāng)冷頭與各溫區(qū)間存� 50 K 溫差�(shí)� 向一二級溫區(qū)最大傳熱量分別� 47.2 W � 7.4 W。據(jù)此計(jì)�� 系統(tǒng)一級溫區(qū)降溫�(shí)間為 7.5 h� 二級溫區(qū)降溫�(shí)間為 3 h�

  1.5、系�(tǒng)兩級溫區(qū)的溫�

  制冷�(jī)一級冷頭的溫度� 45�320 K 之間任意可控� 故一級溫區(qū)的溫度控制是通過�(diào)節(jié)制冷�(jī)一級冷頭的溫度�(jìn)行的。結(jié)合系�(tǒng)特點(diǎn)� 采用先粗�(diào)� 再微�(diào)的控溫方式, 理論控溫精度�(dá)±0.5 K�

  二級溫區(qū)的控溫由于受制冷�(jī)二級冷頭控溫范圍的影�� 在高� 30 K 后不能控�� 故采用單�(dú)加溫控儀控溫的方�� 采用雙傳感器、雙加熱器控�� PID控溫精度�(dá)±0.5 K�

  2、低溫測試實(shí)�(yàn)�(jié)果與分析

  根據(jù)�(shè)�(jì)與分析結(jié)�� 建立該兩級溫區(qū)低溫光學(xué)�(shí)�(yàn)系統(tǒng)�

   一級溫區(qū)制冷開始后約 7.8 h 降到102 K� �(jìn)入程序控�� 溫度逐漸�(wěn)定在 99.5 K� 平衡后溫區(qū)�(nèi)分布于各處的6�(gè)測溫�(diǎn)測量值分別在99.5�100.4�100.1�100.2�99.6�98.0 K 左右� 最大溫�2.4 K�

  �(shí)�(yàn)�(jié)果顯示: 一級溫區(qū)的制冷能力和銅帶�(dǎo)熱能力適�(dāng)、控溫合�� 7�8 h 后就能夠順利�(shí)�(xiàn) 80�100 K 的制冷與控溫。降溫時(shí)間與理論分析� 7.5 h較符合, 溫區(qū)�(nèi)最大溫� 2.4 K� 小于有限元模擬結(jié)� 3.1 K� 具有良好的溫度均勻性�

  二級溫區(qū)制冷開始� 3 h 即可降到50 K 以下� 啟動(dòng)溫控后溫區(qū)�(nèi)控溫�(diǎn)先后很快�(wěn)定在 50 K±0.1 K�60 K±0.1 K �(nèi)� 在控溫達(dá)到平衡時(shí),溫區(qū)�(nèi) 2 �(gè)測溫�(diǎn)溫差� 0. 5 K 以內(nèi)�

  �(shí)�(yàn)�(jié)果顯示: 二級溫區(qū)制冷能力足夠� 控溫及時(shí)�(zhǔn)�� 3.5 h 后就能夠順利�(shí)�(xiàn) 40�80 K 的制冷與控溫� 具有良好的溫度均勻性。降溫時(shí)間與�(shè)�(jì)�3.2 h 稍有出入� 這是由于制冷�(jī)功率在高溫階段數(shù)�(jù)不確切造成的�

  為避免低溫下各溫區(qū)�(nèi)溫差過大引起系統(tǒng)變形,對系統(tǒng)一二級溫區(qū)控溫平衡后的溫度分布�(jìn)行了有限元模��

  由圖可見� 降溫平衡后一級溫區(qū)�(nèi)最大溫差僅 3.1 K 左右� 二級溫區(qū)�(nèi)最大溫差僅� 1.3 K� 溫度梯度小于 0.08 K/cm� 溫度均勻性良好。經(jīng)熱力�(xué)耦合分析� 在此溫度梯度下各溫區(qū)光學(xué)平臺(tái)的最大熱變形� 1.2 μm� 僅引起光�(xué)平臺(tái)� � 0.38�,對系統(tǒng)成像�(zhì)量的影響可以忽略�

  3、結(jié) �

  在低溫光�(xué)系統(tǒng)的研究中� 采用新型制冷技�(shù),通過系統(tǒng)的結(jié)�(gòu)、熱、光�(xué)�(shè)�(jì)和分�� 順利�(shí)�(xiàn)了低溫光�(xué)系統(tǒng)一級和二級兩級溫區(qū)的隔離與建立� 使國�(nèi)低溫光學(xué)技�(shù)�(dá)到了液氮以下溫度和雙波段探測的低溫水��

  �(shí)�(yàn)�(jié)果表明: 系統(tǒng)性能�(wěn)定, 一級溫區(qū)能夠任意�(shè)定在 80�100 K� 控溫精度±0.5 K� 溫區(qū)�(nèi)最大溫� 2.4 K� 滿足系統(tǒng)中波探測的要�; 二級溫區(qū)能夠任意�(shè)定在 40�80 K� 控溫精度±0.2 K� 溫區(qū)�(nèi)最大溫� 0.5 K� 滿足系統(tǒng)長波探測的要�。在我國低溫紅外探測器在液氮氮點(diǎn)以下的性能測試�(shù)�(jù)缺乏的情況下� 將為�(jìn)一步研究探測器和整�(gè)低溫光學(xué)系統(tǒng)的探測性能提供良好的條件�