低溫光學(xué)系統(tǒng)兩級溫區(qū)的設(shè)計與分析
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)鍵， 采用氦氣壓縮式制冷技�(shù)� 通過精密的結(jié)�(gòu)、熱、光�(xué)�(shè)計和分析� 實現(xiàn)了低溫光�(xué)系統(tǒng)�(nèi)兩個低溫溫區(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)獨立控溫、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)溫度的降低， 要求紅外探測系統(tǒng)的工作溫度更�� 同時也對探測系統(tǒng)提出了多波段探測的要�� 探測系統(tǒng)同時進行多波段的探測�� 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)計將更加�(fù)雜和難以控制� 不但要考慮同時將兩個溫區(qū)制冷到相�(yīng)的低�� 還要進行獨立的溫度控�� 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)計和分析� 實現(xiàn)了低溫光�(xué)系統(tǒng)�(nèi)兩個低溫溫區(qū)的隔離與建立� 控溫精度分別�(dá)±0 . 5 K 和�0 . 2 K 。該�(shè)計克服了液氮制冷對低溫光�(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)進行探測的低溫條件， 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、實驗低溫光�(xué)系統(tǒng)的設(shè)�
根據(jù)通常紅外探測對中長波探測器工作溫度的要求� 進行了相�(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)�� 可實�(xiàn)對紅外目�(biāo)的成像或探測� 如圖 1 所��
�1 實驗光學(xué)系統(tǒng)布置�
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 上。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 則單獨處于工作溫度更低的二級溫區(qū)�
整個低溫光�(xué)系統(tǒng)被放置在一個真空低溫倉中，通過機械泵和低溫泵抽真空� 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)低溫和溫度平衡， 同時可以保持倉內(nèi)清潔� 光學(xué)性能�(wěn)��
1.2、系�(tǒng)低溫絕熱�(shè)�
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� 同時一二級溫區(qū)間的溫差也將�(dá)到幾� K� 必須進行有效的絕��
一級溫區(qū)與真空低溫倉間的絕熱設(shè)計如� 2 所�� 熱隔離用低導(dǎo)熱率的高分子材料實現(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�。同時由該設(shè)計組成的 3 點溝槽式向心支撐�(jié)�(gòu)還具有高精度自動�(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實現(xiàn)�
�2 一級溫區(qū)絕熱�(shè)計示意圖
1.3、系�(tǒng)低溫?zé)崞胶鉅顟B(tài)分析
在低溫光�(xué)系統(tǒng)兩個溫區(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)計， 其低�?zé)崞胶饩褪且粋€確定的�(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)�� 如圖 3 所��
�3 低溫光學(xué)系統(tǒng)熱平衡熱流圖
由圖可見� 系統(tǒng)低溫?zé)崞胶鈺r� 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��
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� 若同時進行兩個溫區(qū)的制�� 系統(tǒng)會更�(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)進行制冷� 具有制冷溫度�、制冷功率大、分級制冷的特點� 其制冷功率一級在 77 K 時達(dá) 65 W� 二級� 20 K時達(dá) 7 W� 最低制冷溫度空載時� 一二級分別� 45�16 K� 滿足系統(tǒng)低溫要求�
系統(tǒng)兩個溫區(qū)與制冷機冷頭間的熱傳�(dǎo)采用銅帶作軟連接實現(xiàn)� 以避免制冷機工作時的振動和裝配時對光�(xué)系統(tǒng)的位置干擾， 如圖 4 所��
�4 制冷傳熱軟連接示意�
�(jīng)有限元優(yōu)化設(shè)�� 使其在有足夠的導(dǎo)熱能力時仍保持一定的柔�。當(dāng)冷頭與各溫區(qū)間存� 50 K 溫差�� 向一二級溫區(qū)最大傳熱量分別� 47.2 W � 7.4 W。據(jù)此計�� 系統(tǒng)一級溫區(qū)降溫時間� 7.5 h� 二級溫區(qū)降溫時間� 3 h�
1.5、系�(tǒng)兩級溫區(qū)的溫�
制冷機一級冷頭的溫度� 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)制冷機一級冷頭的溫度進行�。結(jié)合系�(tǒng)特點� 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)的控溫由于受制冷機二級冷頭控溫范圍的影響� 在高� 30 K 后不能控制， 故采用單獨加溫控儀控溫的方�� 采用雙傳感器、雙加熱器控�� PID控溫精度�(dá)±0.5 K�
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進行了有限元模擬� 如圖 5、圖 6 所��
�5 一級溫區(qū)10 0 K 低溫分布模擬 �6 二級溫區(qū)50 K 低溫分布模擬
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�。經(jīng)熱力�(xué)耦合分析� 在此溫度梯度下各溫區(qū)光學(xué)平臺的最大熱變形� 1.2 μm� 僅引起光�(xué)平臺� � 0.38″，對系�(tǒng)成像�(zhì)量的影響可以忽略�
2、低溫測試實驗結(jié)果與分析
根據(jù)�(shè)計與分析�(jié)�� 建立該兩級溫區(qū)低溫光學(xué)實驗系統(tǒng)� �(jié)果如� 7、圖 8 所��
�7 一級溫區(qū)低溫實驗�(jié)�
�8 二級溫區(qū)低溫實驗�(jié)�
由圖 7 可見� 一級溫區(qū)制冷開始后約 7.8 h 降到102 K� 進入程序控溫� 溫度逐漸�(wěn)定在 99.5 K� 平衡后溫區(qū)�(nèi)分布于各處的6個測溫點測量值分別在99.5�100.4�100.1�100.2�99.6�98.0 K 左右� 最大溫�2.4 K�
實驗�(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 后就能夠順利實現(xiàn) 80�100 K 的制冷與控溫。降溫時間與理論分析� 7.5 h較符�� 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��
由圖 8 可見� 二級溫區(qū)制冷開始� 3 h 即可降到50 K 以下� 啟動溫控后溫區(qū)�(nèi)控溫點先后很快穩(wěn)定在 50 K±0.1 K�60 K±0.1 K �(nèi)� 在控溫達(dá)到平衡時，溫區(qū)�(nèi) 2 個測溫點溫差� 0. 5 K 以內(nèi)�
實驗�(jié)果顯示： 二級溫區(qū)制冷能力足夠� 控溫及時�(zhǔn)確， 3.5 h 后就能夠順利實現(xiàn) 40�80 K 的制冷與控溫� 具有良好的溫度均勻�。降溫時間與�(shè)計�3.2 h 稍有出入� 這是由于制冷機功率在高溫階段�(shù)�(jù)不確切造成��
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)計和分析� 順利實現(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��
實驗�(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以下的性能測試�(shù)�(jù)缺乏的情況下� 將為進一步研究探測器和整個低溫光�(xué)系統(tǒng)的探測性能提供良好的條��(作者：任棲鋒、沈忙作、廖 勝、譚述亮、韓維強)