低温光学系吐浣级温区的设计与分析
在低温光学系统内成立两级温区是红表弱指标双波段探测的基础和关键 ， 选取氦气压缩式造冷技术 ， 通过精密的结构、热、光学设计和分析 ， 实现了低温光学系统内两个低温温区的隔离与成立 ， 一级温区8 0 ～1 0 0 K ， 二级温区4 0 ～8 0 K ， 控温精度±0 . 5 K ， 温区内最大温差2 . 4 K ， 两温区独立控温、互不滋扰 ， 克服了国内低温光学钻研受液氮造冷对温度和使用前提的限度 ， 使国内低温光学的钻研达到了拥有更低工作温度和双温区同时工作的水平。
降低红表探测光学系统的温度 ， 可显著削减系统内部热辐射 ， 降低探测器布景噪声 ， 有效提高系统探测能力和活络度。随着航天事业及红表探测技术的发展 ， 探测指标温度的降低 ， 要求红表探测系统的工作温度更低 ， 同时也对探测系统提出了多波段探测的要求 ， 探测系统同时进行多波段的探测时 ， 由于分歧波段受布景辐射的影响和探测器件低温机能的不一致 ， 各波段探测必要在分歧的低温温度下工作 ， 从而为低温光学系统的钻研提出了在系统内成立多级温区的要求。
20 世纪90 年代我国研造成功的低温光学系统 ，用液氮造冷 ， 温度节造在100 K 左右 ， 只拥有单一温区。与单一温区低温光学系统相比 ， 两级温区系统的设计将越发复杂和难以节造 ， 不只有思考同时将两个温区造冷到相应的低温 ， 还要进行独立的温度节造 ， 预防互有关扰和影响。
为成立两级温区的低温光学系统 ， 文当选取新型造冷技术 ， 通过精密的结构、热、光学设计和分析 ， 实现了低温光学系统内两个低温温区的隔离与成立 ， 控温精度别离达±0 . 5 K 和±0 . 2 K 。该设计克服了液氮造冷对低温光学系统工作温度和工作方向的造约 ， 提供给红表探测更低的温度和用两级温区进行探测的低温前提 ， 将有效提凹凸温光学系统红表探测的探测能力和活络度 ， 为红表指标的双波段探测奠定了优良的基础。
1、低温光学系吐浣级温区的成立
1.1、尝试低温光学系统的设计
凭据通常红表探测对中长波探测器工作温度的要求 ， 进行了相应一级温区 80～100 K ， 二级温区 40～80 K 低温光学系统安插与设计 ， 可实现对红表指标的成像或探测 ， 如图 1 所示。
图1 尝试光学系统安插图
光线经离轴抛物镜 M1、M2 组成缩束系统后 ， 被分光镜 Spliter 分光 ， 别离通过离轴抛物镜 M3、M4 聚焦在 HgCdTe 探测器 1 和 2 上。其中光学系统与中波探测器 1 均处于一级温区 ， 而对布景辐射更敏感的长波探测器 2 则单独处于工作温度更低的二级温区。
整个低温光学系统被搁置在一个真空低温仓中 ，通过机械泵和低温泵抽真空 ， 可使仓内真空度低于1×10- 4Pa ， 削减内部对流 ， 抑造仓内表的热互换 ， 维持仓内低和善温度平衡 ， 同时能够维持仓内清洁 ， 光学机能不变。
1.2、系统低温绝热设计
低温光学系统工作状态下与真空低温仓的温差将大于 200 K ， 同时一二级温区间的温差也将达到几十 K ， 必须进行有效的绝热。
一级温区与真空低温仓间的绝热设计如图 2 所示 ， 热隔离用低导热率的高分子资料实现 ， 并选取了接触面很幼的准共同结构做支持 ， 极大减幼了系统漏热率和漏热截面积。同时由该设计组成的 3 点沟槽式向心支持结构还拥有高精度自动复位 ， 维持光学系统低温视轴不变的作用。低温光学系统一二级温区间的绝热同样选取低导热率的高分子资料隔离实现。
图2 一级温区绝热设计示意图
1.3、系统低温热平衡状态分析
在低温光学系吐浣个温区的温度已确定的情况下 ， 装在真空低温仓中 ， 经过适当的绝热设计 ， 其低温热平衡就是一个确定的稳态换热状态。
由传热学理论可得系统低温下一级温区、二级温区、真空低温仓间的换热关系 ， 如图 3 所示。
图3 低温光学系统热平衡热流图
由图可见 ， 系统低温热平衡时 ， 一级温区从真空低温仓吸热 5.23 W ， 向二级温区放热 0.19 W ， 向一级冷头放热 5.04 W ， 从而达到平衡; 二级温区从一级温区吸热 0.19 W ， 真空低温仓吸热 1.21 W ， 向二级冷头放热 1.40 W ， 以达到平衡。
1.4、系吐浣级温区的造冷
由低温热平衡分析可知： 系统对造冷能力的要求为一级大于 5.04 W ， 二级大于 1.40 W。通常液氮造冷可能获得的低温仅为 80 K ， 若同时进行两个温区的造冷 ， 系统会更复杂和难以节造。
选取两级氦气压缩式造冷对系吐浣级温区进行造冷 ， 拥有造冷温度低、造冷功率大、分级造冷的特点 ， 其造冷功率一级在 77 K 时达 65 W ， 二级在 20 K时达 7 W ， 最低造冷温度空载时 ， 一二级别离为 45、16 K ， 满足系统低温要求。
系吐浣个温区与造冷机冷头间的热传导选取铜带作软衔接实现 ， 以预防造冷机工作时的振动和装配时对光学系统的地位滋扰 ， 如图 4 所示。
图4 造冷传热软衔接示意图
经有限元优化设计 ， 使其在有足够的导热能力时仍维持肯定的柔性。当冷头与各温区间存在 50 K 温差时 ， 向一二级温区最大传热量别离为 47.2 W 和 7.4 W。据此推算 ， 系统一级温区降温功夫为 7.5 h ， 二级温区降温功夫为 3 h。
1.5、系吐浣级温区的温控
造冷机一级冷头的温度在 45～320 K 之间肆意可控 ， 故一级温区的温度节造是通过调节造冷机一级冷头的温度进行的。结合系统特点 ， 选取先粗调 ， 再微调的控温方式 ， 理论控温精度达±0.5 K。
二级温区的控温由于受造冷机二级冷头控温领域的影响 ， 在高于 30 K 后不能节造 ， 故选取单独加温控仪控温的方式 ， 选取双传感器、双加热器控温 ， PID控温精度达±0.5 K。
为预防低温下各温区内温差过大引起系统变形 ，对系统一二级温区控温平衡后的温度散布进行了有限元仿照 ， 如图 5、图 6 所示。
图5 一级温区10 0 K 低温散布仿照 图6 二级温区50 K 低温散布仿照
由图可见 ， 降温平衡后一级温区内最大温差仅 3.1 K 左右 ， 二级温区内最大温差仅为 1.3 K ， 温度梯度幼于 0.08 K/cm ， 温度均匀性优良。经热力学耦合分析 ， 在此温度梯度下各温区光学平台的最大热变形为 1.2 μm ， 仅引起光学平台倾 斜 0.38″ ，对系统成像质量的影响能够忽略。
2、低温测试尝试了局与分析
凭据设计与分析了局 ， 成立该两级温区低温光学尝试系统 ， 了局如图 7、图 8 所示。
图7 一级温区低温尝试了局
图8 二级温区低温尝试了局
由图 7 可见： 一级温区造冷起头后约 7.8 h 降到102 K ， 进入法式控温 ， 温度逐步不变在 99.5 K ， 平衡后温区内散布于遍地的6个测温点丈量值别离在99.5、100.4、100.1、100.2、99.6、98.0 K 左右 ， 最大温差2.4 K。
尝试了局显示： 一级温区的造冷能力和铜带导热能力适当、控温合理 ， 7～8 h 后就可能顺利实现 80～100 K 的造冷与控温。降温功夫与理论分析的 7.5 h较切合 ， 温区内最大温差 2.4 K ， 幼于有限元仿照了局 3.1 K ， 拥有优良的温度均匀性。
由图 8 可见： 二级温区造冷起头后 3 h 即可降到50 K 以下 ， 启动温控后温区内控温点先后很快不变在 50 K±0.1 K、60 K±0.1 K 内 ， 在控温达到平衡时 ，温区内 2 个测温点温差在 0. 5 K 以内。
尝试了局显示： 二级温区造冷能力足够 ， 控温实时正确 ， 3.5 h 后就可能顺利实现 40～80 K 的造冷与控温 ， 拥有优良的温度均匀性。降温功夫与设计值3.2 h 稍有出入 ， 这是由于造冷机功率在高温阶段数据不确切造成的。
3、结 论
在低温光学系统的钻研中 ， 选取新型造冷技术 ，通过系统的结构、热、光学设计和分析 ， 顺利实现了低温光学系统一级和二级两级温区的隔离与成立 ， 使国内低温光学技术达到了液氮以下温度和双波段探测的低温水平。
尝试了局批注： 系统机能不变 ， 一级温区可能肆意设定在 80～100 K ， 控温精度±0.5 K ， 温区内最大温差 2.4 K ， 满足系统中波探测的要求; 二级温区可能肆意设定在 40～80 K ， 控温精度±0.2 K ， 温区内最大温差 0.5 K ， 满足系统长波探测的要求。在我国低温红表探测器在液氮氮点以下的机能测试数据不足的情况下 ， 将为进一步钻研探测器和整个低温光学系统的探测机能提供优良的前提。(作者：任栖锋、沈忙作、廖 胜、谭述亮、韩维强)