低溫光學系統(tǒng)兩級溫區(qū)的設計與分析
在低溫光學系統(tǒng)內建立兩級溫區(qū)是紅外弱目標雙波段探測的基礎和關鍵， 采用氦氣壓縮式制冷技術， 通過精密的結構、熱、光學設計和分析， 實現了低溫光學系統(tǒng)內兩個低溫溫區(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)內最大溫差2 . 4 K ， 兩溫區(qū)獨立控溫、互不干擾， 克服了國內低溫光學研究受液氮制冷對溫度和使用條件的限制， 使國內低溫光學的研究達到了具有更低工作溫度和雙溫區(qū)同時工作的水平。
降低紅外探測光學系統(tǒng)的溫度， 可明顯減少系統(tǒng)內部熱輻射， 降低探測器背景噪聲， 有效提高系統(tǒng)探測能力和靈敏度。隨著航天事業(yè)及紅外探測技術的發(fā)展， 探測目標溫度的降低， 要求紅外探測系統(tǒng)的工作溫度更低， 同時也對探測系統(tǒng)提出了多波段探測的要求， 探測系統(tǒng)同時進行多波段的探測時， 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致， 各波段探測需要在不同的低溫溫度下工作， 從而為低溫光學系統(tǒng)的研究提出了在系統(tǒng)內建立多級溫區(qū)的要求。
20 世紀90 年代我國研制成功的低溫光學系統(tǒng)，用液氮制冷， 溫度控制在100 K 左右， 只具有單一溫區(qū)。與單一溫區(qū)低溫光學系統(tǒng)相比， 兩級溫區(qū)系統(tǒng)的設計將更加復雜和難以控制， 不但要考慮同時將兩個溫區(qū)制冷到相應的低溫， 還要進行獨立的溫度控制， 避免相互干擾和影響。
為建立兩級溫區(qū)的低溫光學系統(tǒng)， 文中采用新型制冷技術， 通過精密的結構、熱、光學設計和分析， 實現了低溫光學系統(tǒng)內兩個低溫溫區(qū)的隔離與建立， 控溫精度分別達±0 . 5 K 和±0 . 2 K 。該設計克服了液氮制冷對低溫光學系統(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， 將有效提高低溫光學系統(tǒng)紅外探測的探測能力和靈敏度， 為紅外目標的雙波段探測奠定了良好的基礎。
1、低溫光學系統(tǒng)兩級溫區(qū)的建立
1.1、實驗低溫光學系統(tǒng)的設計
根據通常紅外探測對中長波探測器工作溫度的要求， 進行了相應一級溫區(qū) 80～100 K， 二級溫區(qū) 40～80 K 低溫光學系統(tǒng)布置與設計， 可實現對紅外目標的成像或探測。
光線經離軸拋物鏡 M1、M2 組成縮束系統(tǒng)后， 被分光鏡 Spliter 分光， 分別通過離軸拋物鏡 M3、M4 聚焦在 HgCdTe 探測器 1 和 2 上。其中光學系統(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器 2 則單獨處于工作溫度更低的二級溫區(qū)。
整個低溫光學系統(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， 可使倉內真空度低于1×10- 4Pa， 減少內部對流， 抑制倉內外的熱交換， 保持倉內低溫和溫度平衡， 同時可以保持倉內清潔， 光學性能穩(wěn)定。
1.2、系統(tǒng)低溫絕熱設計
低溫光學系統(tǒng)工作狀態(tài)下與真空低溫倉的溫差將大于 200 K， 同時一二級溫區(qū)間的溫差也將達到幾十 K， 必須進行有效的絕熱。
一級溫區(qū)與真空低溫倉間的絕熱設計如圖 2 所示， 熱隔離用低導熱率的高分子材料實現， 并采用了接觸面很小的錐面配合結構做支撐， 極大減小了系統(tǒng)漏熱率和漏熱截面積。同時由該設計組成的 3 點溝槽式向心支撐結構還具有高精度自動復位， 保持光學系統(tǒng)低溫視軸穩(wěn)定的作用。低溫光學系統(tǒng)一二級溫區(qū)間的絕熱同樣采用低導熱率的高分子材料隔離實現。
1.3、系統(tǒng)低溫熱平衡狀態(tài)分析
在低溫光學系統(tǒng)兩個溫區(qū)的溫度已確定的情況下， 裝在真空低溫倉中， 經過適當的絕熱設計， 其低溫熱平衡就是一個確定的穩(wěn)態(tài)換熱狀態(tài)。
由傳熱學理論可得系統(tǒng)低溫下一級溫區(qū)、二級溫區(qū)、真空低溫倉間的換熱關系?！ ∮蓤D可見， 系統(tǒng)低溫熱平衡時， 一級溫區(qū)從真空低溫倉吸熱 5.23 W， 向二級溫區(qū)放熱 0.19 W， 向一級冷頭放熱 5.04 W， 從而達到平衡; 二級溫區(qū)從一級溫區(qū)吸熱 0.19 W， 真空低溫倉吸熱 1.21 W， 向二級冷頭放熱 1.40 W， 以達到平衡。
1.4、系統(tǒng)兩級溫區(qū)的制冷
由低溫熱平衡分析可知： 系統(tǒng)對制冷能力的要求為一級大于 5.04 W， 二級大于 1.40 W。通常液氮制冷能夠獲得的低溫僅為 80 K， 若同時進行兩個溫區(qū)的制冷， 系統(tǒng)會更復雜和難以控制。
采用兩級氦氣壓縮式制冷對系統(tǒng)兩級溫區(qū)進行制冷， 具有制冷溫度低、制冷功率大、分級制冷的特點， 其制冷功率一級在 77 K 時達 65 W， 二級在 20 K時達 7 W， 最低制冷溫度空載時， 一二級分別為 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導采用銅帶作軟連接實現， 以避免制冷機工作時的振動和裝配時對光學系統(tǒng)的位置干擾。
經有限元優(yōu)化設計， 使其在有足夠的導熱能力時仍保持一定的柔性。當冷頭與各溫區(qū)間存在 50 K 溫差時， 向一二級溫區(qū)最大傳熱量分別為 47.2 W 和 7.4 W。據此計算， 系統(tǒng)一級溫區(qū)降溫時間為 7.5 h， 二級溫區(qū)降溫時間為 3 h。
1.5、系統(tǒng)兩級溫區(qū)的溫控
制冷機一級冷頭的溫度在 45～320 K 之間任意可控， 故一級溫區(qū)的溫度控制是通過調節(jié)制冷機一級冷頭的溫度進行的。結合系統(tǒng)特點， 采用先粗調， 再微調的控溫方式， 理論控溫精度達±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， 在高于 30 K 后不能控制， 故采用單獨加溫控儀控溫的方式， 采用雙傳感器、雙加熱器控溫， PID控溫精度達±0.5 K。
2、低溫測試實驗結果與分析
根據設計與分析結果， 建立該兩級溫區(qū)低溫光學實驗系統(tǒng)。
一級溫區(qū)制冷開始后約 7.8 h 降到102 K， 進入程序控溫， 溫度逐漸穩(wěn)定在 99.5 K， 平衡后溫區(qū)內分布于各處的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， 最大溫差2.4 K。
實驗結果顯示： 一級溫區(qū)的制冷能力和銅帶導熱能力適當、控溫合理， 7～8 h 后就能夠順利實現 80～100 K 的制冷與控溫。降溫時間與理論分析的 7.5 h較符合， 溫區(qū)內最大溫差 2.4 K， 小于有限元模擬結果 3.1 K， 具有良好的溫度均勻性。
二級溫區(qū)制冷開始后 3 h 即可降到50 K 以下， 啟動溫控后溫區(qū)內控溫點先后很快穩(wěn)定在 50 K±0.1 K、60 K±0.1 K 內， 在控溫達到平衡時，溫區(qū)內 2 個測溫點溫差在 0. 5 K 以內。
實驗結果顯示： 二級溫區(qū)制冷能力足夠， 控溫及時準確， 3.5 h 后就能夠順利實現 40～80 K 的制冷與控溫， 具有良好的溫度均勻性。降溫時間與設計值3.2 h 稍有出入， 這是由于制冷機功率在高溫階段數據不確切造成的。
為避免低溫下各溫區(qū)內溫差過大引起系統(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。
由圖可見， 降溫平衡后一級溫區(qū)內最大溫差僅 3.1 K 左右， 二級溫區(qū)內最大溫差僅為 1.3 K， 溫度梯度小于 0.08 K/cm， 溫度均勻性良好。經熱力學耦合分析， 在此溫度梯度下各溫區(qū)光學平臺的最大熱變形為 1.2 μm， 僅引起光學平臺傾 斜 0.38″，對系統(tǒng)成像質量的影響可以忽略。
3、結 論
在低溫光學系統(tǒng)的研究中， 采用新型制冷技術，通過系統(tǒng)的結構、熱、光學設計和分析， 順利實現了低溫光學系統(tǒng)一級和二級兩級溫區(qū)的隔離與建立， 使國內低溫光學技術達到了液氮以下溫度和雙波段探測的低溫水平。
實驗結果表明： 系統(tǒng)性能穩(wěn)定， 一級溫區(qū)能夠任意設定在 80～100 K， 控溫精度±0.5 K， 溫區(qū)內最大溫差 2.4 K， 滿足系統(tǒng)中波探測的要求; 二級溫區(qū)能夠任意設定在 40～80 K， 控溫精度±0.2 K， 溫區(qū)內最大溫差 0.5 K， 滿足系統(tǒng)長波探測的要求。在我國低溫紅外探測器在液氮氮點以下的性能測試數據缺乏的情況下， 將為進一步研究探測器和整個低溫光學系統(tǒng)的探測性能提供良好的條件。