低溫光學(xué)系統(tǒng)兩級(jí)溫區(qū)的設(shè)計(jì)與分析

2013-09-16 admin1

在低溫光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)建立兩級(jí)溫區(qū)是紅外弱目標(biāo)雙波段探測(cè)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵, 采用氦氣壓縮式制冷技術(shù), 通過精密的結(jié)構(gòu)、熱、光學(xué)設(shè)計(jì)和分析, 實(shí)現(xiàn)了低溫光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)兩個(gè)低溫溫區(qū)的隔離與建立, 一級(jí)溫區(qū)8 0 ~1 0 0 K , 二級(jí)溫區(qū)4 0 ~8 0 K , 控溫精度±0 . 5 K , 溫區(qū)內(nèi)最大溫差2 . 4 K , 兩溫區(qū)獨(dú)立控溫、互不干擾, 克服了國(guó)內(nèi)低溫光學(xué)研究受液氮制冷對(duì)溫度和使用條件的限制, 使國(guó)內(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)工作的水平。


降低紅外探測(cè)光學(xué)系統(tǒng)的溫度, 可明顯減少系統(tǒng)內(nèi)部熱輻射, 降低探測(cè)器背景噪聲, 有效提高系統(tǒng)探測(cè)能力和靈敏度。隨著航天事業(yè)及紅外探測(cè)技術(shù)的發(fā)展, 探測(cè)目標(biāo)溫度的降低, 要求紅外探測(cè)系統(tǒng)的工作溫度更低, 同時(shí)也對(duì)探測(cè)系統(tǒng)提出了多波段探測(cè)的要求, 探測(cè)系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行多波段的探測(cè)時(shí), 由于不同波段受背景輻射的影響和探測(cè)器件低溫性能的不一致, 各波段探測(cè)需要在不同的低溫溫度下工作, 從而為低溫光學(xué)系統(tǒng)的研究提出了在系統(tǒng)內(nèi)建立多級(jí)溫區(qū)的要求。


20 世紀(jì)90 年代我國(guó)研制成功的低溫光學(xué)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(xué)系統(tǒng)相比, 兩級(jí)溫區(qū)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)將更加復(fù)雜和難以控制, 不但要考慮同時(shí)將兩個(gè)溫區(qū)制冷到相應(yīng)的低溫, 還要進(jìn)行獨(dú)立的溫度控制, 避免相互干擾和影響。


為建立兩級(jí)溫區(qū)的低溫光學(xué)系統(tǒng), 文中采用新型制冷技術(shù), 通過精密的結(jié)構(gòu)、熱、光學(xué)設(shè)計(jì)和分析, 實(shí)現(xiàn)了低溫光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)兩個(gè)低溫溫區(qū)的隔離與建立, 控溫精度分別達(dá)±0 . 5 K 和±0 . 2 K 。該設(shè)計(jì)克服了液氮制冷對(duì)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(cè)更低的溫度和用兩級(jí)溫區(qū)進(jìn)行探測(cè)的低溫條件, 將有效提高低溫光學(xué)系統(tǒng)紅外探測(cè)的探測(cè)能力和靈敏度, 為紅外目標(biāo)的雙波段探測(cè)奠定了良好的基礎(chǔ)。

1、低溫光學(xué)系統(tǒng)兩級(jí)溫區(qū)的建立

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

根據(jù)通常紅外探測(cè)對(duì)中長(zhǎng)波探測(cè)器工作溫度的要求, 進(jìn)行了相應(yīng)一級(jí)溫區(qū) 80~100 K, 二級(jí)溫區(qū) 40~80 K 低溫光學(xué)系統(tǒng)布置與設(shè)計(jì), 可實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外目標(biāo)的成像或探測(cè), 如圖 1 所示。

 

低溫光學(xué)系統(tǒng)兩級(jí)溫區(qū)的設(shè)計(jì)與分析

 

圖1 實(shí)驗(yàn)光學(xué)系統(tǒng)布置圖

光線經(jīng)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(cè)器 1 和 2 上。其中光學(xué)系統(tǒng)與中波探測(cè)器 1 均處于一級(jí)溫區(qū), 而對(duì)背景輻射更敏感的長(zhǎng)波探測(cè)器 2 則單獨(dú)處于工作溫度更低的二級(jí)溫區(qū)。

整個(gè)低溫光學(xué)系統(tǒng)被放置在一個(gè)真空低溫倉(cāng)中,通過機(jī)械泵和低溫泵抽真空, 可使倉(cāng)內(nèi)真空度低于1×10- 4Pa, 減少內(nèi)部對(duì)流, 抑制倉(cāng)內(nèi)外的熱交換, 保持倉(cāng)內(nèi)低溫和溫度平衡, 同時(shí)可以保持倉(cāng)內(nèi)清潔, 光學(xué)性能穩(wěn)定。

1.2、系統(tǒng)低溫絕熱設(shè)計(jì)

低溫光學(xué)系統(tǒng)工作狀態(tài)下與真空低溫倉(cāng)的溫差將大于 200 K, 同時(shí)一二級(jí)溫區(qū)間的溫差也將達(dá)到幾十 K, 必須進(jìn)行有效的絕熱。

一級(jí)溫區(qū)與真空低溫倉(cāng)間的絕熱設(shè)計(jì)如圖 2 所示, 熱隔離用低導(dǎo)熱率的高分子材料實(shí)現(xiàn), 并采用了接觸面很小的錐面配合結(jié)構(gòu)做支撐, 極大減小了系統(tǒng)漏熱率和漏熱截面積。同時(shí)由該設(shè)計(jì)組成的 3 點(diǎn)溝槽式向心支撐結(jié)構(gòu)還具有高精度自動(dòng)復(fù)位, 保持光學(xué)系統(tǒng)低溫視軸穩(wěn)定的作用。低溫光學(xué)系統(tǒng)一二級(jí)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(shí)現(xiàn)。

 

一級(jí)溫區(qū)絕熱設(shè)計(jì)示意圖

 

圖2 一級(jí)溫區(qū)絕熱設(shè)計(jì)示意圖

1.3、系統(tǒng)低溫?zé)崞胶鉅顟B(tài)分析

在低溫光學(xué)系統(tǒng)兩個(gè)溫區(qū)的溫度已確定的情況下, 裝在真空低溫倉(cāng)中, 經(jīng)過適當(dāng)?shù)慕^熱設(shè)計(jì), 其低溫?zé)崞胶饩褪且粋€(gè)確定的穩(wěn)態(tài)換熱狀態(tài)。

由傳熱學(xué)理論可得系統(tǒng)低溫下一級(jí)溫區(qū)、二級(jí)溫區(qū)、真空低溫倉(cāng)間的換熱關(guān)系, 如圖 3 所示。

 

低溫光學(xué)系統(tǒng)熱平衡熱流圖

 

圖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(shí), 一級(jí)溫區(qū)從真空低溫倉(cāng)吸熱 5.23 W, 向二級(jí)溫區(qū)放熱 0.19 W, 向一級(jí)冷頭放熱 5.04 W, 從而達(dá)到平衡; 二級(jí)溫區(qū)從一級(jí)溫區(qū)吸熱 0.19 W, 真空低溫倉(cāng)吸熱 1.21 W, 向二級(jí)冷頭放熱 1.40 W, 以達(dá)到平衡。

1.4、系統(tǒng)兩級(jí)溫區(qū)的制冷

由低溫?zé)崞胶夥治隹芍?系統(tǒng)對(duì)制冷能力的要求為一級(jí)大于 5.04 W, 二級(jí)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(shí)進(jìn)行兩個(gè)溫區(qū)的制冷, 系統(tǒng)會(huì)更復(fù)雜和難以控制。

采用兩級(jí)氦氣壓縮式制冷對(duì)系統(tǒng)兩級(jí)溫區(qū)進(jìn)行制冷, 具有制冷溫度低、制冷功率大、分級(jí)制冷的特點(diǎn), 其制冷功率一級(jí)在 77 K 時(shí)達(dá) 65 W, 二級(jí)在 20 K時(shí)達(dá) 7 W, 最低制冷溫度空載時(shí), 一二級(jí)分別為 45、16 K, 滿足系統(tǒng)低溫要求。

系統(tǒng)兩個(gè)溫區(qū)與制冷機(jī)冷頭間的熱傳導(dǎo)采用銅帶作軟連接實(shí)現(xiàn), 以避免制冷機(jī)工作時(shí)的振動(dòng)和裝配時(shí)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的位置干擾, 如圖 4 所示。

 

制冷傳熱軟連接示意圖

 

圖4 制冷傳熱軟連接示意圖

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

1.5、系統(tǒng)兩級(jí)溫區(qū)的溫控

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

二級(jí)溫區(qū)的控溫由于受制冷機(jī)二級(jí)冷頭控溫范圍的影響, 在高于 30 K 后不能控制, 故采用單獨(dú)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(dá)±0.5 K。

為避免低溫下各溫區(qū)內(nèi)溫差過大引起系統(tǒng)變形,對(duì)系統(tǒng)一二級(jí)溫區(qū)控溫平衡后的溫度分布進(jìn)行了有限元模擬, 如圖 5、圖 6 所示。

 


一二級(jí)溫區(qū)100K/50k低溫分布模擬

 

圖5 一級(jí)溫區(qū)10 0 K 低溫分布模擬 圖6 二級(jí)溫區(qū)50 K 低溫分布模擬

由圖可見, 降溫平衡后一級(jí)溫區(qū)內(nèi)最大溫差僅 3.1 K 左右, 二級(jí)溫區(qū)內(nèi)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(jīng)熱力學(xué)耦合分析, 在此溫度梯度下各溫區(qū)光學(xué)平臺(tái)的最大熱變形為 1.2 μm, 僅引起光學(xué)平臺(tái)傾 斜 0.38″,對(duì)系統(tǒng)成像質(zhì)量的影響可以忽略。

2、低溫測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)設(shè)計(jì)與分析結(jié)果, 建立該兩級(jí)溫區(qū)低溫光學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng), 結(jié)果如圖 7、圖 8 所示。

 

一級(jí)溫區(qū)低溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果

 

圖7 一級(jí)溫區(qū)低溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果

 

濾光片

 

圖8 二級(jí)溫區(qū)低溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖 7 可見: 一級(jí)溫區(qū)制冷開始后約 7.8 h 降到102 K, 進(jìn)入程序控溫, 溫度逐漸穩(wěn)定在 99.5 K, 平衡后溫區(qū)內(nèi)分布于各處的6個(gè)測(cè)溫點(diǎn)測(cè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示: 一級(jí)溫區(qū)的制冷能力和銅帶導(dǎo)熱能力適當(dāng)、控溫合理, 7~8 h 后就能夠順利實(shí)現(xiàn) 80~100 K 的制冷與控溫。降溫時(shí)間與理論分析的 7.5 h較符合, 溫區(qū)內(nèi)最大溫差 2.4 K, 小于有限元模擬結(jié)果 3.1 K, 具有良好的溫度均勻性。

由圖 8 可見: 二級(jí)溫區(qū)制冷開始后 3 h 即可降到50 K 以下, 啟動(dòng)溫控后溫區(qū)內(nèi)控溫點(diǎn)先后很快穩(wěn)定在 50 K±0.1 K、60 K±0.1 K 內(nèi), 在控溫達(dá)到平衡時(shí),溫區(qū)內(nèi) 2 個(gè)測(cè)溫點(diǎn)溫差在 0. 5 K 以內(nèi)。

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

3、結(jié) 論

在低溫光學(xué)系統(tǒng)的研究中, 采用新型制冷技術(shù),通過系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、熱、光學(xué)設(shè)計(jì)和分析, 順利實(shí)現(xiàn)了低溫光學(xué)系統(tǒng)一級(jí)和二級(jí)兩級(jí)溫區(qū)的隔離與建立, 使國(guó)內(nèi)低溫光學(xué)技術(shù)達(dá)到了液氮以下溫度和雙波段探測(cè)的低溫水平。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明: 系統(tǒng)性能穩(wěn)定, 一級(jí)溫區(qū)能夠任意設(shè)定在 80~100 K, 控溫精度±0.5 K, 溫區(qū)內(nèi)最大溫差 2.4 K, 滿足系統(tǒng)中波探測(cè)的要求; 二級(jí)溫區(qū)能夠任意設(shè)定在 40~80 K, 控溫精度±0.2 K, 溫區(qū)內(nèi)最大溫差 0.5 K, 滿足系統(tǒng)長(zhǎng)波探測(cè)的要求。在我國(guó)低溫紅外探測(cè)器在液氮氮點(diǎn)以下的性能測(cè)試數(shù)據(jù)缺乏的情況下, 將為進(jìn)一步研究探測(cè)器和整個(gè)低溫光學(xué)系統(tǒng)的探測(cè)性能提供良好的條件。(作者:任棲鋒、沈忙作、廖 勝、譚述亮、韓維強(qiáng))


標(biāo)簽: 低溫光學(xué)