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(nèi)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(shù)， 通過精密的結(jié)構(gòu)、熱、光學設計和分析， 實現(xiàn)了低溫光學系統(tǒng)內(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)內(nèi)最大溫差2 . 4 K ， 兩溫區(qū)獨立控溫、互不干擾， 克服了國內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(shù)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(nèi)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(shù)， 通過精密的結(jié)構(gòu)、熱、光學設計和分析， 實現(xiàn)了低溫光學系統(tǒng)內(nèi)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(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(xiàn)對紅外目標的成像或探測， 如圖 1 所示。
圖1 實驗光學系統(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(nèi)真空度低于1×10- 4Pa， 減少內(nèi)部對流， 抑制倉內(nèi)外的熱交換， 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(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。同時由該設計組成的 3 點溝槽式向心支撐結(jié)構(gòu)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(xiàn)。
圖2 一級溫區(qū)絕熱設計示意圖
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(jīng)過適當?shù)慕^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， 如圖 3 所示。
圖3 低溫光學系統(tǒng)熱平衡熱流圖
由圖可見， 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(xiàn)， 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， 如圖 4 所示。
圖4 制冷傳熱軟連接示意圖
經(jīng)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(jù)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(diào)節(jié)制冷機一級冷頭的溫度進行的。結(jié)合系統(tǒng)特點， 采用先粗調(diào)， 再微調(diào)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。
為避免低溫下各溫區(qū)內(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 所示。
圖5 一級溫區(qū)10 0 K 低溫分布模擬 圖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)內(nèi)最大溫差僅 3.1 K 左右， 二級溫區(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(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)設計與分析結(jié)果， 建立該兩級溫區(qū)低溫光學實驗系統(tǒng)， 結(jié)果如圖 7、圖 8 所示。
圖7 一級溫區(qū)低溫實驗結(jié)果
圖8 二級溫區(qū)低溫實驗結(jié)果
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， 溫度逐漸穩(wěn)定在 99.5 K， 平衡后溫區(qū)內(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， 最大溫差2.4 K。
實驗結(jié)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(xiàn) 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(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(nèi)控溫點先后很快穩(wěn)定在 50 K±0.1 K、60 K±0.1 K 內(nèi)， 在控溫達到平衡時，溫區(qū)內(nèi) 2 個測溫點溫差在 0. 5 K 以內(nèi)。
實驗結(jié)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(xiàn) 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(shù)據(jù)不確切造成的。
3、結(jié) 論
在低溫光學系統(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、光學設計和分析， 順利實現(xiàn)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(nèi)低溫光學技術(shù)達到了液氮以下溫度和雙波段探測的低溫水平。
實驗結(jié)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(nèi)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(nèi)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(shù)據(jù)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。(作者：任棲鋒、沈忙作、廖 勝、譚述亮、韓維強)