小型低温真空光学实验装置设计

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1、小型低温真空光学实验装置设计摘要：低温光学就是要解决光学系统在低温情况下的一系列问题，如材料特性、光学元件单元及系统整体性能变化、光学元件变形、低温污染等等。为适应航天某光学系统研究的需要，研制了一套低温真空实验装置。该低温真空光学实验装置包括低温真空腔体、真空抽气系统、ZYGO干涉仪和防振平台以及监控测温系统。其中的低温真空腔体是针对小型光学元件实验设计的，它主要用于测量光学元件的温度场和低温变形，并且把电机产生的局部热量尽可能的导出系统外部。本文还对真空低温腔的关键部件光学窗口和梯形支撑的设计进行了详细分析。关键词：低温真空

2、低温光学实验装置有限元ZYGO干涉仪梯形支撑1引言随着空间技术和军事技术的发展需要，探测仪器的分辨率要求越来越高。在深冷的条件下，当需要探测的目标信号十分虚弱时，探测仪器的背景辐射主要来自仪器本身的光学系统和支撑结构，探测仪器灵敏度严重受到系统本身辐射的影响，为减少这一热噪声，冷却光学系统是必需采用的方法。只有把光学系统冷却及其相关部件冷却到一定程度，才能有效地减少背景光子的通量，发挥背景极限探测器的作用，大大提高探测器灵敏度。在低温状态下工作的光学系统需要解决一系列问题，这些问题涉及材料特性、光学元件单元及系统整体性能变化、光

3、学元件变形、低温污染等等，这就形成了一门新兴学科——低温光学。自上世纪七十年代开始，美国首先对低温光学技术进行研究，最初主要用于各种观察、测量系统，例如低温红外望远镜、空载干涉仪器等。从机载、球载到星载，大多数系统都成功有效地完成了对外空的各种探测任务。欧洲一些国家也对低温光学系统的观察仪器进行了研究。国内起步于上世纪八十年代末，由于国内航天及其国防事业的发展要求有高灵敏度的探测器，而这些仪器将不可避免地用到低温光学系统。我国的未来光学遥感系统采用了十几个光学元件，这些系统要求冷却到150K，并且对光学元件的控温范围要求非常严格

4、，因此就需要研制一套低温真空实验装置对相关的光学元件进行低温实验。2系统实验装置的建立该光学系统的最主要部件之一是动镜装置部分。基于反射镜的温度要冷却到150K并对反射镜的变形进行研究的目的，就需要建立一套高真空和低温应用的实验系统，该系统还要满足进行其它光学元件的低温实验需要。系统实验装置由真空机组、低温真空腔体、防振系统、测量装置等主要部分组成。2.1低温真空腔体设计低温真空光学实验装置系统示意图如图1所示，1-机械泵2-预阀3-分子泵4-高阀5-铜带6-低温真空腔7-直线电机8-电源9-被测量光学系统10-ZYGO干涉仪1

5、1-光学窗口12-监控计算机13-温控电路14-铂电阻15-电热器16-液氮箱17-活性炭18-氮气19液氮20低阀。低温真空腔体是实验系统的核心部分，其示意图见如图2，1—抽气管2-液氮桶3-上腔体4-铜带5-引线出口6-支撑平台7-下腔体8-电机支撑9-梯形支撑10-光学窗口11-O形圈12-动镜支撑框架13-O形圈14-活性炭15-出气管16-进液管。腔体总高461mm，外壳直径284mm。内有圆柱形液氮容器，可以储存液体约4升。其中的光学元件支撑框架是专门为动镜设计的，其高度177mm。整个腔体可以测试直径小于250mm

6、,高度小于200mm的各类反射镜和光学元件。液氮桶下面用铜带接光学元件装置，当液氮桶灌注液氮后，冷量通过铜带传导给光学元件装置。下腔体的石英玻璃光学窗口直径为64mm.光学元件支撑结构由支撑平台和固定夹板组成。用固定夹板是为了防止光学元件框架移动，并保证光线垂直射到动镜表面上。由于动镜需要电机驱动，而电机的发热量为3-5）。通过ANSYS软件建立动镜的有限元模型，并施加边界条件，改变动镜的厚度，进行变厚度有限元分析。如图4-图6是其中比较有代表性的三个分析结果。从有限元分析结果可以得到不同厚度玻璃窗口最大变形比较。光学窗口厚8m

7、m时其最大变形0.989μm远超过一个波长，当其厚度从10mm变到12mm,起最大变形都小于一个波长，但是变化值并不大。窗口厚度变大，其折射带来的误差就大，为了保证其强度，综合这两个因素选择10mm厚，径厚比为6.4∶1的玻璃窗口。图3ZYGO激光平面干涉仪图48mm厚动镜有限元分析结果图510mm厚动镜有限元分析结果图612mm厚动镜有限元分析结果3.2梯形支撑的设计梯形支撑是连接真空腔体和支撑平台的关键部件，如图7为其示意图,图中为热端温度，为冷端温度。它一方面要求满足尽量减少导热，起到“绝热”的作用，另一方面又要求其强度能

8、满足实验的要求。图7梯形支撑模型示意图根据[1]知道，梯形支撑的热传导量为：（1）式中：——从支撑热端温度到冷端温度之间支撑材料的平均热导率；其表达式为：（2）——支撑的横截面积；L——支撑的高度。考虑到起其强度[5]，有：（3）式中：——作用于构件的设计载荷；