在低溫光學(xué)系統內建立兩級溫區是紅外弱目標雙波段探測的基礎和關(guān)鍵， 采用氦氣壓縮式制冷技術(shù)， 通過(guò)精密的結構、熱、光學(xué)設計和分析， 實(shí)現了低溫光學(xué)系統內兩個(gè)低溫溫區的隔離與建立， 一級溫區8 0 ～1 0 0 K ， 二級溫區4 0 ～8 0 K ， 控溫精度±0 . 5 K ， 溫區內最大溫差2 . 4 K ， 兩溫區獨立控溫、互不干擾， 克服了國內低溫光學(xué)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(xué)的研究達到了具有更低工作溫度和雙溫區同時(shí)工作的水平。

　　降低紅外探測光學(xué)系統的溫度， 可明顯減少系統內部熱輻射， 降低探測器背景噪聲， 有效提高系統探測能力和靈敏度。隨著(zhù)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， 要求紅外探測系統的工作溫度更低， 同時(shí)也對探測系統提出了多波段探測的要求， 探測系統同時(shí)進(jìn)行多波段的探測時(shí)， 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(xué)系統的研究提出了在系統內建立多級溫區的要求。

　　20 世紀90 年代我國研制成功的低溫光學(xué)系統，用液氮制冷， 溫度控制在100 K 左右， 只具有單一溫區。與單一溫區低溫光學(xué)系統相比， 兩級溫區系統的設計將更加復雜和難以控制， 不但要考慮同時(shí)將兩個(gè)溫區制冷到相應的低溫， 還要進(jìn)行獨立的溫度控制， 避免相互干擾和影響。

　　為建立兩級溫區的低溫光學(xué)系統， 文中采用新型制冷技術(shù)， 通過(guò)精密的結構、熱、光學(xué)設計和分析， 實(shí)現了低溫光學(xué)系統內兩個(gè)低溫溫區的隔離與建立， 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(xué)系統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進(jìn)行探測的低溫條件， 將有效提高低溫光學(xué)系統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(xué)系統兩級溫區的建立

　　1.1、實(shí)驗低溫光學(xué)系統的設計

　　根據通常紅外探測對中長(cháng)波探測器工作溫度的要求， 進(jìn)行了相應一級溫區 80～100 K， 二級溫區 40～80 K 低溫光學(xué)系統布置與設計， 可實(shí)現對紅外目標的成像或探測。

　　光線(xiàn)經(jīng)離軸拋物鏡 M1、M2 組成縮束系統后， 被分光鏡 Spliter 分光， 分別通過(guò)離軸拋物鏡 M3、M4 聚焦在 HgCdTe 探測器 1 和 2 上。其中光學(xué)系統與中波探測器 1 均處于一級溫區， 而對背景輻射更敏感的長(cháng)波探測器 2 則單獨處于工作溫度更低的二級溫區。

　　整個(gè)低溫光學(xué)系統被放置在一個(gè)真空低溫倉中，通過(guò)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(shí)可以保持倉內清潔， 光學(xué)性能穩定。

　　1.2、系統低溫絕熱設計

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

　　一級溫區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(shí)現， 并采用了接觸面很小的錐面配合結構做支撐， 極大減小了系統漏熱率和漏熱截面積。同時(shí)由該設計組成的 3 點(diǎn)溝槽式向心支撐結構還具有高精度自動(dòng)復位， 保持光學(xué)系統低溫視軸穩定的作用。低溫光學(xué)系統一二級溫區間的絕熱同樣采用低導熱率的高分子材料隔離實(shí)現。

　　1.3、系統低溫熱平衡狀態(tài)分析

　　在低溫光學(xué)系統兩個(gè)溫區的溫度已確定的情況下， 裝在真空低溫倉中， 經(jīng)過(guò)適當的絕熱設計， 其低溫熱平衡就是一個(gè)確定的穩態(tài)換熱狀態(tài)。

　　由傳熱學(xué)理論可得系統低溫下一級溫區、二級溫區、真空低溫倉間的換熱關(guān)系?！　∮蓤D可見(jiàn)， 系統低溫熱平衡時(shí)， 一級溫區從真空低溫倉吸熱 5.23 W， 向二級溫區放熱 0.19 W， 向一級冷頭放熱 5.04 W， 從而達到平衡; 二級溫區從一級溫區吸熱 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、系統兩級溫區的制冷

　　由低溫熱平衡分析可知： 系統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(shí)進(jìn)行兩個(gè)溫區的制冷， 系統會(huì )更復雜和難以控制。

　　采用兩級氦氣壓縮式制冷對系統兩級溫區進(jìn)行制冷， 具有制冷溫度低、制冷功率大、分級制冷的特點(diǎn)， 其制冷功率一級在 77 K 時(shí)達 65 W， 二級在 20 K時(shí)達 7 W， 最低制冷溫度空載時(shí)， 一二級分別為 45、16 K， 滿(mǎn)足系統低溫要求。

　　系統兩個(gè)溫區與制冷機冷頭間的熱傳導采用銅帶作軟連接實(shí)現， 以避免制冷機工作時(shí)的振動(dòng)和裝配時(shí)對光學(xué)系統的位置干擾。

　　經(jīng)有限元優(yōu)化設計， 使其在有足夠的導熱能力時(shí)仍保持一定的柔性。當冷頭與各溫區間存在 50 K 溫差時(shí)， 向一二級溫區最大傳熱量分別為 47.2 W 和 7.4 W。據此計算， 系統一級溫區降溫時(shí)間為 7.5 h， 二級溫區降溫時(shí)間為 3 h。

　　1.5、系統兩級溫區的溫控

　　制冷機一級冷頭的溫度在 45～320 K 之間任意可控， 故一級溫區的溫度控制是通過(guò)調節制冷機一級冷頭的溫度進(jìn)行的。結合系統特點(diǎn)， 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(shí)驗結果與分析

　　根據設計與分析結果， 建立該兩級溫區低溫光學(xué)實(shí)驗系統。

　　 一級溫區制冷開(kāi)始后約 7.8 h 降到102 K， 進(jìn)入程序控溫， 溫度逐漸穩定在 99.5 K， 平衡后溫區內分布于各處的6個(gè)測溫點(diǎn)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(shí)驗結果顯示： 一級溫區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(shí)現 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。

　 二級溫區制冷開(kāi)始后 3 h 即可降到50 K 以下， 啟動(dòng)溫控后溫區內控溫點(diǎn)先后很快穩定在 50 K±0.1 K、60 K±0.1 K 內， 在控溫達到平衡時(shí)，溫區內 2 個(gè)測溫點(diǎn)溫差在 0. 5 K 以?xún)取?/p>

　　實(shí)驗結果顯示： 二級溫區制冷能力足夠， 控溫及時(shí)準確， 3.5 h 后就能夠順利實(shí)現 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內溫差過(guò)大引起系統變形，對系統一二級溫區控溫平衡后的溫度分布進(jìn)行了有限元模擬。

　　由圖可見(jiàn)， 降溫平衡后一級溫區內最大溫差僅 3.1 K 左右， 二級溫區內最大溫差僅為 1.3 K， 溫度梯度小于 0.08 K/cm， 溫度均勻性良好。經(jīng)熱力學(xué)耦合分析， 在此溫度梯度下各溫區光學(xué)平臺的最大熱變形為 1.2 μm， 僅引起光學(xué)平臺傾 斜 0.38″，對系統成像質(zhì)量的影響可以忽略。

　　3、結 論

　　在低溫光學(xué)系統的研究中， 采用新型制冷技術(shù)，通過(guò)系統的結構、熱、光學(xué)設計和分析， 順利實(shí)現了低溫光學(xué)系統一級和二級兩級溫區的隔離與建立， 使國內低溫光學(xué)技術(shù)達到了液氮以下溫度和雙波段探測的低溫水平。

　　實(shí)驗結果表明： 系統性能穩定， 一級溫區能夠任意設定在 80～100 K， 控溫精度±0.5 K， 溫區內最大溫差 2.4 K， 滿(mǎn)足系統中波探測的要求; 二級溫區能夠任意設定在 40～80 K， 控溫精度±0.2 K， 溫區內最大溫差 0.5 K， 滿(mǎn)足系統長(cháng)波探測的要求。在我國低溫紅外探測器在液氮氮點(diǎn)以下的性能測試數據缺乏的情況下， 將為進(jìn)一步研究探測器和整個(gè)低溫光學(xué)系統的探測性能提供良好的條件。