超流氦多孔塞相分离器的研究综述

　　1 背景

　　20 世纪 60 年代以来，随着空间红外探测技术的发展，天体红外辐射成为了揭示宇宙奥秘的新工具，天文学及宇宙学研究者开始采用空间红外探测系统对远至银河系外的宇宙进行探测研究。外星际暗面的温度约为 60K，星际尘雾的温度为 40K，这些是天文学家们感兴趣的探测目标，而宇宙的背景辐射温度仅为约 3K，为了得到精确的探测数据，必须将探测器冷却到更低的温度，比如空间远红外探测器的探头就需要工作在 2K 以下的低温环境中。由于超流氦的工作温度在 2.17K 以下，热导率极高，粘性极小，具有良好的低温冷却性能，因此被普遍应用于空间低温技术中，作为冷却介质为空间远红外探测的传感器提供所需要的低温环境。应用超流氦进行冷却时，整个系统中没有机械运动部件，因此不存在电磁波对探测器的干扰; 此外，由于超流氦的冷却温度极低，大幅度提高了探测的灵敏度，并且还可以避免对光学系统产生污染。

　　超流氦恒温器是远红外探测器冷却系统的主要设备，它的作用是为探测器提供稳定的工作环境。在应用超流氦进行冷却的过程中，超流氦不断吸热蒸发，使探测器能保持在极低的工作环境温度中，而蒸发产生的气体则被不断排放到太空中去，直至液氦储量耗尽。若这种冷却过程是发生在地球上，氦蒸气的密度小于液氦，由于重力的存在，只要存在一定的压力差就可对气液进行自动分离。而当这一冷却过程发生在太空中时，空间的重力加速度为零，气液两相不存在轻重之分，不再能够自动分离。对于超流氦恒温器，如果没有气液相分离装置，内部产生的气体不断积聚，打开容器后会出现气液夹带现象，气体和液体的混合物一起进入排气管道，导致超流氦消耗过量。因此，气液相分离器是超流氦恒温器的关键部件，能在空间无重力条件下有效防止超流氦向外太空的泄漏，完成超流氦的气液分离，实现空间液体的有效管理并延长探测器的工作寿命。

　　2 相分离器

　　自从相分离的概念由 Selzer、Fairbank 和Everitt[1]等在 1971 年提出以来，得到广泛研究和应用的相分离器主要有主动式和被动式相分离器两种。主动式相分离器( Active Phase Separator，简称 APS) 的质量流量依靠改变相分离器流动通道的几何尺寸来改变，可以实现制冷量的调节与控制，但结构比较复杂，部件多，带来了一系列的难点与缺陷，比如对发射时的加速度和振动非常敏感，内部安装驱动电机的运转增加了电磁噪声并降低了测量精度。另一种被动式相分离器( Passive Phase Separation，简称 PPS) ，主要指的是多孔塞相分离器( Porous Plug，简称 PP) ，由于结构简单，无运动部件，在空间应用中有更高的可靠性，已经运行的空间超流氦制冷系统基本上都采用了这种被动式的多孔塞相分离器。如 1983年美国空间红外天文卫星 IRAS[2]项目第一次将多孔塞气液相分离器成功地应用于外空间的红外探测系统，此后的宇宙背景探测卫星 COBE[3]、红外空间天文台 ISO、空间红外望远镜 SIRTF[4]以及日本的远红外空间探测器 ASTRO - F 项目也都是采用这种多孔塞相分离器。