低温光学系统两级温区的设计与分析

    降低红外探测光学系统的温度, 可明显减少系统内部热辐射, 降低探测器背景噪声, 有效提高系统探测能力和灵敏度。随着航天事业及红外探测技术的发展 , 探测目标温度的降低,要求红外探测系统的工温度更低, 同时也对探测系统提出了多波段探测的要求^{[1- 2]}, 探测系统同时进行多波段的探测时, 由于不同波段受背景辐射的影响和探测器件低温性能的不一致, 各波段探测需要在不同的低温温度下工作, 从而为低温光学系统的研究提出了在系统内建立多级温区的要求。

    20 世纪 90 年代我国研制成功的低温光学系统,用液氮制冷, 温度控制在 100 K 左右^{[3- 7]}, 只具有单一温区。与单一温区低温光学系统相比, 两级温区系统的设计将更加复杂和难以控制, 不但要考虑同时将两个温区制冷到相应的低温, 还要进行独立的温度控制, 避免相互干扰和影响。

    为建立两级温区的低温光学系统, 文中采用新型制冷技术, 通过精密的结构、热、光学设计和分析, 实现了低温光学系统内两个低温温区的隔离与建立, 控温精度分别达±0.5 K 和±0.2 K。该设计克服了液氮制冷对低温光学系统工作温度和工作方向的制约, 提供给红外探测更低的温度和用两级温区进行探测的低温条件, 将有效提高低温光学系统红外探测的探测能力和灵敏度, 为红外目标的双波段探测奠定了良好的基础。

    1 低温光学系统两级温区的建立

    1.1 实验低温光学系统的设计

    根据通常红外探测对中长波探测器工作温度的要求, 进行了相应一级温区 80～100 K, 二级温区 40～80 K 低温光学系统布置与设计, 可实现对红外目标的成像或探测, 如图 1 所示。

    光线经离轴抛物镜 M1、M2 组成缩束系统后, 被分光镜 Spliter 分光, 分别通过离轴抛物镜 M3、M4 聚焦在 HgCdTe 探测器 1 和 2 上。其中光学系统与中波探测器 1 均处于一级温区, 而对背景辐射更敏感的长波探测器 2 则单独处于工作温度更低的二级温区。

    整个低温光学系统被放置在一个真空低温仓中,通过机械泵和低温泵抽真空, 可使仓内真空度低于1×10^{- 4}Pa, 减少内部对流, 抑制仓内外的热交换, 保持仓内低温和温度平衡, 同时可以保持仓内清洁, 光学性能稳定。

    1.2 系统低温绝热设计

    低温光学系统工作状态下与真空低温仓的温差将大于 200 K, 同时一二级温区间的温差也将达到几十 K, 必须进行有效的绝热。

    一级温区与真空低温仓间的绝热设计如图 2 所示, 热隔离用低导热率的高分子材料实现, 并采用了接触面很小的锥面配合结构做支撑, 极大减小了系统漏热率和漏热截面积。同时由该设计组成的 3 点沟槽式向心支撑结构还具有高精度自动复位, 保持光学系统低温视轴稳定的作用^[8]。低温光学系统一二级温区间的绝热同样采用低导热率的高分子材料隔离实现。