空间低温光学试验深低温背景环境的实现

　　1 引言

　　空间低温光学技术具有广泛的应用前景，低温光学遥感相机测试和试验对工艺设备的要求不同于传统光学遥感相机。

　　低温光学遥感相机测试与试验平台是相机的性能测试与评价的基础设施，也是研制过程中至关重要的一项工作，最终的测试与评价结果是验证相机功能和性能重要依据。由于空间低温光学遥感相机的工作环境和待探测目标的特殊性，它的系统测试与试验平台必须能够提供超高真空( 真空度优于1×10^{- 5} Pa) 和深低温冷黑背景( 背景温度20 K 以下，甚至更低) 环境条件。为了使光学测试获得更好的稳定性，试验的背景温度不均匀性优于±3K，试验舱内不得有机械震动。目前空间环模设备中液氮流程的冷背景无法满足试验需求，必须在液氮冷背景的基础之上建立温度不高于20 K 的深低温氦冷黑背景。国内尚无专门的空间低温光学试验设备，建立符合光学测试要求的深低温冷黑背景环境是主要技术难题，针对如何实现20 K 以下的深低温光学试验环境进行了探讨。

　　2 氦冷背景实现形式

　　低温光学试验要求空间环模设备中的背景温度不高于20K，在某些特殊试验中要求背景温度能够维持4.5 K 左右，甚至更低。空间环模设备中的氦冷背景是由能模拟深低温冷黑环境的终端冷舱并配合大功率的氦制冷系统组成。目前，氦冷背景主要有以下三种实现途径。

　　( 1) 开式液氦冷却系统;

　　( 2) 机械式氦气制冷机系统;

　　( 3) 氦循环冷却系统。

　　2. 1 开式液氦冷却系统

　　开式液氦冷却系统的形式与开式液氮冷却系统[1]基本相同，由液氦热沉和液氦储槽两部分构成，系统无法对液氦循环利用，结构如图1所示。为了减少液氦热沉在降温过程中的液氦消耗，液氦热沉首先通过液氮预冷至90K 以下，然后用冷氮气将液氦热沉内残留液氮吹出。待热沉温度回至100 K以上后( 确保液氮充分汽化) ，改用气氦吹扫，将残留的氮气吹除干净，再注入液氦，逐渐将液氦热沉降温至20K 以下[2]。

　　开式液氦冷却系统有以下特点:

　　(1) 原理与结构简单，设备制作工艺成熟，实现20K 以下深冷背景的工艺难度低;

　　(2) 一次性投资较小，配套设备相对简单易用。

　　系统的不足之处:

　　(1) 液氦热沉降温时需要反复注入氮或氦，使得降温操作工艺流程复杂。如果预冷的氮气有残留，注入液氦后，会导致氮气凝固，堵塞热沉管路，严重影响热沉温度均匀性和安全性;

　　(2) 无法对液氦循环利用，液氦消耗量巨大，导致试验运行成本高;