制冷技术在空间红外光学系统中的应用及其发展趋势

　　1 引言

　　随着空间红外技术和军事技术的发展，人们对红外探测仪器性能的要求也越来越高.当探测目标信号十分微弱、信号距离相对较远以及温度较低时，探测仪器中光学系统与支撑结构的热辐射和杂散光就会成为影响探测性能的主要因素.为了减小这一影响，必须采用制冷技术将光学系统和相关支撑部件的温度冷却下来，这样才能有效地减少背景光子通量，发挥背景极限探测器的作用，从而提高探测器的灵敏度.

　　但是一直以来，由于光学系统在空间低温状态下工作时会存在一系列间题(例如光学材料特性和光学元件单元及系统整体性能的变化、光学元件变形、低温污染等)，空间红外光学制冷技术的发展一直受到限制，其应用领域也没有得到大范围推广.自20世纪70年代开始，美国最先对红外光学系统的制冷进行了研究，其成果最初主要用于各种观察与测量系统，例如低温红外望远镜、星载干涉仪器等，而且它们都成功有效地完成了外太空探测任务一些欧洲国家也对空间红外光学观察仪器进行了研究fll.我国在这方面的起步相对较晚，目前还没有相关的报道案例.

　　2 制冷技术在空间红外天文卫星中的应用

　　为了满足对外太空中的低温星体或低温物质进行探测的需要，空间红外光学系统一般都须采取低温制冷措施以保证观测精度。早期红外光学系统中采用的制冷方式一般为储存式(液体/固体制冷)单一的制冷系统，其中液体以超流氦居多.表1所示为各个国家针对各种任务所发射的红外卫星的相关概况.

　　由于光学系统和仪器设备对工作温度的要求不同，很多探测系统所采用的制冷系统也不再是简单的单一制冷方式，而是采用两种或两种以上的制冷方式的组合.下面主要以目前最先进的SIRTF和ASTRO-F红外望远镜及其WISE为例介绍低温制冷技术在红外光学系统中的应用.

　　2.1 SIRTF

　　SIRTF(又称“斯皮策”)空间红外天文卫星是美国于2003年发射的，它是继“哈勃”空间望远镜、康普顿7射线天文台和钱德拉X射线天文卫星之后的第四颗天文卫星.其工作波长范围为3tm N 180N.m，主反射镜的直径为85cm，它是目前孔径最大的空间红外望远镜.

　　SIRTF的有效载荷须在1.4K的低温环境下工作，此环境由低温保持器提供。低温保持器主要由真空外壳、内部和中间的蒸汽冷却防护层、氦罐和流体管理系统组成.其中，氦罐内装有360L超流氦。SIRTF进入预定轨道后，须用一周时间通过与外界辐射换热使卫星外壳冷却至50K.然后其望远镜和外壳的热藕合被切断，沸腾的低温气体花几周的时间将望远镜冷却至5.5K，然后将仪器冷却至1.4K.具体的制冷过程为:超流氦吸热蒸发，产生的冷蒸气通过气液相分离器从乏气管道排出液氦罐;低温蒸气通过管道系统依次经过焦平面仪器腔、主镜、塔状镜、二次镜、障板结构和恒温器夕院的三道气冷屏后，其冷量得到充分回收，然后各处的寄生漏热被消除，并通过恒温器外壳上的排气口排入太空，其示意图如图1所示.像SIRTF、ISO , IRAS和IRTS等中很多成功的红外光学制冷系统都是采用这种超流氦的方式进行制冷的。