高加速近紫外模擬的均勻性控制方法

楊艷斌，沈自才*，張鵬嵩，李竑松，姜利祥，賀洪波，王胭脂，邵建達(dá)

（1. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094； 2. 中國(guó)科學(xué)院 上海光學(xué)精密機(jī)械研究所，上海 201800）

0 引言

航天器在軌運(yùn)行時(shí)，由于失去地球大氣層的保護(hù)，所有波段的太陽電磁輻射都能夠到達(dá)航天器的表面。太陽輻射強(qiáng)度用太陽常數(shù)來表示，地表太陽常數(shù)值為1 353 W/m2。近紫外輻射的波長(zhǎng)范圍為200～400 nm，雖然其輻射的能量只占太陽輻射總能量的8.6%[1]，但由于其光子能量較高（波長(zhǎng)為200 nm 的光子能量為6.2 eV），作用于航天器表面會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)，使航天器表面帶電，影響航天器內(nèi)電子系統(tǒng)與磁性器件的正常工作；此外還會(huì)破壞材料的化學(xué)鍵，使材料化學(xué)鍵和功能團(tuán)發(fā)生斷裂或交聯(lián)，導(dǎo)致性能退化[2]。

紫外輻照地面模擬試驗(yàn)一般采用加速試驗(yàn)[3-4]；為了防止熱效應(yīng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響[5]，一般都將加速倍率限制在5 倍以下[6]，如美國(guó)ASTM E 512 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定紫外加速倍率最大為3 倍[7]，GJB 2502.5—2006 將近紫外加速因子規(guī)定為不超過5[8]。這樣的加速倍率下，紫外輻照試驗(yàn)時(shí)間一般都比較長(zhǎng)，試驗(yàn)效率低，試驗(yàn)成本也較高。隨著行星探測(cè)任務(wù)的推進(jìn)，開展更高紫外太陽常數(shù)的紫外輻照試驗(yàn)已成為必然，例如針對(duì)水星的探測(cè)器。國(guó)外已進(jìn)行了更大加速倍率的紫外輻照試驗(yàn)。法國(guó)ONERA 的J.Marco 等人經(jīng)過分析認(rèn)為，在使用有濾光片的氙燈紫外源的條件下，近紫外加速倍率達(dá)到10 倍的情況下仍然能夠滿足ECSS-Q-ST-70-06C[9]中對(duì)熱效應(yīng)的限制要求，并對(duì)GEO 衛(wèi)星使用的OSR、白漆等熱控材料進(jìn)行了綜合輻照試驗(yàn)，其中紫外輻照試驗(yàn)的加速倍率為7 倍[10]。然而，在近紫外輻照模擬試驗(yàn)過程中，如果樣品臺(tái)上的紫外輻照均勻性較差，則意味著不同樣品或同一樣品不同部位在相同的試驗(yàn)周期內(nèi)存在較大的紫外曝輻量差異，同時(shí)輻照面的溫度也存在差異，從而造成試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性較差，最終影響試驗(yàn)?zāi)M的有效性，這是紫外輻照試驗(yàn)過程中需要關(guān)注和重點(diǎn)解決的問題。

本文將在近紫外輻照需求分析的基礎(chǔ)上，從光路設(shè)計(jì)入手，通過模擬源的選用以及光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在滿足高加速近紫外模擬的同時(shí)，力求實(shí)現(xiàn)較好的輻照面均勻性。

1 近紫外源輻照均勻性要求

通常以輻照面的中心點(diǎn)作為輻照均勻性監(jiān)測(cè)的參考點(diǎn)。

針對(duì)國(guó)外的現(xiàn)狀和國(guó)內(nèi)未來深空探測(cè)的需求，同時(shí)兼顧開展近地軌道試驗(yàn)的需求，我們提出近紫外的模擬能力如下：1）近紫外波長(zhǎng) 200～400 nm；2）近紫外輻照面積最大為φ300 mm；3）近紫外輻照度：輻照面積在φ300 mm 時(shí)，輻照度為4SC～10SC，輻照面積φ180 mm 時(shí)輻照度為10SC～20SC；4）近紫外輻照不均勻度優(yōu)于±5%。

2 光路設(shè)計(jì)

常用的近紫外模擬源主要有汞燈、氙燈、汞氙燈等。汞燈能夠提供較大的功率，但其光譜主要為線譜；氙燈光譜與太陽光譜比較接近，尤其是紫外波段為連續(xù)譜。因此，在高加速近紫外模擬試驗(yàn)中，模擬源采用氙燈。

利用聚光鏡將氙燈產(chǎn)生的紫外光聚焦，然后經(jīng)過積分器實(shí)現(xiàn)多光源模擬來獲得相對(duì)均勻的光束，再使用濾光片將可見紅外光譜過濾，最后利用反射鏡實(shí)現(xiàn)光束的方向改變，利用準(zhǔn)直鏡將光束透過窗口輻照到樣品臺(tái)上，如圖1 所示。其中濾光片、積分器、窗口材料均采用遠(yuǎn)紫外石英玻璃。將長(zhǎng)焦距透鏡替換準(zhǔn)直鏡后可以實(shí)現(xiàn)更大面積的發(fā)散均勻輻照。

圖1 近紫外模擬光路圖Fig. 1 Light path diagram of near UV simulation

3 大面積近紫外輻照的均勻性控制

3.1 近紫外模擬系統(tǒng)

近紫外模擬源系統(tǒng)主要包括近紫外氙燈和聚光鏡。

光源采用德國(guó)OSRAM 公司的10 000 W 風(fēng)冷氙燈，型號(hào)為XOB 10000W/HS OFR，氙燈技術(shù)指標(biāo)及運(yùn)行參數(shù)見表1，氙燈質(zhì)量為1.315 kg。

表1 德國(guó)OSRAM 10 000 W 氙燈的主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of German OSRAM 10 0000 W xenon lamp

聚光鏡組件由氙燈、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、聚光鏡組成，如圖2 所示。聚光鏡為鋁鏡，材料LD5。聚光鏡大開口端固定在機(jī)箱的隔板上，調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)固定在機(jī)箱底板上；隔板和底板以螺接方式固定在機(jī)箱框架上；隔板為20 mm 厚的鋁板，并在聚光鏡安裝面處加工一凸臺(tái)，底板為16 mm 厚的鋁板。

圖2 聚光鏡組件Fig. 2 The assembly of condenser

根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果，聚光鏡選擇橢球面聚光鏡，第一焦距f1=70 mm，第二焦距f2=1 540 mm。

面形方程為

聚光鏡大開口端直徑為460 mm，小開口端直徑為100 mm。

3.2 均勻性控制系統(tǒng)

紫外輻照過程中，通常要求樣品臺(tái)的不均勻度控制在±5%以內(nèi)?？梢圆捎霉鈱W(xué)積分器，將一個(gè)點(diǎn)光源模擬為很多個(gè)點(diǎn)光源，以利實(shí)現(xiàn)輻照面上的光學(xué)均勻性。

光學(xué)積分器組件由場(chǎng)鏡、投影鏡、鏡筒組件組成（如圖3 所示）。其中，場(chǎng)鏡和投影鏡均為由一塊平鏡上光膠有19 塊小六方場(chǎng)鏡元素鏡制成，積分器的材質(zhì)為遠(yuǎn)紫外石英玻璃。

圖3 積分器組件Fig. 3 The assembly of integrator

積分器采用壓圈固定，其組件底板和固定板分別開不同方向長(zhǎng)圓槽保證積分器組件可以整體在水平方向移動(dòng)，垂直方向通過墊片來保證積分器光軸與整體光軸一致。

積分器筒壁外側(cè)焊有冷卻水管，使用時(shí)通冷卻水對(duì)積分器進(jìn)行冷卻。鏡筒組件由鏡筒、冷卻水套和進(jìn)、出水管焊接而成；焊接完成后，通水進(jìn)行打壓試驗(yàn)，在0.5 MPa 水壓下保持時(shí)間不小于30 min，要求冷卻管路無泄漏；之后對(duì)鏡筒組件進(jìn)行精加工，鏡筒兩邊安裝場(chǎng)鏡和投影鏡的內(nèi)壁同軸度不大于φ0.1 mm，場(chǎng)鏡及投影鏡的安裝面平行度不大于0.06 mm，兩安裝面間距35 mm。場(chǎng)鏡、投影鏡及濾光片均采用壓圈（材料LF5）固定，光學(xué)鏡側(cè)壁使用聚四氟乙烯墊片保護(hù)。光學(xué)裝校過程中先安裝場(chǎng)鏡，之后通過旋轉(zhuǎn)和平移投影鏡，保證二者同軸度不大于φ0.3 mm。實(shí)際安裝過程中，場(chǎng)鏡與投影鏡之間安裝2 個(gè)墊圈（材料LF5），通過使用不同厚度的墊圈，調(diào)節(jié)兩鏡之間的間距。使用的墊圈兩平面之間的平行度不大于0.06 mm，場(chǎng)鏡與投影鏡的安裝面平行度不大于0.06 mm，所以兩鏡之間的平行度不大于0.18 mm。鏡筒外壁加工有8 mm（寬）×5 mm（深）螺旋槽，用于通冷卻水。鏡筒組件采用紫銅材料加工：紫銅具有良好的導(dǎo)熱性，便于積分器上熱量的傳導(dǎo)。

3.3 近紫外輻照面積控制方法

近紫外光源的面積可以通過準(zhǔn)直透鏡和發(fā)散透鏡來控制。準(zhǔn)直鏡組件和發(fā)散鏡組件都是整體拆裝。當(dāng)紫外輻照試驗(yàn)需要的是高加速倍率而不需要大面積時(shí)，可以將準(zhǔn)直鏡組件裝上。當(dāng)更關(guān)注輻照面積時(shí)，則拆下準(zhǔn)直鏡組件，安裝發(fā)散鏡組件以實(shí)現(xiàn)更大的輻照面積。

準(zhǔn)直鏡及小透鏡都為紫外石英玻璃，組件如圖4所示，都是由光學(xué)鏡、鏡筒、壓圈和墊片組成。鏡筒材料為防銹鋁LF6；鏡筒內(nèi)側(cè)加工一凸臺(tái)，用于光學(xué)鏡的定位和固定。光學(xué)鏡周向墊有2.5 mm 厚的聚四氟乙烯墊片，側(cè)向墊有總厚度為3 mm 的聚四氟乙烯墊圈；最后，壓上壓圈。

圖4 準(zhǔn)直鏡及小透鏡組件Fig. 4 The assembly of collimator and lenticule

準(zhǔn)直鏡組件和小透鏡組件采取的是同一安裝接口，當(dāng)使用準(zhǔn)直鏡時(shí)，將小透鏡組件拆下，在隔板上面裝上減光片；當(dāng)使用小透鏡時(shí)，將準(zhǔn)直鏡組件拆下，將減光片安裝在隔板下面。

4 結(jié)果分析

基于問題的解決過程，成功實(shí)現(xiàn)了高加速倍率近紫外源的設(shè)計(jì)和研制。光源系統(tǒng)整體外觀及實(shí)物如圖5 所示。

圖5 近紫外光源系統(tǒng)外觀及實(shí)物Fig. 5 The near ultraviolet light source system

經(jīng)測(cè)試，采用10 000 W 氙燈作為近紫外源，當(dāng)氙燈的功率設(shè)置為9861 W 時(shí)，φ300 mm 面積上輻照度為15SC，均勻度優(yōu)于95%；利用準(zhǔn)直鏡系統(tǒng)，當(dāng)氙燈的功率設(shè)置為9524 W 時(shí)，φ180 mm 面積上輻照度為24SC，均勻度優(yōu)于95%。

5 結(jié)束語

通過采用大功率氙燈光源、積分球系統(tǒng)、準(zhǔn)直鏡系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了近紫外輻照面積φ180 mm 時(shí)輻照度最高可達(dá)24SC 的加速倍率，同時(shí)保證均勻度大于95%。該近紫外光源系統(tǒng)大大提高了試驗(yàn)效率、縮短了試驗(yàn)周期，具有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。