用于真空紫外探測(cè)器標(biāo)定的光學(xué)斬波器研究

盧 飛，張博妮，秦 艷，胡鐵力，俞 兵，孫宇楠，曹 鋒

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065）

引言

光學(xué)斬波器通過斬波輪旋轉(zhuǎn)將光信號(hào)尤其是微弱光信號(hào)調(diào)制成交變光信號(hào)，然后交變的光信號(hào)通過光電轉(zhuǎn)換得到固定頻率的電壓信號(hào)。電壓信號(hào)與斬波器輸出的、與光信號(hào)同步的參考信號(hào)一起輸入鎖相放大器中，通過鎖相放大器檢波功能實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱光譜信號(hào)的相關(guān)檢測(cè)[1-2]，光學(xué)斬波器的轉(zhuǎn)速控制精度及穩(wěn)定度至關(guān)重要。斬波放大技術(shù)通過僅放大信號(hào)和與信號(hào)同頻率的噪聲，從而實(shí)現(xiàn)絕大部分噪聲和信號(hào)分離，完成低頻弱信號(hào)的有效放大[3]。因此斬波放大電路具有有效放大低信噪比信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)[4-6]。

光譜響應(yīng)度是探測(cè)器的重要技術(shù)參數(shù)之一，隨著低溫輻射計(jì)靈敏度的提高，可以利用單色儀出射的單色光作為光源實(shí)現(xiàn)低溫輻射計(jì)標(biāo)定探測(cè)器絕對(duì)光譜響應(yīng)度。在標(biāo)定115 nm～400 nm 波段探測(cè)器絕對(duì)光譜響應(yīng)度時(shí)，低溫輻射計(jì)和探測(cè)器均處于真空環(huán)境中，經(jīng)過單色儀分光后的光信號(hào)非常弱，必須使用斬波器和鎖相放大器將弱信號(hào)從噪聲信號(hào)中提取出來，并做放大處理。一般的斬波器電機(jī)中的油會(huì)污染真空腔室，并且電機(jī)不具備散熱功能，無法滿足真空環(huán)境使用要求。而國(guó)內(nèi)未見相關(guān)適用真空環(huán)境斬波器的文獻(xiàn)，國(guó)外Mcpherson 公司采用音叉震動(dòng)的方式制作了適用真空環(huán)境的斬波器，其頻率范圍為10 Hz～1 kHz，穩(wěn)定性優(yōu)于0.01%。雖然性能滿足使用要求，但是價(jià)格昂貴。因此，為了實(shí)現(xiàn)基于低溫輻射計(jì)的115 nm～400 nm 波段探測(cè)器絕對(duì)光譜響應(yīng)度標(biāo)定，本文設(shè)計(jì)了一款適用于真空環(huán)境的光學(xué)斬波器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該光學(xué)斬波器滿足使用要求，具有穩(wěn)定性好、可用于真空環(huán)境的特點(diǎn)。

1 光學(xué)斬波器組成及工作原理

1.1 組成

光學(xué)斬波器由斬波片、轉(zhuǎn)軸、伺服電機(jī)、U 型光電開關(guān)、降溫組件、支架、光電開關(guān)電路和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，轉(zhuǎn)軸由伺服電機(jī)控制帶動(dòng)斬波片進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。

1.2 工作原理

將斬波器和鎖相放大器組合起來，通過對(duì)光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制解調(diào)，實(shí)現(xiàn)將信號(hào)噪聲分離，從而僅放大有用信號(hào)，并提高有用信號(hào)的信噪比[7-8]。光學(xué)斬波器將低信噪比的微弱光信號(hào)調(diào)制成指定頻率的交變信號(hào)，然后通過光電轉(zhuǎn)換得到交變的電壓信號(hào)，該信號(hào)與光學(xué)斬波器同步輸出的參考信號(hào)一起輸入鎖相放大器。鎖相放大器識(shí)別輸入的參考信號(hào)的頻率，通過內(nèi)部檢波電路分離出與參考信號(hào)同步的交流輸入信號(hào)，只有此頻率的信號(hào)可以通過并進(jìn)行放大，而其他與參考信號(hào)頻率差別較大的信號(hào)會(huì)被濾除，從而降低噪聲信號(hào)的影響，改善檢測(cè)信噪比，達(dá)到微弱交流信號(hào)讀取的目的[9]。由于鎖相放大器測(cè)量與參考信號(hào)同頻率信號(hào)的幅度，并且有一個(gè)最少鎖定周期，因此光學(xué)斬波器斬波輪的轉(zhuǎn)速控制精度及穩(wěn)定度至關(guān)重要。

鎖相放大器輸出信號(hào)的幅值取決于輸入信號(hào)和參考信號(hào)的頻率差和相位差。光學(xué)斬波器頻率不穩(wěn)定主要引起輸入信號(hào)和參考信號(hào)的相位差。為滿足真空紫外探測(cè)器絕對(duì)光譜響應(yīng)度標(biāo)定光源穩(wěn)定性達(dá)到0.1%的要求，光學(xué)斬波器頻率不穩(wěn)定引起的最大相位差要小于2.5°。本文設(shè)計(jì)的光學(xué)斬波器在80 Hz 時(shí)使用，所以滿足相位差要求的斬波器的最大允許頻率范圍為79.4 Hz～80.6 Hz。本文設(shè)計(jì)的光學(xué)斬波器頻率穩(wěn)定性為±0.05 Hz，既可滿足鎖相放大器對(duì)參考信號(hào)的要求，又能滿足系統(tǒng)其余的設(shè)計(jì)要求。

為了實(shí)現(xiàn)基于低溫輻射計(jì)的115 nm～400 nm波段探測(cè)器絕對(duì)光譜響應(yīng)度[10-11]標(biāo)定，將溯源于低溫輻射計(jì)的傳遞標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器和被校準(zhǔn)探測(cè)器安裝在探測(cè)器真空艙的一維電動(dòng)平移臺(tái)上，如圖2所示。光學(xué)斬波器位于傳遞標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器和被校準(zhǔn)探測(cè)器前方的光路中，經(jīng)光學(xué)斬波器反射的紫外輻射由監(jiān)視探測(cè)器接收，經(jīng)光學(xué)斬波器透射的紫外輻射由傳遞標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器和被校準(zhǔn)探測(cè)器接收。

2 光學(xué)斬波器的設(shè)計(jì)

2.1 光學(xué)斬波器主體的設(shè)計(jì)

1）斬波片的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了如圖3所示的斬波片，其直徑為φ100 mm，通光口徑為φ94 mm。該斬波片采用超硬鋁材料加工，一面拋光成鏡面，一面進(jìn)行發(fā)黑處理。為了減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和抵抗加工過程中的變形，其結(jié)構(gòu)形式為中間略厚于邊緣。斬波片反射面粗糙度高將導(dǎo)致反射光斑出現(xiàn)彌散斑，從而降低反射光斑的能量，使監(jiān)視探測(cè)器測(cè)量困難，因此需要盡量減小彌散斑的出現(xiàn)。通過光學(xué)設(shè)計(jì)將基底的表面粗糙度設(shè)計(jì)為Ra=0.012。為了盡量減少中間傳動(dòng)結(jié)構(gòu)對(duì)光路的干涉，系統(tǒng)中采用斬波片直接與電機(jī)軸連接。斬波片先用螺釘固定在外錐套上，外錐套周向均勻分布有6 個(gè)彈性齒，當(dāng)擰緊拉緊螺釘時(shí)，內(nèi)錐套會(huì)沿著錐面軸向拉緊，促使外錐套上的6 個(gè)彈性齒均勻收縮，達(dá)到與電機(jī)軸抱死的目的，優(yōu)點(diǎn)是斬波片受力均勻、與電機(jī)軸同軸性好。

2）伺服電機(jī)的選型

根據(jù)斬波器的功能及設(shè)計(jì)要求，除了要求電機(jī)扭矩外，還要求電機(jī)轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)性。本文選擇了FAULHABER 公司的3274X024BP4-5 993型真空版直流無刷伺服電機(jī)[12-13]，轉(zhuǎn)矩為162 mN·m，并配備4 096線編碼器和6.6：1 的行星減速箱。其額定轉(zhuǎn)速為8 260 轉(zhuǎn)/min，滿足轉(zhuǎn)速7 920 轉(zhuǎn)/min 的要求。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器使用了其配套的MC5010S 驅(qū)動(dòng)器，并使用FAULHABER 公司電機(jī)管理軟件Motion Manager6對(duì)驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)節(jié)，使其配置達(dá)到最優(yōu)。在Motion Manager6 進(jìn)入動(dòng)態(tài)調(diào)試界面，通過參數(shù)自整定，以及調(diào)節(jié)反饋速率等驅(qū)動(dòng)器參數(shù)，最終轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在±20 轉(zhuǎn)/min。

3）光電開關(guān)信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

光電開關(guān)輸入相位相反的兩路信號(hào)，經(jīng)過運(yùn)放U1 組成的低通濾波器將光電開關(guān)輸出產(chǎn)生的尖刺脈沖濾除，然后利用兩路信號(hào)相位正好相反的特性，將另一路信號(hào)取反并與自身相與消除相位差和尖刺，從而消除斬波器光電開關(guān)輸出產(chǎn)生的毛刺噪聲以及葉片抖動(dòng)產(chǎn)生的相位誤差，如圖4所示。

2.2 降溫組件的設(shè)計(jì)

電機(jī)連續(xù)工作時(shí)，會(huì)有一部分功率轉(zhuǎn)換為無效的熱功率，從而產(chǎn)生自身發(fā)熱的現(xiàn)象。如果電機(jī)自身熱量累積無法及時(shí)散出，將會(huì)降低電機(jī)的可靠性，嚴(yán)重的甚至?xí)o法正常工作[14]。因此，電機(jī)的散熱設(shè)計(jì)就顯得尤為重要?；镜纳岱绞街饕袀鲗?dǎo)、對(duì)流傳熱和輻射傳熱三種。真空環(huán)境下，大氣中常見的空氣不再存在，由于缺乏有效的對(duì)流介質(zhì)，不存在大氣下的對(duì)流傳熱，需要從熱傳導(dǎo)和熱輻射兩個(gè)方面來著重考慮散熱。而液冷散熱系統(tǒng)需要額外的循環(huán)液路與密封系統(tǒng)，增加了電機(jī)系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性[15]。因此，電機(jī)降溫組件的設(shè)計(jì)主要針對(duì)真空環(huán)境下的熱傳遞特點(diǎn)，著重從增大散熱面積和提高熱傳導(dǎo)效率兩個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。

降溫組件的結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要由上層矩形封裝體、下層矩形封裝體和熱界面材料等組成。

電機(jī)通過端面和外圓接口安裝在電機(jī)支架上，上層矩形封裝體和下層矩形封裝體與支架固連。上層矩形封裝體和下層矩形封裝體主要是將圓柱型的電機(jī)封裝起來，不但起到了對(duì)電機(jī)的封裝和輔助支撐作用，而且可以將電機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的熱量通過硬件接觸傳導(dǎo)和熱輻射的方式傳遞到真空罐的底板和內(nèi)壁上。封裝體上分別設(shè)計(jì)了多組矩形散熱體，起到了增加熱傳導(dǎo)和熱輻射面積的目的。

在非真空環(huán)境中，多個(gè)固體之間除了材料自身接觸外，材料之間的各個(gè)細(xì)微的間隙空間也會(huì)有氣體填充。物體熱傳導(dǎo)有兩種途徑，一種是通過物體的直接接觸傳遞，另一種是固體到氣體再到固體的間接傳遞。而真空中，無氣體填充空隙，為了提高熱傳遞效率，降溫組件一方面提高了封裝體與電機(jī)接觸表面的粗糙度，讓微觀上接觸的點(diǎn)陣更多，另一方面在電機(jī)和散熱體之間填充了熱界面材料，起到了提高導(dǎo)熱效率的目的。

2.3 材料的處理

用于制作光學(xué)斬波器的斬波片、降溫組件、支架的材料放氣會(huì)影響探測(cè)器真空艙的真空度，需要對(duì)斬波片材料和降溫組件進(jìn)行特殊處理，降低其放氣率。材料處理流程包括3 步。

1）應(yīng)力釋放

采用高品質(zhì)鋁材料制作光學(xué)斬波器，鋁材料結(jié)構(gòu)致密并含有非常少的雜質(zhì)，對(duì)鋁材料進(jìn)行應(yīng)力釋放和高溫除氣，降低材料內(nèi)部釋放出的氣體。

2）清洗

在加工和處理過程中，不可避免會(huì)有塵埃、極性分子和有機(jī)物基團(tuán)等異物雜質(zhì)附著在材料表面。這些異物雜質(zhì)的吸氣能力通常比集體材料高，在真空狀態(tài)下會(huì)成為明顯的氣源，不斷地向真空艙內(nèi)釋放氣體，不僅會(huì)影響真空艙真空度的保持，還可能通過二次附著污染探測(cè)器。因此，為了保證部件的真空應(yīng)用性，必須要對(duì)部件進(jìn)行適當(dāng)?shù)那逑磥砣コ牧媳砻娈愇镫s質(zhì)。通過依次使用揮發(fā)性好的有機(jī)、無機(jī)溶劑來清洗部組件，可以利用解離-溶解-揮發(fā)的過程來清除材料表面的各種異物雜質(zhì)，使材料表面微觀結(jié)構(gòu)物質(zhì)，抑制材料真空放氣、提高部件表面連接強(qiáng)度和密封性能，有效改善部件真空適應(yīng)性和穩(wěn)定性。

3）烘烤

對(duì)材料進(jìn)行烘烤可以顯著增加解吸率和擴(kuò)散率，而且這會(huì)導(dǎo)致抽吸時(shí)間大大縮短。因此在溫度高達(dá)900 ℃時(shí)對(duì)材料進(jìn)行退化，并在300 ℃進(jìn)行烘烤，以增加其解吸率和擴(kuò)散率。

通過采用最優(yōu)的烘烤時(shí)間、溫度、壓力和交替循環(huán)程序，最終保證了光學(xué)斬波器材料放氣率小于1×10?11Pam3/(s·cm2)。

2.4 誤差分析

1）斬波片和電機(jī)裝配引起的光斑抖動(dòng)誤差

光斑投影發(fā)生周期性擾動(dòng)是由斬波片反光面和電機(jī)轉(zhuǎn)軸垂直度誤差造成的，如圖6所示。

根據(jù)三角函數(shù)可知，光點(diǎn)晃動(dòng)量的晃動(dòng)半徑為

式中：R為光點(diǎn)晃動(dòng)半徑；S為投射點(diǎn)到感光點(diǎn)的距離。

裝配時(shí)最大可能保證垂直度，然后用百分表打端面的方法保證垂直度θ，如圖6所示。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，斬波器的軸向跳動(dòng)量嚴(yán)格控制在0.05 mm，而誤差量只有跳動(dòng)量的1/2，實(shí)際誤差只有25 μm。

2）斬波器葉片弧長(zhǎng)幾何尺寸造成的斬波周期誤差

斬波器的使用頻率為80 Hz，斬波片為4 片，因此斬波器的轉(zhuǎn)速為20 轉(zhuǎn)/s。斬波片直徑為100 mm（劃過光束的直徑為94 mm），葉片寬度誤差為10 μm，假設(shè)斬波片寬度加工精度為0.01 mm，則周期誤差Δf為

3 實(shí)驗(yàn)分析

在如圖7所示的真空系統(tǒng)中，對(duì)光學(xué)斬波器斬波頻率的穩(wěn)定性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)真空系統(tǒng)的真空度為1×10?4Pa。對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使得電機(jī)轉(zhuǎn)速為7 920 轉(zhuǎn)/min（輸出參考信號(hào)頻率80 Hz）時(shí)的轉(zhuǎn)速誤差從±60 轉(zhuǎn)/min 減小到±20 轉(zhuǎn)/min。通過添加散熱措施后，電機(jī)轉(zhuǎn)速誤差進(jìn)一步減小到±18 轉(zhuǎn)/min，電機(jī)轉(zhuǎn)速監(jiān)控結(jié)果如圖8所示。利用本文設(shè)計(jì)的光電開關(guān)信號(hào)處理電路對(duì)光電信號(hào)進(jìn)行二次處理，其輸出參考信號(hào)頻率誤差進(jìn)一步降低到±0.05 Hz，將參考信號(hào)輸入到斯坦福公司的SR830 鎖相放大器進(jìn)行頻率監(jiān)控，其頻率在30 min 內(nèi)最大為80.04 Hz，最小為79.95 Hz。

4 結(jié)論

本文主要是針對(duì)基于低溫輻射計(jì)的115 nm～400 nm 波段探測(cè)器絕對(duì)光譜響應(yīng)度高準(zhǔn)確度標(biāo)定中一般斬波器不適用的問題，設(shè)計(jì)了一款適用于真空環(huán)境并且具備散熱功能的光學(xué)斬波器。實(shí)驗(yàn)表明該斬波器頻率在80 Hz 時(shí)的穩(wěn)定性為±0.05 Hz，可在10?4Pa 的真空環(huán)境下使用，對(duì)于真空紫外-紫外輻射定標(biāo)具有重要意義。