Термооптика коллиматора, радиационно охлаждаемого в вакуумных условиях

Дмитриев И.Ю., Котмакова А.А., Резунков Ю.А. Термооптика коллиматора, радиационно охлаждаемого в вакуумных условиях // Оптический журнал. 2022. Т. 89. № 4. С. 23–33. DOI: 10.17586/1023-5086-2022-89-04-23-33

Dmitriev I.Yu., Kotmakova A.A., Rezunkov Yu.A. Thermal optics of a collimator radiatively cooled under vacuum [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2022. V. 89. № 4. P. 23-33. DOI: 10.17586/1023-5086-2022-89-04-23-33

I. Yu. Dmitriev, A. A. Kotmakova, and Yu. A. Rezunkov, "Thermal optics of a collimator radiatively cooled under vacuum," Journal of Optical Technology. 89(4), 205-212 (2022). https://doi.org/10.1364/JOT.89.000205

Испытания инфракрасной оптико-электронной аппаратуры с охлаждаемой оптикой, работающей в режиме ограничения фона, проходят в условиях вакуума и низкого радиационного фона. Последнее достигается охлаждением оптических элементов коллиматора и исключением прямой засветки входного зрачка аппаратуры «тёплыми» элементами вакуумной камеры. Предмет исследований. В данной работе исследуется термооптика двухзеркального коллиматора, охлаждение зеркал которого осуществляется при теплообмене инфракрасным излучением с охлаждаемыми цилиндрическими экранами в составе термостата, специально разработанного для охлаждения коллиматора. Описание метода. Режимы охлаждения коллиматора рассчитываются с учётом как теплофизических характеристик материалов, так и конструктивных особенностей элементов, входящих в состав термостата и коллиматора. В расчётах используется теплофизическая модель теплового равновесия в замкнутой системе твёрдых тел. Предварительно рассматривается вопрос о выборе конкретного материала для зеркал коллиматора. В качестве параметра, определяющего выбор, используется термостабильность материала зеркала, равный отношению коэффициента линейного температурного расширения β к коэффициенту его теплопроводности l. В работе в качестве материалов для инфракрасных зеркал рассматривались ситалл, кремний и карбид кремния. Основные результаты. Показано, что величина термодеформаций определяется не только возникающими градиентами температуры в плоском зеркале, но и изменением кривизны зеркальной поверхности при общем охлаждении неплоских зеркал. При этом максимальный перепад температуры по поверхности наблюдается для зеркала из ситалла. В зеркале из карбида кремния перепад температур много меньше. Это связано с тем, что теплопроводность карбида кремния на два порядка выше, чем у ситалла. Соответственно, термодеформации зеркальной поверхности также меньше и в плоском зеркале из карбида кремния. Эти результаты соответствуют критериальному параметру термостабильности b/l для каждого из приведённых материалов. Однако в случае охлаждения неплоских (сферических или асферических) зеркал расчёты показывают, что их термодеформации обусловлены не только неоднородностью распределения теплового потока по поверхности зеркала, но и общим снижением температуры зеркал. Практическая значимость. При использовании охлаждаемых инфракрасных зеркал в оптических системах следует учитывать возникновение термодеформации их зеркальной поверхности, которое определяется не только возникающими градиентами температуры в объёме материала зеркала, но и изменением кривизны зеркальной поверхности. В этом смысле зеркала из ситалла являются более предпочтительным для использования в термовакуумных условиях, чем зеркала из карбида кремния.