高加速近紫外模拟的均匀性控制方法

杨艳斌，沈自才*，张鹏嵩，李竑松，姜利祥，贺洪波，王胭脂，邵建达

（1. 北京卫星环境工程研究所，北京 100094； 2. 中国科学院 上海光学精密机械研究所，上海 201800）

0 引言

航天器在轨运行时，由于失去地球大气层的保护，所有波段的太阳电磁辐射都能够到达航天器的表面。太阳辐射强度用太阳常数来表示，地表太阳常数值为1 353 W/m2。近紫外辐射的波长范围为200～400 nm，虽然其辐射的能量只占太阳辐射总能量的8.6%[1]，但由于其光子能量较高（波长为200 nm 的光子能量为6.2 eV），作用于航天器表面会发生光电效应，使航天器表面带电，影响航天器内电子系统与磁性器件的正常工作；此外还会破坏材料的化学键，使材料化学键和功能团发生断裂或交联，导致性能退化[2]。

紫外辐照地面模拟试验一般采用加速试验[3-4]；为了防止热效应对试验结果的影响[5]，一般都将加速倍率限制在5 倍以下[6]，如美国ASTM E 512 标准规定紫外加速倍率最大为3 倍[7]，GJB 2502.5—2006 将近紫外加速因子规定为不超过5[8]。这样的加速倍率下，紫外辐照试验时间一般都比较长，试验效率低，试验成本也较高。随着行星探测任务的推进，开展更高紫外太阳常数的紫外辐照试验已成为必然，例如针对水星的探测器。国外已进行了更大加速倍率的紫外辐照试验。法国ONERA 的J.Marco 等人经过分析认为，在使用有滤光片的氙灯紫外源的条件下，近紫外加速倍率达到10 倍的情况下仍然能够满足ECSS-Q-ST-70-06C[9]中对热效应的限制要求，并对GEO 卫星使用的OSR、白漆等热控材料进行了综合辐照试验，其中紫外辐照试验的加速倍率为7 倍[10]。然而，在近紫外辐照模拟试验过程中，如果样品台上的紫外辐照均匀性较差，则意味着不同样品或同一样品不同部位在相同的试验周期内存在较大的紫外曝辐量差异，同时辐照面的温度也存在差异，从而造成试验数据的准确性较差，最终影响试验模拟的有效性，这是紫外辐照试验过程中需要关注和重点解决的问题。

本文将在近紫外辐照需求分析的基础上，从光路设计入手，通过模拟源的选用以及光学系统的设计，在满足高加速近紫外模拟的同时，力求实现较好的辐照面均匀性。

1 近紫外源辐照均匀性要求

通常以辐照面的中心点作为辐照均匀性监测的参考点。

针对国外的现状和国内未来深空探测的需求，同时兼顾开展近地轨道试验的需求，我们提出近紫外的模拟能力如下：1）近紫外波长 200～400 nm；2）近紫外辐照面积最大为φ300 mm；3）近紫外辐照度：辐照面积在φ300 mm 时，辐照度为4SC～10SC，辐照面积φ180 mm 时辐照度为10SC～20SC；4）近紫外辐照不均匀度优于±5%。

2 光路设计

常用的近紫外模拟源主要有汞灯、氙灯、汞氙灯等。汞灯能够提供较大的功率，但其光谱主要为线谱；氙灯光谱与太阳光谱比较接近，尤其是紫外波段为连续谱。因此，在高加速近紫外模拟试验中，模拟源采用氙灯。

利用聚光镜将氙灯产生的紫外光聚焦，然后经过积分器实现多光源模拟来获得相对均匀的光束，再使用滤光片将可见红外光谱过滤，最后利用反射镜实现光束的方向改变，利用准直镜将光束透过窗口辐照到样品台上，如图1 所示。其中滤光片、积分器、窗口材料均采用远紫外石英玻璃。将长焦距透镜替换准直镜后可以实现更大面积的发散均匀辐照。

图1 近紫外模拟光路图Fig. 1 Light path diagram of near UV simulation

3 大面积近紫外辐照的均匀性控制

3.1 近紫外模拟系统

近紫外模拟源系统主要包括近紫外氙灯和聚光镜。

光源采用德国OSRAM 公司的10 000 W 风冷氙灯，型号为XOB 10000W/HS OFR，氙灯技术指标及运行参数见表1，氙灯质量为1.315 kg。

表1 德国OSRAM 10 000 W 氙灯的主要技术参数Table 1 Main technical parameters of German OSRAM 10 0000 W xenon lamp

聚光镜组件由氙灯、调节机构、聚光镜组成，如图2 所示。聚光镜为铝镜，材料LD5。聚光镜大开口端固定在机箱的隔板上，调节结构固定在机箱底板上；隔板和底板以螺接方式固定在机箱框架上；隔板为20 mm 厚的铝板，并在聚光镜安装面处加工一凸台，底板为16 mm 厚的铝板。

图2 聚光镜组件Fig. 2 The assembly of condenser

根据光学系统设计结果，聚光镜选择椭球面聚光镜，第一焦距f1=70 mm，第二焦距f2=1 540 mm。

面形方程为

聚光镜大开口端直径为460 mm，小开口端直径为100 mm。

3.2 均匀性控制系统

紫外辐照过程中，通常要求样品台的不均匀度控制在±5%以内。可以采用光学积分器，将一个点光源模拟为很多个点光源，以利实现辐照面上的光学均匀性。

光学积分器组件由场镜、投影镜、镜筒组件组成（如图3 所示）。其中，场镜和投影镜均为由一块平镜上光胶有19 块小六方场镜元素镜制成，积分器的材质为远紫外石英玻璃。

图3 积分器组件Fig. 3 The assembly of integrator

积分器采用压圈固定，其组件底板和固定板分别开不同方向长圆槽保证积分器组件可以整体在水平方向移动，垂直方向通过垫片来保证积分器光轴与整体光轴一致。

积分器筒壁外侧焊有冷却水管，使用时通冷却水对积分器进行冷却。镜筒组件由镜筒、冷却水套和进、出水管焊接而成；焊接完成后，通水进行打压试验，在0.5 MPa 水压下保持时间不小于30 min，要求冷却管路无泄漏；之后对镜筒组件进行精加工，镜筒两边安装场镜和投影镜的内壁同轴度不大于φ0.1 mm，场镜及投影镜的安装面平行度不大于0.06 mm，两安装面间距35 mm。场镜、投影镜及滤光片均采用压圈（材料LF5）固定，光学镜侧壁使用聚四氟乙烯垫片保护。光学装校过程中先安装场镜，之后通过旋转和平移投影镜，保证二者同轴度不大于φ0.3 mm。实际安装过程中，场镜与投影镜之间安装2 个垫圈（材料LF5），通过使用不同厚度的垫圈，调节两镜之间的间距。使用的垫圈两平面之间的平行度不大于0.06 mm，场镜与投影镜的安装面平行度不大于0.06 mm，所以两镜之间的平行度不大于0.18 mm。镜筒外壁加工有8 mm（宽）×5 mm（深）螺旋槽，用于通冷却水。镜筒组件采用紫铜材料加工：紫铜具有良好的导热性，便于积分器上热量的传导。

3.3 近紫外辐照面积控制方法

近紫外光源的面积可以通过准直透镜和发散透镜来控制。准直镜组件和发散镜组件都是整体拆装。当紫外辐照试验需要的是高加速倍率而不需要大面积时，可以将准直镜组件装上。当更关注辐照面积时，则拆下准直镜组件，安装发散镜组件以实现更大的辐照面积。

准直镜及小透镜都为紫外石英玻璃，组件如图4所示，都是由光学镜、镜筒、压圈和垫片组成。镜筒材料为防锈铝LF6；镜筒内侧加工一凸台，用于光学镜的定位和固定。光学镜周向垫有2.5 mm 厚的聚四氟乙烯垫片，侧向垫有总厚度为3 mm 的聚四氟乙烯垫圈；最后，压上压圈。

图4 准直镜及小透镜组件Fig. 4 The assembly of collimator and lenticule

准直镜组件和小透镜组件采取的是同一安装接口，当使用准直镜时，将小透镜组件拆下，在隔板上面装上减光片；当使用小透镜时，将准直镜组件拆下，将减光片安装在隔板下面。

4 结果分析

基于问题的解决过程，成功实现了高加速倍率近紫外源的设计和研制。光源系统整体外观及实物如图5 所示。

图5 近紫外光源系统外观及实物Fig. 5 The near ultraviolet light source system

经测试，采用10 000 W 氙灯作为近紫外源，当氙灯的功率设置为9861 W 时，φ300 mm 面积上辐照度为15SC，均匀度优于95%；利用准直镜系统，当氙灯的功率设置为9524 W 时，φ180 mm 面积上辐照度为24SC，均匀度优于95%。

5 结束语

通过采用大功率氙灯光源、积分球系统、准直镜系统，实现了近紫外辐照面积φ180 mm 时辐照度最高可达24SC 的加速倍率，同时保证均匀度大于95%。该近紫外光源系统大大提高了试验效率、缩短了试验周期，具有良好的技术经济效益。