楊艷斌，沈自才*，張鵬嵩，李竑松，姜利祥，賀洪波，王胭脂，邵建達

（1. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094； 2. 中國科學院 上海光學精密機械研究所，上海 201800）

0 引言

航天器在軌運行時，由于失去地球大氣層的保護，所有波段的太陽電磁輻射都能夠到達航天器的表面。太陽輻射強度用太陽常數(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（波長為200 nm 的光子能量為6.2 eV），作用于航天器表面會發(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；此外還會破壞材料的化學鍵，使材料化學鍵和功能團發(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一般采用加速試驗[3-4]；為了防止熱效應(yīng)對試驗結(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ASTM E 512 標準規(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，紫外輻照試驗時間一般都比較長，試驗效率低，試驗成本也較高。隨著行星探測任務(wù)的推進，開展更高紫外太陽常數(shù)的紫外輻照試驗已成為必然，例如針對水星的探測器。國外已進行了更大加速倍率的紫外輻照試驗。法國ONERA 的J.Marco 等人經(jīng)過分析認為，在使用有濾光片的氙燈紫外源的條件下，近紫外加速倍率達到10 倍的情況下仍然能夠滿足ECSS-Q-ST-70-06C[9]中對熱效應(yīng)的限制要求，并對GEO 衛(wèi)星使用的OSR、白漆等熱控材料進行了綜合輻照試驗，其中紫外輻照試驗的加速倍率為7 倍[10]。然而，在近紫外輻照模擬試驗過程中，如果樣品臺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周期內(nèi)存在較大的紫外曝輻量差異，同時輻照面的溫度也存在差異，從而造成試驗數(shù)據(jù)的準確性較差，最終影響試驗?zāi)M的有效性，這是紫外輻照試驗過程中需要關(guān)注和重點解決的問題。

本文將在近紫外輻照需求分析的基礎(chǔ)上，從光路設(shè)計入手，通過模擬源的選用以及光學系統(tǒng)的設(shè)計，在滿足高加速近紫外模擬的同時，力求實現(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作為輻照均勻性監(jiān)測的參考點。

針對國外的現(xiàn)狀和國內(nèi)未來深空探測的需求，同時兼顧開展近地軌道試驗的需求，我們提出近紫外的模擬能力如下：1）近紫外波長 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，輻照度為4SC～10SC，輻照面積φ180 mm 時輻照度為10SC～20SC；4）近紫外輻照不均勻度優(yōu)于±5%。

2 光路設(shè)計

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)過積分器實現(xiàn)多光源模擬來獲得相對均勻的光束，再使用濾光片將可見紅外光譜過濾，最后利用反射鏡實現(xiàn)光束的方向改變，利用準直鏡將光束透過窗口輻照到樣品臺上，如圖1 所示。其中濾光片、積分器、窗口材料均采用遠紫外石英玻璃。將長焦距透鏡替換準直鏡后可以實現(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OSRAM 公司的10 000 W 風冷氙燈，型號為XOB 10000W/HS OFR，氙燈技術(shù)指標及運行參數(shù)見表1，氙燈質(zhì)量為1.315 kg。

表1 德國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箱的隔板上，調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)固定在機箱底板上；隔板和底板以螺接方式固定在機箱框架上；隔板為20 mm 厚的鋁板，并在聚光鏡安裝面處加工一凸臺，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)光學系統(tǒng)設(shè)計結(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，通常要求樣品臺的不均勻度控制在±5%以內(nèi)?？梢圆捎霉鈱W積分器，將一個點光源模擬為很多個點光源，以利實現(xiàn)輻照面上的光學均勻性。

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

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圓槽保證積分器組件可以整體在水平方向移動，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，使用時通冷卻水對積分器進行冷卻。鏡筒組件由鏡筒、冷卻水套和進、出水管焊接而成；焊接完成后，通水進行打壓試驗，在0.5 MPa 水壓下保持時間不小于30 min，要求冷卻管路無泄漏；之后對鏡筒組件進行精加工，鏡筒兩邊安裝場鏡和投影鏡的內(nèi)壁同軸度不大于φ0.1 mm，場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。場鏡、投影鏡及濾光片均采用壓圈（材料LF5）固定，光學鏡側(cè)壁使用聚四氟乙烯墊片保護。光學裝校過程中先安裝場鏡，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。實際安裝過程中，場鏡與投影鏡之間安裝2 個墊圈（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直透鏡和發(fā)散透鏡來控制。準直鏡組件和發(fā)散鏡組件都是整體拆裝。當紫外輻照試驗需要的是高加速倍率而不需要大面積時，可以將準直鏡組件裝上。當更關(guān)注輻照面積時，則拆下準直鏡組件，安裝發(fā)散鏡組件以實現(xiàn)更大的輻照面積。

準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，用于光學鏡的定位和固定。光學鏡周向墊有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 準直鏡及小透鏡組件Fig. 4 The assembly of collimator and lenticule

準直鏡組件和小透鏡組件采取的是同一安裝接口，當使用準直鏡時，將小透鏡組件拆下，在隔板上面裝上減光片；當使用小透鏡時，將準直鏡組件拆下，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，成功實現(xiàn)了高加速倍率近紫外源的設(shè)計和研制。光源系統(tǒng)整體外觀及實物如圖5 所示。

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

經(jīng)測試，采用10 000 W 氙燈作為近紫外源，當氙燈的功率設(shè)置為9861 W 時，φ300 mm 面積上輻照度為15SC，均勻度優(yōu)于95%；利用準直鏡系統(tǒng)，當氙燈的功率設(shè)置為9524 W 時，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)、準直鏡系統(tǒng)，實現(xiàn)了近紫外輻照面積φ180 mm 時輻照度最高可達24SC 的加速倍率，同時保證均勻度大于95%。該近紫外光源系統(tǒng)大大提高了試驗效率、縮短了試驗周期，具有良好的技術(shù)經(jīng)濟效益。