[發明專利]基于射流冷卻原理的大口徑地基太陽望遠鏡熱視場光闌冷卻裝置

有效

• 申請號: 201310033119.4
• 申請日: 2013-01-29
• 公開（公告）號: CN103149677A
• 公開（公告）日: 2013-06-12
• 發明（設計）人: 劉洋毅;顧乃庭;饒長輝
• 申請（專利權）人: 中國科學院光電技術研究所
• 主分類號: G02B23/00
• 分類號: G02B23/00
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 楊學明

技術領域

本發明涉及太陽望遠鏡熱視場光闌冷卻技術及其裝備，特別是基于射流冷卻原理并應用于大口徑地基太陽望遠鏡熱視場光闌的冷卻裝置。

背景技術

太陽為地球上的萬物提供了生存的必要保證，同時，太陽的活動也直接影響著地球的氣候、通信等諸多方面。近年來，隨著太陽物理學，空間天文學等科學的發展，對太陽的研究已經深入到對太陽活動區諸多局部現象（如黑子、耀斑、日珥、太陽磁場等）的研究。

利用地基太陽望遠鏡對太陽直接進行觀測，已經成為目前研究太陽活動重要手段之一。而太陽望遠鏡能否提供具有更高分辨率的圖像，又成為了相關學科是否能夠取得進一步發展的決定性因素。因此，提高太陽望遠鏡分辨率成為了太陽望遠鏡科研工作不斷追求的終極目標。

根據光學儀器分辨率公式（λ為入射波長，D為光學系統口徑），為了提高分辨率R，必須增加太陽望遠鏡口徑（即主鏡直徑），出現了口徑達米級的大口徑地基太陽望遠鏡，但也因此衍生出了熱效應，視寧度效應等一系列阻礙太陽望遠鏡發展的問題。

理想情況下，望遠鏡的集光能力與其口徑的平方成正比，因此隨著太陽望遠鏡口徑的不斷增大，進入望遠鏡系統的太陽光能量急劇增加，會增加系統內大氣的不穩定性，以及各光學元器件的熱變形響應，使得望遠鏡成像質量下降，甚至不能觀測。為此，大口徑太陽望遠鏡一般采用格里高利式光學結構設計，通過在主鏡焦點位置增加視場光闌（稱為“熱視場光闌”），對成像視場的限制，從而限制進入望遠鏡光學系統的總能量，保護望遠鏡內部的穩定溫度場以及各光學元器件的成像質量。然而，熱視場光闌對大量光輻射的阻擋和吸收將造成其嚴重的熱效應，并衍生出周圍空氣的視寧度效應，惡化像質的同時更對熱視場光闌本身及相關部件的安全造成了嚴重威脅。為此，世界上主要太陽望遠鏡均采取了以強制水冷為主的溫控措施，來降低熱視場光闌的溫升。如德國GREGOR太陽望遠鏡熱視場光闌采用45度傾斜平板結構，配備雙循環強制水冷裝置，將熱視場光闌溫升控制在與環境溫度±5K范圍內（Optical?and?thermal?design?of?the?main?optic?of?the?telescope?GREGOR）；美國ATST太陽望遠鏡熱視場光闌采用反射吸收式結構，分別利用強制水冷方式對反射面和吸收面進行冷卻，將熱視場光闌溫升控制在與環境溫度±6K（Heat?Stop?Specification）。這些熱視場光闌采用基于強制水冷的冷卻原理進行設計，并進行了相應分析。

趙惇殳在所著《電子設備熱設計》一書中，分別對各種工程中最常用的冷卻方式的冷卻性能作了如下介紹：水強制對流冷卻的傳熱系數約為1000-1500W/m?K，水射流冷卻的傳熱系數約為1500-15000W/m?K。因此，射流冷卻，特別是基于水射流冷卻的溫控方式具有極高的傳熱系數，非常適合太陽望遠鏡熱視場光闌這類具有較高溫控要求較高的冷卻對象。

由以上背景，本發明提出了一種基于射流冷卻原理的大口徑地基太陽望遠鏡熱視場光闌冷卻裝置。與現有裝置相比，該裝置具有冷卻效率高，冷卻效果好，消耗冷卻液少等優點，適合大口徑地基太陽望遠鏡熱視場光闌在高熱流密度下的低溫升冷卻。

發明內容

本發明的技術解決問題是：為大口徑地基太陽望遠鏡熱視場光闌提出一種高效的冷卻裝置，使其在極高的溫度載荷下僅產生極有限的溫升，使得由溫升影響空氣視寧度并導致視場內光束在通過熱視場光闌時的像差引入降低到可接受范圍，減輕熱視場光闌工作過程中的過高溫升對望遠鏡最終成像質量的不利影響。

本發明的技術解決方案是：一種基于射流冷卻原理的大口徑地基太陽望遠鏡熱視場光闌冷卻裝置，該裝置包括進液通道，壓力腔，噴管，射流腔，反射面板和出液通道，其中：

壓力腔與進液管道直接相連，根據具體結構設計的需要，壓力腔能夠是多個相互獨立式，即每個壓力腔僅與一個進液管道相連，也能夠是一個整體式，即一個壓力腔與多個進液管道相連；噴管是由數個口徑較小的通孔組成，位于壓力腔與射流腔之間，其具體數量和分布均根據具體設計的結構、溫控目標，系統的承壓能力綜合決定，但與同一壓力腔相連的噴管總截面積不應大于與該壓力腔相連的進液管總截面積；射流腔是冷卻系統的核心，其腔體形狀將因熱視場光闌反射面不同而變化，但其位于熱視場光闌反射面板背側且盡可能靠近熱源；出液口直接與射流腔相連，均布于射流腔邊緣；該裝置工作過程如下：