用于太阳望远镜主镜镜面视宁度效应控制的高效温控装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于大口径望远镜温控技术领域，具体涉及一种用于太阳望远镜主镜镜面 视宁度效应控制的高效温控装置。
【背景技术】
[0002] 随着天体物理学的发展和工程技术的不断进步，科研人员对望远镜观测的分辨力 提出了更高的要求，这也意味着需要建立更大口径望远镜来不断提高对各种天体的观测能 力。然而，随着望远镜口径的不断增大，其设计及建造的复杂度和难度也明显上升，其中最 为困难的问题之一便是主镜镜面视宁度效应的控制。对于地基大口径望远镜而言，即使主 镜镜面温度升高一个非常小量，也都会引起非常高的镜面视宁度效应。
[0003] 对于太阳望远镜而言，主镜镜面视宁度效应则表现的更为明显。太阳望远镜直接 观测太阳，主镜镜面接收太阳辐射，其辐射功率超过lOOOW/m 2，最高可以高达1300W/m2左右， 将会加热主镜镜面，使得镜面升温，从而引起镜面视宁度效应，严重制约太阳望远镜的成像 质量。按口径划分，当前太阳望远镜已发展到米级。一般1米及1米以下口径的太阳望远镜为 了避免主镜及其他部件的热效应，均采用真空式镜筒，即将所有主要光学元器件均放置于 真空环境中，避免由于光学元件升温引起的镜面视宁度效应。采用这种结构的太阳望远镜 如位于西班牙特里弗岛上的德国太阳望远镜VTT(J Staiger，0n the co-alignment of solar telescopes.A new approach to solar pointing，Journal of Physics?440: 012004,2013)，瑞典I米太阳望远镜SST(G oran B.Scharmera，Klas Bjelksj o，et al .The 1-meter Swedish solar七6168(3〇卩6,3卩此，4852-27,2002)以及位于中国云南抚仙湖畔的1 米新真空太阳望远镜NVST(Z.Liu and J.Xu，l_meter near-infrared solar telescope， ASI Conference Series，Vol .2，pp9_17,2011) ·不同于小口径太阳望远镜普遍采用真空式 镜筒，由于大口径封窗制造困难以及易引发压力双折射效应等问题，大口径太阳望远镜放 弃了真空式镜筒而采用开放式镜筒，即光学元件均暴露于空气中。采用这种结构的太阳望 远镜一般口径在一米以上，如位于西班牙特里弗岛的德国1.5米太阳望远镜GREGOR (R.Volkmer?0.von der L uhel?et al.?GREG0R solar telescope:Design and status， Astron.Nachr.，331 (6) :624-627,2010)，位于美国大熊湖畔的1.6米太阳望远镜NST (C.Denker?P.R.Goode?Progress on the 1.6-meter New Solar Telescope at Big Bear Solar Observatory，SPIE，6267:62670A，2006)，以及欧盟和美国分别正在筹建的2台4米级 太阳望远镜EST(J.S^nchez_Capuchino，M.Collados，et al .Current concept for the 4m European Solar Telescope(EST)optical design，SPIE，7773,777336,2010)和ATST (Stephen L.KeiI? Thomas Rimmele,Design and Development of the Advanced Technology Solar Telescope，SPIE，4853,240,2003).在中国，中国科学院光电技术研究 所正在研制我国2米级太阳望远镜CLST(Changhui Rao，Naiting Gu，et al.，1.8m Solar Telescope in China-The CLST，SPIE，9148_80,2014，under press).这些已经建成或正在 建设的大口径太阳望远镜无一例外的采用开放式的结构，各光学元器件表面与空气直接接 触，因此镜面上方的空气对镜面温度非常敏感，容易形成不稳定湍流，产生镜面视宁度效 应。
[0004] 由于大口径太阳望远镜会安装热视场光阑，其将限制大部分能量进入次镜及中继 光学系统，因此相比较而言，主镜是太阳望远镜所有光学元器件中口径最大、接收太阳功率 密度最高的光学元件，也最容易形成镜面视宁度效应。为了控制大口径太阳望远镜主镜镜 面视宁度效应，必须为太阳望远镜主镜配备主动温控系统，用于控制主镜镜面温度，使其保 持与周围环境空气温度一致，避免镜面视宁度效应以及其给太阳望远镜成像质量带来的影 响。德国1.5米太阳望远镜GREGOR为其主镜建立一套主动冷却装置（P. Emde，J. Kiihn，et al.Thermal design features of the solar telescope GREGOR,SPIE,5495:238,2004), 而美国和欧盟的四米太阳望远镜DKIST和EST则尚未发表主镜主动温控系统的具体控制方 式。而GREGOR太阳望远镜主镜主动温控系统是通过调整主镜背部风机的频率以及外围独立 制冷机的温度来调整主镜背部热交换系数，并进而实现对主镜镜面温度的调节。这种调节 方式存在以下几个问题：
[0005] 1、外围独立制冷机距离主镜一般有较长的距离，需要通过冷媒输送管道进行输送 和回收，而这个过程会导致冷量损耗严重，一般损耗在90%以上，制冷机制冷功率利用率极 低，这对制冷机的研制提出了苛刻的要求。
[0006] 2、外围独立制冷机距离主镜一般有较长的距离，这使得主镜温度控制的响应速度 受到严重制约。一般主镜温度信号和控制器的控制信号传输速度远高于冷媒传输速度，等 待制冷机冷媒输送至主镜后端表冷器端时，主镜镜面温度和环境温度均已发生较大变化， 造成控制相应速度过慢甚至控制错误。
[0007] 3、风机一般是安装在主镜背部的，与主镜连接为一体，因此其振动将会引起太阳 望远镜各光学元器件的装配误差，降低成像质量。而风机的振动一般发生在变频或变转速 的时候，因此，通过改变风机转速改变主镜背部热交换系数的方法往往导致光学系统的振 动，引起太阳望远镜成像质量的下降。
[0008] 4、对于太阳望远镜而言，其观测周期是一整天，环境空气温度呈先上升后下降的 过程。因此，当环境空气温度上升过快时，往往需要根据二者温差降低制冷量，甚至需要进 行加热才能准确跟踪周围环境温度
【发明内容】
[0009] 本发明要解决的技术问题是：主镜是大口径太阳望远镜中最为重要的光学元器 件，由于其收到太阳直接辐射，其温度会不断升高，改变主镜镜面周围温度场分布，形成局 部湍流，引起镜面视宁度效应，严重制约太阳望远镜成像质量。
[0010] 为解决上述技术问题，本发明提供一种用于太阳望远镜主镜镜面视宁度效应控制 的高效温控装置，包括主镜1、镜面温度传感器2、制冷机组3、制冷机外循环冷却系统4、表冷 器5、抽运栗6、风机7、电加热器8、密封箱9、控制器10和环境温度测量装置11;
[0011] 太阳望远镜主镜1镶嵌覆盖在密封箱9顶端，密封箱9内设计有流量分配箱14，其内 部分别通过数个出风管道12对进气流量进行分配，保证均匀吹向主镜1的背部;加热或冷却 后的回风通过流量分配箱14中的回风管道13被回收至密封箱9中，进行下一次循环。完成循 环的主要动力来源于风机7,风机7内设有表冷器5和电加热器8,分别用于调节风机7出风的 温度;表冷器5通过冷媒的冷却提供冷量，且能够增大冷媒的冷量释放效率;冷媒由制冷机 组3进行冷却，其温度可通过控制制冷机组3的功率实现;制冷机外循环系统4则用于给制冷 机组3散热，带走其由于冷却冷媒而产生的热量，其冷却液的循环动力来源于抽运栗6。
[0012] 控制器10通过信号线与电加热器8、制冷机组3进行连接，且环境温度测量装置11 和固定于主镜1表面的镜面温度传感器2的温度测量值也实时传输给控制器10,控制器10通 过对比环境温度测量装置11和镜面温度传感器2的测量值，自动控制电加热器8和制冷机组 3工作，使两处传感器测量值趋于相等。具体来说，当镜面温度传感器2的测量值低于环境温 度测量装置11的测量值，控制器10将加大电加热器8的加热功率，并升高制冷机组3的冷媒 温度，完成对主镜1镜面的加热功能，使得二者温度保持一致，降低镜面视宁度效应;反之， 控制器10将降低电加热器8的加热功率，并降低制冷机组3的冷媒温度，完成对主镜1镜面的 冷却功能，使得二者温度保持一致，降低镜面视宁度效应。
[0013] 其中，所述风机7为固定频率风机。
[0014] 其中，所述主镜1为具有单镜面结构的能动薄主镜或者为包含蜂窝荚心层的主镜。
[0015] 其中，主镜1镜面及镜体材料为超低膨胀玻璃、或微晶玻璃、或熔石英玻璃、或碳化 娃材料。
[0016] 其中，制冷机组3为空气压缩型制冷机或半导体制冷机，且其制冷冷媒温度可以通 过控制器10进行调节。
[0017] 其中，制冷机组3与