Метод определения уровня ослабления оптического сигнала на зеркальной поверхности с конденсатами оганических соединений в вакууме

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

В последние годы выполнено значительное количество работ, посвященных изучению влияния собственной внешней атмосферы (СВА) космических летательных аппаратов (КЛА) на работу чувствительных к ней приборов, и прежде всего, криооптических оптико-электронных систем орбитальных телескопов [1, 2, 3 и др.]. Из опубликованных работ видно, что влияние сконденсированных газов на оптические свойства системы «подложка-конденсат» усиливается по мере роста толщины слоя конденсата и уменьшения длины волны падающего излучения [4]. Вместе с тем остаются крайне ограниченными или совсем отсутствуют сведения о физических свойствах конденсатов из частиц СВА, а именно, о тех свойствах, которые определяли бы степень прозрачности конденсатов при тех или иных условиях их образования на поверхности оптики. Важно, чтобы значения этих свойств регистрировались в условиях, близких к возможным условиям эксплуатации криооптических телескопов, когда уровень загрязнения оптики одновременно формируют газодинамические, кинетические и теплофизические процессы взаимодействия набегающих частиц СВА с поверхностью конденсации. Примером такого подхода является работа [5]. И метод и экспериментальные средства в ней были разработаны применительно к чистым газам таким, как N2, H2, O2, Ar, Ne, воздух, преимущественно прозрачных в широкой области спектра. В отличие от конденсатов этих газов, которые приводят лишь к рассеянию светового потока на зеркале, слои конденсированных частиц из органических веществ, содержащие соединения водорода, ещё больше затрудняют перенос направленного излучения из-за поглощения света особенно в ИК области спектра.

Установка, использованная в работе [5] и метод проведения эксперимента потребовали модернизации ряда подсистем в обеспечение идентификации исследуемого газа, очистки зеркала от остатков рабочего вещества перед последующим экспериментом, автоматизации результатов измерений и др.

Схема экспериментальной установки представлена на рис. 1.

Установка для исследования температурной зависимости отношения:

I/I0=отн,

где I - сигнал фотоприёмника по излучению, отраженного от зеркала в процессе его загрязнения конденсатом, I0 сигнала от чистого зеркала позволяет проводить:

- измерение толщины и скорости роста на ней слоя криоосадка одновременно в непрерывном режиме на принятых для каждого эксперимента температурном уровне конденсации, давлении и составе рабочего газа или смеси газов, а также длине волны излучения;

- получение высокого чистого вакуума - или пренебрежимо малого содержания в остаточной среде органических и иных соединений, кроме исследуемого, конденсирующихся газов;

- измерение в широком интервале давления исследуемого газа, поддержание этого давления на заданном уровне с высокой стабильностью; контроль состава примесей в исследуемом газе при фоновом и рабочем его давлении;

- изменение температуры конденсации исследуемых газов в области от температур их насыщения и ниже и поддержание этих температур в тех пределах, в которых коэффициент захвата поверхностью частиц газа можно считать постоянным;

Рис. 1. Функциональная схема установки для исследования криоосадков: 1 - держатель подложек; 2 - подложка с плоской отражающей поверхностью; 3 - подложка со сферической отражающей поверхностью; 4 - термометры сопротивления типа ТПК; 5 -элемент рабочей камеры; 6 - диафрагмы; 7 - медь-константановая термопара; 8 - теплый корпус криостата; 9 - сопло для запуска рабочего газа; 10 - окно из плавленого кварца KB; 11 - окно из теллурида кадмия; 12 - гермоэлектровводы; 13 - прецизионный натекатель; 14 - датчики давления ПМИ-2, ПМИ-27; 15 - датчик давления WRG; 16 - спиральный форвакуумный насос nXDS15i; 17 - турбомолекулярный насос ADIXEN ATP100; 18 - сосуды Дьюара для криогенных жидкостей; 19 - масс-спектрометр МХ 7304А; 20 - парозаборник; 21 - электронагреватель; 22 - ёмкость с рабочим газом; 23 - ресивер; 24 и 25 теплые змеевики; 26 - HeNe-лазер; 27 - делительная пластина; 28 - зеркало; 29 -фотодиоды ФД-8К; 30 - излучатель; 31 - собирательное зеркало; 32 - модулятор; 33 - спектральные узкополосные светофильтры; 34 - болометр БКМ-5; 35 - оптический узел сравнения сигналов (ОУСС); 36 - пластины из CdTe; 37 - диагональные зеркала; 38 - регулируемая щель; 39 - газовый счетчик ГСБ-400 (или ротаметр)

- регистрацию относительной отражательной способности отн на исследуемой системе «криоосадок-поверхность» в процессе осаждения на ней частиц конденсируемого газа в реальном масштабе времени в зависимости от указанных выше условий и параметров рабочего газа.

Технические характеристики установки показаны в таблице 1.

Стенки камеры 5 поддерживаются при температуре, превышающей температуру тройной точки рабочего газа на 10…15 К при заданном рабочем давлении так, чтобы эти стенки не конденсировали на себя рабочий газ. Для управления температурой образцов зеркал в держатель образцов вводится жидкий азот либо его пары.

Таблица 1

Идентификация рабочего газа производится путём сравнения данных его масс-спектрометрического анализа со спектрограммой этого газа, принятой в качестве эталона, хранящегося в электронной библиотеке Международного Центра Национального Института Стандартов и Технологии - The NIST Chemistry Webbook (адрес института: webbook.nist.gov).

Криостат находится под непрерывной откачкой турбомолекулярным насосом в течение всего времени эксперимента. В этот период можно производить напуски исследуемых газов, отогревы подложек и сосудов и их последующее охлаждение.

Система напуска исследуемого газа, оканчивающаяся прецизионным натекателем (поз. 13), позволяет создавать в рабочей камере криостата давление в пределах от 10-1 до 10-5 Па и поддерживать его постоянным в течение всего времени измерения (иногда до 25 ч). Это давление определяется манометрическим преобразователем МM-I4M и ПМИ2.

Толщина криоосадка , скорость его роста и показатель преломления n определяются двухугловым интерферометрическим методом [7]. Источником монохроматического излучения в этом случае служит He-Ne лазер ОКГ-13 с длиной волны = 0,6328 мкм. При помощи плоскопараллельной пластины с полупрозрачным покрытием лазерный пучок разделяется на два, которые направляются на охлаждаемую подложку под разным углами через кварцевое окно криостата, как показано на рис. 2. Отраженные пучки улавливаются фотоприемниками (фотодиодами) ФД-8К, сигналы которых после усиления отражаются на экране монитора.

Рис. 2

Для определения толщины слоя рассчитывается его показатель преломления, который определялся по формуле (1).

(1)

где 1 и 2 - углы падения лучей на поверхность подложки, ml и m2 число максимумов или минимумов интерферограмм, записанных на экране монитора в заданный промежуток времени .

Отсюда толщина слоя составит:

криостат отражательный прецизионный

. (2)

Здесь - длина волны лазерного пучка. При угле 1 = 0 выражения (1) и (2) для n и принимают более упрощенный вид:

, (3)

. (4)

При отработке метода на прозрачном азоте измерения показали, что на заданных давлении газа и температуре подложи в тонких слоях толщиной до 40 мкм скорость выпадения криоосадка остаётся постоянной.

Длинноволновый канал содержит платиново-керамичеcкий источник излучения 31, оптическую систему, направляющую пучок лучей на вторую подложку через окно из теллурида кадмия и фокусирующую его на приемную площадку болометра ВКМ-5, сменные светофильтры, модулятор с частотой 12 Гц. Сигналы с болометра после усиления регистрируются на экране монитора в виде графиков зависимости f= и . Для периодического контроля стабильности работы оптико-электронного и усилительного трактов и для сравнения интенсивности сигнала, отраженного от чистой подложки и подложки с криоосадком, оптическая систем длинноволнового канала оснащена «эталоном» - оптическим узлом сравнения сигналов 36, направляющим при необходимости длинноволновое излучение мимо криостата к болометру и снабженная раздвижной щелью 39. Перед напуском газа в криостат интенсивность сигнала, отраженного от «эталона», может устанавливаться равной интенсивности сигнала, отраженного от чистой (без криоосадка) поверхности подложки.

Относительная отражательная способность отн подложки с криоосадком определяется как:

, (5)

где: R - сигнал болометра по излучению, отраженному от подложи с криоосадком;

R0 - сигнал болометра по излучению, отраженному от эталона, или от чистого зеркала.

Из соотношения записей сигналов фотоприемников отн в видимом и длинноволновом каналах следует, что при направленном отражении потоки, например, с длиной волны 3,8 и 5,92 мкм ослабляются, соответственно, в 7,2 и 10 раз меньше, чем с длиной волны 0,63 мкм при одинаковых условиях осаждения азота на подложку с температурой 6,8К. Изменение температуры подложки, как показали измерения, оказывает заметное влияние на показатель преломления криоосадка, скорость роста слоя, а также на устойчивость во времени первоначального уровня интенсивности отражения потоков излучения.

Значения отн определяются на основании трех замеров при одинаковых условиях эксперимента. Отклонение точек от средней величины отн в этом случае не выходило за пределы 2% при изменении отражательной способности «криоосадок-подложка». Экспериментальные данные n, и (мкм/мин) в зависимости от Т, Р, представляет собой средний результат из нескольких измерений. Опробование работы установки показало, что при принятом отношении D/L=1,2, где D и L, соответственно, диаметр диафрагмы перед зеркалом и расстояние между ними, при различных давлениях, определяющих плотность потока частиц, набегающих на подложку, длительность одного измерения может составить от 4 до 25 ч.

Литература

1. Bareiss L.E., Rantanen R.O., Ress E.B., Leger L.I. Preliminary evaluation of the Contaminant environment of the Space Shuttle orbiter // Proceedings of the 8th Space Simulation conference, NASA SP- 379. - Nov. 1975. - P.275-304.

2. Leger L., Iacobs S. and Ehlers H.K.F. Space Shuttle contamination overview // Journal of the Environmental Sciences. - Spt./Oct., 1978. - P.28-33.

3. Muscari I.A. and Westcott P. Optical Contamination Evidence from Skylab and Gemini Flights //Applied Optics. - 1975. - vol.14, №12. -P.2883-2891.

4. Барейсс Л.Э. Метод расчета параметров собственной внешней атмосферы орбитальной станции Спейслаб // Ракетная техника и космонавтика. - т.18, №2. - февр. 1980. - C.97-108.

5. Олейников Л.Ш., Глазунов В.Д. Установка для определения плотности криоосадков. Вопросы атомной науки и техники. Серия: Общая и ядерная физика. - М.: ЦНИИТЭИ по атомной науке и технике. - 1984. - вып. 1(26). - С.10-16. (134).

6. Wood B.E., Smith A.M. Infrared reflectance and refractive index of condensed gas films on cryogenic mirrors //AIAA paper. - 1979. - № 79-851.

7. Wood B.E., Smith A.M. Infrared reflectance and refractive index of condensed gas films on cryogenic mirrors // AIAA paper. - 1979. - № 79-851.

8. Ландсберг Г.С. Оптика. - М.: Наука. - 1976.

Размещено на Allbest.ru