红外探测器寿命试验设备真空系统研制

曹 岚，张海燕，龚海梅

(1．上海电力学院能源与机械工程学院，上海200090;2．中国科学院上海技术物理研究所，上海200083)

1 引言

对于空间应用的红外探测器组件，定数截尾寿命试验是一种很重要的可靠性试验方法［1－4］，而真空环境是定数截尾寿命试验重要的试验环境之一，其为组件模拟空间工作环境。然而目前用于红外探测器组件定数截尾寿命试验的真空系统都存在一些问题［5－7］，其主要表现在:①定数截尾寿命试验的组件数目众多、空间分布范围大，探测器的响应率、噪声、探测率等参数采集困难;②真空系统的真空度较差，很难满足空间真空环境模拟的需求。

由于现有的真空获取系统均不能满足航天红外组件定数截尾寿命试验的要求，因此本文进行了专用于红外探测定数截尾寿命试验的高真空系统设计。具体的设计目标包括:①最大可容纳60个组件同时进行定数截尾寿命试验;②为满足寿命试验的模拟空间真空环境的要求，其等工位真空度优于3×10－4Pa;③探测器的响应率、噪声、探测率测试简单。

2 真空系统设计

针对航天红外探测器定数截尾寿命试验设备对真空系统的要求，设计了一种包含20工位的真空系统结构，该真空系统由主腔体密封阀门、分子泵插板阀、分子泵、前级阀、旁抽阀、机械泵等组成，其结构示意图如图1所示。每个工位可预置一个杜瓦，一个杜瓦可装载3个组件，该真空系统最大能实现60个组件进行真空排气。另外，在杜瓦和主腔体之间设计腔体密封阀，可方便将杜瓦拆离试验台，以进行组件的响应率、噪声、探测率测试。

图1 寿命试验设备真空系统示意图Fig．1 Schematics of vacuum system for the life test equipment

2．1 公共真空室设计

考虑到各个工位抽气的均匀性，真空室的壳体选择圆筒形结构，这种结构制造容易且强度好，圆筒筒体的直径取决于工位数目、杜瓦的大小和安装难易程度，本系统的圆筒体的内径为594 mm、圆筒体的高度为40 mm。

圆筒壳体只承受外压时，按稳定条件计算，圆筒的壁厚S0为:

其中，S0为圆筒计算壁厚;DB为圆筒直径，mm;P为外压设计压力，MPa;L为圆筒计算长度，mm;Et为材料温度为t时的弹性模量，MPa。

取20℃时不锈钢材料Et=2．08×105MPa，设计压力P=1．01×10－1MPa，代入结构尺寸参数可以求得计算壁厚为2．2 mm。

另外，考虑到结构的各方面的因素，还需增加一些壁厚附加量，其公式表示如下:

其中，C1为钢板的最大负公差附加量，mm，跟钢板厚度有关，如表1所示;C2为腐蚀裕度，mm，当介质对容器的腐蚀速度≤0．05 mm/年(包括大气腐蚀)时，单面腐蚀取C2=1 mm;C3一般取计算壁厚的10%，且不大于4 mm。

表1 钢板最大负公差C1与板厚关系Tab．1 Relationship between the largest negative tolerance of plate and its thickness

因为计算壁厚＜2．5 mm，所以可取C1=0．2 mm，代入计算得壁厚附加量C=1．32 mm，所以实际壁厚不得低于3．52 mm，为保证设计的安全性，实际加工时取壁厚为8 mm。

2．2 泵组真空计算及选型

对于一个动态真空系统，若系统要求的工作压强为P，则其泵组需达到的有效抽速Se为［8］:

式中，Qload为系统的气体负载，对于寿命试验设备的真空系统，总气体负载包括杜瓦负载、主腔体负载、管道负载以及红外组件的负载，其气体负载为:

其中，qi为第i种材料的出气率;Aα为材料的表面积;β为表面粗糙度系数。

在本系统中，材料表面光滑，故取表面粗糙系数β=1。由于管道及红外组件表面积小，其气体负载可忽略不计，因此整个真空系统的气体负载Qload主要为主腔体负载。

本系统的公共真空室圆筒体的内径D为594 mm、圆筒体的高度H为40 mm，由公式(4)可得主腔体的总气体负载为:

考虑到公共主腔体内的压强与组件工作压强差和杜瓦的影响，本文取公共主腔体内的压强Pg=1×10－6Pa，因此主泵在公共主腔体处的有效抽速Se为:

可求得主泵的有效抽速为Se=220 L/s。同时考虑到主泵口的管道和阀门的流导造成有效抽速的损失，主泵的抽速应放大1．25倍，从而寿命试验设备选择主抽分子泵的抽速需大于275 L/s。因此，本真空系统采用一种涡轮分子泵，此泵在大于10－3mbar(即10－1Pa)范围内的平均抽速为400～550 L/s，可满足系统要求。

3 实验验证

本文使用SolidWorks软件对主腔体、分子泵、阀门等按照1∶1的比例进行3D建模，生成对应的零件。最后生成的总装配图如图2(a)所示。按照上述对各个部件的选型及设计，将设备的真空系统投入加工，加工后设备的真空系统结构图如图2(b)所示。

对该真空系统进行空载排气实验，观察待排器件等工位处的真空度，测得等工位处的真空度随时间的变化图如图3所示，从图中可以看出，系统空载时等工位处的真空可达到2．42×10－5Pa。

图2 设备的真空系统Fig．2 Vacuum system of the equipment

图3 空载等工位真空度随时间变化图Fig．3 The graph of the vacuum for the system with no－load

上述实验证明，系统空载的等工位真空可达到2．42×10－5Pa，满足定数截尾寿命试验的要求。

4 结论

根据红外探测器的定数截尾寿命试验要求，本文设计了一种20工位真空系统。在对该真空系统的进行真空计算和结构设计后，完成了加工和排气验证。排气试验的结果表明，该真空系统的各个功能都运行良好，系统空载真空可达到2．42×10－5Pa，满足等工位真空度优于3×10－4Pa的系统要求，达到了设计指标，满足定数截尾寿命试验的要求。

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