CN109856713B - 一种太阳望远镜光阑 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种冷却效率高的太阳望远镜光阑，它包括中部具有光阑通光孔、内部具有环状空腔的光阑体；所述光阑体朝向望远镜焦点处光线入射的一端称为反光面，另一端称为底面；所述光阑体的环状空腔内设置有分隔体；所述分隔体的一端与光阑体的底面固连，另一端接近光阑体的反光面；所述分隔体接近光阑体的一端呈环状端面；所述分隔体的环状端面与光阑体的反光面之间的空隙构成冷却腔；所述环状端面的所在位置与望远镜观测太阳中心时反光面上被照区对应，环状端面与被照区形状相似且面积不小于被照区的面积；所述分隔体将光阑体的环状空腔分隔成内侧腔体和外侧腔体，内侧腔体和外侧腔体通过冷却腔连通。

Description

一种太阳望远镜光阑

技术领域

本发明涉及太阳望远镜技术领域，尤其是一种太阳望远镜光阑。

背景技术

随着科技的发展，现代人类建立了规模越来越庞大的高科技系统，包括供电、通讯、互联网、卫星导航等系统，人类的日常生活对这些系统的依赖程度也越来越高。太阳是距离地球最近的恒星，主宰着包括地球在内的整个太阳系的环境。强烈耀斑、日冕物质抛射等强太阳活动产生的高能带电粒子对人类现代高科技系统有较大危害，类似“卡灵顿事件”、“1989魁北克事件”等强太阳活动事件会严重影响现代人类生活乃至生存质量。为应对太阳活动对人类的潜在影响，需要对太阳活动规律进行监测研究并提前预警。强太阳活动产生的带电离子速度远低于光速，类似地震预警，实时监测太阳活动可抢在带电离子到达地球之前，提前几十小时乃至数天发出警报。采取预防措施后能大幅度降低强太阳活动对人类高科技系统的影响。

太阳望远镜是实时监测、研究太阳活动规律的主要观测仪器，与空间太阳望远镜相比，地基太阳望远镜具有口径大、分辨率高、成本低、寿命长等优势。太阳辐射下，太阳望远镜的镜筒、主镜、副镜、光阑等光学元件发热并加热周围空气，产生空气温度起伏，形成热空气湍流。湍流造成的空气密度波动和折射率变化使地面望远镜对天文目标成像时产生波前畸变，引起像质衰减。为消除望远镜光学元件发热引起的空气湍流对成像质量的影响，口径不大于一米的各种小口径太阳望远镜常设计成真空镜筒结构。由于工艺水平制约，口径大于一米的太阳望远镜多采用非真空开放式结构设计。太阳辐射照射到望远镜主镜后，光束不断汇聚，最终投射到后端设备上的太阳光将达到很高的能量密度，可造成光电器件乃至机械结构的热损坏。为了避免热损伤、限制视场外的太阳辐射进入后端设备，望远镜在主镜和次镜之间增加一个实焦点，并在此安装视场光阑，将视场外的太阳辐射截止在视场光阑，视场光阑阻挡了绝大部分主镜汇聚的太阳辐射，从而减少输至后续光学元件的能量。

由于大口径的优势，地面太阳望远镜具有远超空间太阳望远镜的空间分辨率，主要提供高分辨观测。大多数地面太阳望远镜的成像视场也较小，只有全日面的1~4%左右。视场光阑根据反光面大体上可分为两类，一类是旋转结构，光阑反光面近似一个圆锥面，称之为圆锥式视场光阑；另一类光阑是平板型，反光面是一带倾斜角度的平面镜，称之为平板式视场光阑，两种光阑体内部都带有冷却腔。

主镜汇聚的太阳辐射入射到视场光阑表面，光阑表面有通光孔，小部分太阳辐射通过通光孔，作为有效视场内的太阳辐射输入至后续光学元件。主镜收集的太阳辐射被汇聚在视场光阑表面数平方厘米区域，该区域的太阳辐照功率密度很大，可达数万甚至数十万瓦每平米，视场光阑表面吸收的热流密度也很大，因此太阳望远镜的视场光阑亦常被称为热视场光阑或热光阑。小口径太阳望远镜的视场光阑多位于真空镜筒内，发热的光阑表面不会引起空气湍流。大口径太阳望远镜镜筒为开放式镜筒，发热的光阑表面会加热周围空气，产生局部空气湍流，光线经过光阑周围空气湍流区域会产生波前畸变，进而降低成像质量。

周丹、Zago.Lorenzo等人实测研究表明：发热物体表面空气温度起伏和热湍流主要由物体表面通过对流换热对空气加热所导致。改善太阳望远镜视场光阑对像质影响的一个重要方法是尽可能的控制视场光阑与其表面空气的温差。视场光阑表面与空气温差越小，发热引起的空气温度起伏越小，光阑周围的空气湍流越弱，对像质的衰减影响则越小。开放式太阳望远镜视场光阑需要设计良好的冷却系统，带走热量并尽可能减少光阑表面与空气温差。双腔体冷却和射流冲击冷却是目前开放式太阳望远镜热光阑常用的冷却技术。

目前国内研制的开放式大口径太阳望远镜也大多采用基于射流冲击技术的光阑水冷设计方案，但射流冲击在冷却光阑方面存有内在缺陷：太阳望远镜焦面像位于光阑通光孔区域，焦面像是主镜收集的所有光线的汇聚面，与探测器终端的像面为共轭关系。光阑通光孔区域空气的温度起伏影响所有成像光线，引起的像质衰减和离焦会不打折扣地传递给终端成像。因此，光阑通光孔区域是影响像质的“最敏感区”。常规太阳观测主要是观测日面内结构，通光孔多位于太阳像内部，是光阑的最高温升区。光阑冷却系统需要把光阑通光孔区域的温度控制作为重中之重。但由于通光孔带来的尖端密封阻挡效应和射流冲击的尺寸要求限制，流经光阑反光面背部的冷却水中，通光孔附近的水压很大，进而形成较大面积的“低流速区”和“无射流冲击区”。部分冷却水流向水阻较小、距离通光孔较远的区域，冷却效率大打折扣。此外，射流冲击冷却液在被照区背部的对流换热系数差异较大，导致被照区的温度梯度较大。

射流冲击在通光孔周围较大面积的低流速，导致冷却水对该区域冷却效率变低，温升变大且温度均匀性差，成为太阳望远镜光阑射流冲击冷却中的难题。

发明内容

本发明的目的旨在克服现有技术存在的不足，提供了一种冷却效率高，可提高望远镜成像质量的太阳望远镜光阑。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种太阳望远镜光阑，包括中部具有光阑通光孔、内部具有环状空腔的光阑体；所述光阑体朝向望远镜焦点处光线入射的一端称为反光面，另一端称为底面；所述光阑体的环状空腔内设置有分隔体；所述分隔体的一端与光阑体的底面固连，另一端接近光阑体的反光面；所述分隔体接近光阑体的一端呈环状端面；所述分隔体的环状端面与光阑体的反光面之间的空隙构成冷却腔；所述环状端面的所在位置与望远镜观测太阳中心时反光面上被照区对应，环状端面与被照区形状相似且面积不小于被照区的面积；所述分隔体将光阑体的环状空腔分隔成内侧腔体和外侧腔体，内侧腔体和外侧腔体通过冷却腔连通；所述光阑体的内侧腔体上设置至少一个第一通水口，所述光阑体的外侧腔体上至少设置一个第二通水口。

优选的是，其还包括套装于光阑体侧壁上的隔热套体。

优选的是，所述环状端面的面积为望远镜观测太阳中心时反光面上被照区的四倍。当观测日面边缘时，可保证被照区所在位置仍与冷却腔对应。

优选的是，所述环状端面与光阑体的反光面平行。

优选的是，所述冷却腔在其流通路径上的流通截面面积相同。

优选的是，所述分隔体的内侧临近反光面的部分接近光阑体的内侧。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明可消除通光孔周边区域较大面积的“低流水区”，提高光阑通光孔区域冷却水的流速和流量，提高被照区的温度均匀性，克服现有热光阑冷却技术在通光孔区域冷却方面的不足。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明第一个实施例（圆锥式视场光阑）的结构示意图。

图2为图1中A-A的剖视图。

图3为本发明第二个实施例（平板式视场光阑）的结构示意图，其中还示出了隔热壳体。

图4为图3中B-B的剖视图。

图5为图3中C-C的剖视图。

图6为图3中D-D的剖视图。

图7为图3的左视图。

图8为图7中E-E的剖视图。

图9为本发明第三个实施例（平板式视场光阑）的结构示意图，其与第二个实施创的区别在于光阑通光孔入口端未倒角。

图10为平板式视场光阑采用普通射流冲击阵列冷却结构的仿真结果图。

图11为平板式视场光阑采用带壁面射流冲击冷却结构的仿真结果图。

图12为平板式视场光阑采用本发明冷却结构的仿真结果图。

图中：光阑通光孔1，光阑体2，反光面3，底面4，分隔体5，环状端面6，冷却腔7，内侧腔体8，外侧腔体9，第二通水口10，第一通水口11，隔热壳体20。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。在以下描述中，为了清楚展示本发明的结构及工作方式，将以附图为基准，借助诸多方向性词语进行描述，但是应当将“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”等词语理解为方便用语，而不应当理解为限定性词语。

实施例一

图1-2所示太阳望远镜光阑，该光阑为圆锥式视场光阑；该圆锥式视场光阑包括中部具有光阑通光孔、内部具有环状空腔的光阑体；所述光阑体朝向望远镜焦点处光线入射的一端称为反光面，另一端称为底面；所述光阑体的环状空腔内设置有回转状的分隔体；所述分隔体的一端与光阑体的底面固连，另一端接近光阑体的反光面；所述分隔体接近光阑体的一端呈环状端面；所述分隔体的环状端面与光阑体的反光面之间的空隙构成冷却腔；所述环状端面的所在位置与望远镜观测太阳中心时反光面上被照区对应，环状端面与被照区形状相似且面积不小于被照区的面积，为了确保较好的冷却效果，所述环状端面的面积最好为望远镜观测太阳中心时反光面上被照区的四倍；所述分隔体将光阑体的环状空腔分隔成内侧腔体和外侧腔体，内侧腔体和外侧腔体通过冷却腔连通；所述光阑体的内侧腔体上设置至少一个第一通水口，所述光阑体的外侧腔体上至少设置一个第二通水口。

为了进一步提高光阑体被照区温度的均匀性，进而进一步提高望远镜像质，可使冷却腔在其流通路径上的流通截面面积相同，通过使冷却腔在其流通路径上的流通截面面积相同，可使冷却水在冷却腔的流通路径上各处流速大致相同。

为了便于分隔体的加工和组装，可使分隔体的环状端面与光阑体的反光面平行，可极大降低加工成本及组装难度。

实施例二

图3-8所示太阳望远镜光阑，该光阑为平板式视场光阑；该平板光阑包括中部具有光阑通光孔、内部具有环状空腔的光阑体；该平板式视场光阑的光阑通光孔入口端具有倒角；所述光阑体朝向望远镜焦点处光线入射的一端称为反光面，另一端称为底面；所述光阑体的环状空腔内设置有回转状的分隔体；所述分隔体的一端与光阑体的底面固连，另一端接近光阑体的反光面；所述分隔体接近光阑体的一端呈环状端面；所述分隔体的环状端面与光阑体的反光面之间的空隙构成冷却腔；所述环状端面的所在位置与望远镜观测太阳中心时反光面上被照区对应，环状端面与被照区形状相似且面积不小于被照区的面积；所述分隔体将光阑体的环状空腔分隔成内侧腔体和外侧腔体，内侧腔体和外侧腔体通过冷却腔连通；所述光阑体的内侧腔体上设置至少一个第一通水口，所述光阑体的外侧腔体上至少设置一个第二通水口。

为了进一步提高光阑体被照区温度的均匀性，进而进一步提高望远镜像质，可使冷却腔在其流通路径上的流通截面面积相同，通过使冷却腔在其流通路径上的流通截面面积相同，可使冷却水在冷却腔的流通路径上各处流速大致相同。

为了便于分隔体的加工和组装，可使分隔体的环状端面与光阑体的反光面平行，可极大降低加工成本及组装难度。

光阑体被照面上方的空气湍流引起的像质衰减和离焦会完全传递给终端成像。光阑体被照面与空气的温差越小，发热引起的空气温度起伏则越小，被照面上方的空气湍流则越弱，对像质的衰减影响也越小。为进一步降低被照区与空气的温差，可调节光阑冷却水的进水温度、流速使被照区的平均温度与气温接近。由于被照区的太阳辐射热流注入，被照区的平均温度与气温接近时，光阑体外表面非被照区温度会低于气温，进而带来新的空气湍流和像质衰减。为了解决该问题，本申请还包括套装于光阑体侧壁上的隔热套体。隔热套体紧贴光阑体部分外表面非被照区，减少与空气低于气温的区域面积，进而改善光阑体表面低于气温引起的像质衰减。

本实施中，所述光阑体采用分体件，将其底面部分进行分体，形成单独的底面部分和罩住底面部分的罩体部分，光阑体分体的两部分通过螺栓连接；所述分隔体与底面部分接触的一端设置连接部，并通过螺钉与底面部分连接。显然光阑体也可采用其它常见的分体形式。

实施例三

图9所示太阳望远镜光阑，该光阑与实施例二基本结构相同，差别在于该平板式视场光阑的光阑通光孔入口端未设置倒角，以及所述分隔体的内侧临近反光面的部分接近光阑体的内侧，该结构可进一步降低光阑通光孔接近反光面处的温度。

工作时，冷却水从第二通水口进入，经外侧腔体到达冷却腔体实现反光面的冷却，由于冷却腔体流通截面面积较小，可使冷却水流速大幅加速且冷却水不存在滞留现象，实现极佳的冷却效果；之后冷却水到达内侧腔体并经第一通水口排出。通过分隔体的引流作用，使全部冷却水可高速流经光阑体被照区背面的冷却腔体内，减少“低流速区”的面积，有效地抑制光阑被照区的温升和温度梯度，大大改善了入射波面在通过光阑时引入的波前畸变，继而提升了出射波面的质量。显然，第二通水口及第一通水口的进出水方向可进行转换，具体如何设置进出水方向应根据设置方便性及冷却效果较佳为宜。

为了检验本发明的冷却能力，采用软件仿真技术对比了具有相同光阑体外壳结构、相同被照区、相同的被照区热流密度、相同进/出水口面积和进水口流速参数情况下的射流冲击冷却技术冷却效果。其中带有壁面射流喷口的射流冲击孔布置与美国DKIST太阳望远镜光阑射流冲击阵列类似。本申请采用实施例三的平板式视场光阑结构进行仿真，仿真结果图见图10-12，具体结果如下：

通过上述结果可知，本发明的冷却效果优于射流冲击，获得了较好的冷却效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种太阳望远镜光阑，包括中部具有光阑通光孔、内部具有环状空腔的光阑体；所述光阑体朝向望远镜焦点处光线入射的一端称为反光面，另一端称为底面；其特征在于：所述光阑体的环状空腔内设置有分隔体；所述分隔体的一端与光阑体的底面固连，另一端接近光阑体的反光面；所述分隔体接近光阑体的一端呈环状端面；所述分隔体的环状端面与光阑体的反光面之间的空隙构成冷却腔；所述环状端面的所在位置与望远镜观测太阳中心时反光面上被照区对应，环状端面与被照区形状相似且面积不小于被照区的面积，所述环状端面的面积为望远镜观测太阳中心时反光面上被照区的四倍；所述分隔体将光阑体的环状空腔分隔成内侧腔体和外侧腔体，内侧腔体和外侧腔体通过冷却腔连通；所述光阑体的内侧腔体上设置至少一个第一通水口，所述光阑体的外侧腔体上至少设置一个第二通水口；所述冷却腔在其流通路径上的流通截面面积相同。

2.根据权利要求1所述的太阳望远镜光阑，其特征在于：其还包括套装于光阑体侧壁上的隔热套体。

3.根据权利要求1所述的太阳望远镜光阑，其特征在于：所述分隔体的内侧临近反光面的部分接近光阑体的内侧。

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