用于真空紫外探测器标定的光学斩波器研究

卢 飞，张博妮，秦 艳，胡铁力，俞 兵，孙宇楠，曹 锋

（西安应用光学研究所，陕西 西安 710065）

引言

光学斩波器通过斩波轮旋转将光信号尤其是微弱光信号调制成交变光信号，然后交变的光信号通过光电转换得到固定频率的电压信号。电压信号与斩波器输出的、与光信号同步的参考信号一起输入锁相放大器中，通过锁相放大器检波功能实现对微弱光谱信号的相关检测[1-2]，光学斩波器的转速控制精度及稳定度至关重要。斩波放大技术通过仅放大信号和与信号同频率的噪声，从而实现绝大部分噪声和信号分离，完成低频弱信号的有效放大[3]。因此斩波放大电路具有有效放大低信噪比信号的优点[4-6]。

光谱响应度是探测器的重要技术参数之一，随着低温辐射计灵敏度的提高，可以利用单色仪出射的单色光作为光源实现低温辐射计标定探测器绝对光谱响应度。在标定115 nm～400 nm 波段探测器绝对光谱响应度时，低温辐射计和探测器均处于真空环境中，经过单色仪分光后的光信号非常弱，必须使用斩波器和锁相放大器将弱信号从噪声信号中提取出来，并做放大处理。一般的斩波器电机中的油会污染真空腔室，并且电机不具备散热功能，无法满足真空环境使用要求。而国内未见相关适用真空环境斩波器的文献，国外Mcpherson 公司采用音叉震动的方式制作了适用真空环境的斩波器，其频率范围为10 Hz～1 kHz，稳定性优于0.01%。虽然性能满足使用要求，但是价格昂贵。因此，为了实现基于低温辐射计的115 nm～400 nm 波段探测器绝对光谱响应度标定，本文设计了一款适用于真空环境的光学斩波器，实验结果表明该光学斩波器满足使用要求，具有稳定性好、可用于真空环境的特点。

1 光学斩波器组成及工作原理

1.1 组成

光学斩波器由斩波片、转轴、伺服电机、U 型光电开关、降温组件、支架、光电开关电路和电机驱动器组成，其结构如图1所示，转轴由伺服电机控制带动斩波片进行旋转。

1.2 工作原理

将斩波器和锁相放大器组合起来，通过对光信号进行调制解调，实现将信号噪声分离，从而仅放大有用信号，并提高有用信号的信噪比[7-8]。光学斩波器将低信噪比的微弱光信号调制成指定频率的交变信号，然后通过光电转换得到交变的电压信号，该信号与光学斩波器同步输出的参考信号一起输入锁相放大器。锁相放大器识别输入的参考信号的频率，通过内部检波电路分离出与参考信号同步的交流输入信号，只有此频率的信号可以通过并进行放大，而其他与参考信号频率差别较大的信号会被滤除，从而降低噪声信号的影响，改善检测信噪比，达到微弱交流信号读取的目的[9]。由于锁相放大器测量与参考信号同频率信号的幅度，并且有一个最少锁定周期，因此光学斩波器斩波轮的转速控制精度及稳定度至关重要。

锁相放大器输出信号的幅值取决于输入信号和参考信号的频率差和相位差。光学斩波器频率不稳定主要引起输入信号和参考信号的相位差。为满足真空紫外探测器绝对光谱响应度标定光源稳定性达到0.1%的要求，光学斩波器频率不稳定引起的最大相位差要小于2.5°。本文设计的光学斩波器在80 Hz 时使用，所以满足相位差要求的斩波器的最大允许频率范围为79.4 Hz～80.6 Hz。本文设计的光学斩波器频率稳定性为±0.05 Hz，既可满足锁相放大器对参考信号的要求，又能满足系统其余的设计要求。

为了实现基于低温辐射计的115 nm～400 nm波段探测器绝对光谱响应度[10-11]标定，将溯源于低温辐射计的传递标准探测器和被校准探测器安装在探测器真空舱的一维电动平移台上，如图2所示。光学斩波器位于传递标准探测器和被校准探测器前方的光路中，经光学斩波器反射的紫外辐射由监视探测器接收，经光学斩波器透射的紫外辐射由传递标准探测器和被校准探测器接收。

2 光学斩波器的设计

2.1 光学斩波器主体的设计

1）斩波片的设计

本文设计了如图3所示的斩波片，其直径为φ100 mm，通光口径为φ94 mm。该斩波片采用超硬铝材料加工，一面抛光成镜面，一面进行发黑处理。为了减小转动惯量和抵抗加工过程中的变形，其结构形式为中间略厚于边缘。斩波片反射面粗糙度高将导致反射光斑出现弥散斑，从而降低反射光斑的能量，使监视探测器测量困难，因此需要尽量减小弥散斑的出现。通过光学设计将基底的表面粗糙度设计为Ra=0.012。为了尽量减少中间传动结构对光路的干涉，系统中采用斩波片直接与电机轴连接。斩波片先用螺钉固定在外锥套上，外锥套周向均匀分布有6 个弹性齿，当拧紧拉紧螺钉时，内锥套会沿着锥面轴向拉紧，促使外锥套上的6 个弹性齿均匀收缩，达到与电机轴抱死的目的，优点是斩波片受力均匀、与电机轴同轴性好。

2）伺服电机的选型

根据斩波器的功能及设计要求，除了要求电机扭矩外，还要求电机转速的平稳性。本文选择了FAULHABER 公司的3274X024BP4-5 993型真空版直流无刷伺服电机[12-13]，转矩为162 mN·m，并配备4 096线编码器和6.6：1 的行星减速箱。其额定转速为8 260 转/min，满足转速7 920 转/min 的要求。电机驱动器使用了其配套的MC5010S 驱动器，并使用FAULHABER 公司电机管理软件Motion Manager6对驱动器的参数进行进一步调节，使其配置达到最优。在Motion Manager6 进入动态调试界面，通过参数自整定，以及调节反馈速率等驱动器参数，最终转速稳定在±20 转/min。

3）光电开关信号处理电路设计

光电开关输入相位相反的两路信号，经过运放U1 组成的低通滤波器将光电开关输出产生的尖刺脉冲滤除，然后利用两路信号相位正好相反的特性，将另一路信号取反并与自身相与消除相位差和尖刺，从而消除斩波器光电开关输出产生的毛刺噪声以及叶片抖动产生的相位误差，如图4所示。

2.2 降温组件的设计

电机连续工作时，会有一部分功率转换为无效的热功率，从而产生自身发热的现象。如果电机自身热量累积无法及时散出，将会降低电机的可靠性，严重的甚至会无法正常工作[14]。因此，电机的散热设计就显得尤为重要。基本的散热方式主要有传导、对流传热和辐射传热三种。真空环境下，大气中常见的空气不再存在，由于缺乏有效的对流介质，不存在大气下的对流传热，需要从热传导和热辐射两个方面来着重考虑散热。而液冷散热系统需要额外的循环液路与密封系统，增加了电机系统的成本和复杂性[15]。因此，电机降温组件的设计主要针对真空环境下的热传递特点，着重从增大散热面积和提高热传导效率两个方面进行设计。

降温组件的结构如图5所示，主要由上层矩形封装体、下层矩形封装体和热界面材料等组成。

电机通过端面和外圆接口安装在电机支架上，上层矩形封装体和下层矩形封装体与支架固连。上层矩形封装体和下层矩形封装体主要是将圆柱型的电机封装起来，不但起到了对电机的封装和辅助支撑作用，而且可以将电机工作时产生的热量通过硬件接触传导和热辐射的方式传递到真空罐的底板和内壁上。封装体上分别设计了多组矩形散热体，起到了增加热传导和热辐射面积的目的。

在非真空环境中，多个固体之间除了材料自身接触外，材料之间的各个细微的间隙空间也会有气体填充。物体热传导有两种途径，一种是通过物体的直接接触传递，另一种是固体到气体再到固体的间接传递。而真空中，无气体填充空隙，为了提高热传递效率，降温组件一方面提高了封装体与电机接触表面的粗糙度，让微观上接触的点阵更多，另一方面在电机和散热体之间填充了热界面材料，起到了提高导热效率的目的。

2.3 材料的处理

用于制作光学斩波器的斩波片、降温组件、支架的材料放气会影响探测器真空舱的真空度，需要对斩波片材料和降温组件进行特殊处理，降低其放气率。材料处理流程包括3 步。

1）应力释放

采用高品质铝材料制作光学斩波器，铝材料结构致密并含有非常少的杂质，对铝材料进行应力释放和高温除气，降低材料内部释放出的气体。

2）清洗

在加工和处理过程中，不可避免会有尘埃、极性分子和有机物基团等异物杂质附着在材料表面。这些异物杂质的吸气能力通常比集体材料高，在真空状态下会成为明显的气源，不断地向真空舱内释放气体，不仅会影响真空舱真空度的保持，还可能通过二次附着污染探测器。因此，为了保证部件的真空应用性，必须要对部件进行适当的清洗来去除材料表面异物杂质。通过依次使用挥发性好的有机、无机溶剂来清洗部组件，可以利用解离-溶解-挥发的过程来清除材料表面的各种异物杂质，使材料表面微观结构物质，抑制材料真空放气、提高部件表面连接强度和密封性能，有效改善部件真空适应性和稳定性。

3）烘烤

对材料进行烘烤可以显著增加解吸率和扩散率，而且这会导致抽吸时间大大缩短。因此在温度高达900 ℃时对材料进行退化，并在300 ℃进行烘烤，以增加其解吸率和扩散率。

通过采用最优的烘烤时间、温度、压力和交替循环程序，最终保证了光学斩波器材料放气率小于1×10−11Pam3/(s·cm2)。

2.4 误差分析

1）斩波片和电机装配引起的光斑抖动误差

光斑投影发生周期性扰动是由斩波片反光面和电机转轴垂直度误差造成的，如图6所示。

根据三角函数可知，光点晃动量的晃动半径为

式中：R为光点晃动半径；S为投射点到感光点的距离。

装配时最大可能保证垂直度，然后用百分表打端面的方法保证垂直度θ，如图6所示。根据设计要求，斩波器的轴向跳动量严格控制在0.05 mm，而误差量只有跳动量的1/2，实际误差只有25 μm。

2）斩波器叶片弧长几何尺寸造成的斩波周期误差

斩波器的使用频率为80 Hz，斩波片为4 片，因此斩波器的转速为20 转/s。斩波片直径为100 mm（划过光束的直径为94 mm），叶片宽度误差为10 μm，假设斩波片宽度加工精度为0.01 mm，则周期误差Δf为

3 实验分析

在如图7所示的真空系统中，对光学斩波器斩波频率的稳定性进行了实验，实验时真空系统的真空度为1×10−4Pa。对电机驱动器参数进行调整，使得电机转速为7 920 转/min（输出参考信号频率80 Hz）时的转速误差从±60 转/min 减小到±20 转/min。通过添加散热措施后，电机转速误差进一步减小到±18 转/min，电机转速监控结果如图8所示。利用本文设计的光电开关信号处理电路对光电信号进行二次处理，其输出参考信号频率误差进一步降低到±0.05 Hz，将参考信号输入到斯坦福公司的SR830 锁相放大器进行频率监控，其频率在30 min 内最大为80.04 Hz，最小为79.95 Hz。

4 结论

本文主要是针对基于低温辐射计的115 nm～400 nm 波段探测器绝对光谱响应度高准确度标定中一般斩波器不适用的问题，设计了一款适用于真空环境并且具备散热功能的光学斩波器。实验表明该斩波器频率在80 Hz 时的稳定性为±0.05 Hz，可在10−4Pa 的真空环境下使用，对于真空紫外-紫外辐射定标具有重要意义。