李鴻勛

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

空間環(huán)境和污染對光學器件的影響

李鴻勛

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

用于觀測衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、空間望遠鏡上的各種光學器件及其光學涂層必須經受住空間環(huán)境和污染的考驗才能保證航天器的可靠性。采取有效措施減少空間環(huán)境的影響是解決問題的關鍵。對于低溫光學儀器是個相對獨立的系統，在冷卻期間必須保證儀器中最冷的傳感器芯片保持最高溫度，這樣在冷卻之前污染物就不會被吸附在表面上。最好的方法是在光學器件的適當位置安裝加熱器及污染控制罩。

污染；光學器件；傳感器；中紅外；涂層

0 引言

航天器及其重要部件的表面在空間環(huán)境和污染的條件下，會影響航天器及相關部件的可靠性和質量，因此空間環(huán)境和污染問題受到了廣泛關注，并進行了大量研究工作，以便研討有效空間環(huán)境和控制污染的措施。保障航天器能正常運行和順利完成飛行任務。

光學器件中的光學儀器、太陽能電池、輻射器和光學太陽能反射器等部件都是航天器上的重要部件。任何部件性能的降低或損壞都會影響航天器可靠性。光學器件及其光學涂層必須要經受住空間環(huán)境和污染的考驗才能保證航天器的可靠性。研究空間環(huán)境和污染對光學器件及其光學涂層的影響和污染控制技術是非常必要的。

1 空間環(huán)境對光學器件及其涂層的影響

光學器件及其光學涂層要經受空間環(huán)境的考驗。當涂層不夠致密而是多孔涂層時，空間真空會引起光譜漂移和由于水的釋放帶來壓力的變化。低軌道原子氧會引起腐蝕。在陽光照射或其他高能輻射的作用下，會使敏感表面產生光化學反應。暴露到太陽輻射的涂層承受出氣污染的紫外線固定。增加了污染沉積的可能，改變了沉積層的特性，使污染層變暗，顏色加深，對敏感表面帶來嚴重影響。在激光誘導污染下，造成高吸附和潛在的激光損害。在深空要承受-270℃的低溫。在內行星溫度要超過300℃。這樣惡劣溫度條件對光學器件及其光學涂層是嚴重的挑戰(zhàn)。

空間主要環(huán)境成分為真空、低溫、太陽輻照、空間輻射和原子氧。對光學器件及其光學涂層的性能產生重要影響。

1.1 空間真空的影響

空間真空壓力低軌道典型環(huán)境壓力為10-6MPa，在高軌道和行星際軌道壓力會更低。對于光學器件高致密涂層，真空的影響很小，但對于多孔涂層會造成光譜響應向較低波長移動。經典的電子束蒸發(fā)涂層有大的孔隙度，特別是在界面處，由于從地面到空間因而空氣到真空的變換是顯而易見的。

空氣到真空的變換對儀器性能的影響是顯著的。大氣激光多普勒設備（ALADIN）的激光器主振蕩器內的電介質偏振器空氣到真空的變換引起Q開關機構完全失效，由于激光腔體無源損失的增加引起的。很顯然在空間的涂層必須完全致密化才會避免這種影響。

由于涂層水份損失的影響，產生了應力變化，其應力從壓縮變?yōu)槔?。對具有校準性能并敏感的焦平面儀器會引起不可接受的散焦。

激光器涂層會影響激光損傷閾值（LIDT），在對大氣激光多普勒設備的激光器進行廣泛試驗比較后可觀察到，在真空狀態(tài)下激光損傷閾值比相同樣品在空氣中試驗值減少，因為涂層有一個顯著的孔隙。在致密涂層，從空氣到真空時激光損傷閾值沒有減少。

1.2 真空環(huán)境中的熱循環(huán)

在空間的光學器件及其涂層常承受大幅度的熱循環(huán)。一般來說，光學器件在空間的熱環(huán)境是用加熱器和輻射制冷器來控制的。在低地球軌道工作的光學器件仍要承受-40～+50℃范圍的熱循環(huán)。太陽帆板的蓋玻片直接暴露到太陽下，意味著其暴露到-40～+120℃熱循環(huán)狀態(tài)。由于真空熱循環(huán)涂層的失效是經常的，當材料由涂層和襯底兩層組成時，材料熱膨脹系數不同就會造成應力。

1.3 太陽輻照

太陽粒子輻射和無粒子輻射的太陽輻照作用不同。來自太陽光譜較高能量的紫外線波長能引起涂層變黑，由于彩色中心的形成或有機污染物聚合。在這種情況下，涂層吸附的增加在紫外光譜末端是最大的。

由于太陽輻照，太陽能電池蓋玻片和用于輻射制冷器的光學太陽反射器的性能降低是很嚴重的。太陽能電池蓋玻片性能降低，使太陽能電池的轉換效率明顯減小，造成太陽帆板產生的功率受到損失。太陽反射器的性能降低，這會使輻射制冷器效率受到損失，造成被冷卻設備過熱。在地面試驗中，在真空中帶有紫外輻照時，太陽能電池蓋玻片性能明顯降低。

對于光學太陽反射器，性能降低導致涂層太陽吸收率增加，使輻射制冷器效率降低，導致衛(wèi)星溫度總體增加。

1.4 粒子輻射

在空間的光學器件，主要關注質子和電子，定性的被定義為低能量（<1 MeV）和高能量（>1 MeV）。對于涂層最關注低能量粒子輻射，薄的涂層可以吸收低能量粒子輻射，而較高的能量輻射僅部分被吸收。能量<240 keV的質子能引起特別嚴重的性能降低，由于多數損傷發(fā)生在質子在材料中停止的地方。

粒子輻射引起的衰變效應一般類似于紫外線造成的衰變，在較低波長光學性能有更大的衰變，隨著移向較高波長，較低波長逐漸減少。

對粒子輻射誘導的衰變的敏感性可以用適當的摻雜劑減輕。如太陽能電池蓋玻片使用鈰摻雜或防輻射玻璃進行防護。無保護玻璃會顯示出快速變暗，在空間應避免應用。

空間輻射環(huán)境對光學器件的影響主要表現兩方面：總劑量效應（TID）和置換損傷效應（DDD）。這兩種效應都屬于累積效應。反光鏡、光濾波器等光學器件主要影響因素是TID效應。光學材料中結構缺陷捕獲帶電粒子，形成新的電子構型中心從而吸收入射光，形成吸收帶即色心，引起材料光學性質的改變。光學材料外在表現為變暗變黑，透射率下降，造成光學成像系統的成像信號衰減。材料光學性能的變化會影響光學系統的整體性能。

1.5 紫外線輻射

紫外線輻射使污染的光學器件受到更大影響。污染表面暴露到紫外線輻射時，光學表面污染氣體沉積比無紫外線輻射明顯增加。由于光學器件表面污染物被紫外線激活的聚合反應和在空間的協同效應。

類似的例子是激光誘導污染（LIC），暴露在非氧化性環(huán)境中高強度輻照的激光器光學器件區(qū)域會形成大量吸附沉積物。大氣激光多普勒設備激光器真空試驗中，由于在紫外線光學器件上激光誘導污染，在6 h內會使激光器能量降低2倍。

1.6 原子氧

在地球高軌道時原子氧（ATOX）是大氣中的主要成分。主要影響是反應濺射和腐蝕表面，特別是遇到含有與氧元素有反應的表面影響更明顯。原子氧對航天器的主要影響是腐蝕。由于航天器表面會產生腐蝕放出氣體，這些氣體也是空間分子污染的另一個來源。污染層對光學器件表面會帶來影響，并且可能與其他環(huán)境效應產生反應，使污染變得更加復雜。金屬銀特別容易受到原子氧影響而性能下降，有時銀用作衛(wèi)星望遠鏡反射器的涂層，銀涂層可能會影響望遠鏡的性能。在使用保護層時必須當心針孔和其他缺陷的存在。

2 污染對光學器件及其涂層的影響

2.1 污染的來源

（1）粒子污染，是在制造、裝配和試驗中產生的粒子，油漆氣、絕緣碎片、衣服釬維及人類活動產生的物質等地面活動的殘留物在空間真空失重條件下會污染航天器。在組件內部及部件縫隙捕獲的粒子在振動、運輸和發(fā)射中會釋放也會產生粒子污染物。姿態(tài)控制系統或主推進系統排氣尾流和蒸發(fā)器水釋放產生殘留云環(huán)境，排水孔排出的揮發(fā)排放物和控制定位發(fā)動機不完全燃燒物是污染的重要來源。

（2）分子污染，在地面加工零件時機械和潤滑油的殘留物及地面運輸環(huán)境是分子污染的重要來源，在裝配工作中揮發(fā)可冷凝材料被暴露到對污染敏感關鍵表面將要在空間帶來潛在的污染危險。

航天器表面和材料出氣是分子污染的重要來源。空間真空造成非金屬材料出氣，這些非金屬材料不可避免地要用于航天器。例如：粘合劑、多層絕熱用于航天器熱控制，碳纖維加筋增強塑料。封、涂層膠粘劑和膠帶的主要材料是環(huán)氧樹脂、聚氨脂樹脂、有機硅、聚酰亞胺和氟橡膠等。

由于殘留大氣分子或中間物體碰撞返回的出氣分子流也是污染源的一部分。推進系統羽流碰撞沖擊在光學表面。釋放出的分子污染是重要來源之一。

分子污染可以直接輸送到光學表面，其數量與污染源出氣率、分布情況、兩者的視角系數和光學表面的溫度有關。當污染物與中間表面接觸后，一部分留存，另一部分重新發(fā)射，后者現象被稱為第二源反射，第二源反射產生的沉積率小于直接污染的一個數量級。

2.2 分子和粒子污染的影響

污染會影響光學器件及其光學涂層的熱光學性質，影響表面吸收率和發(fā)射率的變化，嚴重影響航天器的熱環(huán)境。污染分為兩種：一種為粒子污染，是微小塵埃和制造加工產生的碎片；另一種為分子污染，是航天器非金屬材料出氣產生的氣體凝結而成的分子薄膜。小塵埃和碎片會引起光遮攔，雖然在發(fā)射和上升期間粒子進行了再分配，但其具有不隨時間或溫度演變的屬性。分子污染則不同，出氣材料凝結的分子薄膜具有的性質依賴于源溫度、接受表面溫度、表面吸附能力和與真空紫外及高能粒子輻射的光化學反應活性。污染會造成觀測精度下降，使光學器件在分子污染影響下，導致4～18.0 μm范圍內的可見光及紅外光透過率降低，使傳感器失靈或失去能見度。污染氣體沉積膜能嚴重影響表面發(fā)射率，在正常發(fā)射率0.05的拋光金表面有1 μm水-冰薄膜厚度時，發(fā)射率將增加2倍或3倍。水冰凝結會導致低于-150℃在軌低溫探測器性能下降。

下面將分別論述污染對太陽能電池、輻射器、熱控涂層和光學太陽能反射器、傳感器、反射鏡、透鏡及焦平面陣列等各種低溫光學器件的影響。

（1）傳感器是航天器中對污染敏感的部件，主要有紫外傳感器、可見光傳感器和紅外傳感器等。可以容忍的污染數量程度依賴其性能。紫外傳感器對分子污染最敏感，紅外傳感器對分子污染敏感性最小?？梢姽夂图t外傳感器對粒子污染最敏感。分子污染會影響紫外傳感器、可見光傳感器和紅外傳感器的信號強度，使信號下降。

（2）太陽能電池、輻射器、熱控涂層和光學太陽能反射器都是航天器上的重要光學器件。污染使太陽能電池能量轉換效率降低，隨著污染厚度的增加功率輸出下降，污染使輻射器和光學太陽能反射器溫度升高。

熱控涂層吸收發(fā)射比是保證其性能的關鍵參數，污染后其吸收率增大。水蒸氣沉積在紅外區(qū)會大量吸收，給發(fā)射率帶來影響，最后使吸收發(fā)射比變化，影響溫控效果。

（3）反射鏡是遙感望遠鏡第一個光學元件。用于反射光能，通過一系列光學器件從遠處目標最終到電子光學探測器。污染對反射鏡的影響是降低被反射鏡反射的信號強度，繼而將降低焦平面陣列的信噪比（SNR）。

在紫外線比紅外線吸收更多的分子污染。對給定的傳感器信噪比的影響將依賴污染的吸收系數和使用的波段。另外，由于吸收信號，分子污染也可以引起鏡表面熱發(fā)射率增加或鏡面的散射。這些影響可能升高附加噪聲和降低傳感器的信噪比。

粒子在反射鏡上的污染將減少信號強度，這信號強度減少將反射到下一個光學元件。信號損失的大小與被粒子遮攔部分面積成正比。

（4）透鏡及焦平面和反射鏡一樣，在透鏡和焦平面存在污染薄膜時，由于傳輸數量的降低而降低信號強度。在透鏡上的污染要比在反射鏡上的污染對信噪比的危害少。由于在透鏡上的污染薄膜必須穿過一次，而在反射鏡上要穿過兩次。光學望遠鏡設計中要使內部元器件遠離外部污染，望遠鏡的外部主要部件設計是防污染的關鍵。

任何粒子污染存留在透鏡或焦平面將阻礙光學元件傳輸信號與遮攔部分面積成正比的減少信號強度。特別是焦平面，由于在光學系統的位置不同于主鏡，污染對其的危害程度也不同于主鏡。信號從主鏡寬的采集區(qū)域被聚焦到非常小的橫截面，結果是在最終光學元件或焦平面粒子污染比主鏡有更大的危害。

焦平面必須是預防外部污染，易受到內部污染傷害。為控制污染，全部傳感器部件是由出氣率低的薄片材料制造。

（5）低溫光學器件更容易受到污染。許多空基傳感器工作在電磁光譜紅外部分，即波長大于0.7 μm。至少兩個原因，首先物體在這些波長全部或部分有紅外輻射，因為相對較冷（T<1 000 K）；第二，紅外輻射較可見光或紫外光能較好的傳輸信號通過地球大氣（包括云、塵埃等）。在空間觀測針對地球背景的物體時，選擇適當的紅外波長有幾乎消除被地球發(fā)射或散射的背景輻射的優(yōu)點。對于空基光學傳感器，波長選擇和其相關帶寬有關，應選用紅外波長。

光學傳感器工作在紅外，特別是中波紅外（λ> 5 μm）必須被冷卻，為了限制傳感器本身產生的背景噪音，由反射鏡、透鏡、傳感器的其他零件反射的光子組成，包括與傳感器焦平面相關的電子設備熱噪聲。光學紅外背景將有一個普朗克波長分布，其強度將被大量低發(fā)射率光學表面減少到黑體的5%或更少。多種電子噪聲和約翰遜噪聲將降低傳感器的性能。任何傳感器都希望有滿足要求的信噪比，冷卻的傳感器可以減少光學和電子熱噪聲，為得到可探測的信號常需要對傳感器進行冷卻。

與航天器被冷卻零件有關的污染問題，特別是紅外傳感器，平均分子滯留時間是溫度的指數函數。分子將不粘附到熱表面，將有冗長的時間停留在冷表面上。例如水在室溫下，平均滯留1 s，在77 K表面滯留時間有大約1017s。因此冷表面對大多數撞擊到的分子就像吸氣劑。

航天器上冷表面分子污染的后果依賴于污染的性質以及表面的敏感性。在使用的波長范圍內不散射、反射或吸收紅外光子的分子不值得關注。對于Ne、Ar和N2、O2氣體，是一個和兩個原子的氣體，一個原子沒有振動模式，兩個原子的氣體僅有一個振動模式，旋轉模式集中于頻譜的微波部分，污染研究很少關注。H2O、CO2和NH3是3個和4個原子的氣體，有幾個振動模式，其中的一些是在紅外有用的區(qū)域并且是噪聲源和附加源。因此對冷卻光學傳感器表面分子污染是特殊問題。冷凍的清潔水常產生不透明的固體冰，因此低溫表面污染控制問題是空間系統設計需要重視的因素。

對于低溫的空間光學器件污染的影響特別嚴重，污染氣體凝結的可能性明顯增加，例如水冰凝結導致低于-150℃在軌低溫探測器性能下降。事實是既使進行了廣泛的真空烘烤，幾乎不可能防止衛(wèi)星對水分的再吸附。主要預防的方法應是好的儀器設計（保證敏感光學器件的視覺系數被限制，盡可能遠離出氣源）并要保證低溫探測器光學器件是最后一個被冷卻。通常要安裝加熱器以便去除污染氣體。

3 結束語

空間環(huán)境對光學器件及其涂層的影響是很明顯的。多孔涂層在真空會造成光譜響應的變化，由于水損失使涂層總應力產生變化。真空熱循環(huán)環(huán)境下，由于水釋放引起涂層應力產生變化，又會因為涂層與襯底兩層熱膨漲系數不同產生熱應力。太陽輻照導致涂層吸收率增加，輻射率下降，使輻射制冷器效率降低，導致衛(wèi)星溫度增加。粒子輻射使敏感光學表面變暗，光學材料和器件性能衰變，使光學系統整體性能下降。紫外線會使光學表面污染氣體沉積明顯增加。原子氧會使航天器表面產生腐蝕。

污染來自分子污染和粒子污染。污染會使各種傳感器信號強度下降；使太陽電池功率輸出下降；使輻射器和太陽能反射器溫度升高；使反射鏡反射信號強度降低；降低了焦平面陣列信噪比；粒子污染會影響透鏡和焦平面陣列信號的傳輸，降低信號強度；污染對低溫光學器件影響嚴重，污染氣體凝結的可能性明顯增加。有效控制污染的方法是航天器在設計時就考慮到控制污染的問題，并在生產到發(fā)射全過程都要保證污染控制在要求的水平。對于低溫光學儀器要根據外部污染情況分析結果，分為制造和試驗、在軌冷卻和在軌工作三個階段進行控制污染。

由于污染對光學器件性能的嚴重影響，必須高度重視污染問題。

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SPACE ENVIRONMENTAL AND CONTAMINATION EFFECTS ON OPTICS

LI Hong-xun
（Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering，Beijing100094，China）

Various instruments such as optical devices and optical coatings used in observation satellites，meteorological satellites and space telescopes must withstood the trial of the space environment and contamination in order to ensure the reliability of spacecraft.To reduce the impact of the space environment and control contamination are the key to solving the problem.Low-temperature optical instruments is a relatively independent system，its thermal design must ensure the coldest sensor chip array to hold the highest temperature in the instrument.Thus，the contaminant is not be adsorbed onto the surface of the key before sensor chip array will be cooled.The best and most basic method of controlling cryogenic instrument contamination is that Optics forever invisible molecules flow from external contamination sources.Installing the heater and contamination control cover at an appropriate position is effective.

contamination；optics；sensor；mid infrared；coatings

V57文獻識別碼：A

1006-7086（2014）06-0364-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2014.06.014

2014-09-09

李鴻勛（1938-），男，天津市人，高級工程師，主要從事空間環(huán)境模擬器氦制冷機及相關低溫設備研制。

E-Mail：lihongxun@live.cn