提高復(fù)雜真空環(huán)境下光學(xué)鏡片的使用壽命

2015-07-14 劉海勇 核工業(yè)理化工程研究院

  在大多數(shù)的真空環(huán)境的科學(xué)試驗中,多數(shù)都會用到光學(xué)器件,而在真空環(huán)境中,粒子的運動自由程非常大,一旦真空環(huán)境中存在粒子化(分子、離子、原子、粒子團)的工作物質(zhì)或附帶雜質(zhì),都會對光學(xué)元件造成污染從而破壞光學(xué)器件的特性,大大減小光學(xué)器件的使用壽命,本文主要提供一種裝置和方法,可以確保光學(xué)器件的使用壽命,維持光學(xué)器件的自身特性。

  在光與原子作用真空環(huán)境中,如吸收法測量原子密度、原子激光法同位素分離及各種測量元素的原子能級壽命等科學(xué)試驗中以及真空鍍膜行業(yè)中,都會遇到工作物質(zhì)原子密度很高的情況,由于真空環(huán)境的存在,高密度原子會迅速擴散;另外,工作物質(zhì)原子化的方式不同,導(dǎo)致原子束中也會含有離子、電子、原子、分子以及原子團,這些都會隨時間的積累在光學(xué)器件上沉積,造成對光學(xué)器件的污染,破壞光學(xué)器件的光學(xué)特性,例如,高反射率鏡片的反射率會隨沉積物的積累而降低,惡劣環(huán)境下會很快失去其光學(xué)特性。

1、實驗

  1.1、實驗裝置及實驗現(xiàn)象

  在激光吸收法測量工作物質(zhì)原子密度裝置中,為了提高吸收的信號強度,一般會用到光腔裝置,這種光腔裝置可以實現(xiàn)激光多次往返傳輸于整個裝置,如圖1 所示。

提高復(fù)雜真空環(huán)境下光學(xué)鏡片的使用壽命

圖1 光腔裝置

  如果在光腔中的工作物質(zhì)的原子密度過高,很容易擴散到光腔兩端的反射鏡的反射薄膜上,很快光腔兩端的反射鏡片的反射率會急劇下降出現(xiàn)如圖2 所示現(xiàn)象。

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圖2 反射率逐漸下降

  隨著污染的加重,鏡片的反射率逐漸降低,甚至導(dǎo)致反射薄膜直接吸熱爆膜,結(jié)果導(dǎo)致光子的利用率急劇下降,爆膜后的鏡片反射率下降到原來的5%左右,如圖3,最終導(dǎo)致實驗達不到預(yù)想的效果。

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圖3 鏡片損傷圖

  觀察實驗后的問題鏡片表面,鏡片的薄膜表面在燈光下出現(xiàn)明顯的彩虹色,如圖3,顯然鏡片薄膜表面被蒸鍍了不同厚度的污染物質(zhì)形成的衍射現(xiàn)象。輕擦無效,用脫脂棉沾丙酮用力擦拭,反射率回復(fù)如初,如圖4。但鏡片的整體面型下降5%-10%,鏡片反復(fù)使用2-3 次后,面型達不到使用要求后返修重新鍍膜。可見鏡片污染嚴重影響鏡片的使用質(zhì)量和使用壽命,如何提高這種復(fù)雜真空環(huán)境中的光學(xué)鏡片壽命正是本文研究的目的和方向。

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圖4 反射率試驗前后對比圖

  1.2、分析污染物來源及成份

  分析裝置的真空獲得方式及實驗過程中的蒸發(fā)和揮發(fā)的工作物質(zhì),污染物主要由以幾方面構(gòu)成:

  1)高真空擴散泵返油,試驗所用擴散泵油為275#,主要產(chǎn)生C,H,CH 組合物,顆粒物及大型原子團(較多)。

  2) 電子槍蒸發(fā)出來的工作物質(zhì)原子、熱離子、原子團、氧化物等(大量),光電離的工作物質(zhì)的離子。

  3)電子槍加熱燈絲鎢、加速電極鐵及水冷坩堝中的銅(微量)(質(zhì)譜法測得)。

  4) 真空快速獲得時氣流攜帶粉塵(工作物質(zhì),空氣中粉塵,等等)(較多)。

  不同污染物質(zhì)對鏡片薄膜的影響不一樣,金屬原子蒸鍍到薄膜表面,寬帶薄膜的反射率主要損失在短波長(<600 nm),而碳氫化合物主要損失在(450-650 nm)波長,而氣流帶起的粉塵則對任何波長的薄膜都會造成很大影響,所以要根據(jù)實驗使用的相應(yīng)波長,采取相應(yīng)的鏡片保護措施。

2、結(jié)論

  1)經(jīng)過一系列的腔鏡片保護措施,建立一套保護真空室內(nèi)的光學(xué)鏡片(反射鏡、透射鏡、晶體等)不受污染的裝置和方法,有效提高了光學(xué)鏡片在復(fù)雜重污染的真空環(huán)境下的使用壽命,為該領(lǐng)域試驗研究提供了高效長時間運行的可能性。

  2) 此裝置和方法可大量節(jié)約光學(xué)器件的加工成本,光學(xué)領(lǐng)域的器件大多比較昂貴,提高使用壽命無疑就是節(jié)約成本。

  3) 引入緩沖惰性氣體保護的方法可借鑒應(yīng)用于復(fù)雜重污染的環(huán)境中保護各種重要精密設(shè)備和儀器,有廣泛的擴展應(yīng)用性。