ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЕ ОТРАЖАТЕЛЬНОЕ ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2001 года по МПК G02B5/08 

Изобретение относится в целом к оптике и касается высокоотражательного оптического устройства, в частности, отражательного солнечного оптического концентратора, работающего при повышенных температурах, а также способа изготовления такого устройства.

Все оптические системы, излучающие или отражательные, создающие или не создающие изображение, должны создаваться с возможностью выдерживания условий, в которых они работают. Для оптических систем, которые должны работать в условиях большого нагрева или в условиях большого теплового потока, ограничивающим фактором является температура, которую может выдерживать оптическая основа и оптическая поверхность без ухудшения физических параметров.

Обычные материалы (алюминий, медь, магний), используемые в качестве основы отражательной оптики, работающей при комнатной температуре или вблизи нее, нельзя использовать при высоких температурах (свыше 1000 К) без активного охлаждения оптики. Большинство оптических покрытий с высокой степенью отражения имеют то же ограничение. Граница повышения температуры для обычных отражательных оптических материалов может быть лимитирована целым рядом причин:
- потерей структурной прочности основы или оптической поверхности в результате уменьшения прочности или жесткости материала;
- отслоением или растрескиванием оптического покрытия вследствие несовместимости, обусловленной неодинаковыми коэффициентами теплового расширения;
- отслоением или растрескиванием оптического покрытия вследствие уменьшения силы химической/металлургической связи;
- уменьшением отражательной способности вследствие потери геометрической стабильности отражательной поверхности или покрытия;
- фазовой трансформацией материала;
- образованием эвтектики;
- потерями материала вследствие дегазации;
- энергетической коррозией оптической поверхности из-за молекулярного загрязнения или загрязнения макрочастицами;
- повышенной чувствительностью к ударным и вибрационным повреждениям из-за уменьшения прочности материала и
- термической усталостью, обусловленной циклической нагрузкой.

Проявление любого из этих процессов может привести к уменьшению оптической отражательной способности. Обычно, при уменьшении отражательной способности происходит соответствующее увеличение поглощающей способности. Это приводит к повышению температуры оптической системы, поскольку уменьшается соотношение между отраженной энергией и поглощенной энергией. Если не принимать мер по коррекции этого механизма, то он ведет к увеличению температуры, пока не наступит один или несколько указанных выше процессов, приводящих к неисправности.

Активное охлаждение оптики может устранить многие из указанных проблем, однако, оно сопровождается большим числом недостатков:
- система активного охлаждения требует дополнительных затрат на конструирование, разработку, производство и применение;
- повышается сложность системы;
- общая надежность системы зависит от работы охлаждающей системы;
- вызванная потоком вибрация может приводить к недопустимому оптическому дрожанию, и
- охлаждаемые оптические системы более чувствительны к загрязнению поверхности макрочастицами, если они находятся вблизи или на линии действия струй дегазации, излучаемых более горячими компонентами.

При использовании при высокой температуре или в сильно нагретом потоке, где низкотемпературные материалы разрушаются или где нельзя применить активное охлаждение из-за технологических, стоимостных или обусловленных безопасностью ограничений, имеется потребность в новом поколении высокотемпературных, сильно отражательных оптических систем, как формирующих изображение, так и не формирующих изображение.

В основу изобретения поставлена задача создать отражательное устройство и способ его изготовления, которое надежно работало бы в условиях высоких температур и не требовало бы использования систем охлаждения.

Эта задача решается тем, что оптическое устройство, предназначенное для использования, как при формировании изображения, так и в случае отсутствия формирования изображения, выполняют из графитовой основы. Затем полученную графитовую основу полируют до заданной чистоты поверхности. На полированную графитовую оптическую поверхность наносят буферный слой рения. Рениевую поверхность слегка полируют или притирают для устранения отклонений. На рений наносят слой иридия. Слой иридия полируют для получения зеркальной поверхности. На полированную иридиевую поверхность может быть нанесен родий, для того чтобы родий служил наружной отражательной поверхностью. Родий полируют до получения заданной оптической отражательной поверхности с использованием обычной технологии.

Для лучшего понимания существа и целей данного изобретения ниже приводится описание со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых одинаковые элементы обозначены одинаковыми позициями и на которых:
фиг. 1 изображает схематически вид отражательного оптического устройства, используемого в соединении с модулем накопления тепловой энергии;
фиг. 2 - вид с торца отражательного оптического устройства;
фиг. 3 - разрез по 3-3 на фиг. 2;
фиг. 4 - изометрическую проекцию в разрезе оптического устройства по фиг. 2;
фиг. 5 - разрез по 5-5 на фиг. 3.

На фиг. 1 показано использование отражательного оптического устройства 10 без формирования изображения в соединении с модулем 12 накопления тепловой энергии. Один конец оптического устройства 10 прикреплен к накопительному модулю так, что коллекторный конец 14 оптического устройства 10 принимает свет 16, падающий от источника 18 света, и направляет отраженный падающий свет 16 в модуль 12 накопления тепловой энергии. Модули накопления тепловой энергии общеизвестны и используются в технологиях, относящихся к спутникам на околоземной орбите.

На фиг. 2 показан вид с торца отражательного оптического устройства 10 со стороны коллекторного конца 14, конструкция которого более наглядно показана на фиг. 3 и 4. Оптические поверхности 20 и 22 выполнены зеркальными для отражения и направления падающего света 16 в требуемом направлении.

Изобретение относится не к специфической форме или типу отражательного оптического устройства, такому как формирующее изображение или не формирующее изображение, а к материалам и способам, используемым для выполнения отражательного оптического устройства 10.

Корпус или основа отражательного оптического устройства 10 выполнена из графита. При испытаниях успешно использовался графит POCO^TM (зарегистрированная торговая марка фирмы Poco Graphite, Inc.) модификаций TM и AXF-5Q. Оптическое устройство 10 может быть изготовлено любым подходящим способом, таким как машинная обработка блока графита до заданной формы. Затем поверхности 20 и 22 полируют до чистоты в 2 микродюйма (0,05 мкм) или чище.

На полированные оптические поверхности наносят буферный слой 26 рения, показанный на фиг. 5, предпочтительно с помощью химического вакуумного осаждения (CVD). В предпочтительном варианте выполнения слой рения имеет толщину около пяти тысячных дюйма (0,127 мм). Слой 26 рения обрабатывают (полируют или притирают) для удаления любых отклонений.

На слой 26 рения наносят слой 28 иридия с использованием химического вакуумного осаждения. В предпочтительном варианте выполнения слой иридия имеет толщину в две тысячных дюйма (0.05 мм). Затем слой иридия полируют до получения зеркальной поверхности. Полирование можно проводить с использованием предлагаемых на рынке алмазных полировальных соединений, таких как Hyprez^TM Formula 15(S4243)ST-MA - 15-микронная алмазная суспензия. Hyprez является зарегистрированной торговой маркой фирмы Engis Corporation. Достигается отражательная способность около 70%.

В альтернативном варианте выполнения в качестве внешней отражательной поверхности может использоваться слой родия (на чертежах не показан), нанесенного на слой 28 иридия. Слои родия может быть нанесен с помощью электроосаждения на иридий и отполирован с использованием обычных технологий для получения требуемой оптической отражательной поверхности. В предпочтительном варианте выполнения толщина слоя родия составляет две тысячных дюйма (0,05 мм).

После заключительного полирования не требуется дополнительной подготовки поверхности. Вследствие устойчивости иридиевых или родиевых внешних оптических поверхностей не требуется покрытий для предотвращения окисления или для повышения устойчивости по отношению к царапинам.

Отражательные оптические устройства, созданные согласно изобретению, имеют ряд преимуществ.

Не требуется активного охлаждения. Оптика может выдерживать высоконагретые потоки, а также высокую окружающую температуру в вакууме до 1500 К без ухудшения оптических характеристик. Каждый использованный материал может работать при высоких температурах без ухудшения характеристик. В представляющем интерес диапазоне температур не происходит металлургических или химических взаимодействий между материалами, которые бы приводили к фазовым изменениям, трансформации фаз сплавов или к образованию эвтектик.

С механической точки зрения коэффициенты теплового расширения находятся в достаточной близости друг к другу для предотвращения растрескивания или отслаивания любого из слоев.

Можно использовать стандартные способы изготовления оптических систем, использующих данное изобретение.

Оптические поверхности можно изготавливать с допусками, аналогичными допускам обычных оптических поверхностей.

Поскольку оптика работает при существенно повышенной температуре, уменьшается вероятность прилипания макрочастиц и других загрязнений к горячей оптической поверхности и уменьшения отражательной способности или образования местных горячих точек. Вместо этого, загрязнения будут иметь тенденцию к миграции и оседанию на более холодных поверхностях объектов, которые могут быть расположены вне оптического пути.

Твердость используемых оптических покрытий обеспечивает поверхности, имеющие экстремально высокую устойчивость к царапинам. Если отражательная способность понижается вследствие накопления загрязнений на оптической поверхности, то можно использовать коммерчески доступную полировальную алмазную суспензию для удаления загрязнений с поверхности без повреждения оптической поверхности.

Изобретение имеет дополнительные преимущества при использовании на борту космических аппаратов. На находящийся на орбите космический аппарат воздействуют различные окружающие условия, которые потенциально опасны для обычных оптических систем, включая ультрафиолетовое излучение, ионизирующее излучение, электроны, протоны, ионы и энергетические фотоны, атомный кислород, микрометеориты, отходы деятельности человека в космосе, электростатические заряды и разряды, циклические температурные воздействия и загрязнения от дегазации, утечек или газов двигателя. Иридий является наиболее устойчивым по отношению к коррозии материалом, известным человеку. Оптические системы, изготовленные из иридия, не требуют специальной защиты от этих механизмов повреждения и не претерпевают ухудшения характеристик в условиях космоса так быстро, как обычные оптические системы или оптические системы с обычными покрытиями.

Способ, согласно изобретению, можно использовать для изготовления всех форм обычных отражательных оптических систем, включая зеркала с круглой, плоской или изготовленной на заказ поверхностью, эллипсоидные, параболоидные и несимметричные сегменты, сферы и полусферы. Изобретение можно использовать как для формирующих изображение оптических систем, так и для не формирующих изображение оптических систем. Диапазон используемых температур для оптических систем, использующих изображение, находится между 230 и 1500 К.

Дополнительно к родиевому и иридиевому покрытию можно использовать также другие покрытия. На основу из полированного графита можно способом химического вакуумного осаждения нанести титан. При температуре обработки титан и графит образуют устойчивый эвтектический сплав карбид титана (TiC). Карбид титана также имеет очень устойчивую поверхность, которую можно полировать до зеркальной чистоты с использованием обычных технологий. Если необходимо увеличить отражательную способность карбидтитановой оптики, то на карбид титана можно нанести покрытия с более высокой отражательной способностью, такие как иридиевое или родиевое, с помощью ионно-лучевого осаждения или напыления. Для таких оптических систем необходим лишь тонкий слой иридия или родия (толщиной 10 - 100 нм). Дополнительного полирования не требуется.

Поскольку возможны различные варианты выполнения внутри объема раскрытой здесь концепции изобретения и поскольку возможны различные модификации подробно описанного варианта выполнения в соответствии с требованиями, предъявляемыми к описанию патентным законодательством, следует рассматривать приведенные здесь детали как имеющие иллюстративный, но не ограничивающий характер.

Отражательное оптическое устройство содержит основу, выполненную в форме оптического устройства из графита. На поверхность графитовой основы нанесен слой рения, на который нанесен слой иридия. Оптическая поверхность графитовой основы отполирована до чистоты по меньшей мере 0,05 мкм. Слой рения и иридия отполирован или притерт до удаления отклонений. Отражательное оптическое устройство может дополнительно содержать слой родия, нанесенный на слой иридия. Обеспечивается надежная работа отражательного устройства в условиях высоких температур без использования систем охлаждения. 2 с. и 12 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Отражательное оптическое устройство, содержащее основу, выполненную в форме оптического устройства, отличающееся тем, что основа выполнена из графита, на поверхность указанной графитовой основы нанесен слой рения, на который нанесен слой иридия. 2. Оптическое устройство по п.1, отличающееся тем, что оптическая поверхность указанной графитовой основы отполирована до чистоты по меньшей мере 2 микродюйма (0,05 мкм). 3. Оптическое устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что слой рения отполирован до удаления отклонений. 4. Оптическое устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что слой рения притерт до удаления отклонений. 5. Оптическое устройство по любому из пп.1 - 4, отличающееся тем, что слой иридия отполирован. 6. Оптическое устройство по любому из пп.1 - 5, отличающееся тем, что дополнительно содержит слой родия, нанесенный на слой иридия. 7. Оптическое устройство по п.6, отличающееся тем, что слой родия отполирован. 8. Способ изготовления отражательного оптического устройства, включающий выполнение основы оптического устройства, отличающийся тем, что основу выполняют из графита, на оптическую поверхность оптического устройства наносят слой рения и на слой рения наносят слой иридия. 9. Способ по п.8, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют полирование оптической поверхности графита до чистоты по меньшей мере 2 микродюйма (0,05 мкм) перед нанесением слоя рения. 10. Способ по п.8 или 9, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют полирование рения до устранения отклонений перед нанесением слоя иридия. 11. Способ по п.8 или 9, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют притирание рения до устранения отклонений перед нанесением слоя иридия. 12. Способ по любому из пп.8 - 11, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют полирование слоя иридия. 13. Способ по любому из пп.8 - 12, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют нанесение слоя родия на слой иридия. 14. Способ по п. 13, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют полирование слоя родия.