黃善杰，戴懿純，金振宇，張　濤，曾　光

(1. 中國科學(xué)院云南天文臺，云南 昆明　650011；2. 上海寶冶集團有限公司，上?！?00941)

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地基太陽望遠(yuǎn)鏡輻射涂層的測溫研究

黃善杰1，戴懿純1，金振宇1，張濤1，曾光2

(1. 中國科學(xué)院云南天文臺，云南 昆明650011；2. 上海寶冶集團有限公司，上海200941)

摘要：地基太陽望遠(yuǎn)鏡及周邊設(shè)施在觀測運行時被太陽輻射加熱，發(fā)熱表面加熱望遠(yuǎn)鏡光路附近的空氣形成近表面空氣湍流，進而引起像質(zhì)衰減。改善近表面大氣湍流的主要方法是抑制太陽望遠(yuǎn)鏡及周邊設(shè)施表面與空氣的溫差。根據(jù)輻射涂層表面與空氣的溫度實測，對輻射涂層抑制太陽望遠(yuǎn)鏡及周邊設(shè)施發(fā)熱進行了可行性研究，研究表明所選的輻射涂層具有一定的抑制物體表面與空氣溫差的能力，輻射涂層相對水冷具有控溫效果好、適用范圍廣等優(yōu)勢，可用于地基太陽望遠(yuǎn)鏡及周邊設(shè)施表面的溫度控制。

關(guān)鍵詞：太陽望遠(yuǎn)鏡；大氣湍流：視寧度；涂層

地基太陽望遠(yuǎn)鏡是研究太陽物理的主要觀測設(shè)備，現(xiàn)代地基太陽望遠(yuǎn)鏡主要發(fā)揮口徑大的優(yōu)勢，進行高空間分辨率的成像和光譜觀測。但由于地球大氣層的存在，湍流大氣的干擾使望遠(yuǎn)鏡的高分辨觀測能力大打折扣。太陽輻射下，地基太陽望遠(yuǎn)鏡及周邊設(shè)施被太陽輻射加熱形成對流湍流，進而引起像質(zhì)衰減。望遠(yuǎn)鏡及周邊設(shè)施表面的發(fā)熱控制，對改善地基太陽望遠(yuǎn)鏡的成像質(zhì)量具有重要的意義。

天文上把地基望遠(yuǎn)鏡受到大氣湍流影響而產(chǎn)生的像質(zhì)衰減程度稱為視寧度，視寧度是光路中所有湍流大氣引起的像質(zhì)衰減的積分。如果把視寧度分為地表空氣引起的近表面視寧度和其它層大氣引起的視寧度兩部分，大氣視寧度盤的半寬角(FWHM)可以表示為[1]：θ=(θn5/3+θf5/3)3/5，其中θn、θf分別是近表面視寧度和其它層大氣視寧度對應(yīng)的參數(shù)，地表空氣由于溫度起伏大，湍流劇烈，對視寧度貢獻較大。地基望遠(yuǎn)鏡和周邊設(shè)施表面發(fā)熱引起的近表面視寧度，對整體視寧度的好壞有不可忽略的影響，甚至可能占據(jù)主導(dǎo)地位[2-3]。由于各望遠(yuǎn)鏡的建筑表面及附屬設(shè)施不同，對望遠(yuǎn)鏡的近表面湍流大氣的影響表現(xiàn)也有所差異。但是鏡面、水面等物體表面對視寧度的影響研究表明，物體表面與空氣的溫差Tsa(Tsa=T表面-T空氣)是影響近表面視寧度的重要因素[4-7]：文[4]認(rèn)為鏡面視寧度θm在自然對流下與表面-空氣溫差的1.2次方成正比。

文[3]給出θm與溫差的1次方成正比的結(jié)論。文[5]研究發(fā)現(xiàn)，溫差越小，鏡面視寧度越好，先進技術(shù)太陽望遠(yuǎn)鏡(Advanced Technology Solar Telescope, ATST)直徑4 m鏡面在無風(fēng)、溫差小于0.5 ℃時的鏡面視寧度小于0.15″；太陽望遠(yuǎn)鏡機械結(jié)構(gòu)與空氣溫差在-0.5～+0.2 ℃時，才可忽略機械表面的空氣湍流對像質(zhì)的影響*http://www.fnb.tu-darmstadt.de/fachgebiet_fnb/index.de.jsp。文[2,6-7]研究表明，地表物體和空氣的溫差越接近于0，物體表面空氣的視寧度越好；物體和空氣溫差的絕對值越大，視寧度越差。根據(jù)上述研究結(jié)果，可以推理盡可能減少望遠(yuǎn)鏡附近的建筑物、附屬設(shè)施包括望遠(yuǎn)鏡自身在內(nèi)的所有物體的表面與空氣溫差，是降低近地面湍流大氣強度，改善近表面視寧度的最佳辦法。

抑制望遠(yuǎn)鏡及周邊設(shè)施表面與空氣溫差的方法分為被動熱控和主動熱控兩種。被動熱控本身不具有自動調(diào)節(jié)溫度的能力，多數(shù)通過導(dǎo)熱、對流換熱和選擇表面輻射特性等手段抑制溫差。主動熱控主要通過冷卻液或空氣的循環(huán)抑制溫差。國內(nèi)的多通道太陽磁場望遠(yuǎn)鏡、光學(xué)和近紅外太陽爆發(fā)監(jiān)測儀(Optical and Near-Infrared Solar Eruption Tracer, ONSET)、太陽精細(xì)結(jié)構(gòu)望遠(yuǎn)鏡等的外墻、圓頂和鏡筒多采用白色涂料抑制溫差。國外的瑞典太陽望遠(yuǎn)鏡(Swedish 1-m Solar Telescope, SST)、新太陽望遠(yuǎn)鏡(New Solar Telescope, NST)及GREGOR等望遠(yuǎn)鏡的圓頂和建筑表面也普遍采用白漆等被動熱控。日本的無圓頂太陽望遠(yuǎn)鏡采用背面水冷的鋁制護墻板降低建筑表面與空氣的溫差[8]。1 m太陽望遠(yuǎn)鏡設(shè)計樓頂水冷系統(tǒng)制冷建筑墻面。兩種主動熱控系統(tǒng)根據(jù)建筑表面和空氣溫度變化，啟停水冷，但兩者都無冷卻水的精準(zhǔn)控溫，溫控性能不理想。隨著輻射降溫涂料技術(shù)的快速發(fā)展，GREGOR太陽望遠(yuǎn)鏡和成都光電所的1.8 m望遠(yuǎn)鏡率先采用了基于新型TiO2輻射涂層的被動熱控設(shè)計[9-10]。涂層表面具有很高的太陽輻射反射率和自身熱輻射率，結(jié)合表面的空氣對流換熱有效抑制涂層與空氣的溫差。GREGOR機械結(jié)構(gòu)表面的TiO2涂層實測顯示，涂層表面和空氣的溫差大部分時間保持在-0.5～1 ℃范圍內(nèi)，灰塵較多的涂層表面溫度高于氣溫3～4 ℃[10]。TiO2輻射涂層作為抑制溫差的一種被動熱控技術(shù)，如果應(yīng)用于望遠(yuǎn)鏡建筑及周邊設(shè)施的表面溫控，還需要進一步了解其溫控能力的長期特性：室外環(huán)境下涂層表面老化是否會對溫差抑制產(chǎn)生影響，產(chǎn)生多大的影響。為此通過實測研究了涂層在室外環(huán)境下的溫差抑制能力及其長期變化。

1測溫實驗

1.1實驗介紹

2014年1～4月對1 m太陽望遠(yuǎn)鏡周邊樓頂水泥表面、樓頂TiO2輻射涂層、樓頂水池表面和鏡筒前方空氣進行了測溫實驗。實驗選用的TiO2輻射涂層是集反射太陽輻射、自身熱輻射散熱與空心微珠隔熱于一體的新型降溫涂層。涂層的太陽輻射吸收率約為0.1，自身熱發(fā)射率約為0.9。涂層對太陽輻射進行反射，同時通過自身熱輻射把表面積累的熱量輻射出去。涂層中有空心陶瓷微珠形成的隔熱層，隔絕熱量向內(nèi)熱傳導(dǎo)。實驗測量了3種表面與空氣的溫差變化并同步測量了風(fēng)速和太陽輻照度，實測對象及設(shè)備性能如表1。

1.1.1測溫方法

為提高測溫精度，實驗對不同的對象采用了不同的測溫設(shè)計。涂層和水溫探頭分別置入涂層和水表內(nèi)部測溫，水溫探頭位于5 mm深處以降低波浪對測溫的影響，探頭上方做遮陽處理以減弱太陽輻射對測溫的影響。水泥測溫探頭置入滴在水泥表面的導(dǎo)熱硅膠滴中，鑒于膠滴極高的導(dǎo)熱系數(shù)，認(rèn)為水泥表面溫度和膠滴溫度相差不大。實驗中采用熱容小、尺寸小的溫度探頭以提高測溫精度。測溫實驗的實物照片如圖1。

1.2實驗數(shù)據(jù)分析

1.2.1涂層和空氣的日溫差變化

測溫實驗獲得的涂層和空氣溫度數(shù)據(jù)顯示，兩者每天的溫度和溫差變化有一定的相似性。本文以一個典型太陽望遠(yuǎn)鏡觀測日的溫度數(shù)據(jù)為例，展示涂層表面和空氣的溫度、溫差變化。

如圖2，涂層溫度在11∶00之前低于氣溫，隨著太陽輻射的增強，涂層升溫并逐漸高于氣溫，14∶00～15∶00左右達到峰值，隨后涂層溫度逐漸低于氣溫。其它測溫日的溫變趨勢和2月7日相似，但溫差和溫度起伏有較大差異。2月7日涂層表面和空氣的溫差在±1 ℃之內(nèi)，三個月測溫期間內(nèi)的最大溫差起伏在±4 ℃以內(nèi)，溫差多集中在±1.5 ℃之內(nèi)。對比測溫顯示，涂層表面的溫差抑制能力遠(yuǎn)優(yōu)于白色瓷磚、白色鋁塑板、無機白漆、水泥、木板和不銹鋼等的抑制能力。

圖1溫度探頭的實物照片

Fig.1The actual picture of temperature sensors

圖2涂層和空氣溫度曲線

Fig.2The temperature curves of the coating layer and the air

1.2.2涂層和空氣溫差的長期變化

望遠(yuǎn)鏡運行期間處于太陽輻射下的輻射涂層，隨著時間的積累會出現(xiàn)老化和灰塵沉積等現(xiàn)象，老化和灰塵沉積引起的輻射性能衰減在一定程度上影響涂層的溫差抑制能力。如果涂層表面老化過快或受灰塵影響較大，將提高涂層保養(yǎng)頻率，大大增加涂層的使用成本，甚至需要重新評估其可行性。為了便于分析涂層抑制溫差能力的長期變化，本文使用溫差的日平均值和均方根值作為衡量當(dāng)日涂層溫差抑制能力的指標(biāo)。

圖3是測溫期間涂層和空氣溫差的日平均值和均方根的變化曲線。數(shù)據(jù)顯示，測溫期間溫差平均值的變化范圍為-2.96～1.71 ℃，溫差均方根值變化范圍為0.21～3.05 ℃，均方根值小于1 ℃的測溫天數(shù)占總數(shù)的47.5%。三個月內(nèi)，室外涂層的溫差抑制能力沒有明顯變化，表明望遠(yuǎn)鏡建筑和附屬設(shè)施表面刷涂輻射涂層具有較高的可行性。

圖3涂層和空氣溫差的日平均值和均方根曲線

Fig.3The curves of the average daily and RMS of the temperature differences between the coating layer and the air

1.2.3樓頂水泥與空氣溫差的日變化

1 m太陽望遠(yuǎn)鏡觀測運行時，望遠(yuǎn)鏡背部的大面積水泥樓頂表面被太陽輻射加熱。測溫實驗顯示，隨著太陽輻射的增強，1 m太陽望遠(yuǎn)鏡水泥表面溫度從低于氣溫快速高于氣溫，水泥和空氣溫差變化曲線如圖4。

圖41 m太陽望遠(yuǎn)鏡樓頂水泥與空氣的溫差變化曲線

Fig.4The curve of air temperature difference sover the NVST roof and the cement surface

鑒于每日的天氣狀況差異，樓頂表面溫度反超氣溫的時間點有較大變化，最大溫差值也有較大差別，實測發(fā)現(xiàn)兩者溫差可達10 ℃以上。樓頂水泥表面對上方空氣具有強烈的加熱效應(yīng)。

1.2.4樓頂水池與空氣的溫差實測分析

為了抑制水泥表面的發(fā)熱，1 m太陽望遠(yuǎn)鏡設(shè)計樓頂水池進行水冷控溫，水池的平均水深約為80 mm。運行中發(fā)現(xiàn)水池表面的溫度絕大部分時間明顯低于氣溫，抑制溫差效果不理想。作者實測了樓頂不同水深水池表面和空氣的溫差變化，用于評估樓頂水池的抑制溫差能力，結(jié)果如圖5和表2。

表2不同水深水表和空氣溫差的平均值和均方根

Table 2The mean value and the RMS of the temperature

differences between the surface of water with

different depth and the air

實測結(jié)果顯示：水池水量越大，水表溫度越低于氣溫且溫度起伏越??；水池水量越小，水表溫度受太陽輻射影響越大。水深20 mm時，水表溫度在中午前后略高于氣溫，其它時間低于氣溫。水深為20 mm左右時，水表溫度和氣溫最接近，但仍遜色于涂層。

圖5不同水深水池表面和空氣的溫差曲線

Fig.5The temperature difference curves of the air and the surface of the cistern with different depth

1.3實驗結(jié)論

實驗測量了輻射涂層在太陽輻射下和空氣的溫差變化，證實涂層可在相當(dāng)長一段時間內(nèi)具備保持表面和氣溫接近的能力。測溫期間的太陽輻射不能把30 mm水深以上的樓頂水池表面加熱至超過氣溫。由于1 m太陽望遠(yuǎn)鏡樓頂主動熱控系統(tǒng)難以對冷卻水精準(zhǔn)控溫，系統(tǒng)的抑制溫差效果并不理想，溫差抑制能力弱于輻射涂層。

21 m太陽望遠(yuǎn)鏡水冷控溫和涂層控溫的性能對比分析

1 m太陽望遠(yuǎn)鏡的主動水冷控溫系統(tǒng)通過太陽輻射加熱和自動補水實現(xiàn)水池表面溫度和氣溫接近，但實際上水表溫度一直低于氣溫，提升溫差抑制能力需要精確的冷卻水控溫設(shè)備。本文分析了主動水冷和涂層控溫的性能對比，如表3。

輻射涂層可應(yīng)用于1 m太陽望遠(yuǎn)鏡鏡筒附近的風(fēng)障板、地板、圓頂、電控設(shè)備、鏡筒表面、圓頂基墩等場所以及1 m太陽望遠(yuǎn)鏡建筑外墻、樓頂?shù)仁苡晁疀_刷的地方。主動水冷系統(tǒng)保持大面積水表溫度和氣溫接近需要對補水方式、補水溫度等進行精確控制，控制難度和成本都很高。水冷產(chǎn)生的水汽對望遠(yuǎn)鏡的中遠(yuǎn)紅外觀測有一定影響，涂層則對望遠(yuǎn)鏡觀測無影響。

3結(jié)束語

本文測試的輻射涂層表面具有較好的保持和氣溫接近的能力，符合地基太陽望遠(yuǎn)鏡對周邊熱源環(huán)境的溫度控制要求。輻射涂層和水冷控溫相比，在抑制溫差方面具有效果好、適用范圍廣、成本低、難度小等優(yōu)勢，是一種可行的被動熱控方法。輻射涂層可應(yīng)用于地基太陽望遠(yuǎn)鏡及周邊各種發(fā)熱設(shè)施表面。

參考文獻：

[1]Zago L. An engineering handbook for local and dome seeing[C]// Proceedings of SPIE. 2007: 726-736.

[2]周丹. 近地面大氣湍流特性的研究[D]. 北京: 中國科學(xué)院研究生院碩士畢業(yè)論文, 2002.

[3]Bridgeland M T, Jenkins C R. Measurements of mirror seeing in the laboratory and at the telescop[J]. New Astronomy Reviews, 1998, 42(1): 435-440.

[4]Zago L. The effect of the local atmospheric environment on astronomical observations[D]. Switzerland: EPFL, 1995.

[5]Dalrymple N E, Oschmann J M, Hubbard R P. ATST enclosure: seeing performance, thermal modeling, and error budgets[C]// Proceedings of SPIE. 2004: 497-507.

[6]Vogiatzis K, Upton R.TMT studies on thermal seeing modeling: mirror seeing model validation[C]// Proceedings of SPIE. 2006: 627115-627115-6.

[7]Vogiatzis K, Angeli G Z. Strategies for estimationg mirror and mirror and dome seeing for TMT[C]// Proceedings of SPIE. 2006: 62710O-62710O-8.

[8]林兆駒. 日本飛彈天文臺的無圓頂太陽望遠(yuǎn)鏡[J]. 云南天文臺臺刊, 1979(3): 84-91.

[9]Li Cheng, Xian Hao, Zhang Jun. Thermal analysis of a 1.8m solar telescope mechanical structure[C]// Proceedings of SPIE. 2012: 841512-841512-6.

[10]Volkmer A R. Thermal characteristics of the solar telescope GREGOR[C]// Proceedings of SPIE. 2008: 70120K-70120K-9.

CN 53-1189/PISSN 1672-7673

Research of the Coating Layer Temperature Measurement at the Earth-Based Solar Telescope

Huang Shanjie1, Dai Yichun1, Jin Zhenyu1, Zhang Tao1, Zeng Guang2

(1. Yunnan Observatory, Chinese Academy of Science, Kunming 650011, China, Email: hsjie@ynao.ac.cn;2. Shanghai Baoye Group Corporation Limited, Shanghai 200941, China)

Key words:Solar telescope; Atmosphere turbulence; Seeing; Coating

Abstract:The earth-based solar telescope and its surrounding facilities could be heated by the solar radiation during the operation, the air near the telescope optical path could be heated by the hot surfaces, thereby forming the atmosphere turbulence around them which causes the degradation of the image quality. The method of alleviating the influence from the atmosphere turbulence on the image quality is to suppress the temperature differences between the surface of the solar telescope, its surrounding facilities and the air. According to the actual measurement of the coating layer temperature and the air temperature, the feasibility analysis about the temperature control by the coating layer on the surface of the solar telescope and its surrounding facilities is presented in this paper. The result shows that the coating layeris capable of keeping its temperature close to the air temperature in the complicated thermal environment. Compared with the water cooling, the coating cooling is much better for the temperature control and more applicable. All these methods make the coating cooling feasible for the temperature control of solar telescope and its surrounding facilities.

基金項目：國家自然科學(xué)基金 (11203076, 11103076, 11303090) 資助.

收稿日期：2015-04-20；

修訂日期：2015-08-12

作者簡介：黃善杰，男，助理研究員. 研究方向：天文儀器與方法. Email: hsjie@ynao.ac.cn

中圖分類號：P111

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號:1672-7673(2016)01-0111-06