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高度準直的菲涅爾太陽模擬器，用于空間環(huán)境模擬

太陽光模擬器設計為產(chǎn)生高度準直的光，并被開發(fā)為在真空室內(nèi)運行。   

客戶需求

Highly collimated Fresnel Solar simulator for space environment simulation

The solar simulator was designed to produce highly collimated light and was developed to operate inside a vacuum chamber.

一家**太空機構的研究人員與我們聯(lián)絡，以定制設計一種能夠放置在真空室內(nèi)的大功率準直太陽模擬器。該太陽能模擬器將成為一個更大的系統(tǒng)的一部分，該系統(tǒng)旨在在受控實驗室中模擬地球外環(huán)境。

目標區(qū)域：直徑36厘米的圓形照明區(qū)域

工作距離：距太陽模擬器出口面30厘米

光譜匹配：AM0光譜匹配（ASTM標準地球儀光譜）

照射目標：1400W/m2

空間不均勻度：±5％（根據(jù)ASTM E927-05）

時間穩(wěn)定性：±2％（根據(jù)ASTM E927-05）

構思和設計系統(tǒng)

光學設計與實現(xiàn)

開發(fā)了許多射線追蹤模型來評估所提出的太陽模擬器設計的光學特性。經(jīng)過多次迭代，提出了合適的光學設計以達到要求的規(guī)格。

光線路徑模擬可為太陽模擬器的輸出獲得高準直度

發(fā)展歷程

實現(xiàn)準直角

在系統(tǒng)的核心，一個2.5 kW的氙弧燈被用來收集帶有球形后反射器的燈罩的光。準直角是通過包含菲涅耳透鏡系統(tǒng)的復雜光學組件獲得的。

通過測量穿過放置在反射鏡焦平面上的各種尺寸的孔徑的光功率的大小，可以確定模擬光線的準直角。

當從太陽模擬器發(fā)出的光在非常薄的石英板（表面反射率為4％）上以45°反射時進行。從石英板反射的光被具有已知焦距的鍍鋁球面鏡后向反射。將尺寸從1.5毫米到15毫米的光圈放置在球面鏡的焦平面上，并使用NIST可追蹤硅探測器測量通過光圈出射的光功率。

   使用菲涅爾透鏡系統(tǒng)進行的測試，以達到所需的高準直度

可接受的準直定義為落入0.7度準直半徑內(nèi)的光功率的> 50％。通過這種光學設計，我們能夠在準直角的±0.7度內(nèi)獲得超過80％的光功率。

系統(tǒng)的準直測量顯示在±0.7度內(nèi)的光功率> 80％ 

實現(xiàn)真空兼容性

為了將太陽能模擬器安裝在真空室內(nèi)，要求其具有防泄漏功能。真空兼容的太陽能模擬器外殼是由我們的工程師設計的。冷卻液和電氣組件的外殼穿通孔專門為確保真空兼容而設計。太陽能模擬器的壁和外殼由SAE 304不銹鋼制成，并進行了電拋光。太陽能模擬器外殼是由**的真空系統(tǒng)工程公司專門制造的，并**通過密封的**低靈敏度為2X10 -10 cc / sec的質(zhì)譜儀檢漏儀進行密封測試。

前部光學輸出使用了直徑為15英寸（15英寸）的石英窗口。采購了高質(zhì)量的壓力窗口以制造此光學輸出窗口。

將太陽模擬器的外殼超壓至2個大氣壓，并監(jiān)控12小時以檢查是否存在任何潛在泄漏。 

前部光學輸出使用了直徑為15英寸（15英寸）的石英窗口。窗口尺寸是研究和計算的結果。采購了高質(zhì)量的壓力窗以制造光學輸出窗。

將太陽模擬器的外殼超壓至2個大氣壓，并監(jiān)控12小時以檢查是否存在任何潛在泄漏。

開發(fā)與測試

實現(xiàn)系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定性

以下是**終用戶對系統(tǒng)溫度進行維護的要求。

? 太陽模擬器的燈封必須保持在230°C以下。但是，當將太陽模擬器放置在真空室內(nèi)時，無法執(zhí)行傳統(tǒng)的強制空氣冷卻。

? 傳統(tǒng)上與這種類型的模擬器一起使用的菲涅耳光學元件必須保持在80°C以下的溫度下。

? 燈殼需要一些冷卻，這只能通過使空氣或氣體流過燈殼來完成。

測試溫度穩(wěn)定性

工程師認為，**好的方法是建造一個壓力容器以容納模擬器和光學器件。壓力容器允許將冷液體泵入腔室，并引導至一系列散熱器，這些散熱器通過穿過散熱器的強制空氣在腔室內(nèi)進行熱傳遞。用裝滿去離子水的水循環(huán)器冷卻燈座的陽極和陰極。

由于我們**于為復雜的工程問題提供**解決方案，因此我們專門建造了一個測試室來執(zhí)行這些冷卻實驗。在建立成功的冷卻系統(tǒng)之前，我們經(jīng)歷了一系列失敗的原型，燒壞的燈和電源。

控制電子設備經(jīng)過專門設計，可與太陽能模擬器集成在一起。內(nèi)置了內(nèi)部系統(tǒng)溫度傳感器和冷卻液流量傳感器，以在任何組件發(fā)生故障時保護系統(tǒng)。溫度傳感器也放置在外殼內(nèi)部的兩個不同位置，以監(jiān)控內(nèi)部空氣溫度。

另一個溫度傳感器用于監(jiān)視用于冷卻燈頭的再循環(huán)器中水浴的溫度。

萬一燈座或外殼內(nèi)部出現(xiàn)過熱情況，可使用邏輯電路關閉燈。邏輯電路用于設置溫度點并控制繼電器，以防在發(fā)生過熱事件時切斷燈的電源。

測試與安裝

質(zhì)量控制和安裝

構建了**終的太陽模擬器系統(tǒng)，并進行了一系列測試，以證明殼體保持所需溫度和真空兼容性的能力。所有光學設計測試均提前進行，以確保滿足**終用戶要求的所需光功率，光譜匹配，準直角和其他規(guī)格。