摘要
随着太阳物理学研究的发展，对下一代大型地基太阳望远镜提出了高时空分辨率、高磁场测量精度的要求。中国科学院云南天文台正筹划建造8米级CGST望远镜。2m RST作为CGST关键技术的试验平台，现已进人工程实施阶段。大型太阳望远镜需要突破的三项关键技术:1、大型主镜拼接。2、望远镜热控。3、低噪声红外探测器。本文聚焦于望远镜热控，研究由此带来的热致视宁度问题。首先，提出一种基于有限元数值仿真手段的热致视宁度评估方法，研究对象包括:热光阑、主镜、副镜。仿真结果表明:三者在同等温升情况下，主镜热致视宁度占主导，不过主镜温控相对容易;在实际工况下，热控压力最大的是热光阑，通过仿真给出了热光阑温控技术指标。接下来，设计了一种高效冷却结构的热光阑，该结构具有温升小、表面温度场分布均匀的优点;同时，对热光阑进行光学优化设计，抑制了杂散光的产生。最后，攻克了光阑测温技术难点，实现了光阑测温系统闭环控制，保证了控温精度。本文对大型地基太阳望远镜温控技术进行了全面而又深入的研究，把热致视宁度效应抑制在合理范围，保证望远镜观测成像质量。 视宁度评估方法基于有限元数值模拟。由于热湍流对初值依赖敏感，需借助实验方法评估环境扰动强弱，为仿真边界条件提供参考。仿真基于CFD理论，选用大涡模型(LES)进行高时空分辨率的三维瞬态仿真，获得研究对象周围温度场的时空分布状况。之后，将温度场转化为折射率场，进行渐变折射率介质中的光线追迹仿真研究。由于热致视宁度效应，导致成像面上点列图分布变得弥散，统计一段积分时间内点列图的展宽程度，进而衡量视宁度劣化情况。最终，关于主镜的热致视宁度评估结果得到了经验公式验证;也为热控系统设计提出了技术指标:1、热光阑温升应控制在10℃以内。2、主镜需借助背部吹风方式进行温控，温控目标是镜面温度接近或略低于环境温度。3、副镜热致视宁度效应可忽略，不必进行主动温控。 调研分析了现有热光阑存在的技术缺陷。设计了一种具备倒圆锥通光孔外形，并且采用导流翅片式高效冷却结构的热光阑;在冷却液压降损耗较低的情况下，获得了低温升，温度场分布均匀的温控效果。同时，对光阑进行了光学设计，反光面通光孔附近区域优化了倒圆锥夹角，倒圆锥以外区域采用对称式平面反射镜结构。仿真表明，光阑的热控设计与光学设计均符合指标要求。进一步设计了一种背部为扇形镂空结构的主镜，在扇形网格腔体中吹入制冷空气对主镜表面进行温控，优化主镜热致视宁度。 光阑温度场测量具有重要意义，是实现温控系统闭环控制的关键。本文提出了两种测温方法，一种是调制法，对加热光源进行调制遮挡后用热像仪获得光阑表面降温曲线，再通过理论分析获得降温曲线的数学模型，拟合得到初始温度场，该方法得到了实验与仿真的验证;还可通过该方法测定时间常数以评估光阑冷却效率。另一种是温差法，通过测量流经光阑的冷却液温升，依据冷却液温升与光阑温度场之间的映射关系，实时获得光阑温度场。光阑温控系统采用温差法实现了闭环控制，保证了控温精度。 关于下一代大型地基太阳望远镜的热控问题，本文进行了相关理论与工程技术方面的研究，在2m RST上实现了可靠有效的温控效果，保证了望远镜观测质量;同时为8m CGST望远镜热控系统设计奠定了基础。
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