中国电子科技集团公司第四十一研究所, 山东 青岛 266555
目前, 国际最高光辐射功率基准为低温辐射计, 其可探测光谱范围覆盖真空紫外到太赫兹波段(115 nm~THz), 利用真空低温超导条件下的电替代测量原理, 将光辐射功率参数溯源到可以精确测量的电参数进行高精度测量, 实现超宽光谱范围的光辐射绝对功率测量, 其测量不确定度达到10-5量级, 尤其在****和光辐射计量领域, 光电有效载荷、 定量遥感、 超高光谱成像以及光辐射量值溯源等应用领域具有不可替代的作用。 低温辐射计黑体腔作为光辐射吸收的核心器件, 具有光谱吸收平坦、 0.999以上的超高吸收比, 其吸收率参数是影响低温辐射计高准确测量的主要因素之一。 目前, 针对低温辐射计黑体腔不同结构及涂层参数开展了很多的理论及仿真工作, 但针对不同结构参数黑体腔吸收率的实验测量及比对工作还未见报道。 因此, 为实现低温辐射计宽光谱、 高精度测量要求, 光电子一级站开展了适用于低温辐射计的黑体腔研制及吸收率测量的研究工作。 课题组研制了四种不同结构参数, 以高电导无氧铜(OFHC)为材质, 壁厚0.1 mm, 内壁电镀镍磷黑(NiP)涂层的超高吸收率黑体腔; 采用蒙特卡罗光线追迹算法分别对四种结构黑体腔吸收率进行了光学仿真, 得到不同结构参数之间的吸收率差异; 采用替代法测量吸收率, 搭建了以高稳定光源、 积分球系统组合的黑体腔吸收率测量装置, 通过将标准白板与黑体腔之间切换, 准确测量黑体腔吸收率, 并分析了黑体腔吸收率的影响因素。 实验结果表明: (1)通过比对仿真数据与实验测量结果, 验证测量方法的有效性和测量数据的可靠性; (2)研制的黑体腔实现了(0.999 962±0.000 005)@632.8 nm的超高光谱吸收率, 满足了低温辐射计的高精度测量要求; (3)斜底圆柱腔的吸收性能优于圆锥柱腔; (4)通过设计螺纹结构增加腔内表面积、 设计圆锥口径类比光阑结构形式并没有明显增加黑体体吸收率。
低温辐射计 黑体腔 吸收率 结构 Cryogenic radiometer Cavity Absorption coefficient Black paint
1 中国电子科技集团公司第四十一研究所, 山东 青岛 266555
2 国防科技工业光电子一级计量站, 山东 青岛 266555
低温辐射计是目前国际上光辐射功率计量中准确度最高的测量系统, 其光辐射测量不确定度可达10-5量级, 目前国内仅有少数研究机构从国外引进低温辐射计开展计量研究, 亟待发展国产低温辐射计替代进口产品。 由于低温辐射计采用低温超导状态下的电替代测量原理进行光辐射功率测量, 发展低温辐射计的难点之一在于研制黑体吸收腔这一核心光辐射接收器件, 并要求黑体腔在各波长下的吸收率都要达到0.999 9以上。 为研制超高光谱吸收率的黑体吸收腔, 系统性分析了各影响黑体腔光谱吸收率因素, 在此基础上利用蒙特卡罗光线追迹方法重点研究了光谱波长、 腔体长度、 黑材料漫反射系数、 黑材料吸收率和入射光空间位置等对斜底黑体腔光谱吸收率的影响。 研究结果表明： 在300～1 100 nm波长范围内黑体腔吸收率与其内壁涂黑材料的吸收率呈正相关, 且在300～1 000 nm范围内的吸收率都达到了0.999 9以上, 其中在700 nm处的吸收率取得最大值0.999 941 5, 表明采用该类型黑材料的黑体腔只在300～1 000 nm范围内满足低温辐射计设计要求, 后续需要根据仿真和测试结果对低温辐射计在不同波长下的光电不等效性进行修正; 在黑体腔结构和口径确定的情况下, 黑体腔吸收率将随腔长增加而逐渐升高, 在40 mm后变化趋缓, 并在65 mm后逐渐趋于平衡, 考虑到低温辐射计低温舱对腔体尺寸的限制, 认为腔体长度与口径之比为6.5时较为合适; 黑体腔吸收率还受黑材料的漫反射系数影响, 随着黑材料漫反射系数的提高, 腔体吸收率呈现近似线性下降, 所以在选择黑体腔涂黑材料时, 在吸收率等指标相同的情况下应尽量选择镜面吸收黑; 黑材料吸收率从0.8到1的变化过程中, 腔体吸收率提升了0.05个百分点, 且黑材料吸收率为0.92时腔体吸收率可达到0.999 9以上, 表明黑材料在其有效工作波长范围内任一点的光谱吸收率都要大于0.92; 腔体吸收率还受入射光投射的空间位置影响, 光线位置越靠近斜底腔顶点处, 腔体吸收率越高, 但整体吸收率变化不明显, 光线位置对腔体吸收率影响只有不到0.004个百分点, 几乎可以忽略, 认为斜底腔不同位置处的吸收率是均匀的。 研究结果对低温辐射计黑体腔研制有一定参考价值。
低温辐射计 黑体腔 吸收率 光线追迹方法 Cryogenic radiometer Blackbody cavity Absorptance Ray tracing method 光谱学与光谱分析
2019, 39(7): 2018
1 燕山大学 电气工程学院，河北 秦皇岛 066004
2 燕山大学 测试计量技术及仪器河北省重点实验室，河北 秦皇岛 066004
基于积分方程理论建立了黑体腔的结构模型，分析了腔体长径比、孔径比、接收器到腔口的距离、腔体材料本身发射率等参数对腔体发射率的影响，提出了黑体腔优化参数设计，同时，应用有限元分析法分析了不同形状黑体腔腔体对接收器稳态温度、动态响应时间的影响。研究结果表明：黑体腔结构参数的改变直接影响黑体腔发射率、接收器稳态温度、动态响应时间，进而影响黑体腔性能，积分方程法和有限元法结合分析为黑体腔研究以及优化设计提供了新思路。
黑体腔 积分发射率 有限元 ANSYS仿真 blackbody cavity integral emissivity finite element ANSYS simulation
中北大学电子测试技术重点实验室, 山西 太原 030051
介绍了一种将接触式和非接触式相结合的蓝宝石光纤黑体腔瞬态高温高温传感器, 从黑体腔制作和微光信号探测方面进行了详细分析, 最后给出了实验结果.实验结果表明, 由于采用新型光电探测器和膜层材料, 大大提高了传感器的测温范围和信噪比.该高温传感器的测试范围上限大于2000℃, 响应时间小于100ms, 能够满足科研和工业生产中特殊环境下的温度测量.
蓝宝石光纤 瞬态高温测量 黑体腔 光纤传感器 sapphire fiber transient temperature measurement black-body cavity optical fiber sensor
中北大学电子测试技术国家级重点实验室，山西 太原 030051
分析了蓝宝石光纤温度传感器测试系统组成及工作原理，由于黑体腔膜层内外表面存在较大温差，使得该系统测出的被测物温度存在一定误差.为了解决这一问题，运用分离变量法从黑体腔内表面温度外推出黑体腔外表面温度，降低了测试对传感器的性能要求，实验验证了该方法的可行性，提高了蓝宝石光纤黑体腔温度传感器的测温精度.
黑体腔 外推法 分离变量法 blackbody cavity extrapolation separation of variables
