低溫點源黑體關(guān)鍵技術(shù)及國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

許 杰，楊林華，李 娜

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

0 引言

低溫點源黑體設(shè)備作為紅外譜段的標準輻射源，在紅外遙感器、熱像儀的標定以及深空輻射研究中被廣泛應用[1-3]，其工作溫度范圍一般在373 K以下。隨著紅外探測器孔徑和視場角的增大，要求點源黑體光欄孔徑也越來越大，目前已經(jīng)達到φ100 mm[4]。近年來，為了適應紅外探測器大孔徑、大視場角的發(fā)展需要，面源黑體的發(fā)展非常迅速。與點源黑體相比，面源黑體還存在溫度均勻性較差（±(0.1～0.5) K）、發(fā)射率偏低（0.95～0.985左右）等問題，克服這些難題需要花費巨大的精力和研制成本。因此，大口徑點源黑體仍然是現(xiàn)階段先進、成熟、經(jīng)濟的標準紅外輻射源。

本文著重從點源黑體關(guān)鍵技術(shù)、國內(nèi)外較先進的點源黑體技術(shù)指標比對等方面進行論述。

1 低溫點源黑體關(guān)鍵技術(shù)

點源黑體的關(guān)鍵技術(shù)主要包括發(fā)射腔腔形設(shè)計、發(fā)射率計算、恒溫方式選擇等。

1.1 發(fā)射腔腔形設(shè)計

發(fā)射腔是黑體設(shè)備的核心器件，其幾何參數(shù)選擇、表面發(fā)射率以及表面溫度均勻性等因素直接影響黑體設(shè)備的發(fā)射率指標。

目前常用的幾種點源黑體發(fā)射腔腔型分別為平口圓柱錐底腔[5]、錐口圓柱內(nèi)錐腔[6]以及平口圓柱內(nèi)錐腔，見圖1。

圖1 3種常用的點源黑體發(fā)射腔腔型Fig. 1 Three kinds of point-source black body cavities

圖1(a)為平扣圓柱錐底腔，其特點是在發(fā)射率計算過程中，錐底與圓柱面之間的輻射沒有遮擋，因此公式推導比較簡單，腔體加工、制造和裝調(diào)也相對簡便。不足之處是與圖1(c)相比，在相同內(nèi)表面積的情況下，腔體長度要長出很多，造成設(shè)備體積加大。

圖1(b)為錐口圓柱內(nèi)錐腔，其特點在于錐口部分，這種設(shè)計可以有效減小腔體的溫度不均勻度，提高發(fā)射腔的溫度穩(wěn)定性。不足之處在于錐口安裝好后無法打開，給腔體內(nèi)表面涂漆帶來困難。

圖1(c)為平口圓柱內(nèi)錐腔，是在圖1(a)的基礎(chǔ)上改進后得到的，其特點是與圖1(b)在相同外形尺寸情況下，發(fā)射率較高，但腔體溫度均勻性稍差。

1.2 發(fā)射率計算

關(guān)于點源黑體發(fā)射率的計算，在此主要介紹近似計算法[7]與積分方程法[8-9]。

近似計算法基于物體之間的輻射換熱公式，假設(shè)黑體發(fā)射腔溫度均勻，其發(fā)射率表達式為

積分方程法較為復雜，它采用曲線積分和斯托克斯公式等矢量分析法，逐點推導發(fā)射腔的表面發(fā)射率、發(fā)射腔的總發(fā)射率，并最終帶入腔體內(nèi)表面溫度變化情況，得到該腔體發(fā)射率的理論計算結(jié)果。這種方法的一般原理是將發(fā)射腔按照錐壁（x方向）、錐底（y方向）、錐口（z方向）分別等分成n1、n和m個環(huán)帶，見圖2。通常分別取大于500，且取環(huán)帶越多，計算精度越高。設(shè)每一個小面源面積為 dSi，其表面發(fā)射率包括本身的輻射能和其他表面經(jīng)它反射的輻射能。x方向某點x0處發(fā)射率表達式為

式中：εa(x0)為該計算點的初始發(fā)射率；A為溫度修正系數(shù)；ε為材料自身發(fā)射率；εa()為各點發(fā)射率；為x0處單位面積與xi之間的角系數(shù)；y、z方向各點的發(fā)射率計算公式以此類推。經(jīng)過式(2)迭代計算，根據(jù)以往經(jīng)驗，當收斂到10-6以后停止迭代，得到各點發(fā)射率結(jié)果。再按照輻射公式計算各點輻射到光欄處的能量。

圖2 積分方程法計算發(fā)射率原理圖Fig. 2 The emissivity calculation method based on integral equation

1.3 恒溫方式

目前低溫點源黑體較常用的恒溫方式為熱管方式、恒溫浴方式以及液氮電加熱方式。

1.3.1 熱管恒溫

典型的熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成。將管內(nèi)抽為1.3×(10-1～10-4)Pa后充以適量的工作液體，使緊貼管內(nèi)壁的吸液芯毛細多孔材料中充滿液體后加以液封。熱管的一端為蒸發(fā)段（加熱段），另一端為冷凝段（冷卻段），根據(jù)應用需要在兩段中間布置絕熱段。當熱管的一端受熱時，液體蒸發(fā)汽化，蒸氣在微小壓差下流向另一端放出熱量凝結(jié)成液體，液體再沿多孔材料靠毛細力的作用流回蒸發(fā)段。經(jīng)過這樣不間斷的循環(huán)，熱量由熱管的一端傳至另一端，如圖3所示[10]。

圖3 熱管原理圖Fig. 3 The principle diagram of heat pipe

熱管黑體的工作原理是：在加熱段布置加熱器，對熱管進行加熱，使工質(zhì)變?yōu)闅鈶B(tài)；在冷凝段再變回液態(tài)，通過吸液芯的毛細力或重力回流到加熱段，再次被加熱成為氣態(tài)；這樣反復循環(huán)，達到換熱目的。對加熱量進行調(diào)節(jié)，使其與黑體設(shè)備在指定溫度的熱量散失相等，即可將發(fā)射腔溫度維持在指定溫度。

1.3.2 恒溫浴恒溫

恒溫浴方式主要分為水浴方式與油浴方式兩種，其工作原理基本相同，只是工質(zhì)不同，因此工作溫度范圍也不相同。水浴黑體的溫度范圍一般在288～373 K[4]，油浴黑體則為343～453 K[11]。恒溫浴黑體一般由發(fā)射腔、浴槽、溫度傳感器、溫控軟件和保溫層幾部分組成，通過控溫系統(tǒng)對浴槽進行加熱，發(fā)射腔位于浴槽內(nèi)部，與浴槽等溫，以此方式實現(xiàn)發(fā)射腔的溫度控制。

1.3.3 液氮電加熱恒溫

該恒溫方式的黑體腔體由發(fā)射腔和輻射腔組成，兩者具有相同的傳熱結(jié)構(gòu)，即壁上都開有螺旋槽，外面套上加熱套管，端面焊接，形成冷卻流體管路，外加熱套管上安裝加熱片，可同時升溫。發(fā)射腔采用標準鉑電阻溫度計放在內(nèi)錐底部，輻射腔采用工業(yè)鉑電阻溫度計粘貼在加熱套管壁上。在工作狀態(tài)下，發(fā)射腔和輻射腔之間為高真空環(huán)境，主要通過輻射方式換熱。在發(fā)射腔的外表面和輻射腔的內(nèi)表面噴涂高發(fā)射率黑漆，保證兩者同時升溫和熱補償。此種結(jié)構(gòu)中，輻射腔是保證發(fā)射腔溫度穩(wěn)定性的重要環(huán)節(jié)。

在這種控溫方式下，輻射腔加熱器的負載為腔體熱容和向外界輻射傳熱損失，發(fā)射腔加熱器負載主要為升溫狀態(tài)時發(fā)射腔的熱容。發(fā)射腔加熱為主加熱，輻射腔加熱為維持加熱。當發(fā)射腔達到某一控溫點 T0時進入控溫，腔體熱源停止工作，只有輻射腔的熱源起保溫作用。

1.3.4 小結(jié)

各種恒溫方式的黑體控溫范圍及溫度穩(wěn)定性見表1?？梢钥闯觯捎脽峁芎銣胤绞降暮隗w溫度穩(wěn)定性最好，恒溫浴方式則相對較低。實際使用時采用何種加熱方式，主要應對工作溫度范圍、溫度穩(wěn)定性以及應用環(huán)境特點等幾種因素綜合考慮。

表1 各種恒溫方式的黑體控溫范圍及溫度穩(wěn)定性Table 1 The temperature range and stability of black body with different control methods

2 國內(nèi)外主要低溫點源黑體設(shè)備性能指標

2.1 美國國家標準技術(shù)研究院（NIST）熱管黑體

該熱管黑體外形如圖4所示。內(nèi)腔為圓柱形，底端為圓錐型，口徑φ38 mm，長500 mm，工作溫度范圍 323～523 K，腔體溫度均勻性優(yōu)于±0.005 K，穩(wěn)定性優(yōu)于±0.01 K/16 h，控溫精度± 0.01 K，發(fā)射率大于0.999。

圖4 美國NIST熱管黑體外形圖Fig. 4 The heat pipe blackbody of NIST

2.2 美國EOI公司點源黑體

美國EOI公司生產(chǎn)的SS系列點源黑體，采用參數(shù)可調(diào)的PID腔體控溫方式，主要用于紅外遙感器標定。發(fā)射腔的腔型為圓柱體，口徑為φ6.35 mm（0.25 inch）～φ50.8 mm（2 inch），工作溫度范圍為323～1 623 K，穩(wěn)定性±(0.1～0.25)K，均勻性±(0.5～3)K；控溫精度達到±0.25 K，面板顯示精度±0.01 K，溫度設(shè)置分辨率0.1 K，有效發(fā)射率大于0.999。

2.3 德國自然工程科學研究所（PTB）ME20型點源黑體[12]

德國PTB點源黑體采用恒溫浴控溫方式，工質(zhì)采用特殊的硅油、水和乙二醇混合物。原理見圖5。腔體開口直徑φ60 mm，工作溫度范圍253～623 K，溫度穩(wěn)定性±0.1 K/2 h，溫度均勻性優(yōu)于±0.1 K，最大溫度不確定度在623 K時為±0.9 K，理論發(fā)射率大于0.999。

圖5 德國PTB ME20型點源黑體原理圖Fig. 5 The black body manufactured by PTB of Germany

2.4 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所點源黑體

北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所研制的低溫點源黑體采用液氮電加熱的恒溫方式，如圖6所示。腔形為圓柱內(nèi)錐腔，出口直徑φ25 mm，工作溫度范圍90～360 K連續(xù)可調(diào)，控溫精度±0.03 K，腔體溫度穩(wěn)定性±0.03 K/30 min，腔底溫度均勻性±0.03 K，發(fā)射率大于0.999。

圖6 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所低溫點源黑體結(jié)構(gòu)圖Fig. 6 The low temperature and point-source black body manufactured by Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering

2.5 中國科學院上海技術(shù)物理研究所點源黑體

該所研制的點源黑體設(shè)備（HFY-100）主要應用于真空低溫環(huán)境下的航天紅外遙感器定標，采用紫銅圓柱型腔體，工作溫度范圍180～340 K，口徑φ60 mm，傳感器為鉑電阻，控溫精度±0.1 K，軸向均勻性±0.1 K，有效發(fā)射率大于0.999。該點源黑體具有外觀小巧、結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)異的特點，目前已開發(fā)為系列產(chǎn)品。

2.6 中國科學院安徽光機所水浴黑體

該黑體受恒溫方式的限制，工作溫度范圍為293～373 K，腔口尺寸φ108 mm，控溫精度±0.01 K，有效發(fā)射率為 0.998。腔體為鋁合金材料，外表面鍍有防氧化層，內(nèi)表面涂紅外黑體消光涂料，目前已成功應用于紅外遙感器定標工作。

2.7 小結(jié)

以上各黑體性能指標對比見表2。

表2 國內(nèi)外部分點源黑體性能參數(shù)比較Table 2 Comparison of some black bodies made in China and other countries

3 低溫點源黑體的定標試驗應用

3.1 美國Los Alamos國家實驗室定標設(shè)備[2]

美國Los Alamos國家實驗室（LANL）定標設(shè)備如圖7所示。

圖7 LANL定標系統(tǒng)原理圖Fig. 7 The radiometric calibration system of LANL

該設(shè)備可以標定光欄孔徑小于φ406.4 mm（16 inch）的遙感探測器，定標精度在0.4～2.5 μm小于1%，在2.5～12 μm小于3%。其光學系統(tǒng)由離軸準直鏡和可以控制方向的掃描平面鏡組成，光源為2臺黑體、1臺積分球、1臺單色儀和1臺干涉儀。

3.2 法國 Institut d’Astrophysique Spatiale(IAS)定標設(shè)備[13]

法國 IAS用于紅外宇航相機發(fā)射前定標的試驗設(shè)備見圖8，該系統(tǒng)光學系統(tǒng)為1塊球面鏡和2塊平面鏡組成，光源為黑體輻射源，由它發(fā)出的光線經(jīng)過硒化鋅（ZnSe）窗口進入積分球，均勻后由出口進入光路，成像在探測器焦平面處。

圖8 法國IAS定標系統(tǒng)光學平臺Fig. 8 The radiometric calibration system in IAS, France

3.3 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所定標設(shè)備[14]

北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所研制的定標設(shè)備（見圖9）主鏡為拋物面反射鏡，有效通光孔徑為φ500 mm，焦距為4 000 mm，離軸角為10°。積分球和黑體設(shè)備放置在拋物鏡焦平面處，通過次反射鏡進行光路切換。黑體設(shè)備已經(jīng)在2.4節(jié)中進行了詳細介紹。

圖9 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所定標設(shè)備Fig. 9 The radiometric calibration system in Beijing Institute of Satellite Environment Engineering

4 結(jié)束語

1）通過對3種常用的黑體輻射腔腔形的比較發(fā)現(xiàn)：平口圓柱錐底腔在相同表面積、發(fā)射率的情況下，外形尺寸較大，發(fā)射率計算相對簡單；錐口圓柱內(nèi)錐腔和平口圓柱內(nèi)錐腔腔形緊湊，前者的腔體溫度均勻性較后者要好，但均溫情況下的發(fā)射率較低，且加工過程中的工藝復雜。

2）黑體發(fā)射率的簡單計算方法主要應用于設(shè)計初期的發(fā)射率估算，確定方案可行性。積分方程法則是一種比較復雜的建模方法，在進行腔形參數(shù)優(yōu)化時使用。

3）在熱管、恒溫浴以及液氮電加熱3種恒溫方式中，熱管方式的腔體溫度均勻性最好，但工藝復雜，工程難度大；恒溫浴方式的結(jié)構(gòu)簡單，可實現(xiàn)性強。兩者共同的不足之處在于受工質(zhì)限制，工作溫度范圍有限。液氮電加熱方式的工作溫度范圍寬，但由于系統(tǒng)由加熱、液氮等部分組成，在真空低溫下使用時進出容器管路多，系統(tǒng)比較復雜。

4）國內(nèi)研制生產(chǎn)黑體設(shè)備的科研院所與國外公司相比，生產(chǎn)的設(shè)備性能更好，但研制周期長，費用昂貴。

5）點源黑體作為標準輻射源來標定紅外探測器，應用前景廣泛。但隨著紅外探測器孔徑的不斷增大，要求點源黑體的光欄孔徑越來越大，腔體體積和重量不斷提高。因此簡單通過腔形的縮放已難以滿足設(shè)計要求，腔體的熱設(shè)計和支撐機構(gòu)已成為突出的設(shè)計難點，需要建立有限元模型對黑體發(fā)射腔的溫度分布進行分析，必要時可能需要更換內(nèi)錐腔的材料以減輕重量。

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