低溫輻射計(jì)熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析*

莊新港 劉紅博 張鵬舉 史學(xué)舜劉長(zhǎng)明 劉紅元 王恒飛

1) (中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所,青島 266555)

2) (國(guó)防科技工業(yè)光電子一級(jí)計(jì)量站,青島 266555)

(2018 年10 月21 日收到; 2019 年1 月7 日收到修改稿)

低溫輻射計(jì)利用低溫超導(dǎo)下的電替代測(cè)量原理,將光輻射計(jì)量溯源到可以精確測(cè)量的電參數(shù)測(cè)量,是目前國(guó)際上光功率測(cè)量的最高基準(zhǔn). 本文實(shí)驗(yàn)研究了低溫輻射計(jì)的熱路結(jié)構(gòu),系統(tǒng)分析了腔體組件與熱鏈材料的熱學(xué)特性對(duì)低溫輻射計(jì)響應(yīng)率和時(shí)間常數(shù)特性參數(shù)影響的機(jī)理. 在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了由黑體腔、熱鏈和支撐結(jié)構(gòu)組成的熱結(jié)構(gòu)機(jī)械件,搭建了低溫輻射計(jì)特性參數(shù)測(cè)試系統(tǒng),并針對(duì)OHFC 銅、6061 鋁、304 不銹鋼和聚酰亞胺四種不同熱鏈材料測(cè)試了低溫輻射計(jì)的時(shí)間常數(shù)和響應(yīng)率,時(shí)間常數(shù)跨度為23—506 s,響應(yīng)率跨度為 35.5—714.8 K/W. 結(jié)果表明,在腔體組件確定的情況下,通過(guò)調(diào)節(jié)熱鏈的材料和結(jié)構(gòu),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)低溫輻射計(jì)特性參數(shù)的調(diào)控. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)低溫輻射計(jì)特性參數(shù)指標(biāo)分配和指導(dǎo)下一代低溫輻射計(jì)的研制具有一定參考價(jià)值.

1 引 言

低溫輻射計(jì)是目前國(guó)際上測(cè)量光功率的最高基準(zhǔn),它利用低溫超導(dǎo)下的電替代測(cè)量原理,將光輻射計(jì)量溯源到可以精確測(cè)量的電參數(shù)測(cè)量,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光輻射功率的絕對(duì)測(cè)量,測(cè)量不確定度達(dá)到10–5量級(jí),并在“高分探測(cè)”、“探月工程”、“軍事對(duì)抗”等國(guó)防軍工領(lǐng)域發(fā)揮了重要基礎(chǔ)性作用[1?4].

自20 世紀(jì)80 年代初,英國(guó)國(guó)家物理研究所[5]和美國(guó)國(guó)家計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室(NIST)[6,7]等國(guó)際領(lǐng)先的計(jì)量機(jī)構(gòu)就已開(kāi)展了低溫輻射計(jì)的研制工作,并且朝著更低的光功率檢測(cè)下限和更寬的光譜范圍不斷發(fā)展. 例如,當(dāng)前NIST 研制出的第三代pW 低溫輻射計(jì),噪聲等效功率達(dá)到6.5 fW/Hz1/2[8];法國(guó)天體物理與空間研究所于2009 年研制出一種可探測(cè)動(dòng)態(tài)范圍在150—11000 eV 的遠(yuǎn)紫外到X 射線波段低溫電替代的高精度輻射計(jì)[9]; 加拿大國(guó)家研究院于2018 年初報(bào)道了一種基于激光驅(qū)動(dòng)光源的光譜型低溫輻射計(jì),可同時(shí)實(shí)現(xiàn)300—1000 nm范圍內(nèi)任意波長(zhǎng)點(diǎn)下光輻射功率的絕對(duì)校準(zhǔn),測(cè)量不確定度達(dá)0.011%[10]. 在國(guó)內(nèi),中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所開(kāi)展了空間太陽(yáng)光譜輻照度絕對(duì)輻射計(jì)的研究工作[11,12],中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研制出了軟X 射線低溫輻射計(jì)[13]. 另外,中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院[14,15]、中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所[16,17]和中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所(中國(guó)電科41 所)[18,19]等少數(shù)研究機(jī)構(gòu)從國(guó)外引進(jìn)了不同型號(hào)的光學(xué)計(jì)量用低溫輻射計(jì)開(kāi)展紫外到長(zhǎng)波紅外波段絕對(duì)光譜響應(yīng)率校準(zhǔn)技術(shù)研究. 該類光學(xué)計(jì)量用低溫輻射計(jì)至今尚無(wú)國(guó)產(chǎn)替代產(chǎn)品,且探測(cè)功率在nW 及以下低溫輻射計(jì)西方國(guó)家對(duì)我國(guó)禁運(yùn). 中國(guó)電科41 所于“十三五”期間在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展了光學(xué)計(jì)量用低溫輻射計(jì)研制工作.

低溫輻射計(jì)最核心的部分當(dāng)屬其內(nèi)部熱結(jié)構(gòu),它利用超低溫環(huán)境下電加熱等效替代光加熱的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)光功率的精確測(cè)量. 本文首先介紹了低溫輻射計(jì)的熱路結(jié)構(gòu),并從導(dǎo)熱微分方程出發(fā)分析了腔體組件與熱鏈材料的熱學(xué)特性對(duì)低溫輻射計(jì)響應(yīng)率和時(shí)間常數(shù)特性參數(shù)影響的內(nèi)在機(jī)理. 在此基礎(chǔ)上,完成了低溫輻射計(jì)熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),測(cè)試并分析了四種不同熱鏈材料所對(duì)應(yīng)的時(shí)間常數(shù)和響應(yīng)率參數(shù),同時(shí)分析了其他影響低溫輻射計(jì)特性參數(shù)的因素.

2 低溫輻射計(jì)熱結(jié)構(gòu)模型

2.1 低溫輻射計(jì)熱路結(jié)構(gòu)

作為一種熱探測(cè)器,低溫輻射計(jì)同樣包含能量吸收體(黑體腔)、測(cè)量光電加熱后溫度變化的溫度傳感器、提供恒定低溫環(huán)境的熱沉,以及吸收體與熱沉之間的弱熱連接(熱鏈),由于低溫輻射計(jì)采用光電加熱等效替代測(cè)量原理,所以它在熱探測(cè)器的基礎(chǔ)上增加了電加熱器,圖1 所示為低溫輻射計(jì)的熱路示意圖. 這里將黑體腔、加熱器和溫度傳感器統(tǒng)稱為腔體組件,腔體組件、熱鏈與支撐熱沉共同構(gòu)成低溫輻射計(jì)熱結(jié)構(gòu). 熱結(jié)構(gòu)決定了低溫輻射計(jì)的響應(yīng)率、時(shí)間常數(shù)等重要參數(shù),熱鏈又是連接黑體腔與熱沉并進(jìn)行熱傳遞的唯一紐帶,是低溫輻射計(jì)光電加熱等效替代的中樞.

圖1 低溫輻射計(jì)熱路示意圖Fig. 1. Schematic diagram of thermal circuit of cryogenic radiometer.

2.2 熱結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱模型

在直角坐標(biāo)系下,熱源為Φ、空間分布均勻的物體內(nèi)部各點(diǎn)溫度T與時(shí)間t的內(nèi)在聯(lián)系可由導(dǎo)熱微分方程表示為(1)式,它揭示了連續(xù)物體內(nèi)的溫度分布與空間坐標(biāo)和時(shí)間的內(nèi)在聯(lián)系.

其中t為時(shí)間;ρ為物體密度;c為比熱容;Φ為單位時(shí)間、單位體積中熱源生成的熱量(單位為W/m3);a為熱擴(kuò)散系數(shù) (a=λ/ρc) ,用于表征物體內(nèi)部溫度的扯平能力,λ為材料的導(dǎo)熱系數(shù).

為簡(jiǎn)化模型計(jì)算復(fù)雜度,考慮到黑體腔材料的導(dǎo)熱系數(shù)極大,黑體腔內(nèi)部熱阻與熱鏈熱阻相比可以忽略,黑體腔中溫差不大,溫度梯度變化主要體現(xiàn)在熱鏈中,采用集總參數(shù)法可以得到溫度響應(yīng)T的解[20]. 圖2 所示為零維問(wèn)題傳熱模型,表示零維物體(密度、比熱、體積和溫度分別為ρ,c,v,t0)置于恒溫T0的環(huán)境中,物體與環(huán)境之間總熱導(dǎo)率為K. 此時(shí),可近似認(rèn)為導(dǎo)熱過(guò)程中物體內(nèi)的溫度分布與坐標(biāo)無(wú)關(guān),僅隨時(shí)間變化,因此(1)式可簡(jiǎn)化為

零維問(wèn)題無(wú)幾何邊界,而在實(shí)際模型界面上交換的熱量應(yīng)折算成整個(gè)物體的體積熱源,對(duì)于低溫輻射計(jì)熱傳遞模型,Φ由兩部分構(gòu)成: 入射光輻射功率Φ1V,以及物體與環(huán)境之間熱傳遞所消耗的功率Φ2V,其中V為物體的體積. 且有Φ1V=P0,Φ2V=K(T ?T0),P0為入射光功率,K為總熱導(dǎo)率,T為物體溫度,T0為環(huán)境溫度,所以有

圖2 零維問(wèn)題傳熱模型Fig. 2. Heat-transfer model of zero dimensional problem.

考慮到Φ2為散熱過(guò)程,所以Φ=Φ1? Φ2,即

將(4)式代入(2)式可以得到

其中C=ρcV為總熱容,ΔT=T(t)?T0,代入初始條件:t=0,ΔT(0)=0 ,可以得到

式中τ=C/K. 至此,得到零維物體的時(shí)間常數(shù)公式和響應(yīng)度公式為

τ為時(shí)間常數(shù),即溫度升高到最大恒定值的(1–1/e)所需要的時(shí)間,表征響應(yīng)速度; ΔTmax為t趨向于無(wú)窮大,物體達(dá)到熱平衡時(shí)的最大溫升,表征響應(yīng)度.為了更好地表征低溫輻射計(jì)加熱功率響應(yīng)靈敏度特性,引入響應(yīng)率R來(lái)表征低溫輻射計(jì)對(duì)單位加熱功率的溫度響應(yīng)特性,則R=ΔTmax/P0,單位為K/W. 可以看到,時(shí)間常數(shù)和響應(yīng)率兩個(gè)參數(shù)是相互制約的,在低溫輻射計(jì)熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中要根據(jù)實(shí)際情況在兩者之間進(jìn)行權(quán)衡,此外還要考慮支撐結(jié)構(gòu)對(duì)整個(gè)熱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的機(jī)械支撐性和良好的熱屏蔽作用.

僅僅依靠上述公式進(jìn)行低溫輻射計(jì)特征參數(shù)設(shè)計(jì)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,但上述公式能夠反映各物理量與低溫輻射計(jì)特性參數(shù)的定性關(guān)系. 在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中往往需要通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到各物理量與響應(yīng)率和時(shí)間常數(shù)的定量化約束關(guān)系,進(jìn)而根據(jù)上述特性參數(shù)公式對(duì)熱結(jié)構(gòu)各部件進(jìn)行調(diào)整,以得到符合預(yù)期指標(biāo)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu).

3 熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 黑體腔設(shè)計(jì)

黑體腔是整個(gè)低溫輻射計(jì)的核心部件之一,作為能量吸收體,黑體腔的設(shè)計(jì)要滿足如下3 個(gè)條件. 1)高光譜吸收率. 黑體腔吸收率越高,低溫輻射計(jì)的光電加熱不等效性越小,另外高吸收率可以避免過(guò)多雜散光溢出吸收腔產(chǎn)生額外光加熱,進(jìn)而減少對(duì)低溫輻射計(jì)測(cè)量不確定度的影響. 2)高熱導(dǎo)率. 在腔體結(jié)構(gòu)確定的情況下,腔體材料的熱導(dǎo)率越大,腔體自身熱阻越小,有利于黑體腔自身快速達(dá)到熱平衡,減小腔體自身溫度分布梯度差異.3)低熱容. 腔體熱容與其材質(zhì)和質(zhì)量有關(guān),由(7)式可知熱容越小,時(shí)間常數(shù)越小,完成一次光電等效替代加熱的時(shí)間越短.

本文采用底面傾角為30°的斜底黑體腔結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)已被證明具有較高的吸收率[21]. 腔體采用OFHC 銅材質(zhì),為了便于腔體和熱鏈之間的配合,黑體腔采用外反沿設(shè)計(jì),如圖3(a)所示. 腔體長(zhǎng)75 mm,外徑10 mm,腔體壁厚0.1 mm. 腔體內(nèi)壁涂有高光譜吸收率低漫反射系數(shù)的吸收黑材料,黑體腔整體質(zhì)量約2 g,在633 nm 處的吸收率達(dá)0.999995.

圖3 熱結(jié)構(gòu)仿真和實(shí)物圖 (a)黑體腔; (b)熱鏈; (c)熱結(jié)構(gòu)Fig. 3. Picture of thermal structure: (a) Blackbody cavity; (b) heat link; (c) heat sink.

3.2 熱鏈設(shè)計(jì)

熱鏈?zhǔn)呛隗w腔和低溫?zé)岢林g的熱傳遞紐帶,它直接決定了低溫輻射計(jì)的響應(yīng)率和時(shí)間常數(shù)等指標(biāo)[22]. 在熱鏈的設(shè)計(jì)過(guò)程中,對(duì)材質(zhì)和形狀并無(wú)統(tǒng)一要求,對(duì)于不同的低溫輻射計(jì)設(shè)計(jì)方案,除了要根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)平衡響應(yīng)率和時(shí)間常數(shù)外,還要保證其具有足夠的機(jī)械支撐應(yīng)力和良好的熱接觸[23],從而減小因機(jī)械制冷機(jī)振動(dòng)帶來(lái)的影響. 現(xiàn)有研究一般采用6061 鋁、SS304 不銹鋼和聚酰亞胺等低導(dǎo)熱系數(shù)材料作為熱鏈材料,并使用低溫膠或無(wú)縫焊接等工藝進(jìn)行熱鏈與黑體腔之間的連接. 但使用低溫膠容易造成接觸熱阻過(guò)大、支撐應(yīng)力不足的問(wèn)題,無(wú)縫焊接又使得各零部件之間不可拆卸,不利于后期維護(hù)和部件更換.

本文設(shè)計(jì)了一種墊片式同心圓環(huán)熱鏈結(jié)構(gòu),圓環(huán)內(nèi)徑由黑體腔外徑?jīng)Q定,R1=5 mm,外徑由二級(jí)冷屏內(nèi)部空間決定,取R2=14 mm,通過(guò)改變熱鏈片的厚度L和材質(zhì),便可以調(diào)節(jié)其熱阻. 為了便于熱結(jié)構(gòu)裝配和減小接觸熱阻,在原導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步設(shè)計(jì)了黑體腔安裝座、6 個(gè)螺釘過(guò)孔和兩側(cè)邊緣處凸出的圓環(huán),見(jiàn)圖3(b). 黑體腔安裝座用于和黑體腔配合,配合處使用低溫導(dǎo)熱膠進(jìn)行黏合; 6 個(gè)螺釘過(guò)孔用于裝配過(guò)程中防止熱量經(jīng)螺釘直接傳遞到外部熱沉; 兩側(cè)邊緣處的圓環(huán)可避免裝配后導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)兩側(cè)面直接與熱沉接觸,使熱量未充分傳輸經(jīng)過(guò)整個(gè)導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)便傳遞到熱沉. 研究過(guò)程中設(shè)計(jì)了四種不同材質(zhì)(OFHC 銅、6061 鋁、SS304 不銹鋼和聚酰亞胺)的熱鏈,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析不同熱鏈對(duì)低溫輻射計(jì)特性參數(shù)的影響.

3.3 支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

支撐結(jié)構(gòu)由黑體腔屏蔽罩、強(qiáng)熱鏈接、底座及其他夾持部件構(gòu)成. 支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)目的主要有以下幾點(diǎn): 一是在二級(jí)冷屏內(nèi)進(jìn)一步對(duì)黑體腔起到熱屏蔽作用,減小加熱過(guò)程中微弱的輻射和對(duì)流等因素對(duì)黑體腔溫度穩(wěn)定性的影響; 二是作為腔體組件的安裝結(jié)構(gòu),要便于實(shí)現(xiàn)黑體腔與外部待標(biāo)定光束的同軸調(diào)節(jié); 三是作為加持安裝部件,要便于外圍孔徑光闌、四象限探測(cè)器等光學(xué)元件的安裝和調(diào)節(jié).

支撐結(jié)構(gòu)在熱力學(xué)上可以視為熱沉,本文采用高導(dǎo)熱系數(shù)的OFHC 銅材質(zhì)(RRR > 150)進(jìn)行支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),來(lái)提高其控溫溫度穩(wěn)定性[24]. 在進(jìn)行熱結(jié)構(gòu)的裝配過(guò)程中,首先將溫度傳感器和加熱器用低溫導(dǎo)熱膠安裝在黑體腔底部,傳感器采用美國(guó)Lake shore 公司生產(chǎn)的SD 封裝硅探測(cè)器,靈敏度為4 mK,加熱器采用阻值為 1 000 ? 的貼片電阻,加熱器和傳感器均通過(guò)超導(dǎo)線與外部連接; 然后依次完成腔體結(jié)構(gòu)與熱鏈、熱鏈與支撐結(jié)構(gòu)的裝配,所有機(jī)械配合處皆墊有銦片并涂抹低溫導(dǎo)熱硅脂來(lái)減小配合熱阻; 最后裝配光闌等光學(xué)元件,裝配完成后的熱結(jié)構(gòu)實(shí)物如圖3(c)所示,通過(guò)調(diào)節(jié)支撐結(jié)構(gòu)和底座之間的螺絲可實(shí)現(xiàn)對(duì)黑體腔高度和水平的調(diào)節(jié),以保證與外部通光孔和布儒斯特窗同軸.

4 測(cè)試與分析

4.1 測(cè)試裝置

低溫輻射計(jì)的熱量流入近似認(rèn)為只有入射光輻射這單一來(lái)源,且功率恒定,熱量流入值等于流出至熱沉的熱量,最終達(dá)到熱平衡[25]. 熱結(jié)構(gòu)置于低振動(dòng)高溫度穩(wěn)定性低溫系統(tǒng)中,低溫系統(tǒng)采用兩級(jí)KDE415 (1.5 W@4.2 K) GM 制冷機(jī)進(jìn)行制冷.制冷機(jī)的一級(jí)冷頭與一級(jí)冷屏連接,中部設(shè)置有柔性導(dǎo)冷結(jié)構(gòu),隔離制冷機(jī)振動(dòng); 二級(jí)冷頭與二級(jí)冷屏以及熱結(jié)構(gòu)等連接,提供樣品降溫以及溫度保持所需冷量,同樣采用柔性導(dǎo)冷結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接,隔離制冷機(jī)振動(dòng). 低溫系統(tǒng)整體處于真空狀態(tài),真空度為10–5Pa. 溫度穩(wěn)定性方面除上述被動(dòng)控制方式外,還采用lakeshore 336 高精度溫控儀對(duì)內(nèi)部熱沉進(jìn)行主動(dòng)控溫,最低控溫溫度可維持在10 K 左右,溫度穩(wěn)定性優(yōu)于0.2 mK/30 min; 溫度均勻性主要和系統(tǒng)漏熱、傳熱距離、傳熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān),設(shè)計(jì)過(guò)程中除了對(duì)高導(dǎo)無(wú)氧銅的各級(jí)冷屏和熱沉進(jìn)行表面拋光鍍金處理外,還要合理分布控溫和制冷點(diǎn),本低溫系統(tǒng)內(nèi)部熱沉的溫度均勻性優(yōu)于0.1 mK. 圖4 所示為裝配后的低溫輻射計(jì)實(shí)物圖和特性參數(shù)測(cè)試原理圖.

4.2 測(cè)試結(jié)果與分析

本次實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菧y(cè)試不同熱鏈對(duì)低溫輻射計(jì)響應(yīng)率和時(shí)間常數(shù)特性參數(shù)的影響,因此只進(jìn)行電加熱. 待低溫系統(tǒng)內(nèi)部熱結(jié)構(gòu)溫度穩(wěn)定后,首先利用標(biāo)準(zhǔn)電流源給貼片電阻提供加熱電流,通過(guò)調(diào)節(jié)加熱電流使加熱電阻片獲得1 mW 的恒定電加熱功率輸出; 電加熱后實(shí)時(shí)記錄低溫系統(tǒng)內(nèi)部各溫度傳感器的溫度變化,用于后續(xù)計(jì)算低溫輻射計(jì)的響應(yīng)率和時(shí)間常數(shù). 各溫度傳感器利用lakeshore 372 交流電阻橋進(jìn)行控制和溫度讀取,全部加熱和溫度傳感數(shù)據(jù)均經(jīng)GPIB 總線傳輸至工控機(jī)上的LabVIEW 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、換算和分析.

圖4 低溫輻射計(jì)實(shí)物與特性參數(shù)測(cè)試原理圖Fig. 4. Picture of cryogenic radiometer and schematic for characteristic parameters test.

圖5 不同熱鏈對(duì)應(yīng)的低溫輻射計(jì)響應(yīng)曲線 (a) OFHC 銅; (b) 6061 鋁; (c) SS304 不銹鋼; (d)聚酰亞胺Fig. 5. Response curve of cryogenic radiometer with different heat links: (a) OFHC copper; (b) 6061 Al; (c) SS304; (d) polymide.

圖5 所示為1 mW 電加熱條件下四種不同材料的熱鏈對(duì)應(yīng)的低溫輻射計(jì)響應(yīng)曲線,熱鏈材料以及對(duì)應(yīng)低溫輻射計(jì)的黑體腔溫度變化情況、時(shí)間常數(shù)、響應(yīng)率等參數(shù)同時(shí)整理在表1 中. 可以看出,隨著熱鏈材料導(dǎo)熱系數(shù)的不斷變化,低溫輻射計(jì)的響應(yīng)率和時(shí)間常數(shù)兩個(gè)參數(shù)發(fā)生了顯著變化,變化趨勢(shì)與(7)式一致,響應(yīng)率與時(shí)間常數(shù)成正比,說(shuō)明在其他條件不變的情況下要想提高低溫輻射計(jì)的響應(yīng)率,只能犧牲時(shí)間常數(shù). 本組實(shí)驗(yàn)中,四種不同材料的熱鏈對(duì)應(yīng)的低溫輻射計(jì)時(shí)間常數(shù)跨度為23—506 s,響應(yīng)率跨度為35.5—714.8 K/W. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果為后期低溫輻射計(jì)定型提供了很好的數(shù)據(jù)參考,一方面可依據(jù)待測(cè)光功率大小確定低溫輻射計(jì)響應(yīng)率,進(jìn)一步選擇并設(shè)計(jì)合適材料的熱鏈,在滿足測(cè)試指標(biāo)的同時(shí)最大限度地縮短測(cè)試時(shí)間; 另一方面可以設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)不同梯度響應(yīng)度的可替換熱鏈,拓展低溫輻射計(jì)的動(dòng)態(tài)范圍.

同時(shí)需要注意的是,低溫輻射計(jì)特性參數(shù)除了與熱鏈材料有關(guān)外,還受熱鏈結(jié)構(gòu)、黑體腔自身熱阻、涂黑材料、導(dǎo)線漏熱、輻射漏熱及各元件之間的接觸熱阻影響. 此外,采用不同的熱鏈可能會(huì)導(dǎo)致整體熱結(jié)構(gòu)的工作溫度存在差異,使得各低溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)和熱容發(fā)生變化,進(jìn)而也會(huì)導(dǎo)致低溫輻射計(jì)特性參數(shù)的變化. 這些影響因素是不容忽視的,其影響力有時(shí)甚至?xí)^(guò)熱鏈自身.

表1 不同熱鏈對(duì)應(yīng)的低溫輻射計(jì)特性參數(shù)Table 1. Characteristic parameters of cryogenic radiometer corresponding to different heat links.

5 結(jié) 論

絕對(duì)低溫輻射計(jì)作為光輻射功率計(jì)量基準(zhǔn),結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)難度大,涉及到低溫超導(dǎo)、真空、傳熱學(xué)與光學(xué)等多個(gè)學(xué)科. 本文從低溫輻射計(jì)核心熱結(jié)構(gòu)的理論模型出發(fā),分析并構(gòu)建出其內(nèi)部熱路結(jié)構(gòu)和傳熱模型,在此基礎(chǔ)上成功設(shè)計(jì)加工出基于四種不同熱鏈材料的完整熱結(jié)構(gòu)樣件,完成低溫輻射計(jì)整機(jī)測(cè)試系統(tǒng)搭建,系統(tǒng)分析了不同熱鏈材料對(duì)低溫輻射計(jì)響應(yīng)率和時(shí)間常數(shù)的影響,其中時(shí)間常數(shù)跨度為23—506 s,響應(yīng)率跨度為35.5—714.8 K/W.研究結(jié)果在指導(dǎo)低溫輻射計(jì)指標(biāo)分配和研制下一代絕對(duì)低溫輻射計(jì)方面具有重要參考價(jià)值. 響應(yīng)率和時(shí)間常數(shù)是一對(duì)相互制約的參量,溫度穩(wěn)定性又是低溫輻射計(jì)熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中的重要指標(biāo),在提高響應(yīng)率的同時(shí)勢(shì)必會(huì)增加測(cè)量時(shí)間,這不僅會(huì)造成過(guò)多的資源和時(shí)間消耗,過(guò)長(zhǎng)的測(cè)試時(shí)間還會(huì)影響溫度控制穩(wěn)定性,限制了測(cè)量精度.