中溫區(qū)真空標準黑體輻射源研制

楊延龍， 郝小鵬， 宋 健， 劉 洋， 扈又華，謝臣瑜， 劉 延， 謝琳琳

(1.成都理工大學核技術(shù)與自動化工程學院，四川成都610059；2.中國計量科學研究院，北京100029)

1 引 言

紅外遙感載荷的輻射定標是實現(xiàn)遙感定量化的基礎(chǔ)。通常紅外遙感載荷的定標從4個方面展開：發(fā)射前的實驗室定標、星上定標、在軌交叉定標和地面輻射場定標。對沒有搭載任何機載校準裝置的紅外遙感載荷，只能通過發(fā)射前的實驗室定標和地面的輻射場定標評估其在軌輻射精度[1]；搭載機載校準裝置的紅外遙感載荷雖然可以實現(xiàn)在軌實時校準，但發(fā)射前的實驗室定標依然不可或缺[2]。實驗室定標的準確度將影響紅外遙感載荷在軌測量精度，而黑體輻射源作為實驗室定標的關(guān)鍵設(shè)備，其性能決定實驗室定標的精度。

為滿足紅外遙感載荷的定標需求，國外計量院在紅外遙感亮度溫度標準方面進行了一些研究。德國物理技術(shù)研究院(PTB)為真空低背景紅外亮度溫度標準裝置(RBCF)建立了溫度范圍在100～703 K，波長范圍在1～1 000 μm的紅外亮度溫度標準，其變溫標準黑體空腔開口直徑為20 mm，發(fā)射率優(yōu)于0.999 6，穩(wěn)定性優(yōu)于0.1 K[3，4]；美國標準技術(shù)研究院(NIST)為中溫背景紅外亮度溫度標準裝置(MBIR)和低溫背景亮度溫度標準裝置(LBIR)建立了溫度范圍在 180～350 K， 波長范圍在1～14 μm的紅外亮度溫度標準，其使用的變溫標準黑體口徑為104 mm，黑體空腔發(fā)射率優(yōu)于0.999，穩(wěn)定性優(yōu)于0.05 K[5～7]；俄羅斯全俄光學計量院(VNIIOFI)為中溫背景的亮度溫度溯源系統(tǒng)建立了溫度范圍在213～353 K，波長范圍在2.5～14 μm的紅外亮度溫度標準，其中變溫標準黑體口徑為30 mm，發(fā)射率0.999 9，1 h內(nèi)的穩(wěn)定性為0.002 K[8，9]。

中國計量科學研究院(NIM)為紅外遙感載荷的定標研制了真空低背景紅外遙感亮度溫度計量標準裝置(VRTSF)[10]，其使用的變溫標準黑體溫度范圍在190～340 K，黑體開口直徑為30 mm，發(fā)射率優(yōu)于0.999 9，使用過程中通過外部酒精循環(huán)的方式實現(xiàn)黑體溫度控制，合成標準不確定度為0.016 K[11～13]。為擴展黑體輻射源溫度范圍，研制了溫度范圍在125～500 K的變溫標準黑體，黑體內(nèi)徑為40 mm，口部裝有30 mm光闌，發(fā)射率優(yōu)于0.999，通過液氮制冷與3溫區(qū)PID加熱的方式實現(xiàn)黑體溫度控制，25 min內(nèi)的穩(wěn)定性優(yōu)于0.02 K，合成標準不確定度優(yōu)于0.026 K。2種標準黑體輻射源的研制成功實現(xiàn)了125～500 K溫度范圍內(nèi)紅外遙感亮度溫度的校準；然而，受黑體口徑控溫方式的限制，在一些特殊的應用環(huán)境中使用受限。因此本文設(shè)計了一種溫度范圍覆蓋320～500 K，口徑更大，控溫方式更方便，應用更廣泛的實驗室定標黑體輻射源。

本文主要介紹了該中溫區(qū)真空標準黑體輻射源的結(jié)構(gòu)設(shè)計、工作原理、性能指標、實驗結(jié)果,并對測量不確定度進行了分析。

2 設(shè)計方案和工作原理

設(shè)計的黑體輻射源的工作溫度范圍為320～500 K，不包括較低溫度范圍，因此在結(jié)構(gòu)上不同于同類型的黑體輻射源，其最大區(qū)別在于重新設(shè)計了黑體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，利用一種新的熱結(jié)構(gòu)實現(xiàn)黑體腔溫度控制，取代了以往設(shè)計的同類型黑體利用外部循環(huán)液進行溫度控制的方法。使用更加方便，黑體到達設(shè)定溫度的時間更短。

黑體輻射源的結(jié)構(gòu)組成有：保溫層1包裹在不銹鋼外殼2上起到隔熱保溫的作用。黑體腔3位于不銹鋼外殼2與法蘭組件13密封形成的真空室內(nèi)。黑體腔為圓柱-圓錐型，空腔深度為260 mm，內(nèi)徑50 mm，錐度角60°，由導熱性良好的紫銅加工而成，內(nèi)壁表面噴涂了高發(fā)射率的耐高溫涂層。研究表明在8～14 μm波長范圍內(nèi)，該涂層的法向發(fā)射率優(yōu)于0.9。黑體腔采用兩段式控溫，口部加熱絲4與底部加熱絲10分別纏繞在黑體腔口部和底部，考慮到加熱絲與黑體腔不是緊密貼合，在加熱絲纏繞好后用高溫導熱膠填充黑體腔與加熱絲間隙。高溫導熱膠一方面增加了加熱絲與黑體腔接觸面積，減小了熱阻有利于導熱；另一方面有利于固定加熱絲位置。不銹鋼外殼與黑體腔之間放置了一層散熱銅管9，黑體腔與銅管之間采用銅辮連接，銅管內(nèi)空氣自然流動可以為黑體腔降溫。黑體腔口部與底部分別設(shè)計了2個溫度計阱，1個用于控溫1個用于測溫。黑體腔口部安裝內(nèi)徑50 mm的光闌6，用于抑制雜光。2個電氣接頭與銅管出入的2個管口固定于真空外殼底部法蘭蓋組件上。

黑體輻射源結(jié)構(gòu)二維圖見圖1所示，黑體輻射源三維圖見圖2所示。黑體輻射源開口直徑為50 mm，空腔發(fā)射率優(yōu)于0.999，其它設(shè)計指標見表1所示。

圖1 黑體輻射源二維圖Fig.1 Two-dimensional diagram of black body radiation source1—保溫層；2—不銹鋼外殼；3—黑體腔；4—口部加熱絲；5—口部測溫溫度計陷阱；6—口部光闌；7—口部控溫溫度計陷阱；8—支撐螺釘；9—散熱銅管；10—底部加熱絲；11—底部控溫溫度計陷阱；12—底部測溫溫度計陷阱；13—法蘭組件

圖2 黑體輻射源結(jié)構(gòu)三維圖Fig.2 The structure display diagram of the black body radiation source

表1 中溫區(qū)真空標準黑體輻射源設(shè)計指標Tab.1 Design index of vacuum standard blackbody radiation source in middle temperature zone

3 仿真計算

3.1 黑體腔發(fā)射率仿真

通過對黑體腔進行發(fā)射率仿真可以分析黑體腔結(jié)構(gòu)對發(fā)射率的影響。利用發(fā)射率仿真軟件(STEEP3)[14]來模擬黑體空腔發(fā)射率。STEEP3是一款基于蒙特卡羅方法來模擬黑體空腔結(jié)構(gòu),從而計算在一定光譜波長范圍內(nèi)各個方向有效發(fā)射率的軟件。該軟件對多邊形沿中心軸旋轉(zhuǎn)而成的軸對稱空腔模擬具有很好的模擬效果，可以模擬理想狀態(tài)下黑體腔的有效發(fā)射率。根據(jù)所設(shè)計的黑體腔結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用STEEP3軟件計算黑體空腔在8～14 μm波長范圍內(nèi)的發(fā)射率。計算結(jié)果如圖3所示。圖3結(jié)果顯示對于該型黑體，黑體腔口徑50 mm，腔深260 mm，錐底角度60°，內(nèi)壁涂有耐高溫涂層時其模擬發(fā)射率達到了0.999以上。

圖3 黑體空腔法向有效發(fā)射率仿真計算結(jié)果Fig.3 The simulation results of the normal effective emissivity of the blackbody cavity

3.2 黑體腔熱仿真

通過有限元分析方法對黑體腔進行熱仿真可以更直觀地了解黑體腔溫度分布，為黑體腔溫控系統(tǒng)設(shè)計提供幫助。

模擬過程中已經(jīng)將溫度計孔等一些微小特征簡化，黑體腔處于真空環(huán)境中無對流換熱。黑體腔與散熱管同為紫銅，導熱系數(shù)設(shè)置為400 W/(m·K)，銅材質(zhì)表面發(fā)射率設(shè)置為0.6，不銹鋼外殼導熱系數(shù)設(shè)置為16 W/(m·K)，發(fā)射率設(shè)置為0.2，黑體腔初始溫度設(shè)置為293.15 K。黑體腔采用兩段式控溫，軟件中在黑體口部與底部分別添加了溫度隨時間變化的表面熱源來模擬兩段加熱，黑體腔與散熱管之間用銅辮連接用于黑體腔散熱，軟件中用表面熱通量來模擬散熱管的散熱效果。模擬過程中黑體內(nèi)壁發(fā)射率設(shè)為0.95來表示黑體腔內(nèi)壁噴涂了耐高溫的高發(fā)射率涂層。黑體腔通過中等大小的自由四面體劃分網(wǎng)格，在存在凹槽的地方使用較細化的自由四面體進行網(wǎng)格劃分。仿真計算了黑體在335,400,450,500 K時黑體腔軸向溫度分布，熱仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 黑體腔熱仿真結(jié)果Fig.4 The thermal simulation results of the black body cavity

仿真結(jié)果顯示:黑體在335 K時軸向溫差最小為0.08 K，黑體在500 K時軸向溫差最大為0.25 K;隨著黑體溫度升高軸向溫差逐漸增大，溫度越低軸向溫差越小。黑體在320～500 K溫度范圍內(nèi)軸向溫差最大為0.25 K。

4 性能測試

測試過程中在室溫大氣環(huán)境下測量了黑體空腔發(fā)射率。在真空度10-3～10-4Pa，環(huán)境溫度21～23 ℃條件下測試了黑體輻射源在335～500 K溫度范圍內(nèi)的軸向均勻性和控溫穩(wěn)定性。最后，通過真空低背景紅外亮度溫度計量標準裝置(VRTSF)測試了黑體的亮度溫度。

4.1 發(fā)射率測量

室溫大氣環(huán)境下用2種方法對黑體的空腔發(fā)射率進行了測量。第一種方法是利用中國計量科學院研制的一套基于控制環(huán)境溫度變化的發(fā)射率測量裝置進行測量[15，16]，該裝置通過控制2塊不同溫度的輻射板交替運動，實現(xiàn)對環(huán)境輻射的控制。在室溫大氣環(huán)境下利用輻射溫度計(TRT)測量波長在8～14 μm 內(nèi)的發(fā)射率。

測量原理是利用黑體輻射源的光譜輻射亮度L(T)由普朗克黑體輻射定律計算得到：

(1)

式中：c1=3.741 8×10-16W·m2；c2=1.438 8×10-2m·K；T為黑體的溫度；λ為空氣中的波長；n為空氣折射率。

當環(huán)境溫度與黑體溫度接近時，探測到黑體表面總輻射亮度包括黑體的輻射亮度和環(huán)境的輻射亮度；當黑體前加入1個熱板時環(huán)境溫度隨之改變，總輻射亮度包括黑體的輻射亮度和熱板加入時環(huán)境的輻射亮度。通過普朗克輻射定律可計算不同環(huán)境溫度下黑體的輻射亮度，從而計算黑體發(fā)射率?；诳刂骗h(huán)境輻射的黑體發(fā)射率測量裝置示意圖如圖5所示。

圖5 基于控制環(huán)境輻射的黑體發(fā)射率測量裝置示意圖Fig.5 Schematic diagram of blackbody emissivity measurement device based on controlling environmental radiation

第二種方法是通過能量比較法測量黑體腔的光譜發(fā)射率。實驗過程中使用一標準黑體作為參考，其口徑與待測黑體一致且發(fā)射率已知；將標準黑體與待測黑體設(shè)定至一指定溫度，等待其溫度穩(wěn)定后利用傅里葉光譜儀測量8～14 μm內(nèi)標準黑體的光譜信號I1，待測黑體的光譜信號I2；同時利用測溫儀采集標準黑體與待測黑體內(nèi)部溫度值，通過計算得到待測黑體的發(fā)射率。發(fā)射率ελ可表示為：

(2)

式中：Lλ(T)為黑體在溫度T時的輻射亮度；Iλ，bg為常溫狀態(tài)下環(huán)境輻射亮度；Iλ為熱板加入時的環(huán)境輻射亮度。通過能量比較法測量黑體發(fā)射率示意圖如圖6所示。

圖6 對比法測量黑體發(fā)射率示意圖Fig.6 Schematic diagram of measuring blackbody emissivity by contrast method

2種不同方法測量結(jié)果如圖7所示。其中TRT測試結(jié)果取10次測量的平均值作為最終值，圖中用直線表示。2種方法測量黑體空腔發(fā)射率結(jié)果表明：黑體空腔法向有效發(fā)射率大于0.999，與仿真結(jié)果具有良好一致。

圖7 發(fā)射率測量結(jié)果Fig.7 Emissivity measurement results

4.2 均勻性測量

通過溫控器將黑體溫度設(shè)定至目標溫度，待黑體溫度穩(wěn)定后，通過測溫儀采集黑體口部與底部測溫傳感器的數(shù)據(jù)，連續(xù)采集30 min以上，將兩只溫度傳感器測量數(shù)據(jù)平均值的最大差值作為黑體軸向溫度均勻性測試結(jié)果，見表2所示。

表2 均勻性測量結(jié)果Tab.2 Uniformity measurement results K

由測試結(jié)果可以看出，黑體輻射源在335 K時，黑體空腔的軸向溫差為0.056 K，溫度在400 K時黑體腔軸向溫差為0.082 K，500 K時黑體輻射源空腔的軸向溫差為0.157 K。測量結(jié)果表明：黑體溫度越高軸向溫差越大，溫度越低軸向溫差越小，與仿真結(jié)果一致；黑體在320～500 K范圍內(nèi)，黑體腔沿軸向的溫差優(yōu)于0.2 K。

4.3 穩(wěn)定性測量

通過溫控器將黑體控制在目標溫度點，待黑體溫度穩(wěn)定后，利用測溫儀采集安裝在黑體腔底部測溫溫度傳感器測量值。連續(xù)采集40 min，將40 min內(nèi)測量值的標準差作為黑體輻射源在該溫度下的穩(wěn)定性評估指標。黑體在各溫度點的穩(wěn)定性測試結(jié)果如圖8所示。

圖8 穩(wěn)定性測量結(jié)果Fig.8 Stability measurement results

由結(jié)果可以看出：黑體在各溫度點下，40 min內(nèi)的溫度變化不超過0.03 K；黑體在320～500 K溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定性優(yōu)于0.03 K。

4.4 黑體輻射源亮度溫度測量

黑體輻射源的亮度溫度測量是在中國計量科學研究院的VRTSF系統(tǒng)中完成的。實驗系統(tǒng)包括作為量值標準的125～500 K標準黑體輻射源、液氮黑體輻射源、真空模擬艙、光路切換艙、1595A高分辨測溫電橋和傅里葉變換光譜儀等。實驗過程中將標準黑體與待測黑體安裝在光路切換艙上，通過溫控器將標準黑體與待測黑體控制在同一溫度下，同時利用測溫儀記錄兩種黑體內(nèi)部溫度；利用光路切換艙內(nèi)的旋轉(zhuǎn)平面鏡切換測量光路，通過傅里葉變換光譜儀來測量標準黑體與待測黑體在同一目標溫度下的信號值；最后，根據(jù)待測黑體與標準黑體的輻射信號及接觸溫度計算待測黑體的輻射亮度溫度。測量系統(tǒng)圖如圖9所示。

圖9 亮度溫度測量系統(tǒng)圖Fig.9 Schematic diagram of brightness temperature measurement system

黑體控溫335，380，400，450 K時接觸溫度用黑體腔底部溫度計讀數(shù)表示，結(jié)果如表3所示。

黑體在335，380，400，450 K時分別用MCT和InSb 2種探測器進行測量，測量結(jié)果如圖10所示。測量結(jié)果顯示黑體溫度越高亮度溫度偏離接觸溫度越明顯。

表3 黑體接觸溫度Tab.3 Blackbody contact temperature K

圖10 黑體輻射源亮度溫度測量結(jié)果Fig.10 Measurement results of blackbody radiation sourcebrightness temperature

5 不確定度分析

黑體輻射源不確定度來源主要有：黑體自身溫度引入的不確定度u1、空腔發(fā)射率引入的不確定度u2、外界溫度引入的不確定度u3。

黑體輻射源自身溫度引入的不確定度包括測試傳感器校準引入的不確定度u11：溫度傳感器在273.15～523.15 K溫度范圍內(nèi)進行校準，其標準不確定度u11可查閱傳感器校準證書，已列入表3中；測試傳感器穩(wěn)定性引入的不確定度u12：鉑電阻溫度計穩(wěn)定性引入的不確定度為0.005 K；測溫儀表引入的不確定度u13：經(jīng)查詢該測溫儀測量不確定度為0.005 K；溫控穩(wěn)定性引入的不確定度u14：當黑體溫度穩(wěn)定后，使用測溫儀采集底部溫度傳感器數(shù)值，連續(xù)采集40 mins，穩(wěn)定性由采集數(shù)據(jù)的標準差表示。穩(wěn)定性結(jié)果如圖8所示；底部溫度均勻性引入的不確定度u15；該指標無直接測量結(jié)果，由于黑體腔采用紫銅加工完成，其導熱性能優(yōu)異，當黑體處于真空狀態(tài)下無對流換熱，腔底溫度均勻，引入的不確定度優(yōu)于0.010 K。黑體輻射源自身溫度引入的不確定度u1由式(3)計算，計算結(jié)果如表4所示。

(3)

表4 不同溫度點黑體輻射源的各不確定度分量及合成不確定度Tab.4 Uncertainty components and combined uncertainty of blackbody radiation sources at different temperature points K

有效發(fā)射率引入的不確定度為u2：根據(jù)黑體空腔有效發(fā)射率仿真與計算結(jié)果，黑體空腔有效發(fā)射率優(yōu)于0.999，將黑體空腔有效發(fā)射率引入的溫度修正量的絕對值除以包含因子(k=1.73)作為標準不確定度[17]，因此黑體空腔有效發(fā)射率引入的不確定度u2=0.005 K。

環(huán)境溫度引入的不確定度u3：環(huán)境溫度對亮度溫度的影響在0.001 K以內(nèi)，按照均勻分布計算，環(huán)境引入的不確定度u3=0.001。

通過對真空標準黑體輻射源的各不確定度分量分析，進一步計算了該黑體輻射源的合成標準不確定度uc，合成標準不確定度由公式(4)計算，計算結(jié)果如表5所示。

(4)

表5 不同溫度點不確定度分量及合成標準不確定度Tab.5 Uncertainty components at different temperature points and combined standard uncertainty K

6 結(jié) 論

中國計量科學研究院研制了中溫區(qū)真空標準黑體輻射源,黑體輻射源工作溫度范圍320～500 K。在室溫大氣環(huán)境下測試了標準黑體輻射源的發(fā)射率，在335～500 K溫度范圍內(nèi)測試了黑體輻射源軸向溫度均勻性、溫度穩(wěn)定性和亮度溫度。實驗結(jié)果表明標準黑體輻射源發(fā)射率優(yōu)于0.999，在335，400，500 K時溫度均勻性分別為0.05，0.08，0.15 K，40 min內(nèi)的溫度穩(wěn)定性分別為0.005，0.020，0.030 K。利用真空低背景紅外亮度溫度計量標準裝置(VRTSF)測量了亮度溫度，并對不確定度進行了分析，其合成標準不確定度優(yōu)于0.04 K。該黑體性能達到設(shè)計指標要求，能夠為紅外遙感載荷提供亮度溫度校準。通過對黑體結(jié)構(gòu)進行改進，探索出了一種新型的真空標準黑體設(shè)計方法。