大口径高发射率面型黑体辐射源的研制

扈又华，郝小鹏，司马瑞衡，谢臣瑜，宋 健，刘 洋，武 强，杨延龙

(1.成都理工大学 核技术与自动化工程学院，四川 成都 610059；2.中国计量科学研究院，北京 100029)

1 引 言

随着红外光电设备由军用领域逐渐被引入民用领域，红外光电测量技术得到了快速发展,同时对于红外测量系统要求也越来越高。为应对测量目标多样化的需求，测量系统逐渐向大视场、宽动态范围的趋势发展，这对相应的定标系统提出了更高的要求[1,2]。

黑体辐射源作为红外测量设备定标系统的主要组成部分，其性能的优劣直接影响定标的准确性[3～5]。目前，黑体辐射源研制技术已经十分成熟，面型黑体由于其本身结构的局限性，使其发射率相对于腔型黑体偏低，但其结构简单，辐射面积可以很大，因此在许多方面得到了应用[6,7]。国外大口径面型黑体的发射率普遍在0.99以上,均匀性优于0.15 K[8～10]，国内大口径面型黑体发射率普遍在0.95以上，均匀性优于0.4 K[11,12]。

本文根据项目要求，研制了辐射面积为400 mm×400 mm的面源黑体辐射源，主要服务于一种入射口径较大的红外测量系统，黑体内部嵌入8支标准铂电阻温度计，其中3支作为控温温度计，5支作为测温温度计。温控方式采用基于PID算法的温控器，以保证温度控制的快速响应。该黑体同时具备真空实验环境和大气实验环境的工作特点，使得该黑体的使用范围更广。

本文从黑体结构设计入手，利用分析软件计算得到黑体辐射源的表面发射率和辐射面温场均匀性，并实际测量了辐射体的相关性能，得到较好的温度均匀性和稳定性，可满足现行红外测量系统的使用需求。

2 黑体辐射源设计与仿真

2.1 黑体辐射源结构及温控系统的设计

为了保证设计的面源黑体能够满足大口径、高精度红外测量系统的辐射定标需求，面源黑体的设计指标见表1，其中要求黑体的辐射面源口径大于400 mm，控温范围在200～400 K之间，黑体发射率大于0.988，辐射面温度均匀性优于0.3 K。

表1 设计指标Tab.1 Design specifications

如图1所示，黑体组成主要包括黑体辐射体、铝桥、隔热层、外壳和支撑架构，各组成部件及材料列于表2。在黑体辐射体选材方面，主要有铜和铝2种，铜和铝均具有导热率高的优点，但是相比之下，铝具有密度小、材质轻、易于加工的优势，加工后可以极大减轻面源黑体的总重量，方便搬运于不同实验场合的应用。

图1 黑体结构三维图Fig.1 Blackbody structure

表2 黑体各部件材料Tab.2 Blackbody parts materials

铝桥为整体结构设计，中间开有圆形孔，减轻总重量。在装配过程中，加热片位于黑体与铝桥之间，其表面均匀涂抹导热脂，保证各组件之间良好的导热性。在真空实验环境下，铝桥将作为冷端，通过冷辫连接真空舱中的液氮冷屏(热沉系统)，以此保证真空环境下的使用要求。

黑体四周均包裹有聚四氟隔热层，减少黑体四周的热量损失，同时外层壳体材料选择不锈钢，其表面光滑呈镜面状，在一定程度上，可减小周围环境辐射的影响。

面源黑体的发射率是设计中的一项重要指标，为提高辐射面的表面发射率，将辐射面表面设计为四棱锥结构，如图2所示。沿着平行于辐射面方向看去，辐射面是由一系列V型槽组成的阵列结构，同时整个辐射面表面均匀喷涂了高发射率涂层，该涂层的发射率为0.96，可以有效提高面源黑体的发射率。

图2 辐射面结构示意图Fig.2 Radiating surface structure diagram

黑体温控系统如图3所示。主要由PID控制表、恒流电源、温度传感器、加热片、热沉系统等组成。控温模块选用了欧陆2704 PID温控器，它是一种模块化的可自由组态的高精度、高性能的温度及过程控制器，可实现多路控制模式，温度控制精度为10 mK，将其与恒流电源集成为温度控制箱，便于运输。

图3 温控系统示意图Fig.3 The temperature control system diagram

为保证真空环境下黑体辐射面表面温度的均匀性，由于辐射面面积较大，将黑体均匀分成3个控温区域，每个区域呈矩形条状分布，采用三路控温方式，每一路均可实现独立控温，从而实现温度的区域调节；在设定好的控温传感器孔位上放置相应的控温温度传感器，控温温度传感器将温度信号反馈给温控表，温控表通过调整输出控制信号，进而控制恒流电源为加热片提供的输出功率，实现黑体升温控制；热沉系统实现黑体降温控制，最终使黑体达到动态平衡状态。

采用高精度测温仪对黑体接触温度进行测量，其测量分辨率为1 mK；利用串行通信接口RS-232可实现与电脑的数据传输，完成数据采集。黑体、温度控制箱、高精度测温仪实物图见图4所示。

图4 黑体实物图Fig.4 Blackbody physical image

对加热片进行功率计算。为简化计算，忽略黑体表面四棱锥部分，将其作为1个平面处理；假设辐射传热速率等于单个锥尖的辐射传热速率，忽略边缘散热，作为绝缘层处理。黑体在真空环境下热量损失主要有两种方式，一是表面对外辐射散热，二是传热散热。由此可得到加热功率为：

(1)

式中：q为加热功率；qrad为辐射功率；qcond传热功率；ε为黑体各表面发射率；σ为斯特藩常量，值约为5.67×108W/(m2·K4)；T为黑体表面温度，K；Tam为环境温度，K；A为辐射面面积，m2；ΔT为传递介质两端的温度差值，K；δ为传导介质的传热系数，W/(m2·K)。通过式(1)计算得到加热片的总功率约为240 W。

2.2 发射率仿真计算

发射率计算常用方法有积分方程法和蒙特卡洛(Monte Carlo)方法，由于积分方程法计算推理过程复杂和受辐射面形状影响较大，现阶段很少应用；蒙特卡洛方法作为一种随机模拟方法，因其受辐射面形状影响较小而被广泛应用[13]。利用基于蒙特卡洛方法计算黑体有效发射率的仿真软件STEEP3对辐射面结构进行发射率仿真计算，经计算，在波长为8～14 μm条件下黑体有效发射率优于0.994。

2.3 热力学仿真

热力学仿真主要针对真空环境下的使用情况。利用有限元仿真软件对黑体辐射体进行热学仿真分析。以黑体辐射面为研究对象，开展了冷辫安装位置与数量对黑体辐射面温度均匀性影响的分析。仿真预设条件列于表3。假设各冷辫之间的距离是冷辫距离边缘距离约2倍的关系，可以获得较好的温度均匀性。

表3 仿真条件Tab.3 Simulation conditions

经计算，得到冷辫数量为4、9、16个时辐射面的温度，温度分布图见图5所示。温度均匀性结果列于表4，由表4可知：随着冷辫数量的增加，辐射面温度均匀性偏差由138 mK递减至27 mK，温度均匀性显著提升。为保证黑体性能满足设计指标，同时尽可能地减轻黑体总质量便于真空环境实验的进行，冷辫的数量不宜过多，因此冷辫数量选择9个。

图5 辐射面温度分布Fig.5 The temperature distribution on the radiation surface

表4 冷辫对辐射面温度均匀性的影响Tab.4 Effect of cold braids on temperature uniformity of the radiating surface

由于黑体实际结构中存在减重通孔，使获得的温度均匀性在冷辫之间距离与冷辫距边缘距离为2倍关系的情况下并非为最优解。故对冷辫安装位置进行了优化仿真，仿真结果显示，冷辫安装间距为150 mm，边缘间距为50 mm的情况下黑体辐射面的温度均匀性最好，其值为16 mK。

3 黑体实验结果与分析

3.1 面源黑体的发射率测量

为进一步验证面源黑体的发射率能否满足设计指标要求，需要通过实验进行测量。在黑体发射率的测量中，选用中国计量科学研究院建立的一套基于控制环境辐射的发射率测量装置[14]，其测量不确定度为0.29%(k=2)。

由基尔霍夫定律可知，在平衡状态下，物质的吸收率等于发射率，吸收的能量等于发射的能量，故辐射计在某一波段下探测到的辐射能量与黑体在该波段下总辐射能相等。假设在该波段下黑体发射率为常数，可得到公式(2)[14]：

(2)

(3)

式中：A，B，C为方程的定标系数；c2为第二辐射常数，其值为0.014 388 m·K；Iλ,bg为黑体反射环境辐射能;Bλ(Tbb)为黑体在温度为Tbb时的辐射能。公式(3)为使用Sakuma-Hattori方程计算的探测器输出。假设响应幅度为1，可将S(T)视为辐射温度计接收到的辐射亮度。T为辐射温度计温度值，单位为K。系数A，B可由探测器的中心波长与探测器波长响应宽度计算得到，系数C待定，可通过定标结果拟合得出。

经发射率测量后，得到10组黑体发射率测量结果,见图6所示，黑体实际发射率平均值约为0.992，能够满足设计要求。

图6 发射率测量结果Fig.6 Emissivity measurement results

3.2 黑体性能测试

黑体性能测试主要分为两部分，一是在大气实验环境条件下，测试黑体不同温度点的均匀性和稳定性；二是在真空实验环境条件下，测试黑体不同温度点的均匀性和稳定性。5支标准铂电阻测温温度计均匀嵌入黑体内，其位置分布如图7中红色点位标注。

图7 测温温度计安装点位置图Fig.7 Location of temperature measuring thermometer

对黑体稳定性测量，将黑体温度设置为目标温度，待温度趋于稳定，1 min记录1组数据，记录 10 min，得到10组数据。温度稳定性由该时间段内测温结果取极差最大值表示。对黑体温度均匀性的计算为各测温点温度相对于中点温度值差值。计算测量10组数据每组数据中各测温点相对于中点温度的差值，取最大差值作为该目标温度的温度均匀性。

大气实验环境下，分别测量了黑体温度在310，340，370，400 K时不同位置测温点的接触温度值。图8为中心测温温度计在不同温度点10 min测量结果。测得实验数据经处理得到黑体温度的均匀性和稳定性见表5所示。

表5 各测温点的温度均匀性和稳定性(大气实验环境)Tab.5 Temperature uniformity and stability at each temperaturemeasurement point (atmospheric experimental environment)

图8 大气实验环境下的实验结果Fig.8 Experimental results in atmospheric environment

利用中国计量科学研究院(NIM)研制的真空低背景红外高光谱亮度温度计量标准装置中真空舱系统[15]，为黑体提供10-4Pa的真空测试环境，并且真空舱可外接恒温槽或液氮系统，为测试提供低温背景。将黑体放置于真空舱内，利用冷辫将铝桥与真空舱内的液氮冷屏连接，如图9所示,分别测量黑体在198，250，290，340，400 K温度下，不同位置测温点的接触温度值，图10为中心测温温度计在不同温度点的测量结果。测得实验数据经处理后得到真空下黑体温度的均匀性和稳定性见表6所示。

图9 安装示意图Fig.9 Installation diagram

表6 各测温点的温度均匀性和稳定性(真空实验环境)Tab.6 Temperature uniformity and stability at each temperature measurement point (vacuum experimental environment)

图10 真空实验环境下的实验结果Fig.10 Experimental results in vacuum environment

由表5、表6可知，黑体处于真空环境工况下的性能优于大气环境工况下的性能。真空环境下，温度均匀性偏差最小为0.036 K，最大为0.101 K，温度稳定性平均为0.018 K/10 min；大气环境下，温度均匀性偏差最小为0.155 K，最大为0.276 K，温度稳定性平均为0.032 K/10 min。

通过黑体性能测试得到的黑体各项性能参数列于表7。测试结果表明：研制的大口径面源黑体满足设计指标要求，具备良好的性能参数。

表7 黑体性能参数测试结果Tab.7 Test rusults of blackbody performance parameters

4 结 论

设计研制了一种针对大口径红外测量系统定标工作的面型黑体辐射源。借助现有的仿真计算模型，在保证黑体性能的同时极大地缩短了设计时间。对黑体的各方面性能进行了实际测试，测试结果表明，黑体辐射面有效发射率为0.992，真空环境下，温度在400 K时均匀性偏差最大，为0.101 K，温度稳定性平均值为0.018 K/10 min；大气环境下，温度在370 K时均匀性偏差最大，为0.276 K，温度稳定性平均值为0.032 K/10 min。该面型黑体辐射源在满足红外测量系统定标工作的同时，也可扩大应用范围，作为红外探测设备的校准目标使用。