中温区真空标准黑体辐射源研制

杨延龙， 郝小鹏， 宋 健， 刘 洋， 扈又华，谢臣瑜， 刘 延， 谢琳琳

(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

红外遥感载荷的辐射定标是实现遥感定量化的基础。通常红外遥感载荷的定标从4个方面展开：发射前的实验室定标、星上定标、在轨交叉定标和地面辐射场定标。对没有搭载任何机载校准装置的红外遥感载荷，只能通过发射前的实验室定标和地面的辐射场定标评估其在轨辐射精度[1]；搭载机载校准装置的红外遥感载荷虽然可以实现在轨实时校准，但发射前的实验室定标依然不可或缺[2]。实验室定标的准确度将影响红外遥感载荷在轨测量精度，而黑体辐射源作为实验室定标的关键设备，其性能决定实验室定标的精度。

为满足红外遥感载荷的定标需求，国外计量院在红外遥感亮度温度标准方面进行了一些研究。德国物理技术研究院(PTB)为真空低背景红外亮度温度标准装置(RBCF)建立了温度范围在100～703 K，波长范围在1～1 000 μm的红外亮度温度标准，其变温标准黑体空腔开口直径为20 mm，发射率优于0.999 6，稳定性优于0.1 K[3，4]；美国标准技术研究院(NIST)为中温背景红外亮度温度标准装置(MBIR)和低温背景亮度温度标准装置(LBIR)建立了温度范围在 180～350 K， 波长范围在1～14 μm的红外亮度温度标准，其使用的变温标准黑体口径为104 mm，黑体空腔发射率优于0.999，稳定性优于0.05 K[5～7]；俄罗斯全俄光学计量院(VNIIOFI)为中温背景的亮度温度溯源系统建立了温度范围在213～353 K，波长范围在2.5～14 μm的红外亮度温度标准，其中变温标准黑体口径为30 mm，发射率0.999 9，1 h内的稳定性为0.002 K[8，9]。

中国计量科学研究院(NIM)为红外遥感载荷的定标研制了真空低背景红外遥感亮度温度计量标准装置(VRTSF)[10]，其使用的变温标准黑体温度范围在190～340 K，黑体开口直径为30 mm，发射率优于0.999 9，使用过程中通过外部酒精循环的方式实现黑体温度控制，合成标准不确定度为0.016 K[11～13]。为扩展黑体辐射源温度范围，研制了温度范围在125～500 K的变温标准黑体，黑体内径为40 mm，口部装有30 mm光阑，发射率优于0.999，通过液氮制冷与3温区PID加热的方式实现黑体温度控制，25 min内的稳定性优于0.02 K，合成标准不确定度优于0.026 K。2种标准黑体辐射源的研制成功实现了125～500 K温度范围内红外遥感亮度温度的校准；然而，受黑体口径控温方式的限制，在一些特殊的应用环境中使用受限。因此本文设计了一种温度范围覆盖320～500 K，口径更大，控温方式更方便，应用更广泛的实验室定标黑体辐射源。

本文主要介绍了该中温区真空标准黑体辐射源的结构设计、工作原理、性能指标、实验结果,并对测量不确定度进行了分析。

2 设计方案和工作原理

设计的黑体辐射源的工作温度范围为320～500 K，不包括较低温度范围，因此在结构上不同于同类型的黑体辐射源，其最大区别在于重新设计了黑体内部结构，利用一种新的热结构实现黑体腔温度控制，取代了以往设计的同类型黑体利用外部循环液进行温度控制的方法。使用更加方便，黑体到达设定温度的时间更短。

黑体辐射源的结构组成有：保温层1包裹在不锈钢外壳2上起到隔热保温的作用。黑体腔3位于不锈钢外壳2与法兰组件13密封形成的真空室内。黑体腔为圆柱-圆锥型，空腔深度为260 mm，内径50 mm，锥度角60°，由导热性良好的紫铜加工而成，内壁表面喷涂了高发射率的耐高温涂层。研究表明在8～14 μm波长范围内，该涂层的法向发射率优于0.9。黑体腔采用两段式控温，口部加热丝4与底部加热丝10分别缠绕在黑体腔口部和底部，考虑到加热丝与黑体腔不是紧密贴合，在加热丝缠绕好后用高温导热胶填充黑体腔与加热丝间隙。高温导热胶一方面增加了加热丝与黑体腔接触面积，减小了热阻有利于导热；另一方面有利于固定加热丝位置。不锈钢外壳与黑体腔之间放置了一层散热铜管9，黑体腔与铜管之间采用铜辫连接，铜管内空气自然流动可以为黑体腔降温。黑体腔口部与底部分别设计了2个温度计阱，1个用于控温1个用于测温。黑体腔口部安装内径50 mm的光阑6，用于抑制杂光。2个电气接头与铜管出入的2个管口固定于真空外壳底部法兰盖组件上。

黑体辐射源结构二维图见图1所示，黑体辐射源三维图见图2所示。黑体辐射源开口直径为50 mm，空腔发射率优于0.999，其它设计指标见表1所示。

图1 黑体辐射源二维图Fig.1 Two-dimensional diagram of black body radiation source1—保温层；2—不锈钢外壳；3—黑体腔；4—口部加热丝；5—口部测温温度计陷阱；6—口部光阑；7—口部控温温度计陷阱；8—支撑螺钉；9—散热铜管；10—底部加热丝；11—底部控温温度计陷阱；12—底部测温温度计陷阱；13—法兰组件

图2 黑体辐射源结构三维图Fig.2 The structure display diagram of the black body radiation source

表1 中温区真空标准黑体辐射源设计指标Tab.1 Design index of vacuum standard blackbody radiation source in middle temperature zone

3 仿真计算

3.1 黑体腔发射率仿真

通过对黑体腔进行发射率仿真可以分析黑体腔结构对发射率的影响。利用发射率仿真软件(STEEP3)[14]来模拟黑体空腔发射率。STEEP3是一款基于蒙特卡罗方法来模拟黑体空腔结构,从而计算在一定光谱波长范围内各个方向有效发射率的软件。该软件对多边形沿中心轴旋转而成的轴对称空腔模拟具有很好的模拟效果，可以模拟理想状态下黑体腔的有效发射率。根据所设计的黑体腔结构参数，利用STEEP3软件计算黑体空腔在8～14 μm波长范围内的发射率。计算结果如图3所示。图3结果显示对于该型黑体，黑体腔口径50 mm，腔深260 mm，锥底角度60°，内壁涂有耐高温涂层时其模拟发射率达到了0.999以上。

图3 黑体空腔法向有效发射率仿真计算结果Fig.3 The simulation results of the normal effective emissivity of the blackbody cavity

3.2 黑体腔热仿真

通过有限元分析方法对黑体腔进行热仿真可以更直观地了解黑体腔温度分布，为黑体腔温控系统设计提供帮助。

模拟过程中已经将温度计孔等一些微小特征简化，黑体腔处于真空环境中无对流换热。黑体腔与散热管同为紫铜，导热系数设置为400 W/(m·K)，铜材质表面发射率设置为0.6，不锈钢外壳导热系数设置为16 W/(m·K)，发射率设置为0.2，黑体腔初始温度设置为293.15 K。黑体腔采用两段式控温，软件中在黑体口部与底部分别添加了温度随时间变化的表面热源来模拟两段加热，黑体腔与散热管之间用铜辫连接用于黑体腔散热，软件中用表面热通量来模拟散热管的散热效果。模拟过程中黑体内壁发射率设为0.95来表示黑体腔内壁喷涂了耐高温的高发射率涂层。黑体腔通过中等大小的自由四面体划分网格，在存在凹槽的地方使用较细化的自由四面体进行网格划分。仿真计算了黑体在335,400,450,500 K时黑体腔轴向温度分布，热仿真结果如图4所示。

图4 黑体腔热仿真结果Fig.4 The thermal simulation results of the black body cavity

仿真结果显示:黑体在335 K时轴向温差最小为0.08 K，黑体在500 K时轴向温差最大为0.25 K;随着黑体温度升高轴向温差逐渐增大，温度越低轴向温差越小。黑体在320～500 K温度范围内轴向温差最大为0.25 K。

4 性能测试

测试过程中在室温大气环境下测量了黑体空腔发射率。在真空度10-3～10-4Pa，环境温度21～23 ℃条件下测试了黑体辐射源在335～500 K温度范围内的轴向均匀性和控温稳定性。最后，通过真空低背景红外亮度温度计量标准装置(VRTSF)测试了黑体的亮度温度。

4.1 发射率测量

室温大气环境下用2种方法对黑体的空腔发射率进行了测量。第一种方法是利用中国计量科学院研制的一套基于控制环境温度变化的发射率测量装置进行测量[15，16]，该装置通过控制2块不同温度的辐射板交替运动，实现对环境辐射的控制。在室温大气环境下利用辐射温度计(TRT)测量波长在8～14 μm 内的发射率。

测量原理是利用黑体辐射源的光谱辐射亮度L(T)由普朗克黑体辐射定律计算得到：

(1)

式中：c1=3.741 8×10-16W·m2；c2=1.438 8×10-2m·K；T为黑体的温度；λ为空气中的波长；n为空气折射率。

当环境温度与黑体温度接近时，探测到黑体表面总辐射亮度包括黑体的辐射亮度和环境的辐射亮度；当黑体前加入1个热板时环境温度随之改变，总辐射亮度包括黑体的辐射亮度和热板加入时环境的辐射亮度。通过普朗克辐射定律可计算不同环境温度下黑体的辐射亮度，从而计算黑体发射率。基于控制环境辐射的黑体发射率测量装置示意图如图5所示。

图5 基于控制环境辐射的黑体发射率测量装置示意图Fig.5 Schematic diagram of blackbody emissivity measurement device based on controlling environmental radiation

第二种方法是通过能量比较法测量黑体腔的光谱发射率。实验过程中使用一标准黑体作为参考，其口径与待测黑体一致且发射率已知；将标准黑体与待测黑体设定至一指定温度，等待其温度稳定后利用傅里叶光谱仪测量8～14 μm内标准黑体的光谱信号I1，待测黑体的光谱信号I2；同时利用测温仪采集标准黑体与待测黑体内部温度值，通过计算得到待测黑体的发射率。发射率ελ可表示为：

(2)

式中：Lλ(T)为黑体在温度T时的辐射亮度；Iλ，bg为常温状态下环境辐射亮度；Iλ为热板加入时的环境辐射亮度。通过能量比较法测量黑体发射率示意图如图6所示。

图6 对比法测量黑体发射率示意图Fig.6 Schematic diagram of measuring blackbody emissivity by contrast method

2种不同方法测量结果如图7所示。其中TRT测试结果取10次测量的平均值作为最终值，图中用直线表示。2种方法测量黑体空腔发射率结果表明：黑体空腔法向有效发射率大于0.999，与仿真结果具有良好一致。

图7 发射率测量结果Fig.7 Emissivity measurement results

4.2 均匀性测量

通过温控器将黑体温度设定至目标温度，待黑体温度稳定后，通过测温仪采集黑体口部与底部测温传感器的数据，连续采集30 min以上，将两只温度传感器测量数据平均值的最大差值作为黑体轴向温度均匀性测试结果，见表2所示。

表2 均匀性测量结果Tab.2 Uniformity measurement results K

由测试结果可以看出，黑体辐射源在335 K时，黑体空腔的轴向温差为0.056 K，温度在400 K时黑体腔轴向温差为0.082 K，500 K时黑体辐射源空腔的轴向温差为0.157 K。测量结果表明：黑体温度越高轴向温差越大，温度越低轴向温差越小，与仿真结果一致；黑体在320～500 K范围内，黑体腔沿轴向的温差优于0.2 K。

4.3 稳定性测量

通过温控器将黑体控制在目标温度点，待黑体温度稳定后，利用测温仪采集安装在黑体腔底部测温温度传感器测量值。连续采集40 min，将40 min内测量值的标准差作为黑体辐射源在该温度下的稳定性评估指标。黑体在各温度点的稳定性测试结果如图8所示。

图8 稳定性测量结果Fig.8 Stability measurement results

由结果可以看出：黑体在各温度点下，40 min内的温度变化不超过0.03 K；黑体在320～500 K温度范围内稳定性优于0.03 K。

4.4 黑体辐射源亮度温度测量

黑体辐射源的亮度温度测量是在中国计量科学研究院的VRTSF系统中完成的。实验系统包括作为量值标准的125～500 K标准黑体辐射源、液氮黑体辐射源、真空模拟舱、光路切换舱、1595A高分辨测温电桥和傅里叶变换光谱仪等。实验过程中将标准黑体与待测黑体安装在光路切换舱上，通过温控器将标准黑体与待测黑体控制在同一温度下，同时利用测温仪记录两种黑体内部温度；利用光路切换舱内的旋转平面镜切换测量光路，通过傅里叶变换光谱仪来测量标准黑体与待测黑体在同一目标温度下的信号值；最后，根据待测黑体与标准黑体的辐射信号及接触温度计算待测黑体的辐射亮度温度。测量系统图如图9所示。

图9 亮度温度测量系统图Fig.9 Schematic diagram of brightness temperature measurement system

黑体控温335，380，400，450 K时接触温度用黑体腔底部温度计读数表示，结果如表3所示。

黑体在335，380，400，450 K时分别用MCT和InSb 2种探测器进行测量，测量结果如图10所示。测量结果显示黑体温度越高亮度温度偏离接触温度越明显。

表3 黑体接触温度Tab.3 Blackbody contact temperature K

图10 黑体辐射源亮度温度测量结果Fig.10 Measurement results of blackbody radiation sourcebrightness temperature

5 不确定度分析

黑体辐射源不确定度来源主要有：黑体自身温度引入的不确定度u1、空腔发射率引入的不确定度u2、外界温度引入的不确定度u3。

黑体辐射源自身温度引入的不确定度包括测试传感器校准引入的不确定度u11：温度传感器在273.15～523.15 K温度范围内进行校准，其标准不确定度u11可查阅传感器校准证书，已列入表3中；测试传感器稳定性引入的不确定度u12：铂电阻温度计稳定性引入的不确定度为0.005 K；测温仪表引入的不确定度u13：经查询该测温仪测量不确定度为0.005 K；温控稳定性引入的不确定度u14：当黑体温度稳定后，使用测温仪采集底部温度传感器数值，连续采集40 mins，稳定性由采集数据的标准差表示。稳定性结果如图8所示；底部温度均匀性引入的不确定度u15；该指标无直接测量结果，由于黑体腔采用紫铜加工完成，其导热性能优异，当黑体处于真空状态下无对流换热，腔底温度均匀，引入的不确定度优于0.010 K。黑体辐射源自身温度引入的不确定度u1由式(3)计算，计算结果如表4所示。

(3)

表4 不同温度点黑体辐射源的各不确定度分量及合成不确定度Tab.4 Uncertainty components and combined uncertainty of blackbody radiation sources at different temperature points K

有效发射率引入的不确定度为u2：根据黑体空腔有效发射率仿真与计算结果，黑体空腔有效发射率优于0.999，将黑体空腔有效发射率引入的温度修正量的绝对值除以包含因子(k=1.73)作为标准不确定度[17]，因此黑体空腔有效发射率引入的不确定度u2=0.005 K。

环境温度引入的不确定度u3：环境温度对亮度温度的影响在0.001 K以内，按照均匀分布计算，环境引入的不确定度u3=0.001。

通过对真空标准黑体辐射源的各不确定度分量分析，进一步计算了该黑体辐射源的合成标准不确定度uc，合成标准不确定度由公式(4)计算，计算结果如表5所示。

(4)

表5 不同温度点不确定度分量及合成标准不确定度Tab.5 Uncertainty components at different temperature points and combined standard uncertainty K

6 结 论

中国计量科学研究院研制了中温区真空标准黑体辐射源,黑体辐射源工作温度范围320～500 K。在室温大气环境下测试了标准黑体辐射源的发射率，在335～500 K温度范围内测试了黑体辐射源轴向温度均匀性、温度稳定性和亮度温度。实验结果表明标准黑体辐射源发射率优于0.999，在335，400，500 K时温度均匀性分别为0.05，0.08，0.15 K，40 min内的温度稳定性分别为0.005，0.020，0.030 K。利用真空低背景红外亮度温度计量标准装置(VRTSF)测量了亮度温度，并对不确定度进行了分析，其合成标准不确定度优于0.04 K。该黑体性能达到设计指标要求，能够为红外遥感载荷提供亮度温度校准。通过对黑体结构进行改进，探索出了一种新型的真空标准黑体设计方法。