5.1.2. Модели черных тел.

 

Абсолютно черных тел в природе не су­ществует. Однако можно выполнить различные модели источников теплового излучения с излучательными характеристиками, достаточно точно приближенными к таковым у АЧТ. Такие излучатели будем в дальнейшем называть моделями черных тел. Они находят широкое применение в качестве ЭОИП в оптической радиометрии, ИК-спектроскопии, пирометрии и т. д.

В качестве МЧТ может использоваться любая непрозрачная замкнутая по­лость с равномерно нагретыми стенками, имеющая небольшое отверстие для выхода излучения. Геометрическая форма полости при этом существенного значения не имеет и выбирается в зависимости от конструкции МЧТ. Важно лишь, чтобы температура полости поддерживалась постоянной и площадь из­лучающего отверстия была намного меньше площади внутренней поверхности полости.

Рис. 5. 1. Типовые формы полостей технических моделей черного тела: α — сферическая; б — коническая; в — клиновидная; г — цилиндрическая с коническим дном; д — цилиндрическая с гофрированным дном; е, ж — цилиндрическая; з — цилиндрическая с диафрагмами; и, к — цилиндрическая с излучением через круглое отверстие (и) и продольную щель (к) в боковой полости; d — диаметр излучающего отверстия; l — максимальная глубина полости

 

На рис. 5. 1, заимствованном из [40], показаны различные формы полостей, используемые в технических МЧТ. Степень совершенства модели, т. е. ее приближения к ЧТ, характеризуется эффективным коэффици­ентом теплового излучения , представляющим собой отношение потока излучения, исходящего из отверстия модели , к потоку излучения ЧТ при той же температуре:

                                        (5. 2)

 

Следует обратить внимание на то, что в столь известных монографиях, посвященных ИК технике, как [40, 41], речь идет именно о технических МЧТ, а нас в дальнейшем будут интересовать лишь эталонные МЧТ, специально разработанные для воспроизведения и передачи размеров единиц световых и энергетических величин, характеризующих некогерентное оптиче­ское излучение, а также термодинамической температуры при Τ > 1200 К.

Одной из основных особенностей, отличающих техническую МЧТ от эта­лонной, будем считать значение : для первой из них достаточно иметь  ~ ~ 0, 995, а для второй — . Тем не менее, воспользуемся сведениями из только что упомянутых первоисточников для краткого описания основных особенностей проектирования МЧТ.

Из формулы (5. 1) видно, что  меньше единицы. Эффективный коэф­фициент теплового излучения МЧТ, который в дальнейшем при рассмотре­нии эталонных МЧТ будем чаще называть эффективной излунательной способностью, зависит от формы полости и размера излучающего отвер­стия, материала внутренних стенок полости и неравномерности температуры внутренних стенок. Эффективный коэффициент теплового излучения любой полости

                                           (5. 3)

где ε — коэффициент теплового излучения материала стенок полости; — площадь отверстия в полости, через которое выходит излучение; S — полная площадь поверхности полости, включая площадь отверстия; — площадь поверхности сферы, диаметр которой равен глубине полости (расстоянию между плоскостью отверстия и самой дальней точкой полости).

Для сферической полости разность , и формула (5. 3) приобретает более простой вид:

                                                      (5. 4)

Однако изготовление сферической полости связано с определенными труд­ностями, поэтому, как правило, техническая МЧТ представляет собой заклю­ченный в теплоизолирующий корпус металлический сердечник с цилиндриче­ской или конической полостью. Полость имеет круглое выходное отверстие, диаметр которого может быть постоянным или изменяться диафрагмой в пре­делах (0, 3. . . 10) мм. Нагрев полости осуществляют нихромовой проволокой, равномерно намотанной на внешнюю поверхность сердечника. Эффективный коэффициент теплового излучения такой МЧТ можно определить прибли­женно по формуле

где ρ — коэффициент отражения материала полости.

 

На рис. 5. 2, также взятом из [41], показана типовая конструкция МЧТ. Сердечник из коррозионно-стойкой стали длиной 100 мм имеет коническую полость с углом при вершине конуса 15°. Обмотка нихромового электронагревателя изолирована от сердечника тонким слоем асбеста. Контроль темпе­ратуры сердечника производится платиновым термометром сопротивления.

Термометр и нагреватель электрически связаны со схемой автоматического регу­лирования и поддержания заданной тем­пературы сердечника. Модель комплек­туется набором легко сменяемых калиб­ровочных диафрагм. Излучение точно следует закону Ламберта в пределах уг­лов, не превышающих 15° от оси, ее эф­фективный коэффициент теплового из­лучения  = 0, 995.

Высокотемпературными технически­ми МЧТ могут служить металлические трубки с малым отверстием, нагреваемые электрическим током и смонтированные в стеклянных колбах, которые обычно заполняются инертным газом или вакуу-мируются. Примером такого тела, рабо­тающего до температур > 3000 К, может служить модель, показанная на рис. 5. 3. Источником излучения здесь является вольфрамовая трубка диаметром 3 мм с излучающим отверстием ~ 0, 7 мм. Излучатель смонтирован в стеклянном баллоне с окном из флюорита (CaF2).

Обстоятельный аналитический обзор [42] посвя­щен описанию конструкций и применений высокотемпературных миниатюрных графитовых техниче­ских МЧТ. Они предназначены для энергетических измерений в ИК области спектра. Рабочими темпе­ратурами этих МЧТ являются 2000, 2500 и 3000 К, в т. ч. и их промежуточные значения. Материалом излучающей полости служит графит. В [42] обращено основное внимание на использование этих техниче­ских МЧТ в радиометрии в УФ и видимом диапа­зонах длин волн, а обладающие высокой яркостью МЧТ широко применяются в многопроходной спек­троскопии.

Однако последние достижения современной на­уки и технологии, в т. ч. физики плазмы, физики твердого тела, микроэлектроники, физики атмосфе­ры, астрофизики и космической техники, потребо­вали значительного увеличения точности измерений в спектрорадиометрии оптического излучения. Осо­бое внимание было привлечено к эталонной УФ ра-диометрии. Решение многих важнейших проблем (на­пример, астрофизические наблюдения, мониторинг состояния озонового слоя земли и пр. ) требовали дли­тельных измерений небольших изменений радиометрических величин.

Рис. 5. 2. Типовая модель черного те­ла: 1 — выводы от нагревателя к авто­матическому регулятору температуры; 2 — металлический (медный) экран; 3 — платиновый термометр сопротивления; 4 — полости, заполненные смесью асбе­ста с цементом; 5 — обмотка нагрева­теля; б — сердечник; 7 — корпус; 8 — диафрагма; 9 — рабочее отверстие

Рис. 5. 3. Схема модели высокотемпературного черного тела:

1 — танталовые электроды;

2 — стеклянный баллон;

3 — пружина, предохраняю­щая от прогибов;

4 — окно из ___;

5 — излуча­ющее отверстие; 6 — по­лый цилиндр

 

При этом погрешность измерений не должна была превышать 0, 1 %.

Традиционная радиометрия не обеспечивала выполнения столь жестких метрологических требований, и возникла необходимость в новом подходе к воспроизведению размеров фотометрических и радиометрических единиц, базирующемся на использовании высокоточных, высокостабильных МЧТ [43]. Основными аспектами высокоточной «чернотельной» радиометрии являют­ся: воспроизведение новых спектрорадиометрических шкал, не зависящих от Практической Температурной Шкалы; создание нового поколения (парамет­рического ряда) высокотемпературных, широкоапертурных, изотермичных МЧТ с тщательно изученными метрологическими характеристиками; разра­ботка стабильных, мобильных эталонов сравнения и создание новых методов сравнения спектральных характеристик источников излучения [43].

В «чернотельной» радиометрии применяются два основных типа МЧТ: 1) основанные на фазовых переходах металлов МЧТ с фиксированными рабо­чими температурами; 2) МЧТ переменной температуры. В зависимости от тре­буемых спектрального диапазона и плотности потока излучения выбираются МЧТ, работающие в диапазонах температур: высоких (от 1800 до 3200 К); средних (от 400 до 1800 К); низких (от 200 до 400 К) и криогенных (от 60 до 200 К).

Наибольшие метрологические трудности возникают в важнейшем для мно­гих приложений диапазоне длин волн от 200 до 3000 нм, где необходимо использовать высокотемпературные МЧТ (ВМЧТ).

Кратко остановимся на основных принципах «чернотельной» высокоточ­ной оптической радиометрии. Как упоминалось ранее, спектр излучения МЧТ описывается формулой Планка, которую запишем в форме для поляризованного света:

                                             (5. 5)

где  — СПЭЯ; — эффективная излучательная способность; c1 и c2 — первая и вторая постоянные излучения (здесь, в отличие от (5. 1),  = 0. 595*10-16Вт*м2; λ — длина волны излучения; n — показатель пре­ломления воздуха; Τ — температура излучающей полости МЧТ. Из (5. 5) нетрудно получить, что

                                     (5. 6)

Выражения (5. 5) и (5. 6) свидетельствуют, по крайней мере, о двух прин­ципиальных метрологических требованиях, предъявляемых к высокоточной (эталонной) МЧТ, воспроизводящей единицы спектрорадиометрических величин:

· — для того чтобы МЧТ можно было бы с наименьшей погрешностью считать АЧТ, значение  должно быть предельно близким к единице (фор­мула (5. 5));

· — точность воспроизводимого эталонной МЧТ размера СПЭЯ непо­средственно зависит от точности измерения температуры полости (формула (5. 6)).

Например, при Г = 3000 К, λ = 500 нм и Δ Τ = 0, 3 К значение .

О методах количественной оценки , равно как и о точных измере­ниях радиационной температуры полости ВМЧТ, будет рассказано далее.

Здесь же необходимо напомнить, что МТШ-90 базируется на МЧТ с тем­пературами затвердевания серебра (1234, 93 К), золота (1337, 33 К) и меди (1357, 77 К), а экстраполяция этой шкалы в область высоких температур осуществляется с использованием формулы Планка. Пирометрия в диапа­зоне температур 2000-3000 К гарантирует получение результатов измерений с погрешностью не менее 1, 5-3, 5 К, что, в свою очередь, в пересчете на погрешность воспроизведения единицы СПЭЯ в УФ диапазоне спектра дает значения от одного до двух процентов.

Следовательно, традиционным пирометрическим методам принципиаль­но присуща неопределенность воспроизведения единиц спектрорадиометри­ческих величин — в первую очередь СПЭЯ и СПЭО — в УФ и видимом диапазонах длин волн. Кроме того, необходимо принимать во внимание раз­ницу между практической и термодинамической температурными шкалами. В результате, такие источники погрешностей, как отличие  от едини­цы, нестабильность рабочей температуры полости, дифракционные потери на апертуре и неточность определения λ оказывают существенно меньшее влияние на точность воспроизведения упомянутых единиц.

Что же необходимо было сделать для повышения точности воспроизведе­ния эталонных шкал СПЭЯ и СПЭО в наиболее «востребованной» спектраль­ной области с длинами волн от 200 до 3000 нм? Как оказалось, высокотемпе­ратурная «чернотельная» радиометрия, базирующаяся на фазовых переходах серебра, золота и меди, не оптимальна по точности воспроизведения. Основной причиной возникновения больших погрешностей является зависимость точ­ности воспроизведения термодинамической температуры на основе МТШ-90 в области температур > 1000°С от погрешности газового термометра. Повы­шение точности определения температуры фазовых переходов серебра, золота и меди имеет значение лишь для термометрии.

Поэтому более точное воспроизведение эталонных шкал СПЭЯ и СПЭО может быть достигнуто как прямыми измерениями высокоточными прибора­ми этих величин, характеризующих излучение ВМЧТ, так и путем создания новых типов МЧТ на высокотемпературных фазовых переходах эвтектик.

Ознакомимся с основами и особенностями построения и параметрами МЧТ как на фазовых переходах (с постоянной рабочей температурой), так и с пе­ременной рабочей температурой.

 

⇐ Предыдущая14151617181920212223Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: