5.1.4. Модели черных тел с переменной рабочей температурой.

Несомненным преимуществом МЧТ на фазовых переходах является отсутствие необходимости измерения рабочей температуры, поскольку все они построены на реперных точках МТШ-90. Если рабочая температура МЧТ, т. е. температура фазового перехода, достаточно стабильна, то можно говорить о высокой точности воспроизведения единиц радиометрических величин. Од­нако при этом спектр излучения МЧТ неизменен и получить радиометриче­скую величину достаточной интенсивности можно лишь в очень ограниченном диапазоне длин волн. Этого недостатка лишены перестраиваемые по темпе­ратуре МЧТ, однако при этом возникает непростая метрологическая задача точного измерения рабочей температуры излучающей полости. Тем не менее, очевидные преимущества перестраиваемых по температуре (и, следовательно, по спектру излучения) МЧТ при наличии абсолютных и относительных мето­дов измерений термодинамической температуры ВМЧТ (у низкотемператур­ных МЧТ измерения температуры не связаны со значительными трудностя­ми) обеспечили им лидирующую роль в современной эталонной радиометрии некогерентного оптического излучения. Поэтому рассмотрим более подробно несколько примеров путей построения наиболее совершенных МЧТ перемен­ной температуры, получивших распространение в ряде передовых метроло­гических центров в качестве эталонных электрооптических измерительных преобразователей.

Разработки различных перестраиваемых по температуре МЧТ были на­чаты во ВНИИОФИ в 1971 г. [43]. Изучались различные материалы для создания излучающей полости, исследовались многочисленные варианты ее формы и конструкции, предлагались и сопоставлялись методы оценки ___ и стабилизации излучательных характеристик МЧТ. В табл. 5. 4 приведены характеристики некоторых чернотельных излучателей переменной темпе­ратуры, разработанных во ВНИИОФИ. Их отличает широкий диапазон рабочих температур, высокие излучательная способность полости (не ме­нее 0, 999) и стабильность температуры, а также предельно достижимая равномерность аксиального распределения температуры полости. Все при­веденные в табл. 5. 4. МЧТ были тщательно метрологически исследованы. Особый интерес представляют ВМЧТ с полостью из графита, выполненная в вариантах ВВ22р и ВВ39р, а также ВМЧТ ВВ3200с и BB3200pg (BB — black body), отличающиеся лишь конструкцией электродов — соответственно, коаксиальной и аксиальной. Излучающие полости двух последних ВМЧТ выполнены из пиролитического графита. Остановимся более подробно на описаниях этих ВМЧТ и результатах их метрологических исследований.

В широкоапертурной ВМЧТ типа ВВ22р в качестве материала излучающей полости использован графит. Излучатель состоит из двух коаксиальных трубок, причем внутренняя из них выполнена в виде состыкованных поло­стей. Одна из них является непосредственно излучающей (радиометрической) полостью, а другая используется для регулирования и стабилизации тем­пературы ВМЧТ. Разработанная конструкция ВМЧТ позволила поместить излучающую полость на достаточном удалении от систем охлаждения водой и электропитания. Более того, наружная трубка подогревает внутреннюю, что позволяет уменьшить температурный градиент. Дно излучающей полости имеет форму внутреннего конуса с углом при вершине 140°, рабочие темпе­ратуры находятся в диапазоне от 1800 до 2900 К. «Срок жизни» излучателя зависит от рабочей температуры и равен 500 и 50 ч при температурах 2500 и 2900 К, соответственно.

Таблица 5. 4.

Характеристики некоторых чернотельных излучателей переменной температуры, разработанных во ВНИИОФИ

Несколько конструктивных приемов позволили существенно уменьшить неравномерность распределения температуры вдоль полости (продольный температурный градиент) и добиться высокого уровня однородности излу­чения ВМЧТ. Измерения показывают, что неравномерность распределения СПЭЯ в сечении апертуры диаметром 8 мм находится в пределах 0, 1-0, 5%. Не менее важной характеристикой ВМЧТ является стабильность ее излуча-тельных параметров. При использовании системы термостабилизации с оптической обратной связью нестабильность потока излучения ВВ22р не превы-шала 0, 01-0, 03 % в течение нескольких часов.

Широкоапертурные ВМЧТ, используемые для воспроизведения эталон- ной шкалы СПЭО, имеют по сравнению с узкоапертурными излучателями большие продольные температурные градиенты. Расчеты показывают, что   неизотермичных ВМЧТ существенно зависит от  и может изменяться на доли процента, особенно в УФ области спектра. Следовательно, погреш­ность определения  является одной из основных составляющих суммарной погрешности воспроизведения эталонной радиометрической шкалы. Поэтому разработка точных методов оценки __ неизотермичной полости ВМЧТ яви­лась в свое время важной и насущной задачей. В результате были разработаны несколько методов определения  неизотермичной полости сложной гео­метрической формы, в т. ч. метод Монте-Карло [43]. Это позволило произво­дить математическое моделирование любых характеристик излучения ВМЧТ с произвольными распределениями температуры вдоль полости.

Как видно из табл. 5. 4, ВМЧТ типа ВВ39р отличается от ВВ22р лишь размерами полости и выходного отверстия, что позволило использовать ее более эффективно для воспроизведения эталонной шкалы СПЭО.

Стремление к увеличению рабочей температуры ВМЧТ привело к разра­ботке во ВНИИОФИ модели ВМЧТ типа ВВ3200 в двух вариантах -ВВ3200 с и BB3200pg [43]. Излучающие полости обеих ВМЧТ состоят из набора пирогра-фитовых колец, спрессованных стальной пружиной. Коническое дно полости и теплоизолирующие элементы изготовлены из графита. Излучатели с тепло­изолирующими компонентами смонтированы в камере с водяным охлаждени­ем. Цилиндрические полости резистивно нагреваются непосредственно про­текающим по ним электрическим током. Дополнительные пирографитовые и графитовые диафрагмы в передней и задней частях излучающей полости значительно увеличивают равномерность распределения температуры вдоль ее стенок и дна. Кварцевые окна в задней части корпусов обеих ВМЧТ поз­воляют выводить часть потока за дно полости для контроля и регулирования характеристик выходного излучения.

Скорость сублимации пиролитического графита при высоких температу­рах в атмосфере аргона значительно меньше, чем у обыкновенного высокока­чественного графита. Поэтому и «срок жизни» таких коаксиальных излуча­телей из пирографита в несколько раз больше, чем у подобных графитовых излучателей при Т = 3200 К, и достигает 100 ч.

Конструкции ВМЧТ ВВ3200 с и BB3200pg представлены на рис. 5. 7. Эти ВМЧТ имеют сравнительно небольшое конструктивное отличие: в первой из них (рис. 5. 7 а) оба электрода размещены в задней части устройства, а во второй (рис. 5. 7 б) один электрод находится сзади, а другой — впереди. Ко­аксиальный излучатель охвачен третьей графитовой трубой с пространством между ними, заполненным графитовой тканью, что обеспечивает надежную теплоизоляцию.

Каждая из этих МЧТ нагревается постоянным электрическим током от источника 600 А, 25 В (ВВ3200 с) или 650 А, 23 В (BB3200pg). Во избежание окисления графита при высоких температурах сквозь камеру прокачивается аргон с расходом 2-4 л/мин, а охлаждение внешнего экрана требует значи­тельного расхода (более 10 л/мин) холодной воды.

Поскольку внешняя теплоизолирующая графитовая трубка имеет боль­шую «тепловую массу», а удельная теплопроводность наружного водяного кожуха относительно мала, в целом ВМЧТ медленно реагирует на изменения тока. Это является достоинством, поскольку значительно увеличивается термостабильность системы.

По сравнению с большинством ВМЧТ других типов периоды нагревания и охлаждения рассматриваемых чернотельных излучателей велики. В режиме нагревания ток достигает максимального значения через 50 мин. В течение последующих 50 мин температура ВМЧТ стабилизируется.

Рис. 5. 7. Конструкция МЧТ: а— ВВ3200 с: 1 — стальная сжимающая пружина; 2 — первый электрод; 3 — второй электрод; 4 — излучающая полость из коаксиально спрессованных пирографитовых колец; 5 — графитовая труба; 6 — выходная апертура; б — BB3200pg: 1 — стальная сжимающая пружина; 2 — боковой электрод; 3 — излучающая полость из аксиально спрессованных пирографитовых колец; 4 — второй электрод; 5 — выходная апертура

При включенной системе стабилизации с обратной связью режим стабилизации наступает раньше. Для охлаждения ВМЧТ до комнатной температуры необходимо резко, в течение нескольких минут, снизить ток до нуля, но при этом процесс полного охлаждения длится около 2 ч.

Для получения воспроизводимых результатов эталонных измерений необ­ходима должная временная температурная стабилизация и, как следствие, стабильность важнейших параметров излучения ВМЧТ — энергетических яркости и освещенности. Поэтому временная стабильность обеих ВМЧТ ис­следовалась в двух различных режимах работы:

а. в режиме неизменного тока нагрева; при этом контролировалась только сила тока, а напряжение питания ВМЧТ и ее температурный дрейф не отсле­живались;

б. в режиме контроля и регулирования с использованием фототока радио­метра и цепи обратной связи; при этом стабилизировался источник питания ВМЧТ по сигналу, измеренному радиометром, ОЭИП которого был «нацелен» на заднюю стенку полости; для поддержания неизменным выходного сигнала ОЭИП регулировался с использованием ПИД-алгоритма питания ВМЧТ.

При нормальных условиях эксплуатации системы, устройство стабилиза­ции с обратной связью снижает флуктуации температуры до ±0, 15 К, при Т = З010 К, и ±0, 05 К, при Т = 1900 К.

Следующими двумя важнейшими метрологическими параметрами эта­лонной ВМЧТ, воспроизводящей размеры единиц СПЭЯ и СПЭО, являются равномерность распределений этих величин в соответствующей плоскости, перпендикулярной направлению распространения излучения: для СПЭЯ — это место расположения выходной апертуры ВМЧТ, а для СПЭО — это участок поверхности, на которую падает излучение ВМЧТ. С целью упроще­ния назовем первое из двух равномерных распределений равнояркостью, а второе — равноосвещенностью. Именно по двум этим измеренным рас­пределениям можно судить об изотермичности полости ВМЧТ и, как след­ствие, о строгости соблюдения ею закона Планка. Для выполнения этих измерений были разработаны соответствующие методики. В обоих случаях непосредственно перед выходной апертурой ВМЧТ помещалась прецизионная диафрагма в водоохлаждаемой оправе, имевшая калиброванное отверстие диаметром 15 мм. Эта диафрагма ограничивала поле зрения таким образом, что при наблюдении ВМЧТ по оси полости было видно лишь исходящее из нее излучение.

Несмотря на то, что были получены удовлетворительные результаты из­мерений равнояркости, следовало убедиться в том, что на определенном рас­стоянии от выходной апертуры ВМЧТ в плоскости, перпендикулярной рас­пространению излучения, энергетическая освещенность также распределена по заданной площадке достаточно равномерно. С этой целью был использован широкополосный радиометр с центральной длиной волны 550 нм и шириной полосы пропускания на полувысоте 220 нм. Приемная площадка ОЭИП ра­диометра располагалась на расстоянии 700 мм от выходной апертуры ВМЧТ. Радиометр перемещался горизонтально с помощью предметного столика. От­клонения от неравнояркости и неравноосвещенности у обеих ВМЧТ не пре­высили 0, 2 % вне зависимости от температуры.