低溫點源黑體關鍵技術及國內外發展現狀

許 杰，楊林華，李 娜

（北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

0 引言

低溫點源黑體設備作為紅外譜段的標準輻射源，在紅外遙感器、熱像儀的標定以及深空輻射研究中被廣泛應用[1-3]，其工作溫度范圍一般在373 K以下。隨著紅外探測器孔徑和視場角的增大，要求點源黑體光欄孔徑也越來越大，目前已經達到φ100 mm[4]。近年來，為了適應紅外探測器大孔徑、大視場角的發展需要，面源黑體的發展非常迅速。與點源黑體相比，面源黑體還存在溫度均勻性較差（±(0.1～0.5) K）、發射率偏低（0.95～0.985左右）等問題，克服這些難題需要花費巨大的精力和研制成本。因此，大口徑點源黑體仍然是現階段先進、成熟、經濟的標準紅外輻射源。

本文著重從點源黑體關鍵技術、國內外較先進的點源黑體技術指標比對等方面進行論述。

1 低溫點源黑體關鍵技術

點源黑體的關鍵技術主要包括發射腔腔形設計、發射率計算、恒溫方式選擇等。

1.1 發射腔腔形設計

發射腔是黑體設備的核心器件，其幾何參數選擇、表面發射率以及表面溫度均勻性等因素直接影響黑體設備的發射率指標。

目前常用的幾種點源黑體發射腔腔型分別為平口圓柱錐底腔[5]、錐口圓柱內錐腔[6]以及平口圓柱內錐腔，見圖1。

圖1 3種常用的點源黑體發射腔腔型Fig. 1 Three kinds of point-source black body cavities

圖1(a)為平扣圓柱錐底腔，其特點是在發射率計算過程中，錐底與圓柱面之間的輻射沒有遮擋，因此公式推導比較簡單，腔體加工、制造和裝調也相對簡便。不足之處是與圖1(c)相比，在相同內表面積的情況下，腔體長度要長出很多，造成設備體積加大。

圖1(b)為錐口圓柱內錐腔，其特點在于錐口部分，這種設計可以有效減小腔體的溫度不均勻度，提高發射腔的溫度穩定性。不足之處在于錐口安裝好后無法打開，給腔體內表面涂漆帶來困難。

圖1(c)為平口圓柱內錐腔，是在圖1(a)的基礎上改進后得到的，其特點是與圖1(b)在相同外形尺寸情況下，發射率較高，但腔體溫度均勻性稍差。

1.2 發射率計算

關于點源黑體發射率的計算，在此主要介紹近似計算法[7]與積分方程法[8-9]。

近似計算法基于物體之間的輻射換熱公式，假設黑體發射腔溫度均勻，其發射率表達式為

積分方程法較為復雜，它采用曲線積分和斯托克斯公式等矢量分析法，逐點推導發射腔的表面發射率、發射腔的總發射率，并最終帶入腔體內表面溫度變化情況，得到該腔體發射率的理論計算結果。這種方法的一般原理是將發射腔按照錐壁（x方向）、錐底（y方向）、錐口（z方向）分別等分成n1、n和m個環帶，見圖2。通常分別取大于500，且取環帶越多，計算精度越高。設每一個小面源面積為 dSi，其表面發射率包括本身的輻射能和其他表面經它反射的輻射能。x方向某點x0處發射率表達式為

式中：εa(x0)為該計算點的初始發射率；A為溫度修正系數；ε為材料自身發射率；εa()為各點發射率；為x0處單位面積與xi之間的角系數；y、z方向各點的發射率計算公式以此類推。經過式(2)迭代計算，根據以往經驗，當收斂到10-6以后停止迭代，得到各點發射率結果。再按照輻射公式計算各點輻射到光欄處的能量。

圖2 積分方程法計算發射率原理圖Fig. 2 The emissivity calculation method based on integral equation

1.3 恒溫方式

目前低溫點源黑體較常用的恒溫方式為熱管方式、恒溫浴方式以及液氮電加熱方式。

1.3.1 熱管恒溫

典型的熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成。將管內抽為1.3×(10-1～10-4)Pa后充以適量的工作液體，使緊貼管內壁的吸液芯毛細多孔材料中充滿液體后加以液封。熱管的一端為蒸發段（加熱段），另一端為冷凝段（冷卻段），根據應用需要在兩段中間布置絕熱段。當熱管的一端受熱時，液體蒸發汽化，蒸氣在微小壓差下流向另一端放出熱量凝結成液體，液體再沿多孔材料靠毛細力的作用流回蒸發段。經過這樣不間斷的循環，熱量由熱管的一端傳至另一端，如圖3所示[10]。

圖3 熱管原理圖Fig. 3 The principle diagram of heat pipe

熱管黑體的工作原理是：在加熱段布置加熱器，對熱管進行加熱，使工質變為氣態；在冷凝段再變回液態，通過吸液芯的毛細力或重力回流到加熱段，再次被加熱成為氣態；這樣反復循環，達到換熱目的。對加熱量進行調節，使其與黑體設備在指定溫度的熱量散失相等，即可將發射腔溫度維持在指定溫度。

1.3.2 恒溫浴恒溫

恒溫浴方式主要分為水浴方式與油浴方式兩種，其工作原理基本相同，只是工質不同，因此工作溫度范圍也不相同。水浴黑體的溫度范圍一般在288～373 K[4]，油浴黑體則為343～453 K[11]。恒溫浴黑體一般由發射腔、浴槽、溫度傳感器、溫控軟件和保溫層幾部分組成，通過控溫系統對浴槽進行加熱，發射腔位于浴槽內部，與浴槽等溫，以此方式實現發射腔的溫度控制。

1.3.3 液氮電加熱恒溫

該恒溫方式的黑體腔體由發射腔和輻射腔組成，兩者具有相同的傳熱結構，即壁上都開有螺旋槽，外面套上加熱套管，端面焊接，形成冷卻流體管路，外加熱套管上安裝加熱片，可同時升溫。發射腔采用標準鉑電阻溫度計放在內錐底部，輻射腔采用工業鉑電阻溫度計粘貼在加熱套管壁上。在工作狀態下，發射腔和輻射腔之間為高真空環境，主要通過輻射方式換熱。在發射腔的外表面和輻射腔的內表面噴涂高發射率黑漆，保證兩者同時升溫和熱補償。此種結構中，輻射腔是保證發射腔溫度穩定性的重要環節。

在這種控溫方式下，輻射腔加熱器的負載為腔體熱容和向外界輻射傳熱損失，發射腔加熱器負載主要為升溫狀態時發射腔的熱容。發射腔加熱為主加熱，輻射腔加熱為維持加熱。當發射腔達到某一控溫點 T0時進入控溫，腔體熱源停止工作，只有輻射腔的熱源起保溫作用。

1.3.4 小結

各種恒溫方式的黑體控溫范圍及溫度穩定性見表1。可以看出，采用熱管恒溫方式的黑體溫度穩定性最好，恒溫浴方式則相對較低。實際使用時采用何種加熱方式，主要應對工作溫度范圍、溫度穩定性以及應用環境特點等幾種因素綜合考慮。

表1 各種恒溫方式的黑體控溫范圍及溫度穩定性Table 1 The temperature range and stability of black body with different control methods

2 國內外主要低溫點源黑體設備性能指標

2.1 美國國家標準技術研究院（NIST）熱管黑體

該熱管黑體外形如圖4所示。內腔為圓柱形，底端為圓錐型，口徑φ38 mm，長500 mm，工作溫度范圍 323～523 K，腔體溫度均勻性優于±0.005 K，穩定性優于±0.01 K/16 h，控溫精度± 0.01 K，發射率大于0.999。

圖4 美國NIST熱管黑體外形圖Fig. 4 The heat pipe blackbody of NIST

2.2 美國EOI公司點源黑體

美國EOI公司生產的SS系列點源黑體，采用參數可調的PID腔體控溫方式，主要用于紅外遙感器標定。發射腔的腔型為圓柱體，口徑為φ6.35 mm（0.25 inch）～φ50.8 mm（2 inch），工作溫度范圍為323～1 623 K，穩定性±(0.1～0.25)K，均勻性±(0.5～3)K；控溫精度達到±0.25 K，面板顯示精度±0.01 K，溫度設置分辨率0.1 K，有效發射率大于0.999。

2.3 德國自然工程科學研究所（PTB）ME20型點源黑體[12]

德國PTB點源黑體采用恒溫浴控溫方式，工質采用特殊的硅油、水和乙二醇混合物。原理見圖5。腔體開口直徑φ60 mm，工作溫度范圍253～623 K，溫度穩定性±0.1 K/2 h，溫度均勻性優于±0.1 K，最大溫度不確定度在623 K時為±0.9 K，理論發射率大于0.999。

圖5 德國PTB ME20型點源黑體原理圖Fig. 5 The black body manufactured by PTB of Germany

2.4 北京衛星環境工程研究所點源黑體

北京衛星環境工程研究所研制的低溫點源黑體采用液氮電加熱的恒溫方式，如圖6所示。腔形為圓柱內錐腔，出口直徑φ25 mm，工作溫度范圍90～360 K連續可調，控溫精度±0.03 K，腔體溫度穩定性±0.03 K/30 min，腔底溫度均勻性±0.03 K，發射率大于0.999。

圖6 北京衛星環境工程研究所低溫點源黑體結構圖Fig. 6 The low temperature and point-source black body manufactured by Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering

2.5 中國科學院上海技術物理研究所點源黑體

該所研制的點源黑體設備（HFY-100）主要應用于真空低溫環境下的航天紅外遙感器定標，采用紫銅圓柱型腔體，工作溫度范圍180～340 K，口徑φ60 mm，傳感器為鉑電阻，控溫精度±0.1 K，軸向均勻性±0.1 K，有效發射率大于0.999。該點源黑體具有外觀小巧、結構簡單、性能優異的特點，目前已開發為系列產品。

2.6 中國科學院安徽光機所水浴黑體

該黑體受恒溫方式的限制，工作溫度范圍為293～373 K，腔口尺寸φ108 mm，控溫精度±0.01 K，有效發射率為 0.998。腔體為鋁合金材料，外表面鍍有防氧化層，內表面涂紅外黑體消光涂料，目前已成功應用于紅外遙感器定標工作。

2.7 小結

以上各黑體性能指標對比見表2。

表2 國內外部分點源黑體性能參數比較Table 2 Comparison of some black bodies made in China and other countries

3 低溫點源黑體的定標試驗應用

3.1 美國Los Alamos國家實驗室定標設備[2]

美國Los Alamos國家實驗室（LANL）定標設備如圖7所示。

圖7 LANL定標系統原理圖Fig. 7 The radiometric calibration system of LANL

該設備可以標定光欄孔徑小于φ406.4 mm（16 inch）的遙感探測器，定標精度在0.4～2.5 μm小于1%，在2.5～12 μm小于3%。其光學系統由離軸準直鏡和可以控制方向的掃描平面鏡組成，光源為2臺黑體、1臺積分球、1臺單色儀和1臺干涉儀。

3.2 法國 Institut d’Astrophysique Spatiale(IAS)定標設備[13]

法國 IAS用于紅外宇航相機發射前定標的試驗設備見圖8，該系統光學系統為1塊球面鏡和2塊平面鏡組成，光源為黑體輻射源，由它發出的光線經過硒化鋅（ZnSe）窗口進入積分球，均勻后由出口進入光路，成像在探測器焦平面處。

圖8 法國IAS定標系統光學平臺Fig. 8 The radiometric calibration system in IAS, France

3.3 北京衛星環境工程研究所定標設備[14]

北京衛星環境工程研究所研制的定標設備（見圖9）主鏡為拋物面反射鏡，有效通光孔徑為φ500 mm，焦距為4 000 mm，離軸角為10°。積分球和黑體設備放置在拋物鏡焦平面處，通過次反射鏡進行光路切換。黑體設備已經在2.4節中進行了詳細介紹。

圖9 北京衛星環境工程研究所定標設備Fig. 9 The radiometric calibration system in Beijing Institute of Satellite Environment Engineering

4 結束語

1）通過對3種常用的黑體輻射腔腔形的比較發現：平口圓柱錐底腔在相同表面積、發射率的情況下，外形尺寸較大，發射率計算相對簡單；錐口圓柱內錐腔和平口圓柱內錐腔腔形緊湊，前者的腔體溫度均勻性較后者要好，但均溫情況下的發射率較低，且加工過程中的工藝復雜。

2）黑體發射率的簡單計算方法主要應用于設計初期的發射率估算，確定方案可行性。積分方程法則是一種比較復雜的建模方法，在進行腔形參數優化時使用。

3）在熱管、恒溫浴以及液氮電加熱3種恒溫方式中，熱管方式的腔體溫度均勻性最好，但工藝復雜，工程難度大；恒溫浴方式的結構簡單，可實現性強。兩者共同的不足之處在于受工質限制，工作溫度范圍有限。液氮電加熱方式的工作溫度范圍寬，但由于系統由加熱、液氮等部分組成，在真空低溫下使用時進出容器管路多，系統比較復雜。

4）國內研制生產黑體設備的科研院所與國外公司相比，生產的設備性能更好，但研制周期長，費用昂貴。

5）點源黑體作為標準輻射源來標定紅外探測器，應用前景廣泛。但隨著紅外探測器孔徑的不斷增大，要求點源黑體的光欄孔徑越來越大，腔體體積和重量不斷提高。因此簡單通過腔形的縮放已難以滿足設計要求，腔體的熱設計和支撐機構已成為突出的設計難點，需要建立有限元模型對黑體發射腔的溫度分布進行分析，必要時可能需要更換內錐腔的材料以減輕重量。

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