腔式寬光譜高吸收比標準器研制及測試分析

康品春

(廈門市計量檢定測試院,廈門 361004)

1 引言

研制吸收比達99.9%以上且具有寬光譜吸收特性的高吸收比標準器,可解決高吸收比極端量量值溯源難題,解決高吸收比在線現場計量難題,實現光譜高吸收比扁平化量值傳遞[1]。采用原子層沉積(ALD)工藝,利用垂直碳納米管陣列(VACNTs)的稀疏結構和碳納米管本身具有的中空結構,制備超黑垂直生長碳納米陣列涂層,可實現可見光高吸收比標準器的研制[2]。此外,通過設計獨特的腔體結構研制腔式吸收器也可提高光吸收率,獲得高吸收比標準器[3]。

腔式吸收器的腔體結構有光陷阱作用,能進一步限制光從吸收器逸出,比相同材料的二維平面吸收器具有更高吸收率。通過模擬和實際測量相結合的方法設計高吸收率的腔式吸收器。腔式吸收器吸收率的模擬方法主要有積分方程理論、Gouffe法、Buckle-Sparrow 算法以及多次反射理論中的DeVos 法和蒙特卡羅法[4]。Gouffe 法假定入射光線經過反射后呈均勻分布,根據非透明腔式吸收器的透射率為零的基本原理,即吸收率和反射率之和為1,通過求腔口反射出來的入射光線的能量,計算腔式吸收器的吸收率[5]。蒙特卡羅法作為一種概率統計數值方法,能非常容易地處理復雜腔式吸收器的形狀,且物理解釋非常清楚,被廣泛應用于腔式吸收器光譜吸收率的模擬[6]。我們基于Gouffe 法和蒙特卡羅法,使用Fred 軟件對圓柱圓錐形腔吸收器、球形腔吸收器和不同直徑帶螺紋圓柱形腔吸收器在入射能量相同時的出射能量進行模擬,制作出腔式吸收器實物,在300～1 100 nm 波長范圍進行光譜吸收率的測量,以對軟件模擬結果進行驗證[7]。

2 腔式吸收器的研制

2.1 軟件模擬

使用Fred 軟件模擬圓柱圓錐形腔吸收器、球形腔吸收器和不同直徑帶螺紋圓柱形腔吸收器的光譜吸收率,如圖1 所示。在Fred 軟件中,設置光源為平行光源且尺寸與吸收器腔口相同,即圖1 中的白色圓形區域,位于吸收器的左側;用于接收經吸收器反射和散射后出射能量的分析面為方形區域,位于光源的左側。用于控制吸收器開口面積的光闌為綠色區域,其固定在吸收器上;藍色部位為不同腔體形狀的吸收器,分別為(a)120°錐底角圓柱圓錐形Φ25.4 mm×80 mm 腔吸收器;(b)球形Φ80 mm 腔吸收器;(c)圓柱形帶螺紋Φ45 mm ×10 mm 腔吸收器;(d)圓柱形帶螺紋Φ35 mm ×10 mm 腔吸收器。在吸收器的內部和擋板靠近吸收器側設置涂層。內壁涂料吸收率的高低會影響腔式吸收器的吸收率,腔式吸收器的吸收率一般隨著內壁涂料吸收率的增加而增加。模型中選擇以黑色朗伯散射為主,吸收率為0.970 的涂層材料。

圖1 不同腔體形狀吸收器模擬結構圖Fig.1 Simulated absorbers with different cavity shapes

利用上述軟件模擬結構對腔口分別為Φ10 mm、Φ15 mm 和Φ25 mm 開孔的吸收器進行模擬,設置尺寸與腔式吸收器開口尺寸相同的平行光源,其發射到吸收器中的總能量為1 w。各腔式吸收器的模擬吸收率結果如圖2 所示,當吸收器開孔面積相同時,圓柱圓錐形腔吸收器的吸收率最接近于1,其次是球形腔吸收器,圓柱形腔吸收器的吸收率最小且兩個不同直徑的圓柱形腔吸收器的吸收率無明顯差別。腔吸收器隨著腔口直徑的增大,從Φ10 mm到Φ25 mm 圓柱圓錐形腔的吸收率無明顯變化;球形腔吸收器的吸收率有輕微的降低;圓柱形腔吸收器的吸收率降低最為明顯,其吸收率從0.995 降低到0.987。無論腔口直徑大或小,圓柱圓錐形和球形的吸收率都在0.999 以上。

圖2 吸收器吸收率隨腔口直徑變化曲線圖Fig.2 Curves of absorbance with different cavity diameters

2.2 實物制作

為了對模擬結果進行驗證,使用鋁合金材料制作出兩套不同腔體的吸收器,如圖3 所示。分別為(a)圓柱形螺紋內壁Ф45 mm ×10 mm 腔吸收器;(b)圓柱形螺紋內壁Ф35 mm ×10 mm 腔吸收器;(c)圓柱圓錐形Ф25.4 mm×80 mm 腔吸收器(120°錐底角,高度僅為圓柱高度);(d)球形Ф80 mm 腔吸收器。吸收器開口由光闌控制,直徑Ф25 mm。其中一套吸收器內壁噴涂一種航空黑漆,另外一套吸收器內壁電鍍納米銅涂層。兩種內部涂層的吸收率均為0.970。

圖3 不同腔體形狀吸收器實物圖Fig.3 Made absorbers with different cavity shapes

3 實物測試分析

3.1 內壁涂料表面形貌

使用日本日立公司Hitachi S-3400N 型號的鎢燈絲掃描電子顯微鏡(SEM)對兩種高吸收率內壁涂料進行表面形貌的檢測。圖4(a)為航天黑漆的SEM 圖,圖中黑漆涂層顆粒直徑約為10 μm,涂層顆粒之間有粘連;圖4(b)為電鍍納米銅涂層的SEM 圖,該涂層為倒三角腔體呈網絡狀結構,形成一個個小的光陷阱,起到高吸收的效果。

圖4 內壁涂料SEM 圖Fig.4 SEM pictures of inner wall coatings

3.2 吸收率測試

對以上兩套八個腔式吸收器在300～1100 nm波段的吸收率使用紫外可見近紅外分光光度計(PerkinElmer 公司lambda1050 +型號)進行測量,測量結果如圖5 所示。測量前,儀器使用美國藍菲光學公司的標準黑板定標,該黑板經中國計量科學研究院校準。使用航空黑漆作為內部涂料的四個吸收器中,圓柱圓錐形和球形的吸收率隨波長無明顯變化,且光譜吸收率平均達到0.999 以上;Ф45 mm 圓柱形腔吸收器和Ф35 mm 圓柱形吸收器腔隨著波長的增加,其吸收率有輕微的先增加后減小的趨勢,在該波段的光譜吸收率平均為0.988。

圖5 不同形狀和內壁涂料吸收器的光譜吸收率圖Fig.5 Curves of absorbance with different cavityshapes and inner wall coatings

使用納米銅作為內部涂料的四個腔式吸收器在600～1 100 nm 波段,圓柱圓錐形和球形的吸收率無明顯變化。Ф45 mm 圓柱形腔吸收器和Ф35 mm圓柱形腔吸收器降低的趨勢比較明顯,從0.998 分別降到0.961 和0.974。在300～600 nm 波段范圍內,Ф45 mm 和Ф35 mm 圓柱形的吸收率均在0.998 以上。由于這兩個圓柱形腔吸收器體積較小,在300～600 nm波段具有一定的實用價值。在300～1 100 nm 波段范圍內,圓柱圓錐形和球形的吸收率在0.999 以上,Ф45 mm 圓柱形腔吸收器光譜吸收率平均為0.991,Ф35 mm 圓柱形腔吸收器光譜吸收率平均為0.988。

對于球形和圓柱圓錐形的腔吸收器,采用航空黑漆和納米銅作為內壁涂料的差別不大,在300～1 100 nm波段的吸收率平均都達0.999 以上。對于Ф45 mm 圓柱形腔吸收器和Ф35 mm 圓柱形腔吸收器,在300～750 nm 波長范圍內采用納米銅作為內部涂料時吸收器的吸收率遠高于采用航空黑漆作為內部涂料時的吸收率。在800～1 100 nm 波段范圍則相反,采用航空黑漆作為內部涂料時吸收器的吸收率比采用納米銅作為內部涂料時的吸收率要高。內壁涂料對腔式吸收器的吸收率有較大的影響,選擇合適的內壁涂料可獲得在特定波段內的高吸收腔式吸收器。采用兩種不同的內部涂層的不同形狀吸收器,在300～1 100 nm 波段范圍內的平均吸收率的測量數值與模擬結果基本一致。

為了對腔式吸收器尺寸和其吸收率的關系進行進一步研究,設計并制作了直徑為25.4 mm,長度分別為20 mm、40 mm 和60 mm 的圓柱形腔吸收器;直徑為60 mm,長度分別為40 mm 和60 mm,螺紋為1 mm的圓柱形腔,并在內壁噴涂航天黑漆。對上述腔式吸收器的吸收率進行測量,測量結果如圖6 所示。從圖中可以看出,設計的圓柱形腔體在300～1 100 nm波段的吸收率基本都在0.995 以上。其中,直徑60 mm、長20 mm 的帶螺紋圓柱形腔吸收器的吸收率最低,但基本在0.995 以上;直徑25.4 mm、長20 mm的圓柱形腔吸收器的吸收率比其稍高,隨著腔體長度的增加,圓柱形腔吸收器的吸收率增加;直徑60 mm、長40 mm 的帶螺紋圓柱形腔吸收器的吸收率和直徑25.4 mm、長40 mm 圓柱形腔吸收器的吸收率在0.998左右。直徑25.4 mm、長60 mm的圓柱形腔吸收器吸收率最高達到0.999 以上。

圖6 不同尺寸腔式吸收器的光譜吸收圖Fig.6 Curves of absorbance with different cavity diameters

4 結束語

使用Fred 軟件模擬和試驗測試相結合研究不同形狀和尺寸腔體對腔式吸收器吸收率的影響。腔吸收率在腔口開孔直徑為25 mm,航空黑漆和納米銅為內壁涂料的情況下,圓柱圓錐形和球形更高,在300～1 100 nm波長范圍內的光譜吸收率平均達0.999 以上。