李 凱, 郝小鵬, 宋 健, 孫建平, 胡朝云,劉 洋,3, 扈又華, 楊延龍

(1. 成都理工大學 核技術與自動化工程學院,四川 成都 610059;2. 中國計量科學研究院,北京 100029;3. 西安工程大學 理學院,陜西 西安 710048)

1 引 言

隨著我國在航天紅外遙感領域不斷取得新的突破,對地觀測技術朝著定量化、全球化和多參量協(xié)同觀測的方向發(fā)展[1]。特別是在氣候變化、防災減災和數(shù)值天氣預報等領域,對定量化水平的要求更為嚴格。例如,氣候變化監(jiān)測就要求紅外遙感載荷必須滿足優(yōu)于0.1 K的測量不確定度(k=3)和每10年0.04 K的穩(wěn)定性[2～4]。如此高的定量化水平對紅外載荷的研制提出了新的挑戰(zhàn),同時對紅外載荷的輻射定標也有了更高精度的要求。因此建立能夠溯源到國際單位制(SI)的計量標準裝置、實現(xiàn)對定標黑體的高精度校準以及建立有效的量值傳遞體系就顯得尤為重要[5]。

目前,國際上在紅外遙感亮度溫度計量標準方面已經(jīng)開展了大量的研究工作。例如,德國物理技術研究院(PTB)為歐洲對地觀測項目的輻射定標工作研制了真空低背景紅外亮度溫度標準裝置。其量值傳遞分為兩步,首先以銦相變固定點和鎵相變固定點黑體輻射源作為參考源,直接采用ITS-90國際溫標的定義值;再利用2個變溫黑體輻射源實現(xiàn)從100.15～703.15 K的覆蓋,將變溫黑體的量值通過傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)和光譜傳遞輻射計(CVF)傳遞給用戶黑體[6]。美國標準技術研究院(NIST)為紅外遙感載荷的定標研制了中(低)溫背景紅外亮度溫度標準裝置、紅外傳遞輻射計和大口徑鎵固定點黑體等裝置,并且為氣候絕對亮度和反射觀測計劃CLARREO設計了新一代紅外亮度溫度標準裝置,但由于經(jīng)費原因擱淺了[7～10]。俄羅斯全俄光學計量院研制了真空紅外標定裝置、真空標準黑體輻射源和鎵固定點黑體輻射源[11]。

國際上都是通過固定點黑體輻射源將亮度溫度最終溯源到ITS-90國際溫標。中國計量科學研究院(NIM)研制建立了我國首套真空低背景紅外高光譜亮度溫度計量標準裝置(VRTSF)。該裝置主要包括真空低背景環(huán)模艙、光路切換艙、190～340 K中溫標準黑體輻射源、125～500 K寬溫標準黑體輻射源、真空鎵固定點黑體輻射源、真空汞固定點黑體輻射源、真空銦固定點黑體輻射源、液氮零點黑體輻射源、真空冷卻光路系統(tǒng)、傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)和數(shù)據(jù)測試采集系統(tǒng)等部分。該裝置通過真空和液氮冷卻環(huán)境,實現(xiàn)了模擬空間環(huán)境和降低背景輻射的目的。最終形成了以汞(234.316 K)、鎵(302.915 K)、銦(429.749 K)固定點黑體輻射源作為量值基準源,以標準變溫黑體輻射源(125～500 K)作為工作標準源的量值傳遞體系[12～14]。

本文主要介紹了NIM研制的VRTSF系統(tǒng)中的真空汞固定點黑體輻射源(汞黑體),闡述了汞黑體的結(jié)構(gòu)、工作原理、性能測試結(jié)果,并對汞黑體的不確定度進行了分析。

2 汞黑體設計方案和工作原理

真空汞固定點黑體輻射源作為VRTSF系統(tǒng)中的重要組成部分,其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 真空汞固定點黑體輻射源的整體設計方案

黑體輻射源位于真空容器外殼2與法蘭組件1形成的真空室內(nèi),真空容器外殼與法蘭均為不銹鋼材料。真空容器外殼與溫控筒4之間安裝了一層表面拋光的不銹鋼防輻射屏3,可抑制黑體與外界環(huán)境因輻射進行熱交換,從而減少相應的熱損失。黑體空腔5的腔型為圓柱圓錐型,腔深260 mm,開口直徑為25 mm,空腔內(nèi)徑為28 mm,錐度角120°,由導熱性能較好的無氧銅材料制作而成;黑體空腔內(nèi)壁表面噴涂了高發(fā)射率涂層,涂層材料為Nextel Velvet 811-21,研究表明在8～14 μm波長范圍內(nèi),該涂層的法向發(fā)射率優(yōu)于0.96[15]。溫控筒內(nèi)安裝有固定點坩堝9,同時溫控筒的底部設計了一個溫度計阱11,深入到固定點坩堝內(nèi)部,溫度計阱內(nèi)安裝了Pt100高精度鉑電阻溫度計,用于監(jiān)測坩堝內(nèi)高純金屬汞的溫度。固定點坩堝內(nèi)壁和黑體空腔外壁表面都噴涂了聚四氟乙烯薄層,用于防止高純汞金屬被污染。在坩堝內(nèi)通過灌注管6灌注了99.999 9%的高純金屬汞;灌注完成后,使用黑體空腔上自帶的密封蓋將高純汞金屬密封在固定點坩堝內(nèi),同時對灌注管也做了密封處理。在控溫筒上均勻纏繞著冷卻管10,用于輸送恒溫液體;恒溫液體進出口12連接外部的Julabo-FP89恒溫循環(huán)器,使用無水乙醇作為導熱介質(zhì),實現(xiàn)水浴控溫。在黑體空腔前設計了1個25 mm的光闌7,減少雜散光進入黑體空腔內(nèi)。真空汞固定點黑體輻射源作為量值基準源的重要組成部分,主要技術指標如表1所示。

表1 真空汞固定點黑體輻射源的技術指標

3 汞黑體空腔發(fā)射率

3.1 汞黑體空腔發(fā)射率的仿真計算

使用基于蒙特卡羅黑體發(fā)射率仿真軟件STEEP3計算了黑體空腔法向發(fā)射率。根據(jù)黑體空腔尺寸建立黑體空腔模型,將黑體腔內(nèi)壁表面噴涂的高發(fā)射率涂層( NEXTEL 811-21) 的光譜發(fā)射率特性導入該黑體空腔涂層屬性中。在8～14 μm的波長范圍內(nèi),黑體空腔等溫時的法向發(fā)射率大于0.999 9。仿真計算結(jié)果如圖2所示。

圖2 汞固定點黑體空腔法向有效發(fā)射率仿真計算結(jié)果

3.2 汞黑體空腔發(fā)射率的測量

在中國計量科學研究院建立的基于控制環(huán)境輻射的發(fā)射率測量裝置中測量汞黑體的空腔發(fā)射率[16,17]。此裝置包含兩種測量方式,第一種是通過紅外輻射溫度計(TRT)快速測量黑體8～14 μm譜段的發(fā)射率;第二種是利用FTIR測量黑體的光譜發(fā)射率。該發(fā)射率測量裝置主要包括放置在黑體腔開口前的常溫(或高溫)輻射板、降低雜散輻射的水冷光闌、平面反射鏡、TRT、FTIR、電控平移臺、精密測溫儀(ASLF500)及計算機采集系統(tǒng)等。裝置示意圖如圖3所示。

圖3 基于控制環(huán)境輻射的黑體發(fā)射率測量裝置示意圖

此發(fā)射率測量裝置工作在室溫大氣環(huán)境下。如圖3所示,將汞固定點黑體安裝于該裝置的待測黑體位置,并瞄準汞固定點黑體空腔口部;使用TRT(或FTIR)測量汞黑體的輻射亮度信號,在汞固定點黑體前放置2個不同溫度的高發(fā)射率的輻射板,通過電控平移臺將2個輻射板交替移動于黑體正前方,即可實現(xiàn)控制環(huán)境輻射的黑體發(fā)射率測量。實驗中通過測量汞固定點黑體反射的能量變化,計算出汞固定點黑體的反射率從而得到其發(fā)射率。實驗流程為,將輻射板移動到黑體輻射源口部和水冷光闌之間,由TRT(FTIR)測得黑體輻射源的輻射信號,與此同時使用ASLF500采集汞固定點黑體、常溫輻射板和高溫輻射板的接觸溫度,并記錄室溫;如此反復測量10次。取10次結(jié)果的平均值為黑體空腔發(fā)射率。實驗結(jié)果表明:TRT測量汞固定點黑體空腔發(fā)射率為 0.999 7; 光譜儀測量結(jié)果在波長為 8～14 μm的范圍內(nèi)優(yōu)于0.999 8。

基于蒙特卡羅仿真計算的發(fā)射率、TRT測量發(fā)射率和FTIR測量發(fā)射率三者的對比結(jié)果如圖4所示。

圖4 真空汞固定點黑體輻射源的發(fā)射率

基于控制環(huán)境輻射的發(fā)射率測量裝置的測量結(jié)果的合成標準不確定度為0.2%,故汞固定點黑體發(fā)射率實際測量結(jié)果與仿真計算結(jié)果一致。

4 汞黑體溫坪穩(wěn)定性與復現(xiàn)性實驗

4.1 實驗系統(tǒng)與步驟

汞固定點黑體的溫坪穩(wěn)定性與重復性實驗是在中國計量科學研究院的VRTSF系統(tǒng)中完成。實驗系統(tǒng)包括汞固定點黑體、Julabo-FP89恒溫循環(huán)器和1595高分辨測溫電橋。利用VRTSF系統(tǒng)為汞固定點黑體提供高真空環(huán)境。實驗系統(tǒng)組成示意圖如圖5所示。

圖5 真空汞固定點黑體輻射源實驗系統(tǒng)示意圖

汞固定點黑體利用金屬汞在發(fā)生相變的過程中保持溫度不變的特性,可以為黑體空腔提供穩(wěn)定均勻的溫度環(huán)境。汞固定點黑體作為量值基準源,其固定點相變平臺的時長、穩(wěn)定性及重復性是黑體性能的重要指標。實驗步驟如下:

(1)在VRTSF系統(tǒng)上開展實驗,保證真空汞固定點黑體輻射源在實驗過程中處于高真空環(huán)境(真空度≤5×10-4Pa);

(2)通過控溫系統(tǒng)將汞固定點黑體的凝固溫度設置為225.15 K(恒溫循環(huán)器設置溫度),并保持 8 h, 以保證相變金屬汞完全凝固。

(3)在金屬汞完全凝固的條件下,通過控溫系統(tǒng)使汞固定點黑體階段性升溫,升至234.15 K(下平臺),穩(wěn)定1 h之后,通過6 h升至234.50 K(上平臺);

(4)設置控溫系統(tǒng)使汞固定點黑體穩(wěn)定在上平臺,直到其完成相變。

4.2 汞黑體溫坪穩(wěn)定性

根據(jù)上節(jié)所述實驗步驟進行汞固定點黑體的相變實驗,測試汞固定點黑體的相變平臺的穩(wěn)定性。汞固定點黑體腔的底部設計有用于安裝溫度傳感器的溫度計阱,通過安裝的Pt100鉑電阻溫度傳感器判斷汞固定點的相變狀態(tài)并測量其相變平臺的穩(wěn)定性和多次相變的重復性。汞黑體相變平臺的穩(wěn)定性實驗結(jié)果如圖6所示。

將汞固定點黑體的整個相變過程(從下平臺到上平臺)分為3個階段,對每一個階段的溫度值進行線性擬合。以第一階段和第二階段擬合線交點為相變起點,以第二階段和第三階段擬合線交點為相變終點。在起點到終點之間(約408 min)截取中間的1/2(約204 min)的平臺作為汞固定點黑體的相變平臺。實驗表明,汞固定點黑體的第一次相變平臺的平均值為234.324 K,標準偏差為0.001 K,極差為0.006 K,穩(wěn)定性優(yōu)于2 mK。

圖6 真空汞固定點黑體輻射源的相變平臺穩(wěn)定性

4.3 汞黑體溫坪重復性

在測試真空汞固定點黑體輻射源的相變平臺重復性時,參照汞黑體相變的實驗條件和實驗步驟,對汞固定點黑體輻射源進行3次重復實驗。實驗結(jié)果如圖7所示。

圖7 真空汞固定點黑體輻射源相變平臺重復性

將汞固定點黑體的3次相變平臺的平均值和每次相變平臺的標準偏差與極差列于表2。

由表2可知,汞固定點黑體相變平臺的多次重復性(3次測量結(jié)果平均值的極差)優(yōu)于1 mK。

表2 汞固定點黑體3次相變平臺的重復性

5 不確定度分析

根據(jù)國際溫度咨詢委員會第5工作組(CCT-WG5)的銀凝固點以下輻射溫度計校準不確定度評定指導文件內(nèi)容[18],對真空汞固定點黑體輻射源不確定度進行了分析評定。真空汞固定點黑體輻射源的不確定度主要來源有:

灌注金屬汞的純度為99.999 9%,其引入不確定度u1=0.001 K;汞固定黑體的相變平臺選擇引入不確定度u2=0.007 K;汞固定點黑體相變平臺的重復性引入不確定度u3=0.001 K;在環(huán)境溫度為293.15 K時,汞固定點黑體環(huán)境輻射的反射引入的不確定度u4=0.013 K;黑體腔底導熱引入的不確定度u5:汞黑體空腔材料為無氧銅,其導熱性能優(yōu)異,腔底導熱u5引入的不確定度為0.000;根據(jù)汞黑體空腔發(fā)射率的仿真計算結(jié)果,汞黑體空腔有效發(fā)射率優(yōu)于0.999 9。將汞黑體空腔有效發(fā)射率引入的溫度修正量的絕對值除以包含因子 (k=1.73) 作為標準不確定度[19],因此汞黑體空腔有效發(fā)射率引入的不確定度u6=0.005 K。

將上述的不確定度分量及合成標準不確定度uc列于表3。其中合成標準不確定度uc的計算公式為:

(1)

由式(1)計算得,汞固定點黑體輻射源的合成標準不確定度uc=0.016 K。

表3 真空汞固定點黑體輻射源不確定度分析

6 結(jié) 論

本文介紹了真空汞固定點黑體輻射源的設計方案和工作原理,測試了汞固定點黑體的發(fā)射率、溫坪穩(wěn)定性和重復性。實驗結(jié)果表明,汞固定點黑體空腔的法向發(fā)射率優(yōu)于0.999 9,溫坪穩(wěn)定性優(yōu)于 2 mK, 多次重復性優(yōu)于1 mK,合成標準不確定度為16 mK,符合設計要求。汞固定點黑體的成功研制,完善了VRTSF系統(tǒng)的量值傳遞體系,為我國紅外遙感量值水平的提高提供了有力支撐。