黑体辐射源的发展

　　0　引言

　　1990年国际温标( ITS-90)规定,用黑体辐射的光谱辐射亮度来复现温度。黑体辐射源在辐射测温溯源中的作用日益突出,黑体辐射源不仅是作为标定红外测温仪的标准器,还将迅速发展成为下一次辐射测温温区CIPM (国际计量委员会)关键比对用仪器,进而成为温标保存仪器。由于黑体辐射源在辐射测量领域的特殊地位,使其在辐射测温、遥感、遥测、红外加热等诸多领域有重要而广泛的应用。

　　1　黑体辐射源的发展历史

　　1860年,基尔霍夫提出理想黑体理论:从密闭等温腔体内的任意面元上发出的辐射是等温腔体温度下的黑体辐射。自然界并不存在理想的黑体,基尔霍夫这一理想黑体物理模型为人们研制人工黑体提供了基本方法,即在密闭等温腔体上开一个小孔,从小孔中发出的辐射近似为黑体辐射,开孔腔体即为空腔式黑体辐射源。早期的黑体辐射源,结构简单,腔体材料多应用碳硅化物、陶瓷或石墨,采用恒温油槽或非均匀布置的加热丝来取得均匀温场,为取得较好的黑体辐射特性,开口孔径都比较小。比较典型的有1960年由Bed-ford设计的工作于200℃的黑体炉,恒温油均温,光阑朝下,探测器可见内表面温差小于0·01℃,εn=0·998±0·001; 1966年,由Clark和Moore设计的工作于1100~1325℃的黑体炉,加热丝非均匀布置,空腔内表面覆盖镍氧化层(Ni2O3)。

　　上世纪70年代以后,黑体辐射源的设计趋于成熟,同时伴随着热管技术的进步,黑体源的设计开始和热管相结合,温度均匀性进一步提高,并且出现了大口径面辐射源。1970年, Bliss设计的热管黑体应用于420~760℃,其中热管工质为钠,腔形为双锥; Busse在1975至1980年期间设计了一系列利用水或钠作为工质的控压热管,温度上限为800℃,其表面温度均匀性达到毫开水平。近年来,我国在热管黑体研制方面也取得了一系列的成果:上世纪80年代中期我国东北大学的高魁明、谢植等人研制了重力式热管黑体辐射源,其温度范围为40~150℃,采用水/铜型热管,其最大温差为0·4~0·6℃,靶面有效发射率大于0·9995以上;西安电子科技大学的张锡华等人研制了直径80 mm、钾工质热管式大口径面辐射源。该辐射源采用新的热管结构,毛细力-重力联合型结构,其工作温度为450~720℃,水冷式,消耗功率小,升温快,体积小,取得了很好的效果;国家计量院闫小克等人研制的高精度钠热管固定点炉,垂直温场均匀性可达到11mK。在各国科技人员的积极探索下,几十年来,黑体辐射源的研究取得了很大的进步,模拟黑体和理想黑体的差异越来越小,性能指标逐步提高,在温度量值传递、辐射测温溯源、温度传感器校准方面发挥着越来越重要的作用。

　　2　黑体辐射源的具体研究内容