低温点源黑体关键技术及国内外发展现状

许 杰，杨林华，李 娜

（北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

0 引言

低温点源黑体设备作为红外谱段的标准辐射源，在红外遥感器、热像仪的标定以及深空辐射研究中被广泛应用[1-3]，其工作温度范围一般在373 K以下。随着红外探测器孔径和视场角的增大，要求点源黑体光栏孔径也越来越大，目前已经达到φ100 mm[4]。近年来，为了适应红外探测器大孔径、大视场角的发展需要，面源黑体的发展非常迅速。与点源黑体相比，面源黑体还存在温度均匀性较差（±(0.1～0.5) K）、发射率偏低（0.95～0.985左右）等问题，克服这些难题需要花费巨大的精力和研制成本。因此，大口径点源黑体仍然是现阶段先进、成熟、经济的标准红外辐射源。

本文着重从点源黑体关键技术、国内外较先进的点源黑体技术指标比对等方面进行论述。

1 低温点源黑体关键技术

点源黑体的关键技术主要包括发射腔腔形设计、发射率计算、恒温方式选择等。

1.1 发射腔腔形设计

发射腔是黑体设备的核心器件，其几何参数选择、表面发射率以及表面温度均匀性等因素直接影响黑体设备的发射率指标。

目前常用的几种点源黑体发射腔腔型分别为平口圆柱锥底腔[5]、锥口圆柱内锥腔[6]以及平口圆柱内锥腔，见图1。

图1 3种常用的点源黑体发射腔腔型Fig. 1 Three kinds of point-source black body cavities

图1(a)为平扣圆柱锥底腔，其特点是在发射率计算过程中，锥底与圆柱面之间的辐射没有遮挡，因此公式推导比较简单，腔体加工、制造和装调也相对简便。不足之处是与图1(c)相比，在相同内表面积的情况下，腔体长度要长出很多，造成设备体积加大。

图1(b)为锥口圆柱内锥腔，其特点在于锥口部分，这种设计可以有效减小腔体的温度不均匀度，提高发射腔的温度稳定性。不足之处在于锥口安装好后无法打开，给腔体内表面涂漆带来困难。

图1(c)为平口圆柱内锥腔，是在图1(a)的基础上改进后得到的，其特点是与图1(b)在相同外形尺寸情况下，发射率较高，但腔体温度均匀性稍差。

1.2 发射率计算

关于点源黑体发射率的计算，在此主要介绍近似计算法[7]与积分方程法[8-9]。

近似计算法基于物体之间的辐射换热公式，假设黑体发射腔温度均匀，其发射率表达式为

积分方程法较为复杂，它采用曲线积分和斯托克斯公式等矢量分析法，逐点推导发射腔的表面发射率、发射腔的总发射率，并最终带入腔体内表面温度变化情况，得到该腔体发射率的理论计算结果。这种方法的一般原理是将发射腔按照锥壁（x方向）、锥底（y方向）、锥口（z方向）分别等分成n1、n和m个环带，见图2。通常分别取大于500，且取环带越多，计算精度越高。设每一个小面源面积为 dSi，其表面发射率包括本身的辐射能和其他表面经它反射的辐射能。x方向某点x0处发射率表达式为

式中：εa(x0)为该计算点的初始发射率；A为温度修正系数；ε为材料自身发射率；εa()为各点发射率；为x0处单位面积与xi之间的角系数；y、z方向各点的发射率计算公式以此类推。经过式(2)迭代计算，根据以往经验，当收敛到10-6以后停止迭代，得到各点发射率结果。再按照辐射公式计算各点辐射到光栏处的能量。

图2 积分方程法计算发射率原理图Fig. 2 The emissivity calculation method based on integral equation

1.3 恒温方式

目前低温点源黑体较常用的恒温方式为热管方式、恒温浴方式以及液氮电加热方式。

1.3.1 热管恒温

典型的热管由管壳、吸液芯和端盖组成。将管内抽为1.3×(10-1～10-4)Pa后充以适量的工作液体，使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以液封。热管的一端为蒸发段（加热段），另一端为冷凝段（冷却段），根据应用需要在两段中间布置绝热段。当热管的一端受热时，液体蒸发汽化，蒸气在微小压差下流向另一端放出热量凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。经过这样不间断的循环，热量由热管的一端传至另一端，如图3所示[10]。

图3 热管原理图Fig. 3 The principle diagram of heat pipe

热管黑体的工作原理是：在加热段布置加热器，对热管进行加热，使工质变为气态；在冷凝段再变回液态，通过吸液芯的毛细力或重力回流到加热段，再次被加热成为气态；这样反复循环，达到换热目的。对加热量进行调节，使其与黑体设备在指定温度的热量散失相等，即可将发射腔温度维持在指定温度。

1.3.2 恒温浴恒温

恒温浴方式主要分为水浴方式与油浴方式两种，其工作原理基本相同，只是工质不同，因此工作温度范围也不相同。水浴黑体的温度范围一般在288～373 K[4]，油浴黑体则为343～453 K[11]。恒温浴黑体一般由发射腔、浴槽、温度传感器、温控软件和保温层几部分组成，通过控温系统对浴槽进行加热，发射腔位于浴槽内部，与浴槽等温，以此方式实现发射腔的温度控制。

1.3.3 液氮电加热恒温

该恒温方式的黑体腔体由发射腔和辐射腔组成，两者具有相同的传热结构，即壁上都开有螺旋槽，外面套上加热套管，端面焊接，形成冷却流体管路，外加热套管上安装加热片，可同时升温。发射腔采用标准铂电阻温度计放在内锥底部，辐射腔采用工业铂电阻温度计粘贴在加热套管壁上。在工作状态下，发射腔和辐射腔之间为高真空环境，主要通过辐射方式换热。在发射腔的外表面和辐射腔的内表面喷涂高发射率黑漆，保证两者同时升温和热补偿。此种结构中，辐射腔是保证发射腔温度稳定性的重要环节。

在这种控温方式下，辐射腔加热器的负载为腔体热容和向外界辐射传热损失，发射腔加热器负载主要为升温状态时发射腔的热容。发射腔加热为主加热，辐射腔加热为维持加热。当发射腔达到某一控温点 T0时进入控温，腔体热源停止工作，只有辐射腔的热源起保温作用。

1.3.4 小结

各种恒温方式的黑体控温范围及温度稳定性见表1。可以看出，采用热管恒温方式的黑体温度稳定性最好，恒温浴方式则相对较低。实际使用时采用何种加热方式，主要应对工作温度范围、温度稳定性以及应用环境特点等几种因素综合考虑。

表1 各种恒温方式的黑体控温范围及温度稳定性Table 1 The temperature range and stability of black body with different control methods

2 国内外主要低温点源黑体设备性能指标

2.1 美国国家标准技术研究院（NIST）热管黑体

该热管黑体外形如图4所示。内腔为圆柱形，底端为圆锥型，口径φ38 mm，长500 mm，工作温度范围 323～523 K，腔体温度均匀性优于±0.005 K，稳定性优于±0.01 K/16 h，控温精度± 0.01 K，发射率大于0.999。

图4 美国NIST热管黑体外形图Fig. 4 The heat pipe blackbody of NIST

2.2 美国EOI公司点源黑体

美国EOI公司生产的SS系列点源黑体，采用参数可调的PID腔体控温方式，主要用于红外遥感器标定。发射腔的腔型为圆柱体，口径为φ6.35 mm（0.25 inch）～φ50.8 mm（2 inch），工作温度范围为323～1 623 K，稳定性±(0.1～0.25)K，均匀性±(0.5～3)K；控温精度达到±0.25 K，面板显示精度±0.01 K，温度设置分辨率0.1 K，有效发射率大于0.999。

2.3 德国自然工程科学研究所（PTB）ME20型点源黑体[12]

德国PTB点源黑体采用恒温浴控温方式，工质采用特殊的硅油、水和乙二醇混合物。原理见图5。腔体开口直径φ60 mm，工作温度范围253～623 K，温度稳定性±0.1 K/2 h，温度均匀性优于±0.1 K，最大温度不确定度在623 K时为±0.9 K，理论发射率大于0.999。

图5 德国PTB ME20型点源黑体原理图Fig. 5 The black body manufactured by PTB of Germany

2.4 北京卫星环境工程研究所点源黑体

北京卫星环境工程研究所研制的低温点源黑体采用液氮电加热的恒温方式，如图6所示。腔形为圆柱内锥腔，出口直径φ25 mm，工作温度范围90～360 K连续可调，控温精度±0.03 K，腔体温度稳定性±0.03 K/30 min，腔底温度均匀性±0.03 K，发射率大于0.999。

图6 北京卫星环境工程研究所低温点源黑体结构图Fig. 6 The low temperature and point-source black body manufactured by Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering

2.5 中国科学院上海技术物理研究所点源黑体

该所研制的点源黑体设备（HFY-100）主要应用于真空低温环境下的航天红外遥感器定标，采用紫铜圆柱型腔体，工作温度范围180～340 K，口径φ60 mm，传感器为铂电阻，控温精度±0.1 K，轴向均匀性±0.1 K，有效发射率大于0.999。该点源黑体具有外观小巧、结构简单、性能优异的特点，目前已开发为系列产品。

2.6 中国科学院安徽光机所水浴黑体

该黑体受恒温方式的限制，工作温度范围为293～373 K，腔口尺寸φ108 mm，控温精度±0.01 K，有效发射率为 0.998。腔体为铝合金材料，外表面镀有防氧化层，内表面涂红外黑体消光涂料，目前已成功应用于红外遥感器定标工作。

2.7 小结

以上各黑体性能指标对比见表2。

表2 国内外部分点源黑体性能参数比较Table 2 Comparison of some black bodies made in China and other countries

3 低温点源黑体的定标试验应用

3.1 美国Los Alamos国家实验室定标设备[2]

美国Los Alamos国家实验室（LANL）定标设备如图7所示。

图7 LANL定标系统原理图Fig. 7 The radiometric calibration system of LANL

该设备可以标定光栏孔径小于φ406.4 mm（16 inch）的遥感探测器，定标精度在0.4～2.5 µm小于1%，在2.5～12 µm小于3%。其光学系统由离轴准直镜和可以控制方向的扫描平面镜组成，光源为2台黑体、1台积分球、1台单色仪和1台干涉仪。

3.2 法国 Institut d’Astrophysique Spatiale(IAS)定标设备[13]

法国 IAS用于红外宇航相机发射前定标的试验设备见图8，该系统光学系统为1块球面镜和2块平面镜组成，光源为黑体辐射源，由它发出的光线经过硒化锌（ZnSe）窗口进入积分球，均匀后由出口进入光路，成像在探测器焦平面处。

图8 法国IAS定标系统光学平台Fig. 8 The radiometric calibration system in IAS, France

3.3 北京卫星环境工程研究所定标设备[14]

北京卫星环境工程研究所研制的定标设备（见图9）主镜为抛物面反射镜，有效通光孔径为φ500 mm，焦距为4 000 mm，离轴角为10°。积分球和黑体设备放置在抛物镜焦平面处，通过次反射镜进行光路切换。黑体设备已经在2.4节中进行了详细介绍。

图9 北京卫星环境工程研究所定标设备Fig. 9 The radiometric calibration system in Beijing Institute of Satellite Environment Engineering

4 结束语

1）通过对3种常用的黑体辐射腔腔形的比较发现：平口圆柱锥底腔在相同表面积、发射率的情况下，外形尺寸较大，发射率计算相对简单；锥口圆柱内锥腔和平口圆柱内锥腔腔形紧凑，前者的腔体温度均匀性较后者要好，但均温情况下的发射率较低，且加工过程中的工艺复杂。

2）黑体发射率的简单计算方法主要应用于设计初期的发射率估算，确定方案可行性。积分方程法则是一种比较复杂的建模方法，在进行腔形参数优化时使用。

3）在热管、恒温浴以及液氮电加热3种恒温方式中，热管方式的腔体温度均匀性最好，但工艺复杂，工程难度大；恒温浴方式的结构简单，可实现性强。两者共同的不足之处在于受工质限制，工作温度范围有限。液氮电加热方式的工作温度范围宽，但由于系统由加热、液氮等部分组成，在真空低温下使用时进出容器管路多，系统比较复杂。

4）国内研制生产黑体设备的科研院所与国外公司相比，生产的设备性能更好，但研制周期长，费用昂贵。

5）点源黑体作为标准辐射源来标定红外探测器，应用前景广泛。但随着红外探测器孔径的不断增大，要求点源黑体的光栏孔径越来越大，腔体体积和重量不断提高。因此简单通过腔形的缩放已难以满足设计要求，腔体的热设计和支撑机构已成为突出的设计难点，需要建立有限元模型对黑体发射腔的温度分布进行分析，必要时可能需要更换内锥腔的材料以减轻重量。

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