腔式宽光谱高吸收比标准器研制及测试分析

康品春

(厦门市计量检定测试院,厦门 361004)

1 引言

研制吸收比达99.9%以上且具有宽光谱吸收特性的高吸收比标准器,可解决高吸收比极端量量值溯源难题,解决高吸收比在线现场计量难题,实现光谱高吸收比扁平化量值传递[1]。采用原子层沉积(ALD)工艺,利用垂直碳纳米管阵列(VACNTs)的稀疏结构和碳纳米管本身具有的中空结构,制备超黑垂直生长碳纳米阵列涂层,可实现可见光高吸收比标准器的研制[2]。此外,通过设计独特的腔体结构研制腔式吸收器也可提高光吸收率,获得高吸收比标准器[3]。

腔式吸收器的腔体结构有光陷阱作用,能进一步限制光从吸收器逸出,比相同材料的二维平面吸收器具有更高吸收率。通过模拟和实际测量相结合的方法设计高吸收率的腔式吸收器。腔式吸收器吸收率的模拟方法主要有积分方程理论、Gouffe法、Buckle-Sparrow 算法以及多次反射理论中的DeVos 法和蒙特卡罗法[4]。Gouffe 法假定入射光线经过反射后呈均匀分布,根据非透明腔式吸收器的透射率为零的基本原理,即吸收率和反射率之和为1,通过求腔口反射出来的入射光线的能量,计算腔式吸收器的吸收率[5]。蒙特卡罗法作为一种概率统计数值方法,能非常容易地处理复杂腔式吸收器的形状,且物理解释非常清楚,被广泛应用于腔式吸收器光谱吸收率的模拟[6]。我们基于Gouffe 法和蒙特卡罗法,使用Fred 软件对圆柱圆锥形腔吸收器、球形腔吸收器和不同直径带螺纹圆柱形腔吸收器在入射能量相同时的出射能量进行模拟,制作出腔式吸收器实物,在300～1 100 nm 波长范围进行光谱吸收率的测量,以对软件模拟结果进行验证[7]。

2 腔式吸收器的研制

2.1 软件模拟

使用Fred 软件模拟圆柱圆锥形腔吸收器、球形腔吸收器和不同直径带螺纹圆柱形腔吸收器的光谱吸收率,如图1 所示。在Fred 软件中,设置光源为平行光源且尺寸与吸收器腔口相同,即图1 中的白色圆形区域,位于吸收器的左侧;用于接收经吸收器反射和散射后出射能量的分析面为方形区域,位于光源的左侧。用于控制吸收器开口面积的光阑为绿色区域,其固定在吸收器上;蓝色部位为不同腔体形状的吸收器,分别为(a)120°锥底角圆柱圆锥形Φ25.4 mm×80 mm 腔吸收器;(b)球形Φ80 mm 腔吸收器;(c)圆柱形带螺纹Φ45 mm ×10 mm 腔吸收器;(d)圆柱形带螺纹Φ35 mm ×10 mm 腔吸收器。在吸收器的内部和挡板靠近吸收器侧设置涂层。内壁涂料吸收率的高低会影响腔式吸收器的吸收率,腔式吸收器的吸收率一般随着内壁涂料吸收率的增加而增加。模型中选择以黑色朗伯散射为主,吸收率为0.970 的涂层材料。

图1 不同腔体形状吸收器模拟结构图Fig.1 Simulated absorbers with different cavity shapes

利用上述软件模拟结构对腔口分别为Φ10 mm、Φ15 mm 和Φ25 mm 开孔的吸收器进行模拟,设置尺寸与腔式吸收器开口尺寸相同的平行光源,其发射到吸收器中的总能量为1 w。各腔式吸收器的模拟吸收率结果如图2 所示,当吸收器开孔面积相同时,圆柱圆锥形腔吸收器的吸收率最接近于1,其次是球形腔吸收器,圆柱形腔吸收器的吸收率最小且两个不同直径的圆柱形腔吸收器的吸收率无明显差别。腔吸收器随着腔口直径的增大,从Φ10 mm到Φ25 mm 圆柱圆锥形腔的吸收率无明显变化;球形腔吸收器的吸收率有轻微的降低;圆柱形腔吸收器的吸收率降低最为明显,其吸收率从0.995 降低到0.987。无论腔口直径大或小,圆柱圆锥形和球形的吸收率都在0.999 以上。

图2 吸收器吸收率随腔口直径变化曲线图Fig.2 Curves of absorbance with different cavity diameters

2.2 实物制作

为了对模拟结果进行验证,使用铝合金材料制作出两套不同腔体的吸收器,如图3 所示。分别为(a)圆柱形螺纹内壁Ф45 mm ×10 mm 腔吸收器;(b)圆柱形螺纹内壁Ф35 mm ×10 mm 腔吸收器;(c)圆柱圆锥形Ф25.4 mm×80 mm 腔吸收器(120°锥底角,高度仅为圆柱高度);(d)球形Ф80 mm 腔吸收器。吸收器开口由光阑控制,直径Ф25 mm。其中一套吸收器内壁喷涂一种航空黑漆,另外一套吸收器内壁电镀纳米铜涂层。两种内部涂层的吸收率均为0.970。

图3 不同腔体形状吸收器实物图Fig.3 Made absorbers with different cavity shapes

3 实物测试分析

3.1 内壁涂料表面形貌

使用日本日立公司Hitachi S-3400N 型号的钨灯丝扫描电子显微镜(SEM)对两种高吸收率内壁涂料进行表面形貌的检测。图4(a)为航天黑漆的SEM 图,图中黑漆涂层颗粒直径约为10 μm,涂层颗粒之间有粘连;图4(b)为电镀纳米铜涂层的SEM 图,该涂层为倒三角腔体呈网络状结构,形成一个个小的光陷阱,起到高吸收的效果。

图4 内壁涂料SEM 图Fig.4 SEM pictures of inner wall coatings

3.2 吸收率测试

对以上两套八个腔式吸收器在300～1100 nm波段的吸收率使用紫外可见近红外分光光度计(PerkinElmer 公司lambda1050 +型号)进行测量,测量结果如图5 所示。测量前,仪器使用美国蓝菲光学公司的标准黑板定标,该黑板经中国计量科学研究院校准。使用航空黑漆作为内部涂料的四个吸收器中,圆柱圆锥形和球形的吸收率随波长无明显变化,且光谱吸收率平均达到0.999 以上;Ф45 mm 圆柱形腔吸收器和Ф35 mm 圆柱形吸收器腔随着波长的增加,其吸收率有轻微的先增加后减小的趋势,在该波段的光谱吸收率平均为0.988。

图5 不同形状和内壁涂料吸收器的光谱吸收率图Fig.5 Curves of absorbance with different cavityshapes and inner wall coatings

使用纳米铜作为内部涂料的四个腔式吸收器在600～1 100 nm 波段,圆柱圆锥形和球形的吸收率无明显变化。Ф45 mm 圆柱形腔吸收器和Ф35 mm圆柱形腔吸收器降低的趋势比较明显,从0.998 分别降到0.961 和0.974。在300～600 nm 波段范围内,Ф45 mm 和Ф35 mm 圆柱形的吸收率均在0.998 以上。由于这两个圆柱形腔吸收器体积较小,在300～600 nm波段具有一定的实用价值。在300～1 100 nm 波段范围内,圆柱圆锥形和球形的吸收率在0.999 以上,Ф45 mm 圆柱形腔吸收器光谱吸收率平均为0.991,Ф35 mm 圆柱形腔吸收器光谱吸收率平均为0.988。

对于球形和圆柱圆锥形的腔吸收器,采用航空黑漆和纳米铜作为内壁涂料的差别不大,在300～1 100 nm波段的吸收率平均都达0.999 以上。对于Ф45 mm 圆柱形腔吸收器和Ф35 mm 圆柱形腔吸收器,在300～750 nm 波长范围内采用纳米铜作为内部涂料时吸收器的吸收率远高于采用航空黑漆作为内部涂料时的吸收率。在800～1 100 nm 波段范围则相反,采用航空黑漆作为内部涂料时吸收器的吸收率比采用纳米铜作为内部涂料时的吸收率要高。内壁涂料对腔式吸收器的吸收率有较大的影响,选择合适的内壁涂料可获得在特定波段内的高吸收腔式吸收器。采用两种不同的内部涂层的不同形状吸收器,在300～1 100 nm 波段范围内的平均吸收率的测量数值与模拟结果基本一致。

为了对腔式吸收器尺寸和其吸收率的关系进行进一步研究,设计并制作了直径为25.4 mm,长度分别为20 mm、40 mm 和60 mm 的圆柱形腔吸收器;直径为60 mm,长度分别为40 mm 和60 mm,螺纹为1 mm的圆柱形腔,并在内壁喷涂航天黑漆。对上述腔式吸收器的吸收率进行测量,测量结果如图6 所示。从图中可以看出,设计的圆柱形腔体在300～1 100 nm波段的吸收率基本都在0.995 以上。其中,直径60 mm、长20 mm 的带螺纹圆柱形腔吸收器的吸收率最低,但基本在0.995 以上;直径25.4 mm、长20 mm的圆柱形腔吸收器的吸收率比其稍高,随着腔体长度的增加,圆柱形腔吸收器的吸收率增加;直径60 mm、长40 mm 的带螺纹圆柱形腔吸收器的吸收率和直径25.4 mm、长40 mm 圆柱形腔吸收器的吸收率在0.998左右。直径25.4 mm、长60 mm的圆柱形腔吸收器吸收率最高达到0.999 以上。

图6 不同尺寸腔式吸收器的光谱吸收图Fig.6 Curves of absorbance with different cavity diameters

4 结束语

使用Fred 软件模拟和试验测试相结合研究不同形状和尺寸腔体对腔式吸收器吸收率的影响。腔吸收率在腔口开孔直径为25 mm,航空黑漆和纳米铜为内壁涂料的情况下,圆柱圆锥形和球形更高,在300～1 100 nm波长范围内的光谱吸收率平均达0.999 以上。