[發明專利]適用50-150K低溫材料光譜發射率測量的方法和裝置

有效

• 申請號: 201910788369.6
• 申請日: 2019-08-26
• 公開（公告）號: CN112432915B
• 公開（公告）日: 2022-07-12
• 發明（設計）人: 章俞之;馬佳玉;吳嶺南;宋力昕
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: G01N21/3563
• 分類號: G01N21/3563
• 代理公司: 上海瀚橋專利代理事務所(普通合伙) 31261
• 代理人: 曹芳玲;張力允

本發明提供一種適用50?150K低溫材料光譜發射率測量的方法和裝置，該裝置包括：傅里葉變換紅外光譜測量系統、機械調制解調裝置、輻射收集系統、真空低溫信號輻射系統。傅里葉變換紅外光譜測量系統，包括傅里葉變換紅外光譜儀、計算機和連接裝置；所述的機械調制解調系統，包括用以機械調制的斬波器及用以解調制的鎖相放大器；斬波器的參考信號輸出端與鎖相放大器的參考信號輸入端相連；鎖相放大器的信號輸入端與輻射熱測量計的信號輸出端相連，其輸出端與電路控制板的輸入端相連。所述的輻射收集系統，包括用于收集低溫輻射信號的拋物面金鏡和用于改變低溫輻射信號傳播方向的平面金鏡。所述的真空低溫信號輻射系統，包括氦氣閉循環制冷機、樣品臺。

技術領域

本發明涉及一種低溫下遠紅外材料熱輻射性能測試的方法和裝置，具體涉及一種適用50～150K低溫材料光譜發射率測量的方法和裝置。

背景技術

現今各航天大國都在致力于太空探索，而太空為真空黑冷的環境，航天器的熱量交換主要是通過熱輻射的方式進行。在深空探測中，無太陽光照射時，一般通過發射率ε來表征材料的熱輻射性能。對于火星登陸以及發展太空望遠鏡需要材料在50～150K下特定波段的發射率數據，因此，低溫下材料光譜發射率的測量是個亟待解決的問題。由普朗克定律知，溫度對黑體輻射強度有很大的影響，通常溫度越低，輻射強度越低。由維恩定理得，50K時材料熱輻射電磁波主要集中在遠紅外波段。在低溫下，由于背景輻射對待測輻射信號的干擾，獲得低溫發射率的實例很少。

從五十年代開始，在材料科學、空間技術、核能及計算機技術等許多重大科學技術發展的推動下，發射率的研究取得了長足的發展和完善。根據測試原理的不同，將測試發射率的方法分為量熱法、反射法、多波長法和能量法，量熱法按熱流狀態可分為穩態法及瞬態法。而前三種方法都存在著各自的缺點，穩態法只能測試全波長半球發射率，不能測量光譜或定向發射率；瞬態量熱法被測對象只能是導體材料；反射法只適用于不透明樣品；多波長法理論不夠完善，算法對材料的適用性差，測量精度不高。相比之下，能量法不僅能獲得樣品的光譜發射率，而且適用材料范圍廣，原理明了，測試周期短。因此我們采用能量法進行材料遠紅外低溫光譜發射率的測試。

發明人已基于傅里葉變換紅外光譜儀干涉調制和斬波器機械調制相結合的雙調制技術，創新地獲得了高質量中紅外輻射光譜，其具有高靈敏度，低背景輻射干擾，操作便捷等優點。基于上述經驗，提出了利用雙調制技術測量樣品和黑體遠紅外低溫光譜發射率的構想，用于研究低溫下材料遠紅外波段的熱輻射性能。

發明內容

在低溫環境下，為了獲得高質量的輻射信號，精確控制樣品溫度、減少背景輻射對待測輻射信號的干擾是個重要問題。

本發明一方面提供一種適用50～150K低溫材料光譜發射率測量的裝置，包括：

傅里葉變換紅外光譜測量系統、機械調制解調裝置、輻射收集系統、真空低溫信號輻射系統。

所述的傅里葉變換紅外光譜測量系統，包括傅里葉變換紅外光譜儀、計算機和連接裝置；傅里葉變換紅外光譜儀包括對低溫輻射信號進行干涉調制的干涉儀、對遠紅外波段具有高靈敏度的液氦制冷輻射熱測量計、用于采集數據的電路控制板；連接裝置由金剛石窗片、雙面法蘭及波紋管組成，用于連接傅里葉變換紅外光譜儀與真空低溫信號輻射系統的氦氣閉循環制冷機以保證裝置具有良好的密封性；電路控制板與計算機相連，通過的傅里葉逆變換對干涉調制進行解調，獲得低溫光譜。

所述的機械調制解調系統，包括用以機械調制的斬波器及用以解調制的鎖相放大器；斬波器的參考信號輸出端與鎖相放大器的參考信號輸入端相連；鎖相放大器的信號輸入端與輻射熱測量計的信號輸出端相連，其輸出端與電路控制板的輸入端相連。

所述的輻射收集系統，包括用于收集低溫輻射信號的拋物面金鏡和用于改變低溫輻射信號傳播方向的平面金鏡。

所述的真空低溫信號輻射系統，包括氦氣閉循環制冷機、樣品臺；樣品臺包括樣品、黑體、和由低溫溫度控制儀控制加熱功率的直流可調加熱電阻,用于調整樣品臺高度的步進裝置；