[發明專利]一種基于全光法的近場熱輻射測量系統及測量方法

在審

• 申請號: 202310461931.0
• 申請日: 2023-04-26
• 公開（公告）號: CN116539162A
• 公開（公告）日: 2023-08-04
• 發明（設計）人: 馬云貴;張森;黨雍迪;李欣苒;李雨萱
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01J5/02
• 分類號: G01J5/02;G01J5/061;G01J5/48;G01J5/90
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 鄭海峰

1.一種基于全光法的近場熱輻射測量系統，其特征在于，包括熱沉襯底(1)、由待測材料加工而成的接收體(2)、由待測材料加工而成的輻射體(3)、間隔物(4)、激光器(5)、熱成像模塊(6)、真空腔室(7)；

所述真空腔室(7)用于提供真空環境，其頂部開設有視窗，其內部放置有所述的輻射體(3)、接收體(2)、熱沉襯底(1)以及間隔物(4)，所述熱沉襯底(1)通過導熱膠黏附在真空腔室底部的上表面；所述接收體(2)的下表面黏附在熱沉襯底(1)的上表面，熱沉襯底(1)和真空腔室均為導熱材料，使接收體(2)與真空腔室外部環境溫度共溫；所述間隔物(4)為柱狀結構，間隔物(4)設置在接收體(2)的上表面；間隔物上放置所述輻射體(3)；輻射體與接收體表面平行，輻射體的尺寸小于接收體；所述激光器(5)和熱成像模塊(6)設置在真空腔室(7)外；激光器(5)用于對輻射體(3)進行加熱；熱成像模塊(6)用于記錄輻射體(3)的溫度變化。

2.根據權利要求1所述的近場熱輻射測量系統，其特征在于，輻射體與接收體的表面進行納米級拋光，以保證輻射體與接收體表面平行，輻射體的尺寸小于接收體。

3.根據權利要求1所述的近場熱輻射測量系統，其特征在于，所述真空腔室(7)提供真空度小于10^-4Pa的真空環境。

4.根據權利要求1所述的近場熱輻射測量系統，其特征在于，所述熱成像模塊(6)包括熱成像儀與紅外微距透鏡。

5.一種基于權利要求1所述測量系統的近場熱輻射測量方法，其特征在于，包括以下步驟：

1)利用待測材料加工得到接收體(2)和輻射體(3)，對輻射體與接收體的表面進行納米級拋光，以保證輻射體與接收體表面平行，輻射體的尺寸小于接收體；

2)通過導熱膠將熱沉襯底(1)粘附在真空腔室(7)底部的上表面，并將接收體(2)的下表面黏附在熱沉襯底(1)的上表面；

3)采用光刻工藝在接收體上表面制作間隔物(4)，間隔物(4)用于支撐輻射體；

4)在輻射體的上表面噴涂黑體漆，將輻射體放置在間隔物上；

5)開啟激光器，激光器通過真空腔室(7)的視窗向輻射體發射激光，穩定加熱輻射體至輻射體達到熱穩態；關閉激光器再利用熱成像模塊錄制輻射體降溫過程的溫度與時間變化，并將數據導入計算機得到降溫曲線；

6)利用能量守恒定理，對降溫曲線進行分析，獲得不同溫差下待測材料的近場熱輻射測量結果。

6.如權利要求5所述近場熱輻射測量方法，其特征在于，所述的步驟2)中，在接收體的上表面上形成厚度為50-500納米的間隔物，所述間隔物為環氧樹脂。

7.如權利要求5所述近場熱輻射測量方法，其特征在于所述的步驟4)中，輻射體放置在間隔物上，輻射體與間隔物接觸面積即為熱傳導面積，記為A_C，假設輻射體溫度為T₁，接收體溫度為T₂，則經由間隔物支撐結構的傳導熱量Q_C為：

Q_C＝A_C×k(T₁-T₂)/d

其中k為間隔物等效導熱系數，由間隔物材料參數確定。

8.如權利要求5所述近場熱輻射測量方法，其特征在于，所述的步驟4)中，激光器發出的激光通過真空腔室視窗正入射至輻射體上表面，通過3-5分鐘即可加熱輻射體達到熱穩態；激光經過限于擴束、準直、聚焦過程，在輻射體上獲得合適大小的光斑，使得僅有輻射體被直接加熱。

9.如權利要求5所述近場熱輻射測量方法，其特征在于，所述的步驟5)中，根據能量守恒定律，同一時刻下，輻射體損失的熱量功率等于經由間隔物的熱傳導Q_C，輻射體的遠場輻射Q_F和輻射體與接收體的近場輻射Q_N能量功率之和；在降溫過程中，輻射體的熱量隨時間t變化Q_T(t)寫作：

Q_T(t)＝cm?dT₁/dt

其中c、m為輻射體的比熱容和質量，dT₁/dt是輻射體的瞬時溫度變化的大小，由熱像儀記錄得到；

在輻射體與周圍環境腔體間還存在遠場輻射通道，其遠場輻射能量Q_F寫作：

其中，A_F是遠場輻射的面積，∈是等效輻射率，由腔體環境的輻射率和輻射體的輻射率決定，σ是斯特潘-玻爾茲曼常數；

輻射體與接收體之間近場熱輻射的測量通過分析輻射體的實時能量守恒過程得到的，即近場熱輻射測量值由下式得到：

Q_N＝Q_T-Q_C-Q_F。