автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.15, диссертация на тему:Разработка параметрического ряда эталонных графитовых высокотемпературных черных тел и исследования их метрологических характеристик

Принятые в диссертации сокращения.

Введение.

Актуальность работы, цель, основные задачи диссертации.

Научная новизна работы.

Практическая значимость работы.

Апробация работы.

Публикации.

Объем и структура диссертации.

Основные положения, выносимые на защиту.

Глава 1. Основные тенденции конструирования высокотемпературных черных тел до середины 80-х годов.

1.1. Краткий обзор конструкций высокоточных ВЧТ.

1.2. Требования, предъявляемые к ВЧТ, и проблемы, возникающие при их реализации. Постановка задачи.

Глава 2. Базовые принципы выбора конструкции эталонного широкоапертурного ВЧТ.

2.1. Выбор способа нагрева излучающей полости ВЧТ.

2.2. Выбор материала излучающей полости.

2.3. Оценка эффективной излучательной способности полости ВЧТ.

2.4. Определение термодинамической температуры ВЧТ.

2.5. Выводы к главе 2.

Глава 3. Разработка и исследования параметрического ряда графитовых

3.1. Параметрический ряд графитовых ВЧТ.

3.2. Стабилизация температуры ВЧТ.

3.2.1. Пассивная стабилизация.

3.2.2. Активная стабилизация.

3.3. Исследования метрологических характеристик эталонных графитовых ВЧТ.

3.4. Выводы к главе 3.

Глава 4. Воспроизведение и передача размеров единиц спектрорадиометрических величин в России.

4.1. Государственный первичный радиометрических эталон (ГПЭ-Р).

4.2. Процедуры и результаты международных сличений электронных шкал СПЭЯиСПЭО.

4.2.1. Сличения эталонных шкал СПЭЯ России (ВНИИОФИ) и США (НИСТ).

4.2.2. Международные сличения эталонных шкал СПЭО.

4.2.3. Международные сличения эталонных шкал СПЭО в ближнем ультрафиолете.

4.3. Выводы к главе 4.

Актуальность работы, цель, основные задачи диссертации

До середины текущего столетия основное внимание метрологов, работавших в области теоретической и прикладной фотометрии некогерентного оптического излучения, было приковано к световым измерениям. Совершенствовались источники и приемники светового излучения, методы и приборы для измерения характеризующих его величин и попутно система обеспечения единства измерений в этой немаловажной для человека области его практической деятельности. Было признано необходимым для всей фотометрии считать первичным эталон единицы силы света - канделы и с его помощью воспроизводить и передавать размеры единиц яркости, освещенности, светового потока и пр. Возникла проблема выбора типа излучателя для первичного фотометрического эталона. Метрологи стремились к созданию расчетного излучателя, т.е. источника светового потока, базирующегося на физическом законе, позволяющем при определенных условиях получить уравнение, связывающее параметры излучения с косвенно измеряемыми и рассчитываемыми величинами.

Таким излучателем является черное тело (ЧТ), спектральная плотность энергетической яркости которого описывалась законом Планка. Точность аппроксимации зависит лишь от точности определения эффективной излучательной способности (seff), температуры излучающей полости (Т) и фундаментальных физических констант.

По мере развития науки и техники, а также интенсивного освоения космического пространства потребовалось создавать и совершенствовать систему обеспечения единства измерений в области радиометрии и спектрорадиометрии оптического излучения, охватывающих, в первую очередь, ближние УФ и ИК диапазоны спектра, т.е. диапазон длин волн от -0,2 до ~2,5 мкм. Наряду с энергетическими аналогами перечисленных ранее 6 световых величин важное значение придавалось точным воспроизведению и передаче размеров единиц спектральных плотностей энергетической яркости (СПЭЯ) и энергетической освещенности (СПЭО). Переопределение канделы с ее «привязкой» к единице потока излучения - ватту еще более обострило проблему создания высококачественных радиометрических эталонов и эталонных шкал и выбора принципов их построения. Однако и здесь главным оставался вопрос об основе первичного радиометрического эталона, причем от него требовалось воспроизведение шкал СПЭЯ и СПЭО в упомянутом выше диапазоне длин волн. Поэтому во ВНИИОФИ, головном метрологическом институте страны в области фотометрии и радиометрии оптического излучения, с середины 70-х годов было принято решение, а перед автором с середины 80-х годов поставлена задача выполнения комплекса актуальных разработок и исследований параметрических рядов эталонных высокотемпературных черных тел (ВЧТ).

Стремление к воспроизведению спектрорадиометрических шкал, охватывающих и область УФ с последующей передачей размеров единиц СПЭЯ и СПЭО вторичным эталонным лампам, породило цель диссертационной работы, которую предстояло достичь автору: разработать, всесторонне метрологически исследовать и внедрить в эталонный комплекс широкоапертурные, высокотемпературные черные тела (ВЧТ), позволяющие с достаточной точностью воспроизводить и передавать эталонные шкалы СПЭЯ и СПЭО.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующего ряда научно-технических задач:

- выбора и обоснования конструкции ВЧТ;

- метрологических исследований разработанных ВЧТ;

- исследований разработанных ВЧТ в составе первичного радиометрического эталона; 7

- проведения международных сличений эталонных спектрорадиометрических шкал.

Научная новизна работы

1. Методом Монте-Карло с достаточной точностью оценена эффективная излучательная способность полости с учетом ее геометрии, оптических свойств графитовых стенок и распределения температуры (остаточной неизотермичности).

2. Теоретически обоснован и экспериментально проверен оптический метод измерения термодинамической температуры ВЧТ, обеспечивший измерения в диапазоне > 2500 К с погрешностью < 0,1%.

3. Предложен и реализован способ стабилизации высокотемпературного черного тела, использующий принцип оптической обратной связи и основанный на применении термостатированного яркостного радиометра на базе кремниевого фотодиода, регистрирующего часть излучения рабочей полости черного тела, который позволяет обеспечить поддержание заданного значения температуры в диапазоне (1800-2900) К с нестабильностью, не превышающей ОД К/ч.

4. Разработана конструкция широкоапертурного ВЧТ с аргоновым заполнением без выходного окна, позволяющая достичь температуры 3000 К при времени жизни излучателя в несколько десятков часов.

5. Впервые в конструкции графитового ВЧТ с целью увеличения изотермичности излучающей полости предложено использовать элементы из пиролитического графита.

6. Разработанное автором ВЧТ участвовало в международном сличении эталонных спектрорадиометрических шкал, впервые проводившемся между ВНИИОФИ и нист. 8

7. Использование ВЧТ типа ВВ22р с широкой выходной апертурой позволило впервые существенно повысить точность непосредственного воспроизведения размера единицы СПЭО, минуя промежуточное воспроизведение размера единицы СПЭЯ.

Практическая значимость работы

1. Разработан параметрический ряд высокотемпературных эталонных графитовых ВЧТ типов МЧТ-2500, ВВ22р, ВВ39р, позволивших с наивысшей точностью воспроизводить и передавать размеры единиц СПЭЯ и СПЭО вольфрамовым лампам накаливания в диапазоне длин волн (0,25-2,5) мкм. ВЧТ типа ВВ22р подверглось всесторонним метрологическим исследованиям в национальных метрологических центрах Великобритании, Германии, США и признано одним из лучших в мире в настоящее время ВЧТ.

2. На основе разработанных ВЧТ построен Государственный первичный радиометрический эталон, воспроизводящий и передающий размеры единиц СПЭЯ и СПЭО в соответствии с государственной поверочной схемой ГОСТ 8.195-91.

3. ВЧТ типа ВВ22р используется в ряде метрологических центров развитых стран, таких как РТВ (Германия), НФЛ (Англия), НИСТ (США), и составляет основу национальных спектрорадиометрических эталонов этих стран.

Апробация работы

Результаты диссертации докладывались на:

- 7-ой и 9-ой научно-технических конференциях «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение», ВНИИОФИ, Москва, 1988 г., 1992 г.; 9

- международной науч.-техн.конф. SPIE «Ultraviolet Technology IV», San Diego, USA, 20-21 July 1992;

- 7th International Symposium on Temperature, its Measurement and Control in Science and Industry, New Jork, USA, 1992.

Публикации

По теме диссертации автором опубликовано 12 работ, в т.ч. получено 2 авторских свидетельства СССР на изобретения.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем составляет 122 страницы печатного текста, включая 41 рисунок и 5 таблиц.

основные результаты:

1. Выполнен краткий обзор конструкций ВЧТ, предопределивший необходимость теоретического исследования, разработки и создания параметрического ряда эталонных широкоапертурных ВЧТ.

2. Исследовано влияние на эффективную излучательную способность ВЧТ геометрических размеров полости, коэффициентов отражения материалов стенок полости и степени ее неизотермичности.

3. Разработка и исследования конструкции ВЧТ и системы ее энергообеспечения предопределили выбор двухтрубчатого коаксиального нагревателя с оптимизированным по степени изотермичности соотношением длины и внутреннего диаметра излучающей полости.

4. Проведено исследование методов и средств измерений термодинамической температуры ВЧТ, которое позволило обоснованно выбрать наиболее точный относительный оптический метод, основанный на измерении отношений СПЭЯ в видимой области спектра и интегральных потоков излучения.

5. Сопоставление оптических и теплофизических свойств различных теплостойких материалов предопределило выбор графита в качестве материала для излучающих полостей разработанных в диссертации эталонных ВЧТ.

6. Разработан и исследован параметрический ряд широкоапертурных графитовых эталонных ВЧТ типов МЧТ-2500, ВВ22р и ВВ39р.

7. Разработана система стабилизации температуры ВЧТ, построенная по принципу оптической обратной связи и основанная на ответвлении части излучения рабочей полости, позволившая существенно снизить нестабильность излучательных параметров ВЧТ.

112

8. С использованием параметрического ряда графитовых ВЧТ модернизирована информационно-измерительная система воспроизведения и передачи размеров единиц спектрорадиометрических величин некогерентного оптического излучения в диапазоне длин волн (0,25-2,5) мкм, представляющая собою часть единого радиометрического эталона. Размеры единиц СПЭЯ и СПЭО передаются эталонным вольфрамовым лампам накаливания.

9. Экспериментальные исследования разработанных в процессе диссертационной работы графитовых ВЧТ, проведенные метрологами НИСТ, РТВ, НФЛ и ВНИИОФИ с участием диссертанта, доказали их пригодность для воспроизведения шкал СПЭЯ и СПЭО в диапазоне длин волн (0,25-2,5) мкм с минимальными погрешностями, а международные сличения этих шкал подтвердили достаточную степень достоверности приписываемых национальным эталонам метрологических характеристик.

Таким образом, в итоге выполнения диссертации решена крупная метрологическая задача разработки, исследований и внедрения параметрического ряда высокоточных высокотемпературных черных тел, имеющая существенное значение для обеспечения единства измерений в радиометрии и спектрорадиометрии некогерентного оптического излучения, в результате чего модернизирована отечественная эталонная база в этой области измерений и создан Государственный первичный радиометрический эталон (ГПЭ-Р) для воспроизведения и передачи размеров единиц радиометрических и спектрорадиометрических величин в диапазоне длин волн (0,2-25) мкм.

113

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При выполнении диссертационной работы получены следующие

1. Chernin S.M. High-temperature miniature blackbody radiation sources. Appl. Opt, 1.03.1997, v.36, № 7, p. 1580-1591.

2. Чернин C.M., Мальцев А.А. Графитовый источник инфракрасного излучения. Приб. и техн. эксп. 1964, № 4, с. 188-190.

3. Walker J.Y., Sauders R.D., Hattenburg А.Т. The NBS Scale of Spectral Radiance, Metrologia, 1987, v.24, p.79.

4. Walker J.Y., Sauders R.D., Hattenburg A.T. Spectral Radiance Calibrations. NBS Special Publication 250-1, 1987.

5. Groll M., Neuer G. A New Graphite Cavity Radiator as Blackbody for High Temperature. Temperature, Its Measurement and Control in Science and Industry, 1972, v. 4, p. 449 456.

6. Groll M., Neuer G. Measurement of the Total Thermal Emittauce of Solids above 1400 K. Proc. of the 5lh Symp. on Thermophysical Properties, 1970, Boston, p. 443.

7. Bloembergen P., Bedford R.E., Ma C.K. A study of the Effects of Non-isothermal Source Conditions on the Transfer of Radiance Temperatures in the Temperature-wavelength Domain from 180 to 30000 цт K. Measurement, 1992, v.10, No. 4, p. 157-164.

8. Ю.Бачериков B.B., Власов Л.В., Морозов Н.А., Самойлов JI.H., Саприцкий В.И., Степанов В.И. Измерительная техника, 1983, № 12, с.31-33.

9. И.Коткж А.Ф., Ловинский Л.С., Самойлов Л.Н., Саприцкий В.И. Измерительная техника, 1975, № 1, с.46-47

10. Морозов Н.А., Бачериков В.В., Власов Л.В., Самойлов Л.Н., Саприцкий В.И., Степанов Б.М. Измерительная техника, 1983, № 12, с.27-29.

11. З.Власов Л.В., Бачериков В.В., Морозов Н.А., Самойлов Л.Н., Саприцкий В.И., Степанов Б.М. Измерительная техника, 1983, № 12, с.29-30.

12. Sapritski V.I. A New Standard for the Candela in the USSR, Metrologia, 1987, v.24, No. 2, p. 53-59.

13. Sapritski V.I. National Primary Radiometric Standards of the USSR, Metrologia, 1990, v.21, No. 1, p. 53-60.

14. Sapritski V.I. Radiometric Standards in the USSR. Calibration of Passive Remote Observing Optical and Microwave Instrumentation (B.W. Guenther, ed.), Proc. SPIE, 1991, v. 1493, p. 58-69.

15. Саприцкий В.И., Власов Л.В., Мехонцев С.Н., Павлович М.Н., Сударев К.А., Харченко Г.Д., Хлевной Б.Б. Государственный первичный радиометрический эталон, Измерительная техника, 1990, № 11, с. 3-6.

16. Walker J.H., Saunders R.D., Jackson J.K., McSparron D.A. Spectral Irradiance Calibrations., NBS Special Publication 250-20, 1987.

17. Walker J.H., Saunders R.D., Jackson J.K., McSparron D.A. The NBS Scale of Spectral Irradiance. J. of Research of the NBS, 1988, v. 93, No l,p. 7-20.

18. Walker J.H., Saunders R.D., Jackson J.K., Mielenz K.D., Results of the CCPR Intercomparison of Spectral Irradiance Measurements by National Laboratories, J. Res. Natl. Stand. Technol., 1991, 96, p. 647.

19. Bischoff K. Die Relisierung der SI-Basiseinheit Candela (cd) nach ihrer Neuedefmition 1979. PTB-Mitteilungen, 1980, B. 90, No. 1, S. 20-25.

20. Kaase H., Bischoff K., Metzdorf J. Strahlernormale, in Spektradiometrie, Methodik, Meptechnik, Anwendung (PTB-Opt-24). PTB, G.Vieth und H.Kaase, 1986, 114-127.

21. Metzler A.J., Branstetter J.R. Fast Response, Blackbody Furnace for temperature up to 3000 K. Rev. Sci. Instr., 1963, v. 34, p. 1216-1218.

22. Preston-Thomas H., Metrologia, 1990, 27, p. 3-10.

23. Mielenz K.D., Saunders R.D., Shumaker J.B., Spectroradiometric Determination of the Freezing Temperature of Gold, J. Res. Natl. Inst. Stand. Technol, 1990, 95, p. 49-67.

24. Fox N.P, Martin J.E, Nettleton D.H, Metrologia, 1991, v. 28, 357-374.

25. Metzdorf J, Raatz K.H, Kaase H, In Proc. 13th Inter. Symp. IMEKO TC2 "Photon Detectors" (Edited by J. Schanda), IMEKO TC Series 17, Budapest, 1987, 89-97.

26. Иванов B.C., Самойлов JI.H, Саприцкий В.И. Новый прямой оптический метод построения термодинамической температурной116шкалы в области высоких температур 1200-3500 К. Препринт ВНИИОФИ, М., 1998. 46 с.

27. Sapritsky V.I., Johnson B.C., Saunders R.D., Vlasov L.V., Sudarev K.A., Khkevnoy B.B., Shapoval V.I., Dmitriev I.A., Buchnev L.M., Prochorov A.V. Precision high temperature blackbodies. Proc. SPIE, 20-21 July 1992, v. 1764, p. 323-331.

28. Саприцкий В.И., Мехонцев С.Н., Павлович М.Н., Власов JT.B., Самойлов JI.H., Сударев К.А,, Харченко Т.Д., Хлевной Б.Б. Сб. науч. трудов «Вопросы радиометрии в оптической области спектра», Москва. 1990, с. 6-10.

29. Самойлов JI.H., Саприцкий В.И., Хлевной Б.Б. Воспроизведение единиц фотометрических величин независимо от температурной шкалы. Сб. науч. трудов «Вопросы радиометрии в оптической области спектра», Москва, 1990, с. 10-22.

30. Вульфсон К.С. Абсолютный метод измерения температур черного тела. ЖЭТФ, 1951, т. 21, № 4, с. 507-513.

31. Babelot J.-F., Hoch М. Investigation of the spectral emissivity data of some metals and nonmetals in the wavelength range 400 15000 nm, and of their total ermissivity//High Temp. - High Pressures. 1989. - v. 21, N1, p. 79-84.

32. Goetzel C.G. High-temperature properties of commercial pyrolytic graphite. High Temperatures High Pressures, 1979, v. 11, pp. 255-269.

33. Latyev L.N., Chekhovskoi V.Ya., Shestakov E.N. Monochromatic Emissivity of Tungsten in the temperature Range 1200-2600 К and in the Wavelength Range 0.4-4 um. High Temperatures-High Pressures, 1970, v. 2, pp. 175-181.

34. Quinn T.J., Barber C.R. A Lamp as a Reproducible Source of Near Blackbody Radiation for Precise Pyrometry up to 2700°C Metrologia, 1967, v.3,No l,p. 19-23.

35. Излучательные свойства твердых материалов. Справочник, под ред. Шейндлина А.Е., Энергия, М., 1974.

36. Свойства конструкционных материалов на основе углерода. Справочник, под ред. Соседова В.П., М., Металлургия, 1975.

37. Bedford R.E., Ma C.K., Chu Z., Sun Y., Chen S., Appl. Opt., 1985, v.24, p.2971-2980.

38. Prokhorov A.V. Monte Carlo Method in optical radiometry. Metrologia, 1998, v. 35, p. 465-471.

39. Prokhorov A.V., Sapritsky V.I., Calculation of the Effective Emissivities of Specular diffuse Cavities By the Monte Carlo Method. Metrologia, 1992, v. 29, p. 9-14.

40. Prokhorov A.V., Sapritsky V.I. Spectral Effective Emissivities of Nonisothermal Cavities Calculated by the Monte Carlo Method -Applied Optics, 1995, v. 34, No. 25, pp. 5645-5652.

41. Бачериков В.В., Саприцкий В.И., Ковальский В.Я., Мальцев В.В., Столяревская Р.И. Измерительная техника, 1984, № 9, с. 6-7.

42. Tsai В.К., Johnson B.C., Saunders R.D. Evaluation of the Radiation Characteristics of a High-temperature Blackbody, Proc. SPIE, 1995, v. 2553, p. 514-523.

43. Sperfeld P., Raatz K.-H., Nawo В., Moller W., Metzdorf J. Spectral-Irradiance scale Based on radiometric Black-body temperature measurements. Metrologia, 1995/96, v. 32, p. 435-439.

44. White M., Fox N.P., Ralph Y.E., Harrison N.J. The Characterisation of a High Temperature Blackbody as the Basis for the NPL Spectral Radiance Scale. Metrologia, 1995/1996, v. 32, No. 6, p. 431-434.

45. Johnson B.C., Cromer C.L., Saunders R.D., Eppeldauer G., Fowler J., Sapritsky V.I., Dezsi G. A Method of Realizing Spectral Irradiance Based on an Absolute Cryogenic Radiometer. Metrologia, 1993, v.30, No. 4, p. 309-315.

46. Sperfeld P. Entwicklung einer empfangergestiitzten Spektralen Bestrahlungsstarkeskala. Dissertation. PTB, Braunschweig, 1999.

47. Metzdorf J., Network and traceability of the radiometric and photometric standards at the PTB. Metrologia, 1993, 30, 403-408.119

48. Yousef S.G., Sperfeld P., Metzdorf J. Measurement and calculation of the emissivity of a high temperature black-body. Newrad, 1999.

49. Sapritsky V.I. Black-body radiometry. Metrologia, 1995/96, v.32, p. 411417.

50. Sapritsky V.I., Stolyarevskaja R.I. Realization of the lumen on the basis of large-aperture high-temperature black-body. Metrologia, 1995/96, v.32, p. 455-457.

51. Madden R.P., O'Brian T.R., Parr A.C., Saunders R.D., Sapritsky V.I. A Method of Realizing Spectral-radiance and Irradiance Scales based on Comparison of Synchrotron and High-temperature Black-body Radiation. Metrologia, 1995/1996, v. 32, No. 6, p.425.

52. Свет Д.Я., Пырков Ю.Н., Плотниченко В.Г. Определение температуры и излучательной способности веществ, недоступных для непосредственного контакта. Доклады АН. 1998, т. 361, № 5, с. 626-629.

53. Свет Д.Я. Независимое определение излучательной способности по спектру собственного теплового излучения. Доклады АН, 1975, т.221, № 1, с.81-83.

54. Sperfeld P. "Eine Radiometrische Methode zur Messung der Temperatur eines Hochtemperatur-Hohtraumstrahlers" Laborbericht PTB-4.1-94-1. Physikalisch-Technisch Bundesanstalt, Braunschweig. Juni 1994.

55. Touloukian Y.S., DeWitt D.P. (eds.) Thermal Radiative Properties: Coatings, Thermophysical Properties of Matter, v. 9, Plenum Press, New York, 1973.

56. Anderson V.E., Fox N.P., Metrologia, 1991, v. 28, 135-139.120

57. Results of a CCPR Intercomparison of Spectral Irradiance Measurements by National Laboratories. Report to CCPR, Aug. 21, 1991.

58. Hartree W.S., Fox N.P., Lambe R.P., Metrologia, 1995/1996, 32, 519522.

59. ГОСТ 8.196-76. ГСИ. Государственный специальный эталон и общесоюзная поверочная схема для средств измерений спектральной плотности энергетической яркости непрерывного оптического излучения сплошного спектра в диапазоне длин волн 0,25-2,5 мкм.

60. Хлевной Б.Б. и др. Модель черного тела. Авторское свидетельство № 1565211, 15 янв. 1988 г.

61. Quinn T.Y., Martin J.E. Trans. R. Soc., 1985, A.316, p. 85.

62. Хлевной Б.Б. и др. Способ воспроизведения и передачи размера единицы спектральной плотности энергетической освещенности средствам измерений. Авторское свидетельство № 1642837, 15 декабря 1990 г.121

63. Внедрения в ГУП ВНИИОФИ результатов диссертации Хлевного Б.Б.,представленной на соискание учёной степени кандидата технических наук

64. Во ВНИИОФИ внедрены следующие результаты диссертации Хлевного Б.Б.:

65. Высокотемпературное черное тело МЧТ-2500 для воспроизведения и передачи размера единиц спектральной плотности энергетической яркости в диапазоне длин волн (0,25-2,5) мкм.

66. Широкоапертурное высокотемпературное черное тело ВВ22р как основной эталонный источник излучения для воспроизведения и передачи размера единиц спектральной плотности энергетической освещенности в диапазоне длин волн (0,25-2,5) мкм.

67. Метод отношений измерения термодинамической температуры черного тела и результаты его метрологических исследований.

68. Метод и средства стабилизации температуры высокотемпературных черных

69. Внедрённые результаты диссертации получены в ходе выполнения ГБ работ по хранению, применению и совершенствованию ГПЭ-Р, по ГБ темам под шифрами «Шкала» и «Люмен».

70. Указанные результаты диссертации внедрены в лаборатории М-4 при разработке

71. Начальник подразделения М-4 В.И. Саприцкийтел.1. ГОСТ 8.195-89.