CN109556725A - 真空面源辐射板及具有其的面源黑体辐射源装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种真空面源辐射板及具有其的面源黑体辐射源装置，该真空面源辐射板的有效辐射口径大于1000mm×1000mm，真空面源辐射板包括：基体，基体包括多个微锥，多个微锥间隔设置在基体上，基体的材质包括紫铜；涂层，涂层设置在基体上，涂层用于提高基体的发射率。应用本发明的技术方案，以解决现有技术中黑体辐射源设备无法在满足真空低温条件下以及具有大辐射面积的前提下保持高的发射率的技术问题。

Description

真空面源辐射板及具有其的面源黑体辐射源装置

技术领域

本发明涉及红外辐射测量与校准技术领域，尤其涉及一种真空面源辐射板及具有其的面源黑体辐射源装置。

背景技术

目前空间侦察系统、临近空间预警系统、外太空红外导引打击系统、星载红外遥感系统等空间红外成像载荷的应用越来越多，而这些空间应用的红外成像载荷在研制、生产、试验过程中，必须根据系统的工作环境，在地面真空低温环境中对这些系统中的红外成像载荷进行精确的辐射定标和性能测试，以取得精确的标定系数，准确掌握红外成像载荷的各项性能指标。

各类空间红外成像载荷技术的发展对于作为定标设备的面源黑体辐射源的辐射面积、有效发射率、温度均匀性等性能指标有了更高的需求。空间红外成像载荷光学系统一般都具有长焦距、大口径的特点，在对这些红外成像载荷进行辐射定标和性能测试过程中，为了覆盖其口径，必然要求定标用的面源黑体具有超大的辐射面积。黑体辐射源的发射率是其主要指标之一，与理想黑体相比，定标黑体的发射率越接近于1，黑体的辐射性能越完备，用于测试校准时，校准的准确度和精度越高。黑体辐射源温度均匀性也是决定其性能优劣的因素之一，若实际黑体温度分布不均匀程度过大，则辐射出来的能量是黑体表面不同温度下的混合辐射，不符合普朗克定律，从而使之无法准确标定红外成像载荷。

目前国内的一些计量机构在黑体辐射源方面进行了大量研究，并形成了相应设备，但是这些黑体辐射源设备无法在满足真空低温条件下以及具有大辐射面积的前提下保持高的发射率，从而降低了校准的准确度和精度。同时，其也无法同时满足高温度均匀性的需求，从而无法准确标定红外成像载荷。

发明内容

本发明提供了一种真空面源辐射板及具有其的面源黑体辐射源装置，能够解决现有技术中黑体辐射源设备无法在满足真空低温条件下以及具有大辐射面积的前提下保持高的发射率的技术问题。

本发明提供了一种真空面源辐射板，真空面源辐射板的有效辐射口径大于1000mm×1000mm，真空面源辐射板包括：基体，基体包括多个微锥，多个微锥间隔设置在基体上，基体的材质包括紫铜；涂层，涂层设置在基体上，涂层用于提高基体的发射率。

进一步地，每个微锥的结构均为正四棱锥。

进一步地，正四棱锥的高度为8mm，正四棱锥的相对的两个斜面间的夹角为30°。

进一步地，涂层的发射率大于0.92，TML小于0.5％，CVCM小于0.01％。

进一步地，基体包括多个加热区域，多个加热区域分别独立地进行温度控制。

进一步地，真空面源辐射板还包括隔热条，隔热条设置在加热区域的周缘。

进一步地，基体包括相对设置的第一面和第二面，涂层设置在第一面上，真空面源辐射板还包括多个测温部，多个测温部设置在第二面上。

进一步地，多个测温部分别设置在加热区域和相邻两个加热区域之间的区域。

进一步地，每个测温部均包括测温孔和至少一个传感器，测温孔为沉孔，至少一个传感器设置在沉孔内。

根据本发明的另一方面，提供了一种面源黑体辐射源装置，包括真空面源辐射板，真空面源辐射板为如上所述的真空面源辐射板。

应用本发明的技术方案，通过将基体的材质配置为包括紫铜，从而能够提高真空面源辐射板的热传导率以及适用于真空低温环境；通过在基体上间隔设置多个微锥以及在基体上设置涂层，从而能够极大地提高真空面源辐射板的有效发射率。本发明的此种配置方式相对于现有技术而言，能够在满足真空低温条件下以及具有大辐射面积的前提下保持高的发射率。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明的实施例提供的真空面源辐射板表面微观形貌的结构示意图；

图2示出了根据本发明的实施例提供的真空面源辐射板的结构示意图；

图3示出了图2中真空面源辐射板的B-B处的剖视图；

图4示出了图3中真空面源辐射板的A处的局部放大图；

图5示出了图3中真空面源辐射板的B处的局部放大图；

图6示出了根据本发明的实施例提供的真空面源辐射板的加工流程图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、基体；11、微锥；20、测温部。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。在下面的描述中，出于解释而非限制性的目的，阐述了具体细节，以帮助全面地理解本发明。然而，对本领域技术人员来说显而易见的是，也可以在脱离了这些具体细节的其它实施例中实践本发明。

在此需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的设备结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

如图1至图5所示，根据本发明的具体实施例提供了一种真空面源辐射板，该真空面源辐射板的有效辐射口径大于1000mm×1000mm，真空面源辐射板包括基体10和涂层，其中，基体10包括多个微锥11，多个微锥11间隔设置在基体10上，基体10的材质包括紫铜，涂层设置在基体10上，涂层用于提高基体10的发射率。

应用此种配置方式，通过将基体10的材质配置为包括紫铜，从而能够提高真空面源辐射板的热传导率以及适用于真空低温环境；通过在基体10上间隔设置多个微锥11以及在基体10上设置涂层，从而能够极大地提高真空面源辐射板的有效发射率。本发明的此种配置方式相对于现有技术而言，能够在满足真空低温条件下以及具有大辐射面积的前提下保持高的发射率。其中，为了提高辐射板的温度均匀性，可将多个微锥11配置为均匀间隔地设置在基体10上。

具体地，在本发明中，通过对重量、热平衡和刚性的综合考虑，可将真空面源辐射板的厚度配置为37mm，外廓尺寸为1040mm×1040mm，有效辐射面尺寸为1005mm×1005mm。其中，当将本发明的真空面源辐射板应用于面源黑体辐射源装置时，由于辐射板选择了热传导率较高的紫铜材料，从而能够提高面源黑体的均匀性和加热效率。

在本发明中，为了提高真空面源辐射板的有效发射率，需要在基体10的表面喷涂涂层。在进行涂层的选择时，考虑面源黑体辐射源装置的工作条件是在真空环境下，环境温度为100K，真空面源辐射板的温度范围为190K至480K，能够满足如此宽温度范围尤其是高温段的高发射率涂层种类极少，而适用于真空环境下使用的涂层种类更少。经过对多种高发射率涂层的调研与测试，最终选用的涂层发射率大于0.92，TML(总质量损失)小于0.5％，CVCM(收集到的挥发可凝物)小于0.01％，该涂层能够在真空低温条件下190K至480K的温度范围内长时间使用。此外，该涂层具有很好的热辐射性能和低出气率，并且使用方便，可喷涂在紫铜等不同材料的基体上，该涂层附着力良好，并且涂层出现损坏后可直接进行修补。

进一步地，在本发明中，为了提高真空面源辐射板表面的有效发射率，可以对辐射板表面的形貌进行设计。具体地，通过有限元分析软件仿真分析软件对以紫铜为基体材料，喷涂发射率为0.92的涂料为输入边界条件的多种表面形貌的辐射板模型进行了仿真计算。综合考虑发射率要求和加工难度，选用了五种仿真计算模型中发射率大于0.97并且易于加工的辐射板结构进行了样件的加工，并且对各样件喷涂高发射率涂层后进行发射率测试，最终选用发射率最大的样件形式作为真空面源辐射板的表面结构形式。

如图1所示为该样件的发射率仿真计算用的辐射板表面微观形貌的结构示意图，真空面源辐射板的表面结构形式为在基体上间隔设置多个微锥11，其中，如图1和图4所示，每个微锥11的结构均为正四棱锥。正四棱锥的高度为8mm，正四棱锥的相对的两个斜面间的夹角为30°，微锥11底部间距为1mm，喷涂高发射率的黑色涂层后的发射率为0.978。对该样件进行了发射率的实际测试，实际的发射率为0.982，与仿真结果近似。

在本发明中，为了提高辐射板的温度均匀性以准确标定红外成像载荷，可将基体10配置为包括多个加热区域，多个加热区域分别独立地进行温度控制。

具体地，作为本发明的一个具体实施例，根据辐射板以及用于加热辐射板的加热片的实际大小，可将真空面源辐射板划分为四个加热区域，以避免加热片尺寸过大、加工困难的问题。再者，通过对不同区域的温度分别进行控制，可以极大地提高真空面源辐射板的温度均匀性。

进一步地，在本发明中，为了方便辐射板与制冷器的连接，可在每两个加热区域之间设置安装孔，具体地，作为本发明的一个具体实施例，可在每两个加热区域之间间隔10mm的区域内设置五个M8，深度为10mm的安装孔，通过该安装孔以用于辐射板与制冷器的连接。

在本发明中，为了进一步地提高真空面源辐射板的温度均匀性，可将真空面源辐射板配置为还包括隔热条，该隔热条设置在加热区域的周缘。应用此种配置方式，由于辐射板的边缘位置的散热条件与中心位置的散热条件不同，通过在每个加热区域的中心位置和边缘位置进行独立的控温，从而能够进一步地提高真空面源辐射板的温度均匀性。具体地，作为本发明的一个具体实施例，可在加热区域的周缘设计加工有聚四氟乙烯材料的隔热条，隔热条宽10mm、深10mm，该隔热条用于该区域边缘位置和中心位置之间的隔热。

进一步地，在本发明中，为了方便测量真空面源辐射板各个区域位置的温度，可将基体10配置为包括相对设置的第一面和第二面，涂层设置在第一面上，真空面源辐射板还包括多个测温部20，多个测温部20设置在第二面上。

具体地，为了实现对辐射板上的多个位置处的温度检测，可将多个测温部20分别设置在加热区域和相邻两个加热区域之间的区域。其中，如图3所示，每个测温部20均包括测温孔和至少一个传感器，测温孔为沉孔，至少一个传感器设置在沉孔内。

作为本发明的一个具体实施例，每个测温部20包括两个传感器，其中一个作为测温传感器，另外一个可以作为备份。在进行辐射板温度检测的过程中，当该测温传感器出现故障或者测量精度不准时，通过软件控制以使得备份传感器工作，从而能够快速解决问题，极大地提高了工作效率。具体地，传感器整体可通过沉孔凹嵌在辐射板中，在辐射板背面加工温度传感器引线槽，将所有温度传感器引线引至辐射板边缘。

进一步地，在本发明中，为了方便辐射板的单独起吊和翻转，可在辐射板上设置起吊孔以用于辐射板的起吊和翻转。具体地，在辐射板的四个侧面各加工三个M12，深20mm的吊装环安装孔，以方便辐射板的单独起吊和翻转。

根据本发明的另一方面，提供了一种面源黑体辐射源装置，该面源黑体辐射源装置包括如上所述的真空面源辐射板。真空面源辐射板是面源黑体辐射源装置的核心部件，其性能直接影响面源黑体发射率、温度均匀性、总体重量等指标。本发明的真空面源辐射板通过与加热片、制冷器、支撑结构等其它部件的组装与调试形成面源黑体辐射源装置，能够用于大口径红外成像器真空条件下辐射能量的标定和非均匀性、成像质量等关键技术指标的测试。应用本发明的真空面源辐射板，能够在满足真空低温条件下以及具有大辐射面积的前提下保持高的发射率以及高的温度均匀性。

具体地，根据本发明的具体实施例所提供的真空面源辐射板的有效辐射口径大于1000mm×1000mm，有效发射率大于0.97，80％有效口径范围内的温度均匀性优于±0.5K。其中，以该真空面源辐射板为关键部件，组装调试后的面源黑体辐射源装置能够在真空低温环境下正常使用并且性能良好，面源黑体辐射源装置累计工作时间现已超过3000小时。

为了对本发明有进一步地了解，下面结合图6对本发明的真空面源辐射板的加工流程进行详细说明。

如图6所示，在真空面源辐射板的基体的表面间隔设置有多个微锥。辐射板的微锥结构的加工工艺是辐射板加工的难点。在加工过程中，需要同时兼顾辐射面的加工质量及加工效率，选用成型铣刀，在大行程加工中心上通过一次定位装卡、连续走刀加工成型，避免接刀等因素造成的辐射面质量缺陷。辐射板自身的体积和重量较大，在加工前后均要对其进行热处理，以避免黑体长时间冷、热交替工作过程中造成的辐射板较大的热变形量。辐射板机械加工后要对其进行钝化和喷砂处理，再在其微锥表面严格按照高发射率涂层喷涂工艺进行高发射率涂层的喷涂。

具体地，首先选用紫铜材料作为毛坯，该毛坯的结构尺寸为1050mm*1050mm*40mm，然后在对毛坯加工前，为了防止在冷、热交替工作过程中对辐射板造成较大的热变形量，需要进行人工实效处理。接着，人工实效处理后，对辐射板进行粗加工，粗加工后辐射板的结构尺寸为1042mm*1042mm*38mm。然后，精加工辐射板背面平面、沟槽以及孔。辐射板背面加工完成之后，精加工辐射板侧面平面以及吊装孔。辐射板侧面平面以及吊装孔加工完成之后，精加工辐射板正面微锥结构。微锥结构加工完成之后进行冷热人工时效处理，并在辐射板表面钝化，喷砂200目。最后，在辐射板的正面喷涂高发射率的涂层以提高辐射板表面的发射率。

其中，在本发明中，以该真空面源辐射板为关键部件，组装调试后的真空黑体辐射源装置能够正常使用并且性能良好，经测试该辐射源能够达到的技术指标具体如下。

黑体工作温度范围：190K-480K；

黑体有效辐射口径：1005mm×1005mm；

温度稳定性：优于±0.1K/h；

有效辐射面温度均匀性：优于±0.5K(在80％有效口径范围内)；

传感器测温精度：≤±0.1K；

法向发射率：0.975。

组装调试后的真空黑体辐射源装置的有效发射率、温度均匀性、温度稳定性等性能指标优异，在真空低温条件下不存在污染，能够长时间稳定工作。基于此，能够根据此发明将涉及到的技术扩展到更大辐射面积、更宽温度范围的真空低温条件下应用及大气环境下应用的真空黑体辐射源装置上加以应用。经实验可知，本发明的真空黑体辐射源装置能够在真空低温环境下正常使用并且性能良好，真空黑体辐射源装置的累计工作时间现已超过3000小时。

如上针对一种实施例描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施例中使用，和/或与其它实施例中的特征相结合或替代其它实施例中的特征使用。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤、组件或其组合的存在或附加。

这些实施例的许多特征和优点根据该详细描述是清楚的，因此所附权利要求旨在覆盖这些实施例的落入其真实精神和范围内的所有这些特征和优点。此外，由于本领域的技术人员容易想到很多修改和改变，因此不是要将本发明的实施例限于所例示和描述的精确结构和操作，而是可以涵盖落入其范围内的所有合适修改和等同物。

本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims (10)

1.一种真空面源辐射板，其特征在于，所述真空面源辐射板的有效辐射口径大于1000mm×1000mm，所述真空面源辐射板包括：

基体(10)，所述基体(10)包括多个微锥(11)，多个所述微锥(11)间隔设置在所述基体(10)上，所述基体(10)的材质包括紫铜；

涂层，所述涂层设置在所述基体(10)上，所述涂层用于提高所述基体(10)的发射率。

2.根据权利要求1所述的真空面源辐射板，其特征在于，每个所述微锥(11)的结构均为正四棱锥。

3.根据权利要求2所述的真空面源辐射板，其特征在于，所述正四棱锥的高度为8mm，所述正四棱锥的相对的两个斜面间的夹角为30°。

4.根据权利要求1所述的真空面源辐射板，其特征在于，所述涂层的发射率大于0.92，TML小于0.5％，CVCM小于0.01％。

5.根据权利要求1所述的真空面源辐射板，其特征在于，所述基体(10)包括多个加热区域，多个所述加热区域分别独立地进行温度控制。

6.根据权利要求5所述的真空面源辐射板，其特征在于，所述真空面源辐射板还包括隔热条，所述隔热条设置在所述加热区域的周缘。

7.根据权利要求5所述的真空面源辐射板，其特征在于，所述基体(10)包括相对设置的第一面和第二面，所述涂层设置在所述第一面上，所述真空面源辐射板还包括多个测温部(20)，多个所述测温部(20)设置在所述第二面上。

8.根据权利要求7所述的真空面源辐射板，其特征在于，多个所述测温部(20)分别设置在所述加热区域和相邻两个所述加热区域之间的区域。

9.根据权利要求7所述的真空面源辐射板，其特征在于，每个所述测温部(20)均包括测温孔和至少一个传感器，所述测温孔为沉孔，至少一个所述传感器设置在所述沉孔内。

10.一种面源黑体辐射源装置，包括真空面源辐射板，其特征在于，所述真空面源辐射板为权利要求1至9中任一项所述的真空面源辐射板。