低温绝对辐射计热沉的热特性分析

利用有限元软件对低温绝对辐射计热沉在测量过程中的动态响应进行了研究,分析了影响热沉平衡温度的关键因素和不同结构下热沉对应的温度变化,并对比了304号不锈钢、6061铝合金和无氧高导铜材料作为热链接时热沉的响应状态。结果表明,低比热容和低热导率的热链接材料是未来低温辐射计发展的首选。另外,对辐射计结构进行合理的调节可以实现对热沉平衡温度的有效控制。     

低温辐射计黑体腔吸收率分析

低温辐射计是目前国际上光辐射功率计量中准确度最高的测量系统,其光辐射测量不确定度可达10-5量级,目前国内仅有少数研究机构从国外引进低温辐射计开展计量研究,亟待发展国产低温辐射计替代进口产品。由于低温辐射计采用低温超导状态下的电替代测量原理进行光辐射功率测量,发展低温辐射计的难点之一在于研制黑体吸收腔这一核心光辐射接收器件,并要求黑体腔在各波长下的吸收率都要达到0.999 9以上。为研制超高光谱吸收率的黑体吸收腔,系统性分析了各影响黑体腔光谱吸收率因素,在此基础上利用蒙特卡罗光线追迹方法重点研究了光谱波长、腔体长度、黑材料漫反射系数、黑材料吸收率和入射光空间位置等对斜底黑体腔光谱吸收率的影响。研究结果表明：在300～1 100 nm波长范围内黑体腔吸收率与其内壁涂黑材料的吸收率呈正相关,且在300～1 000 nm范围内的吸收率都达到了0.999 9以上,其中在700 nm处的吸收率取得最大值0.999 941 5,表明采用该类型黑材料的黑体腔只在300～1 000 nm范围内满足低温辐射计设计要求,后续需要根据仿真和测试结果对低温辐射计在不同波长下的光电不等效性进行修正;在黑体腔结构和口径确定的情况下,黑体腔吸收率将随腔长增加而逐渐升高,在40 mm后变化趋缓,并在65 mm后逐渐趋于平衡,考虑到低温辐射计低温舱对腔体尺寸的限制,认为腔体长度与口径之比为6.5时较为合适;黑体腔吸收率还受黑材料的漫反射系数影响,随着黑材料漫反射系数的提高,腔体吸收率呈现近似线性下降,所以在选择黑体腔涂黑材料时,在吸收率等指标相同的情况下应尽量选择镜面吸收黑;黑材料吸收率从0.8到1的变化过程中,腔体吸收率提升了0.05个百分点,且黑材料吸收率为0.92时腔体吸收率可达到0.999 9以上,表明黑材料在其有效工作波长范围内任一点的光谱吸收率都要大于0.92;腔体吸收率还受入射光投射的空间位置影响,光线位置越靠近斜底腔顶点处,腔体吸收率越高,但整体吸收率变化不明显,光线位置对腔体吸收率影响只有不到0.004个百分点,几乎可以忽略,认为斜底腔不同位置处的吸收率是均匀的。研究结果对低温辐射计黑体腔研制有一定参考价值。     

用于测量太阳总辐射的空间辐射计

简述了在不同航天任务上测量太阳总辐射的各种辐射计,以及这些辐射计的结构、仪器特性、原理和运行等。这些空间辐射计大多数采用电标定的原理,以腔体探测器作为感知太阳总辐射的传感器。讨论了空间辐射计寻日方式对太阳总辐射测量精度的影响。最后,结合以往宇航任务中太阳总辐射测量的历史和经验,简述了高精度测量太阳总辐射空间辐射计的发展趋势。     

低温辐射计光功率修正因子测试与分析EI北大核心CSCD

为了确保低温辐射计测量准确度,开展了低温辐射计光功率修正因子的研究。介绍了低温辐射计测试系统光路结构和光功率的测量过程。分析了影响低温辐射计光电加热等效替代的四个主要因素。利用搭建的影响因子测试装置,对布儒斯特窗口透过率、杂散光和黑体腔吸收率三个影响因子进行了测试;采用有限元分析方法,对光电加热不等效性因子进行了仿真计算。测试和仿真计算了自主研制低温辐射计光电加热等效替代修正因子,结果显示,布儒斯特窗口在632.8 nm处的透过率为0.996817,杂散光修正因子为0.999013,黑体腔吸收率为0.999950,光电不等效性修正因子为1.009240±0.000010。该研究结果可用于低温辐射计的修正,对低温辐射计各功能模块的设计、测量不确定度的提高以及低温辐射计的研制具有一定参考价值。     

可见-近红外(488～944 nm)基于低温辐射计的高精度光辐射绝对定标研究

报道了可见-近红外波段(488～944nm)基于低温辐射计的光谱辐射功率定标和标准传递实验和研究,并对测量结果的各个不确定因素进行了测量和分析。首先低温辐射计采用电替代方法测量单个波长激光绝对光功率,测量不确定度低于0．016％。然后利用低温辐射计定标作为标准传递探测器的硅陷阱探测器,从而建立可见-近红外波段陷阱探测器的绝对光谱响应率标准,其不确定度小于0．028％。结果证明了在此波段以探测器为基础建立和传递高精度光辐射标准的合理性和可行性。     

大口径红外辐射计的光谱定标

介绍了大口径红外辐射计的光谱定标方法。研制了大口径红外辐射计。该辐射计主要由前置光学系统, 红外探测器(热释电探测器和碲镉汞探测器2～14 μm), 机械斩波器,锁相放大器,信号采集器等组成。首先对大口径红外辐射计的光谱定标方法进行了分析,然后建立红外辐射计光谱定标的测量装置,并分别测试腔体热释电探测器和HgCdTe探测器的响应非线性,最后用腔体热释电探测器在该测量装置上对HgCdTe探测器进行红外光谱响应度校准实验。通过两种相对光谱响应度测量方法的对比,给出多次测量结果的平均值及两种方法的对比分析。分析结果表明,测量系统的不确定度优于3.4%。     

Gershun管光谱辐射计设计与性能检测EI北大核心CSCD

为满足地面/空间辐射定标和太阳/大气遥感测量的应用需求,开发了一种基于Gershun管(光阑筒式结构)的高精度光谱辐射计。介绍了Gershun管光谱辐射计的设计,对其探测器光谱响应度、空间响应均匀性、角度响应特性和视场内外辐射响应特性进行了测试,将基于探测器标准的Gershun管光谱辐射计与基于光谱辐射光源标准的Gershun管光谱辐射计进行了比对,并分析了其标准不确定度范围。实验表明,Gershun管光谱辐射计的光谱响应度重复性为0.3%,区域响应度均匀性为0.3%,角度响应与余弦分布一致性为0.2%,视场外辐射抑制能力为2.1×10^(-4);Gershun管光谱辐射计与光谱辐射光源标准比对的标准不确定度为2.83%,实验测试结果与理论结果的一致性为0.17%。所设计的Gershun管光谱辐射计可以满足应用需求。     

Gershun管光谱辐射计设计与性能检测

为满足地面/空间辐射定标和太阳/大气遥感测量的应用需求,开发了一种基于Gershun管(光阑筒式结构)的高精度光谱辐射计。介绍了Gershun管光谱辐射计的设计,对其探测器光谱响应度、空间响应均匀性、角度响应特性和视场内外辐射响应特性进行了测试,将基于探测器标准的Gershun管光谱辐射计与基于光谱辐射光源标准的Gershun管光谱辐射计进行了比对,并分析了其标准不确定度范围。实验表明,Gershun管光谱辐射计的光谱响应度重复性为0.3%,区域响应度均匀性为0.3%,角度响应与余弦分布一致性为0.2%,视场外辐射抑制能力为2.1×10~(-4);Gershun管光谱辐射计与光谱辐射光源标准比对的标准不确定度为2.83%,实验测试结果与理论结果的一致性为0.17%。所设计的Gershun管光谱辐射计可以满足应用需求。     

低温辐射计的结构优化方案设计

传统低温辐射计的布儒斯特窗口会对传递探测器的绝对光谱响应率定标产生较大的影响。文中阐述了低温辐射计对传递探测器的传统定标过程;分析定标过程中因布儒斯特窗口及窗口复现导致定标精度降低的原因;提出一种新的定标结构。该结构中低温辐射计和传递探测器安置于同心弧形轨道上,二者通过精密电机的控制可以分时切入定标光路,实现传递探测器相对于低温辐射计的绝对定标。新的定标结构能够完全消除布儒斯特窗口在传递探测器定标过程中的影响,降低测量激光功率约50%的不确定度,可以进一步降低辐射定标溯源基准的不确定度,提高定标的精度。     

基于热释电探测器的重频脉冲激光诊断(英文)

以热释电探测器的工作原理为基础,研究了热释电探测器对重频脉冲激光的瞬态响应特性,建立了热释电探测器对单脉冲激光辐照响应的工作模型,分析了影响探测器频率特性的主要因素。根据材料和结构参数模拟计算了实际应用中的响应模型。设计了信号检测电路并对其进行计算仿真。完成了探测器的频率响应、脉宽响应等实验测量,验证了热释电探测器用于高重频、窄脉冲激光能量测量的可行性。     

C-mount封装激光器热特性分析与热沉结构优化研究

为了降低单管半导体激光器的结温、提高器件的散热效果,基于C-mount热沉的热特性分析提出了一种优化的台阶热沉结构,研究了单管激光器结温和腔面侧向温度分布曲线的影响。在热沉温度298 K和连续输出功率10 W的条件下,腔长为1.5 mm的典型C-mount封装结构激光器的结温为343.6 K,热阻为4.6 K/W。通过在典型C-mount热沉中引入台阶结构,使封装激光器的结温降低为333.8 K,热阻减小到3.5 K/W。计算表明,其输出功率可提高近20%。     

Development of filter radiometer based high accurate calibration facility for solar UV meters

A reference filter radiometer based measurement system was established in the laboratory to calibrate solar UV radiometers. Filter radiometer was constructed from three-element silicon photodiode based reflection type trap detector, band-pass filters and precision aperture in a temperature-controlled enclosure. Spectral responsivity of trap detector was determined as traceable to the cryogenic radiometer and electrically calibrated pyroelectric detector. Relative uncertainties in the filter radiometer's responsivities at six wavelengths between 291 nm and 434 nm were calculated. In order to engage this radiometer in various types of implementations, filter(s) having previously known spectral transmittance was used in the radiometer housing. Calibration of solar UV meters can be achived accurately by using the developed system.     

基于探测器标准的高精度光谱辐射标准光源

本文在评述低温绝对辐射计和SIRCUS发展的基础上,讨论了基于探测器标准的光谱可调谐自校准标准光源的工作原理、发展与应用前景。在探测器型光谱辐射标准研究方面,工作在液氦温度的低温绝对辐射计不确定度达0.01%。美国国家标准与技术研究院(NIST)建立的均匀光源光谱辐照度和光谱辐亮度响应度定标装置(SIRCUS)采用一系列激光器,由低温绝对辐射计传递的硅陷阱探测器定标,不确定度已达到0.1%,成功应用于空间遥感仪器高精度辐射定标。分析认为,发展中的基于探测器标准的光谱可调谐自校准标准光源,定标精度高,自行校正老化、衰减,保证了定标精度长期稳定。     

一种近红外探测器的光谱响应率测量

对近红外辐射功率光谱绝对响应率的定标技术进行了研究。设计了一种制冷扩展波长型的InGaAs探测器，为了使其能够作为功率传递的标准探测器工作在（1.2～2.5）μm波长范围，对探测器的光谱响应率进行了测量。首先在1260nm波长下进行绝对功率传递的标定试验，然后用基于红外单色仪的光谱比较系统（SCF）测量了探测器的相对光谱响应率。结合2个步骤的数据，最终可以得到探测器的绝对光谱响应率。     

照明用大功率LED回路热管散热器的研究

分析了照明用大功率LED封装的散热特性,提出了一种用于大功率LED系统散热的回路热管;研究了热负荷、倾角、加热方式等对热管的起动性、均温性、热阻等的影响。试验结果表明,所设计的热管散热器的热阻在0.19K/W~3.1K/W之间,蒸发器的均温性被控制在1.5℃以内,满足大功率LED封装的均温性要求,在热负荷为100W时,蒸发器的温度被控制在100℃以下,满足大功率LED结点温度的控制要求。     

Thermal performance analysis of vacuum variable-temperature blackbody system

In this paper, the design and structure of a vacuum variable-temperature blackbody system were described, and the steady-state thermal analysis of a 3-D blackbody model was presented. Also, the thermal performance of the blackbody was evaluated using an infrared camera system. The blackbody system was constructed to operate under vacuum conditions (2.67 × 10⁻² Pa) to reduce its temperature uncertainty, which can be caused by vapor condensation at low temperatures usually below 273.15 K. A heat sink and heat shield including a cold shield were embedded around the radiator to maintain the heat balance of the blackbody. A simplified 3-D model of the blackbody including a radiator, heat sink, heat shield, cold shield, and heat source was thermophysically evaluated by performing finite elements analysis using the extended Stefan–Boltzmann’s rule, and the infrared radiating performance of the developed system was analyzed using an infrared camera system. On the basis of the results of measurements and simulations, we expect that the suggested blackbody system can serve as a highly stable reference source for the calibration and measurement of infrared optical systems within operational temperature ranges.     

Noises in Detecting Relic Gravitational Wave

We analyse the three basic kinds of noises in detecting the relic gravitational wave （GW）, which are the noises caused by the thermal radiation in the detecting cavity and by the scattering of the Gaussian beam in the detecting cavity, and noise in the microwave radiometers. The analysis shows that a reasonable signal-to-noise ratio may be achieved for a detecting device with a suitable geometric structure only when the temperature of the environment is no more than T = 0.6 K, and the power of the radiation of the Gaussian beam is no less than P=10^5 W.     

基于可调谐激光的光谱辐射照度响应度定标

探测器的光谱辐射照(亮)度响应度是辐射定标中最重要的参数之一。传统的光谱辐射定标采用宽谱段光源和单色仪装置测量,新建的激光辐射测量装置采用激光和探测器测量,可以大大降低测量的不确定度。该装置首先将可调谐激光耦合进入积分球生成均匀的朗伯体单色光源,然后采用低温辐射计量传的标准陷阱探测器和面积已知的光阑,进行400～900 nm探测器的光谱辐射照度响应度标定。研究主要集中在四个方面：(1) 低温辐射计仅在某些分立激光波长定标标准探测器,其他激光波长下的光谱响应度必须进行插值,通过对比光谱响应度直接测量方法推导的陷阱探测器量子吸收效率,可以计算插值在其他波长带来的光谱响应度偏差,结果表明400～900 nm数据插值算法的总体偏差小于0.074%;(2) 实验采用电荷积分法测量标准探测器和被测探测器的电荷信号,并采用监视探测器消除激光功率起伏以降低激光功率稳定性的影响,测量重复性优于0.1%;(3) 针对标准探测器在向低温辐射计溯源和进行光谱辐射照度响应度量传时的激光功率差异,采用激光双光路叠加法测量探测器不同波长下的非线性系数,分析标准探测器光谱非线性带来的测量不确定度,在450,632.8和850 nm波长下,当探测器电流从0.2 mA变到3 nA时的非线性修正小于1.000 25;(4) 针对标准探测器定标时的功率模式和量传时的辐射照度模式差异,采用二维电控位移平台测量探测器的均匀性并进行修正,测量得到的标准探测器中心直径5 mm的非均匀性小于0.03%。最终采用可调谐激光辐射照度响应度测量装置,可以实现400～900 nm辐射照度响应度测量不确定度0.14%～0.074%(k=1)。实验对比了激光辐照度响应度装置和标准灯-单色仪装置两种方法测量的探测器的光谱辐射照度响应度。测量结果表明两种装置在400～900 nm的响应度标定近似等价,测量偏差全部位于标准灯-单色仪装置的测量不确定度范围内, 验证了激光辐照度响应度测量装置的实用性。