表面结构对面源黑体光谱发射率的影响
张宇峰1, 邬玉玲2, 吴元庆1,*, 贾辉2, 刘文皓2, 戴景民3
1.渤海大学物理科学与技术学院, 辽宁 锦州 121013
2.渤海大学化学与材料工程学院, 辽宁 锦州 121013
3.哈尔滨工业大学仪器科学与工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001
*通讯作者 e-mail: wuyuanqing123@163.com

作者简介: 张宇峰, 1981年生,渤海大学物理科学与技术学院教授 e-mail: zhangyufeng@bhu.edu.cn

摘要

随着红外测温技术的快速发展, 红外测温仪在军事及民用领域得到广泛应用, 对测量准确度的要求提升到了新的高度。 面源黑体辐射源作为非接触测温设备校准的核心装置, 近年来受到广泛的关注。 发射率是描述辐射源性能的重要指标, 目前缺少黑体表面形貌对发射率影响的研究。 面源黑体发射率主要由表面凸锥结构和涂覆涂层决定。 为设计出高发射率面源黑体, 以具有凸锥结构的面源黑体为基础模型, 引入间距及涂层结构, 建立具有不同表面结构参数、 单元间距及涂层厚度的面源黑体模型, 设置基底材料为石墨, 涂层材料为氮化硅, 通过有限元软件得到仿真模型的反射率, 利用反射率反演得到其发射率, 绘制3~14 μm范围内的光谱发射率曲线; 研究面源黑体表面的电场分布情况。 分析结构单元的宽高比、 涂层厚度和结构单元间距等参数对发射率的影响。 结构单元高度与发射率成正比、 较窄的宽度对发射率有优化作用, 发射率随宽高比的减小而增大。 涂层结构改变了光谱发射率的下降趋势, 在11 μm后发射率上升, 发射率随厚度增加而增大; 单元间距变化与发射率成正比。 设置初始面源黑体单元结构高度为10 μm、 宽度为1 μm, 在该模型上依次添加2 μm涂层及2 μm间距结构, 进行仿真计算。 优化后黑体辐射源在长波段具有优势, 在3~14 μm波段内光谱发射率稳定, 最低值为0.966; 电场分布图表明了三种结构因素对面源黑体表面能量的影响, 优化得到的模型参数可用于面源黑体的实际制造。 仿真结果表明较小宽高比、 较厚涂层、 较大间距具有提高发射率的能力, 为制造高辐射性能面源黑体辐射源提供了理论参考。

关键词: 发射率; 面源黑体; 表面结构; 仿真计算
中图分类号:O436 文献标志码:A
Effect of Surface Structure on Emissivity of Area Blackbody
ZHANG Yu-feng1, WU Yu-ling2, WU Yuan-qing1,*, JIA Hui2, LIU Wen-hao2, DAI Jing-min3
1. Institute of Physical Science and Technology, Bohai University, Jinzhou 121013, China
2. Institute of Chemistry and Materials Engineering, Bohai University, Jinzhou 121013, China
3. School of Instrumentation Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China
*Corresponding author
Abstract

With the rapid development of infrared temperature measurement technology, infrared thermometer plays an important role in both military and civil fields, so it calls for higher measurement accuracy. It should be observed that a couple of years have witnessed an increasing number of people who are concerned that radiation source consisting of area blackbody is the vital device to calibrate the non-contact thermometer. Spectral emissivity is an essential parameter to describe the performance of radiation sources, while there is less research involved in the effect of blackbody surface topography on emissivity. It is manifested that the emissivity of the area blackbody is related to the combination structure of the evagination cone and coating. In order to design a remarkable performance area blackbody with high emissivity, the paper takes the area blackbody with convex cone structure as the basic model, adding components of spacing resembling grating and coating, and establishes an area blackbody model with different structural parameters, cell spacing and coating thickness. Graphite and silicon nitride is set as the base material and the coating material, respectively. Reflectivity is obtained by measuring the variation of reflected radiation with related soft. Then the emissivity is calculated through the relationship between reflectivity and emissivity, drawing the curve of spectral emissivity in the range of 3~14 μm. According to the electric field distribution of the surface and curve of spectral emissivity, we analyze the influence of parameters such as the ratio of width to length, coating thickness and spacing on emissivity. It is shown that the height of the structure unit is proportional to spectral emissivity, and emissivity is optimized due to narrower width, which increases as the ratio of width to length decreases. The dropping trend of spectral emissivity is changed by the coating structure in which the emissivity increased at the wavelength above 11 μm, and the emissivity rise with the increasing coating thickness. What's more, the spacing structure is proportional to emissivity. The height and width of the unit structure of the original area blackbody are set at 10 and 1 μm, respectively. A coating with a thickness of 2 μm and a spacing structure with a width of 2 μm are sequentially added to the original model for simulation calculation. The optimized blackbody radiation source has advantages in the long wavelength band, and the spectral emissivity with a minimum value of 0.966 is stable in the range of 3~14 μm. The electric field distribution shows the influence of these structural factors on the surface energy of the area blackbody, and the optimized model parameters can be used to manufacture a realistic area blackbody. Simulation results illustrate that a smaller aspect ratio, thicker coating and larger spacing improve spectral emissivity, which provide a theoretical reference for the manufacture of radiation sources consisting of area blackbody with high radiation performance.

Keyword: Emissivity; Extended area blackbody; Surface structure; Simulation calculation
引言

在非接触光学测温中, 研究人员为获取准确数据, 采用标准黑体辐射源, 对红外测温装置进行标定[1]。 面源黑体具有辐射面积大, 使用对准方便等优点, 近年来已广泛应用于红外温度计的标定领域[2, 3, 4], 其发射率是重要的标定参数, 但受到表面结构参数的影响较大[5, 6], 优化设计出高发射率的面源结构对提高面源黑体的使用性能十分必要, 近年来国内外许多学者对该领域展开了较为深入的研究。

国际上, 对面源黑体的研究可追溯至20世纪50年代[7]。 1954年, Daws等基于法向和半球发射率的近似表达式, 分析具有等腰三角形凹槽和等温直线凹槽黑体的辐射特性。 2006年, Alexander V Prokhorov等使用蒙特卡罗数值模拟方法证明了V型槽的有效发射率高于线型凹槽。

国内使用具有V型槽结构的面源黑体配置红外设备, 研究温度均匀性及稳定性对面源黑体发射率的影响, 2013年, 哈尔滨工业大学[8]研制出在80~300 K温度区间工作的面源黑体辐射源系统。 2021年, 扈又华[9]等制备的400 mm×400 mm面源黑体辐射源, 采用多路控温和连接固定冷源的方式对其进行温度控制, 现已成功应用于大口径红外测量系统。

目前缺少V型槽单元结构参数及涂层对面源黑体发射率影响的研究。 本工作引入间距及涂层结构, 计算具有不同表面结构参数的面源黑体发射率, 旨在研究参数变化对面源黑体发射率的影响, 提高面源黑体辐射性能。

1 面源黑体发射率计算建模
1.1 黑体辐射理论

黑体辐射光谱亮度可由普朗克定律计算得到, 其表达式为

Mλb(T)=C1λ-5exp[C2/(λT)]-1(1)

式(1)中, C1为第一辐射常数, 表达式为C1=2πhc02, c0为真空中的光速; C2为第二辐射常数, 表达式为C2=hc0/KB, KB为玻尔兹曼常数, 数值为KB=1.380 6×10-23

材料的光谱发射率定义为相同温度下材料光谱辐射亮度Mλ(T)与黑体光谱辐射亮度的比值, 材料光谱发射率ε λ可以表示为式(2)

ελ=Mλ(T)/Mλb(T)(2)

1.2 发射率计算模型

采用有限元仿真软件COMSOL求解反射率及电磁波在整体结构中的分布情况。

入射光在两种介质的交界面存在反射、 透射及吸收现象, 三者关系为

R+T+α=1(3)

式(3)中, R, Tα分别为材料的反射率、 透射率和吸收率, 基于基尔霍夫定律: 在热平衡状态下, 其吸收率等于发射率ε , 对于不透明物体, 式(3)可以表示为

ε=1-R(4)

所以通过计算面源黑体表面反射率R可反演得到其发射率ε

为明确仿真模型主体结构, 分析面源黑体V型槽表面及光线在V型槽内运动轨迹, 如图1所示。

图1 环形V型槽表面及光线传播轨迹Fig.1 Surface with concentric V groove and the trajectory of ray in the groove

图1中, n1为空气折射率、 n2为石墨的折射率, θ 1θ 2为光线的入射角与折射角。 由图1可知, V型槽为光线传播的主要区域。

所以面源黑体仿真模型主体由两个完整V型槽构成, 为分析涂层对发射率的影响, 添加一种涂层结构, 如图2所示。

图2 仿真模型Fig.2 The simulation model

图2中, H为单元高度、 W为单元宽度, D为涂层厚度; 模型自上而下依次为真空、 涂层、 结构单元和黑体基底。 高发射率基底材料有利于提高面源黑体辐射性能, 石墨为电阻型吸波材料[10, 11], 具有较高发射率且稳定性高、 易加工, 被广泛用于制造面源黑体, 黑体基底与结构单元均使用石墨材料; Si3N4材料为介电损耗型吸波材料, 有较好的吸波性能[12, 13], 因此涂层选用Si3N4材料。

设置入射光波长为3~14 μm; 入射光由结构上方射入, 进行仿真计算。

2 结果与讨论
2.1 数据分析与处理

2.1.1 宽高比对面源黑体发射率的影响

结构单元高度H为5~10 μm、 宽度W为1~3 μm, 不同参数下, 面源黑体光谱发射率结果如图3所示。

图3 不同结构参数面源黑体光谱发射率
(a): 高度为5~10 μm、 宽度为1 μm的面源黑体; (b): 高度为10 μm、 宽度为1~3 μm的面源黑体
Fig.3 Spectral emissivity of area blackbody with different aspect ratio
(a): blackbody with height of 5~10 μm and width of 1 μm: (b): blackbody with height of 10 μm and width of 1~3 μm

图3(a)中, 曲线位置由高度决定, H-5 μm对应的曲线位于最下端, H-10 μm对应的曲线位于最上端, 曲线间无交叠; 图3(b)中, H-10 μm, W-1 μm的发射率曲线在短波长处略低, 在7~14 μm内高于其他曲线, 较小的宽度在长波段存在优化作用。 因此要得到较高发射率的面源黑体, 需构建高度较大且宽度较小的表面结构, 既表面结构的宽高比(W/H)较小时, 可获得较为理想的发射率。

对于同一方向入射的光, 入射角θ 1随宽高比减小而增加, 平行进入结构单元的电矢量Esinθ 1增加, 被束缚在面源黑体V型槽内部的能量增加, 引起发射率升高。

2.1.2 涂层厚度对面源黑体发射率的影响

为分析涂层厚度对面源黑体发射率的影响, 在W=1 μm, H=10 μm的结构单元上涂覆厚度为1~1.2 μm的Si3N4材料, 计算结果如图4所示。

图4 不同涂层厚度的面源黑体光谱发射率Fig.4 Spectral emissivity of surface source blackbody with different coating thickness

由图4可知, 涂层为0对应的发射率曲线呈下降趋势, 涂层结构抑制了该趋势, 在11~14 μm波段内, 发射率曲线上升, D-1.2 μm对应的发射率曲线位于最上端且斜率最大, 涂层厚度影响发射率的数值。

选用的氮化硅材料折射率实部、 虚部分别为2.6和0.85, Si3N4涂层具有良好的电磁透过性, 可以通过减少反射损失增加透过的电磁能量, 依靠折射率虚部使能量在其内部损耗, 通过调控涂层厚度延长电磁波在涂层中的传播路径, 增加Si3N4与光的作用几率, 达到面源黑体宽带光吸收的目的。

2.1.3 间距对面源黑体发射率的影响

W=1 μm, H=10 μm的单元结构上设置间距为1~1.2 μm, 图5为发射率计算结果。

图5 不同间距参数的面源黑体光谱发射率Fig.5 Spectral emissivity of surface source blackbody with different spacing parameters

图5中, 无间距结构对应的发射率曲线位于最下端, 间距结构仅提高发射率数值未改变发射率的下降趋势, 数值增幅由间距决定, D-1.2 μm对应的发射率增幅最大。

面源黑体引入间距结构, 光线在凹槽底部反射次数增加, 能量在运动过程中损失, 反射出结构的光线数量降低, 有利于面源黑体发射率的提高。

2.2 高发射率面源黑体结构优化设计

较厚的涂层、 较宽的间距对提高发射率有积极作用, 为研究涂层与间距的复合结构对面源黑体的优化效果, 设置初始面源黑体单元结构H=10 μm, W=1 μm, 依次添加2 μm涂层结构、 2 μm间距结构, 进行仿真计算, 发射率计算结果如图6所示。

图6 不同表面参数面源黑体3~14 μm的光谱发射率
H-10 μm, W-1 μm为初始黑体; D-2 μm代表涂层厚度为2 μm的面源黑体; D-2 μm, Spacing-2 μm为优化后面源黑体
Fig.6 Spectral emissivity of 3~14 μm of area blackbody with different surface parameters
H-10 μm, W-1 μm is original blackbody; D-2 μm is area blackbody with 2 μm coating; D-2 μm, Spacing-2 μm is optimized area blackbody

优化后的面源黑体具有平稳的光谱发射率曲线, 最小发射率位于7 μm处, 数值为0.966, 3~5 μm波段内发射率高于0.99, 其在14 μm处的发射率为0.991, 比初始面源黑体发射率高0.238, 间距结构在10~14 μm波段内占主导作用。 具有单一涂层结构的面源黑体光谱发射率较稳定, 幅值小于0.03。

初始面源黑体、 涂层厚度为2 μm的面源黑体、 优化后的面源黑体电场分布情况分别如图7所示(a, b, c)。

图7 面源黑体电场分布图
(a): 初始面源黑体; (b): 涂层厚度为2 μm; (c): 优化后面源黑体
Fig.7 Electric field distribution of area blackbody
(a): Original blackbody; (b): Blackbody with 2 μm coating; (c): Optimizing blackbody

图7(b)中, 涂层和结构单元对光有吸收作用, 由石墨和氮化硅构成的复合材料使电磁波能量最大限度进入材料内部并迅速衰减, 耦合进材料的能量增加。 图7(c)中, 由入射光波和反射光波叠加而成的驻波现象明显, 间距结构使能量在结构单元间聚集, V型槽间高能量电磁波占比增加, 发射率提高。

3 结论

对基于石墨和氮化硅材料的面源黑体光谱发射率进行了计算, 通过改变其表面结构的宽高比、 涂层厚度、 间距等参数, 研究结构因素对光谱发射率的影响。 涂层厚度与结构间距对光谱发射率的优化效果明显。 考虑各种结构因素, 优化设计出了具有较高红外发射率的面源黑体, 其光谱发射率稳定性高, 数值大于0.966, 满足现阶段标准黑体辐射源高发射率的使用需求, 对红外光学测温系统精度的提高有着重要作用。

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