[发明专利]适用50-150K低温材料光谱发射率测量的方法和装置

说明书

本发明提供一种适用50‑150K低温材料光谱发射率测量的方法和装置，该装置包括：傅里叶变换红外光谱测量系统、机械调制解调装置、辐射收集系统、真空低温信号辐射系统。傅里叶变换红外光谱测量系统，包括傅里叶变换红外光谱仪、计算机和连接装置；所述的机械调制解调系统，包括用以机械调制的斩波器及用以解调制的锁相放大器；斩波器的参考信号输出端与锁相放大器的参考信号输入端相连；锁相放大器的信号输入端与辐射热测量计的信号输出端相连，其输出端与电路控制板的输入端相连。所述的辐射收集系统，包括用于收集低温辐射信号的抛物面金镜和用于改变低温辐射信号传播方向的平面金镜。所述的真空低温信号辐射系统，包括氦气闭循环制冷机、样品台。

技术领域

本发明涉及一种低温下远红外材料热辐射性能测试的方法和装置，具体涉及一种适用50～150K低温材料光谱发射率测量的方法和装置。

背景技术

现今各航天大国都在致力于太空探索，而太空为真空黑冷的环境，航天器的热量交换主要是通过热辐射的方式进行。在深空探测中，无太阳光照射时，一般通过发射率ε来表征材料的热辐射性能。对于火星登陆以及发展太空望远镜需要材料在50～150K下特定波段的发射率数据，因此，低温下材料光谱发射率的测量是个亟待解决的问题。由普朗克定律知，温度对黑体辐射强度有很大的影响，通常温度越低，辐射强度越低。由维恩定理得，50K时材料热辐射电磁波主要集中在远红外波段。在低温下，由于背景辐射对待测辐射信号的干扰，获得低温发射率的实例很少。

从五十年代开始，在材料科学、空间技术、核能及计算机技术等许多重大科学技术发展的推动下，发射率的研究取得了长足的发展和完善。根据测试原理的不同，将测试发射率的方法分为量热法、反射法、多波长法和能量法，量热法按热流状态可分为稳态法及瞬态法。而前三种方法都存在着各自的缺点，稳态法只能测试全波长半球发射率，不能测量光谱或定向发射率；瞬态量热法被测对象只能是导体材料；反射法只适用于不透明样品；多波长法理论不够完善，算法对材料的适用性差，测量精度不高。相比之下，能量法不仅能获得样品的光谱发射率，而且适用材料范围广，原理明了，测试周期短。因此我们采用能量法进行材料远红外低温光谱发射率的测试。

发明人已基于傅里叶变换红外光谱仪干涉调制和斩波器机械调制相结合的双调制技术，创新地获得了高质量中红外辐射光谱，其具有高灵敏度，低背景辐射干扰，操作便捷等优点。基于上述经验，提出了利用双调制技术测量样品和黑体远红外低温光谱发射率的构想，用于研究低温下材料远红外波段的热辐射性能。

发明内容

在低温环境下，为了获得高质量的辐射信号，精确控制样品温度、减少背景辐射对待测辐射信号的干扰是个重要问题。

本发明一方面提供一种适用50～150K低温材料光谱发射率测量的装置，包括：

傅里叶变换红外光谱测量系统、机械调制解调装置、辐射收集系统、真空低温信号辐射系统。

所述的傅里叶变换红外光谱测量系统，包括傅里叶变换红外光谱仪、计算机和连接装置；傅里叶变换红外光谱仪包括对低温辐射信号进行干涉调制的干涉仪、对远红外波段具有高灵敏度的液氦制冷辐射热测量计、用于采集数据的电路控制板；连接装置由金刚石窗片、双面法兰及波纹管组成，用于连接傅里叶变换红外光谱仪与真空低温信号辐射系统的氦气闭循环制冷机以保证装置具有良好的密封性；电路控制板与计算机相连，通过的傅里叶逆变换对干涉调制进行解调，获得低温光谱。

所述的机械调制解调系统，包括用以机械调制的斩波器及用以解调制的锁相放大器；斩波器的参考信号输出端与锁相放大器的参考信号输入端相连；锁相放大器的信号输入端与辐射热测量计的信号输出端相连，其输出端与电路控制板的输入端相连。

所述的辐射收集系统，包括用于收集低温辐射信号的抛物面金镜和用于改变低温辐射信号传播方向的平面金镜。

所述的真空低温信号辐射系统，包括氦气闭循环制冷机、样品台；样品台包括样品、黑体、和由低温温度控制仪控制加热功率的直流可调加热电阻,用于调整样品台高度的步进装置；