PDF《低温辐射计热结构设计与分析*》

41 所于 十三五 期间在国内率先开展了光学计量用低温 辐射计研制工作. 低温辐射计最核心的部分当属其内部热结构, 它利用超低温环境下电加热等效替代光加热的方 式实现对光功率的精确测量.?本文首先介绍了低温 辐射计的热路结构,?并从导热微分方程出发分析了 腔体组件与热链材料的热学特性对低温辐射计响 应率和时间常数特性参数影响的内在机理.?在此基 础上,?完成了低温辐射计热结构设计,?测试并分析 了四种不同热链材料所对应的时间常数和响应率 参数,?同时分析了其他影响低温辐射计特性参数的 因素. 2???低温辐射计热结构模型 2.1 低温辐射计热路结构 作为一种热探测器,?低温辐射计同样包含能量 吸收体 (黑体腔)、测量光电加热后温度变化的温度 传感器、提供恒定低温环境的热沉,?以及吸收体与 热沉之间的弱热连接 (热链),?由于低温辐射计采用 光电加热等效替代测量原理,?所以它在热探测器的 基础上增加了电加热器,?图1所示为低温辐射计的 热路示意图.?这里将黑体腔、加热器和温度传感器 统称为腔体组件,?腔体组件、热链与支撑热沉共同 构成低温辐射计热结构.?热结构决定了低温辐射计 的响应率、时间常数等重要参数,?热链又是连接黑 体腔与热沉并进行热传递的唯一纽带,?是低温辐射 计光电加热等效替代的中枢. 2.2 热结构导热模型 在直角坐标系下,?热源为 、空间分布均匀的 物体内部各点温度 T 与时间 t 的内在联系可由导 热微分方程表示为 (1) 式,?它揭示了连续物体内的 温度分布与空间坐标和时间的内在联系. ? 其中 t 为时间;

? 为物体密度;

?c 为比热容;

? 为单 位时间、单位体积中热源生成的热量 (单位为 W/m3);

?a 为热扩散系数 ,?用于表征物体 内部温度的扯平能力,? 为材料的导热系数. 为简化模型计算复杂度,?考虑到黑体腔材料的 导热系数极大,?黑体腔内部热阻与热链热阻相比可 以忽略,?黑体腔中温差不大,?温度梯度变化主要体 现在热链中,?采用集总参数法可以得到温度响应 T 的解[20] .?图2所示为零维问题传热模型,?表示零 维物体 (密度、比热、体积和温度分别为 ) 置于恒温 T0 的环境中,?物体与环境之间总热导率 为K.?此时,?可近似认为导热过程中物体内的温度 分布与坐标无关,?仅随时间变化,?因此 (1) 式可简 化为 ? 零维问题无几何边界,?而在实际模型界面上交 换的热量应折算成整个物体的体积热源,?对于低温 辐射计热传递模型,? 由两部分构成:?入射光辐射 功率 ,?以及物体与环境之间热传递所消耗的 功率 ,?其中 V 为物体的体积.?且有 , ,?P0 为入射光功率,?K 为总热导 ? 图?1????低温辐射计热路示意图 Fig.?1.?Schematic ?diagram ?of ?thermal ?circuit ?of ?cryogenic radiometer. ? ? 图?2????零维问题传热模型 Fig.?2.?Heat-transfer?model?of?zero?dimensional?problem. ? 物?理?学?报???Acta??Phys.??Sin.???Vol.?68,?No.?6?(2019)????060601 060601-2 率,?T 为物体温度,?T0 为环境温度,?所以有 ? 考虑到 为散热过程,?所以 ,?即?将(4) 式代入 (2) 式可以得到 ? 其中 为总热容,? ,?代入初 始条件:?t?=?0,? ,?可以得到 ? 式中 .?至此,?得到零维物体的时间常数公 式和响应度公式为 ? 为时间常数,?即温度升高到最大恒定值的 (1?C?1/e) 所需要的时间,?表征响应速度;