PDF《低温辐射计热结构设计与分析*》

? 为t趋向于无 穷大,?物体达到热平衡时的最大温升,?表征响应度. 为了更好地表征低温辐射计加热功率响应灵敏度 特性,?引入响应率 R 来表征低温辐射计对单位加 热功率的温度响应特性,?则,?单位为 K/W.?可以看到,?时间常数和响应率两个参数是相 互制约的,?在低温辐射计热结构设计过程中要根据 实际情况在两者之间进行权衡,?此外还要考虑支撑 结构对整个热结构稳定的机械支撑性和良好的热 屏蔽作用. 仅仅依靠上述公式进行低温辐射计特征参数 设计是远远不够的,?但上述公式能够反映各物理量 与低温辐射计特性参数的定性关系.?在实际设计过 程中往往需要通过大量实验测试得到各物理量与 响应率和时间常数的定量化约束关系,?进而根据上 述特性参数公式对热结构各部件进行调整,?以得到 符合预期指标的设计结构. 3???热结构设计 3.1 黑体腔设计 黑体腔是整个低温辐射计的核心部件之一,?作 为能量吸收体,?黑体腔的设计要满足如下

3 个条 件.?1) 高光谱吸收率.?黑体腔吸收率越高,?低温辐 射计的光电加热不等效性越小,?另外高吸收率可以 避免过多杂散光溢出吸收腔产生额外光加热,?进而 减少对低温辐射计测量不确定度的影响.?2) 高热 导率.?在腔体结构确定的情况下,?腔体材料的热导 率越大,?腔体自身热阻越小,?有利于黑体腔自身快 速达到热平衡,?减小腔体自身温度分布梯度差异. 3) 低热容.?腔体热容与其材质和质量有关,?由(7) 式 可知热容越小,?时间常数越小,?完成一次光电等效 替代加热的时间越短. 本文采用底面倾角为 30°的斜底黑体腔结构, 这种结构已被证明具有较高的吸收率 [21] .?腔体采 用OFHC 铜材质,?为了便于腔体和热链之间的配 合,?黑体腔采用外反沿设计,?如图 3(a) 所示.?腔体 长75?mm,?外径 10?mm,?腔体壁厚 0.1?mm.?腔体 内壁涂有高光谱吸收率低漫反射系数的吸收黑材 料,?黑体腔整体质量约 2?g,?在633?nm 处的吸收率 达0.999995. 3.2 热链设计 热链是黑体腔和低温热沉之间的热传递纽带, 它直接决定了低温辐射计的响应率和时间常数等 ? 图?3????热结构仿真和实物图 (a) 黑体腔;

?(b) 热链;

?(c) 热结构 Fig.?3.?Picture?of?thermal?structure:?(a)?Blackbody?cavity;

?(b)?heat?link;

?(c)?heat?sink. ? 物?理?学?报???Acta??Phys.??Sin.???Vol.?68,?No.?6?(2019)????060601 060601-3 指标[22].?在热链的设计过程中,?对材质和形状并无 统一要求,?对于不同的低温辐射计设计方案,?除了 要根据设计指标平衡响应率和时间常数外,?还要保 证其具有足够的机械支撑应力和良好的热接触[23], 从而减小因机械制冷机振动带来的影响.?现有研究 一般采用

6061 铝、SS304 不锈钢和聚酰亚胺等低 导热系数材料作为热链材料,?并使用低温胶或无缝 焊接等工艺进行热链与黑体腔之间的连接.?但使用 低温胶容易造成接触热阻过大、支撑应力不足的问 题,?无缝焊接又使得各零部件之间不可拆卸,?不利 于后期维护和部件更换. 本文设计了一种垫片式同心圆环热链结构,?圆 环内径由黑体腔外径决定,?R1?=?5?mm,?外径由二 级冷屏内部空间决定,?取R2?=?14?mm,?通过改变 热链片的厚度 L 和材质,?便可以调节其热阻.?为了 便于热结构装配和减小接触热阻,?在原导热结构的 基础上进一步设计了黑体腔安装座、6 个螺钉过孔 和两侧边缘处凸出的圆环,?见图 3(b).?黑体腔安装 座用于和黑体腔配合,?配合处使用低温导热胶进行 黏合;