Тепловой излучатель Советский патент 1982 года по МПК G01J5/02 

(54) ТЕПЛОВОЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ

Изобретение относится к диагностике плазмы и предназначено для калибровки антенн, градуировки радиопирометров вместе с их антенными системами и метрологической аттестации широкоапертурных излучателей «черное тело, выполненных на газоразрядных и полупроводниковых генераторах шума, в диапазоне сверхвысоких частот в области температур порядка (1 ... 3). 10 К международной практической температурной шкалы. Известны в оптическом и инфракрасном диапазонах тепловые излучатели в виде полости с равномерно нагретыми стенками с выходной апертурой, размеры которой, по крайней мере, на порядок меньше размеров полости, но значительно превышают длину волны 1. Вследствие больших размеров полости по сравнению с размерами отверстия и длиной волны модель находится в состоянии термодинамического равновесия и обладает высокой излучательной способностью, близкой к максимально возможной при данной температуре. Распределение спектральной плоскости излучения подчиняется закону Планка (Рэлея-Джинса в радиодиапазоне), а положение максимума излучения на частотной шкале - закону Вина.. Форму полости выбирают в виде геометрических тел простой формы, например сферы, цилиндра, параллелепипеда. Характер отражения лучей от внутренних поверхностей полости - зеркальный, диффузный или смешанный - не оказывает большого влияния на коэффициент излучения ввиду больших размеров полости по сравнению с размерами отверстия. Форма полости выбирается, как правило, в виде клина или конуса. Излучательная способность конической и клинообразной полостей суш,ественно зависит от угла при вершине, положения точки наблюдения относительно апертуры, величины коэффициента отражения при различных углах падения лучей на стенки полости, от характера отражения лучей. Наиболее близким по технической сущности к данному изобретению является тепловой излучатель, выполненный в виде полости, имеющей в сечении форму выпуклого многоугольника с излучающей апертурой и равномерно нагретыми стенками из термостойкого материала 2. Яркостная температура Гя этого теплового излучателя равна термодинамической температуре равномерно нагретых стенок полости Т с точостью до коэффициента е, характеризующего эффективность излучения этой полости: Гя еТОсновным недостатком известного теплового излучателя является невысокая точность определения яркостной температуры вследствие невысокой эффективности излучения. Это определяется тем, что с уменьшением угла при вершине клинообразной полости все большая часть всех отражений от стекок полости луча, попавшего извне, происходит под малыми углами к поверхности. Величина коэффициента отражения от гладких поверхностей, как правило, растет с уменьшением этого угла, суммарное затух.ание лучей за счет отражения в полости увеличивается весьма незначительно при сильном увеличении размера полости «вглубь. Кроме того, на эффективность излучения клинообразной полости оказывает отрицательное влияние дифракция поля при вершине, т. е. эффективность излучения клинообразной полости принципиально не может быть близкой к эффективности излучения «абсолютно черного тела (максимально возможной эффективности, когда е 1).

Другим недостатком излучателя является его низкая экономичность, обусловленная малой эффективностью излучения в СВЧ-диапазоне при больших энергетических затратах.

Цель изобретения - повышение точности определения яркостной температуры и эффективности излучения в СВЧ-диапазоне.

Поставленная цель достигается тем, что угловые размеры полости выбраны так, что через заданиое число отражений направление лучей повторяется, а линейн-ые размеры выбраны из условия обесиечения заданного суммарного числа отражений, причем внутренняя поверхность полости выполнена из материала с р|адиопоглош,ением не хуже, чем у нержавеющей стали.

На чертеже цоказаи тепловой излучатель.

Полость теплового излучателя выполнена с плоскими равномерно нагретыми стенками L-6 из термостойкого материала со слабым радиопоглощением, имеющей апертуру прямоугольной формы 7. Внутренний объем полости представляет собой выпуклый многогранник, четйре стенки которого 1-4 вместе с плоскостью апертуры 7 имеют профиль продольного сечения в виде выпуклого многоугольника, а две стенки 5, 6 параллельны друг другу.

Полость, например, может быть образована шестью стенками, две из которых параллельны друг другу, а остальные четыре имеют продольный профиль в виде выпуклой незамкнутой ломаной линии со сторонами 3,7/, 2,1/, 3,0/, 2,6/, где / - длина следа плоскости апертуры, и внуственно. При этих соотношениях тепловой излучатель получается близким к оптимальному.

Стенки полости выполнены из термостойкого материала, обладающего некоторым радиопоглощением, например, из положенных впритык друг к другу брусков точильного камня - зеленого карборунда КЗ-150. Толщина радиопоглощающего слоя

0 примерно равна четверти длины волны в материале в длинноволновой части рабочего диапазона излучателя. В качестве материала стенок может быть использован листовой металл с низкой проводимостью,

5 например нержавеющая сталь. Стенки полости изнутри покрыты слоем радиопрозрачного свето- и теплоизолирующего материала, например ватой каолинового состава МРТУ6-11-102-69.

0 Тепловой излучатель работает следующим образом.

После включения подогрева через некоторое время устанавливается тепловое равновесие между полостью и окружающим ее пространством. При этом каждый элемент внутренней поверхности стенок 1-6 полости излучает некоторое количество лучистой энергии. Поскольку стенки полости покрыты слоем свето- и теплоизолирующего материала, излучение стенок в световом и инфракрасном диапазонах волн и конвекция отсутствуют, а происходит излучение стенок в диапазоне прозрачности этого по- крытия, т. е. на СВЧ.

Излученная всеми элементами полости энергия распределяется следующим образом. Одна часть энергии сразу выходит через апертуру 7 во внешнее пространство, другая претерпевает многократные переот ражения внутри полости. При каждом отражении интенсивность луча возрастает пропорционально коэффициенту излучения (коэффициенту черноты данного элемента в направлении отражения луча). Лучи, многократно отраженные стенками 1-б, затем выходят через апертуру 7 во внешнее пространство. Таким образом, доля энергии многократно переотраженных лучей, вышедших из полости, оказывается

существенно больше, чем лучей, непосредственно излученных в свободное пространство нагретыми участками внутренней поверхности полости.

Следовательно, при наличии некоторого радиопоглощения в стенках полости и покрытия стенок свето- и теплоизолирующим материалом получаем тепловой излучатель с коэффициентом излуления, близким к

едииице, что обеспечит высокую точность определения яркостной температуры в апертуре.

Кроме того, покрытие стенок полости материалом, пропускающим радиоизлуче -- -Л..™-. -«, «.,„,. -.-..-,.

щими свойствами, увеличивает как эффективность излучения, так и экономичность теплового излучателя на СВЧ.

Формула изобретения

Тепловой излучатель, выполненный в виде полости, имеющей в сечении форму выпуклого многоугольника с излучающей апертурой и равномерно нагретыми стенками из термостойкого материала, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения яркостной температуры и эффективности излучения в СВЧ-диапазоне, угловые размеры полости выбраны так, что через заданное число отражений направление лучей повторяется, а линейные размеры выбраны из условия обеспечения заданного суммарного числа отражений, причем внутренняя поверхность полости выполнена из материала с радиопоглощением не хуже, чем у нержавеющей стали.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

А. Е. Шейндлина, М., «Энергия, 1974, с. 75-78.