基于碲镉汞探测器阵列的黑体辐射特性研究

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　　摘  要： 黑体腔口孔径的不同往往会影响黑体的辐射能力，因此考虑黑体的辐射密度与光阑孔径的关系具有十分重要的现实意义和研究价值。采用碲镉汞探测器阵列对固定距离和温度不同光阑孔径的黑体辐射源进行探测，选用一组阵列探测器数据作对比，分析整理测量结果并进行数据拟合。实验结果表明，黑体辐射源在所选的探测范围内均匀性较好。随着光阑孔径的减小，黑体辐射密度呈现增加趋势。在固定探测距离时，黑体辐射源的辐射密度随着光阑孔径的增加而减小，减小趋势逐渐减缓，满足高斯分布特性，采用指数拟合对理论模型进行修正，所得数值与实测值的误差小于3%，具有较好的一致性。
　　关键词： 黑体辐射源; 温度均匀性; 碲镉汞探测器; 探测器阵列; 光阑孔径; 辐射密度
　　中图分类号： TN215?34                         文献标识码： A                          文章编号： 1004?373X（2020）17?0134?03
　　Abstract： The radiation ability of blackbody is often affected by the different aperture of blackbody cavity. Therefore， it is of great practical significance and research value to take into account the relationship between the blackbody radiation density and the diaphragm aperture. The HgCdTe detector array is used to detect the blackbody radiation sources with different apertures at fixed distances and different temperatures， and then a group of array detector data are selected to make comparison， so as to analyze the measured results and implement the data fitting. The experimental results show that the blackbody radiation source has a good uniformity in the selected detection range. The blackbody radiation density increases as the diaphragm aperture decreases. When the detection distance is constant， the radiation density of the blackbody radiation source decreases as the diaphragm aperture increases， and the decreasing trend slows down gradually， which meet with the characteristics of the Gauss distribution. The exponential fitting is used to modify the theoretical model. The error between the value obtained with the model and the measured value is less than 3%， which is of good consistency.
　　Keywords： blackbody radiation source; temperature uniformity; HgCdTe detector; detector array; diaphragm aperture; radiation density
　　0  引  言
　　黑體辐射源是一种重要的测温装置，在生产生活中有着广泛的应用。通过高稳定度的辐射源，可以得到被测物体的色温，由于生产工艺的限制，实际的黑体内部往往存在着温度不均匀的情况[1]。文献[2]提出了黑体腔口辐射均匀性的两个判据，认为黑体内部存在的温度梯度会导致腔口辐射的不均匀性，此外针对调制盘的不平整等因素也会造成黑体辐射不是对称分布。黑体辐射受到腔体结构、腔口形状大小的影响，其辐射度也会偏离理想黑体，因此，测量的结果往往需要矫正。文献[3]采用双波段比色温技术，在600～1 000 ℃内进行实验，曲线拟合误差在3.06%之内。文献[4]设计了一种高精度星载微波定标源，经实际测试后，与定标黑体辐射源探测物体的色温一致性较好，且精度高，工作稳定。文献[5]提出了一种基于Monte?Carlo法的黑体辐射模型，分析了V形槽和蜂窝状表面的黑体辐射源辐射特性。该方法基于大量的采样点进行模拟，结果收敛性较慢，且存在由概率引起的统计误差。文献[6]采用激光积分球反射计测量系统，对黑体辐射源的发射率进行了测量，结果误差与蒙特卡罗法相比小于0.04%，证明了该方法的可行性。
　　碲镉汞材料是一种理想的红外探测材料，通过不同组分配比，可连续改变能带范围。碲镉汞光伏探测器具有响应时间快、量子效率高[7]、分辨率高[8]、成本低、可探测波长范围大等特点，能够适应于遥感、气象[9]、通信[10]等领域。 　　本文提出了一种基于碲镉汞中红外光伏型探测器的黑体辐射特性研究方法，通过使用多个同型号碲镉汞探测器，对不同光阑孔径、不同探测距离的黑体辐射源进行探测，将实验数据与理论值进行比较，提出一种新的矫正模型表征黑体辐射源的辐射性能。
　　1  黑体辐射源发光机制
　　黑体是一种理想的物理模型，它能够吸收来自外界的全部电磁辐射，且不会有任何反射与透射现象产生。黑体辐射源是一种利用黑体模型制造的光源，满足维恩位移定律，具有随温度变化辐射响应峰值波长随之变化的特性。通过对黑体辐射源的研究，可以对红外探测提供支持，用以校准红外探测器的测量误差，提高红外探测器的探测效率。
　　理想黑体辐射源在其腔口辐射是均匀的，与均匀圆光斑一致。实际中，黑体由于内部存在温度梯度，腔内温度并非完全一致，因此，辐射与理想情况存在差异。本文提出了一种实验方法对黑体辐射源的辐射规律进行描述，能很好地反映光斑的不均匀性。
　　黑体辐射源内部采用电热丝，腔壁内均匀涂有高反射率材料，电热丝受热发出的电磁波在腔内经过多次反射，通过在腔口开设的小孔逸出，在小孔处可以增加不同孔径的光阑，限制光通量。随着温度的不同，电热丝产生的热辐射也不同。复色辐射包含多波段的电磁辐射，且随着温度增加，峰值辐射波长减小。理想黑体的辐射是均匀的，辐射通量密度不会随着光阑孔径的变化而改变，文献[2]提出一般理想黑体辐射源的辐射通量密度公式为：
　　式中：[σ]为常数5.710×10-8 W/（m2·K4）;[T]为黑体的腔体温度;[T0]为探测器表面温度;[h]为接收探测器至黑体腔口的距离;[S2]为探测器的光敏面积;[α]为光阑半径和探测距离的比值;[Φ]为光阑直径。实验中采用的[αmax]=[0.071?1]，[D0（α）]≌[D0（0）]，[D0（0）]=1。
　　2  碲镉汞中红外光伏型探测器的特性
　　在黑体辐射中，中红外波段占据了大部分的能量，因此，需要选用合适的红外探测器对黑体辐射源的辐射进行研究。碲镉汞（[Hg1-xCdxTe]）材料是一种可以根据元素配比不同而改变带隙的性能较佳的半导体材料，通过改变[x]的值，可以满足在3个大气窗口1～3 μm，3～5 μm，5～12 μm的红外探测[11]。
　　碲镉汞材料在中红外探测领域中具有得天独厚的优势。首先通过调节材料组份可以连续改变能带的范围，获得1～30 μm连续的响应波长，其次其光学系数大，可以获得很高的量子效率，而且其具有复合机制导致材料具有长的载流子寿命，可在高温工作。
　　室温中红外[Hg1-xCdxTe]光伏探测器，可以通过改变材料配比来获得不同的禁带宽度，因而可以响应比较宽的光谱范围，具有量子效率高、暗电流小、响应率高、环境适应性好，是一种非常重要的红外探测器。这些性质使得[Hg1-xCdxTe]材料能够很好地匹配黑体辐射源的辐射范围，通过对黑体辐射源辐射进行响应，利用碲镉汞中红外探测器的测量结果，可以很好地反演出黑体辐射源的光斑形态，从而验证黑体辐射源的不均匀性。
　　红外探测模块由前置放大器、中红外碲镉汞[Hg1-xCdxTe]光伏探测器、采样电阻串联组成，当探测到外界的红外辐射时，探测器的光电响应为：
　　式中：[A]为前置放大器的放大率;[RI（λ）]为光电响应率，单位为[A/W];[R]为采样电阻;[P]为黑体辐射源功率;[λmin]为光伏探测器的探测波长下限;[λmax]为光伏探测器的探测波长上限。
　　黑体辐射源辐射功率为：
　　式中[r]为光阑半径，单位为mm。
　　3  实验设计与分析
　　选用一组8个[Hg1-xCdxTe]中红外光伏型探测器，探测器为VIGO公司生产的PVI?5型，光敏面为1 [mm2]的圆面。实验前该组探测器已经过标定处理，响应波段为2～5 μm，使用二维平台扫描结构，设定扫描范围为5 mm×5 mm，横向扫描速度设定为10 000 μm/s，步长设定为200 μm，采样频率设定为100 Hz，采样电阻为2 kΩ。
　　采用的黑体为以色列CI公司生产的SR80HT高温腔型黑体，温度范围为50～1 200 ℃，温度精度为0.5 ℃，腔体内部为正锥结构。由于加工所造成的圆度不对称的影响可以忽略，仅考虑由于黑体辐射源内部存在温度差异造成辐射的不均匀性。设置黑体腔体温度为1 000 ℃，黑体可选用的光阑孔径尺寸有3.2 mm，6.4 mm，9.5 mm，12.7 mm，15.9 mm。将黑体腔口置于扫描靶面15.5 cm处，通过校准，使扫描区域位于黑体辐射的中心区域。每个探测器取样点为1 000点，光电响应值为通过模数转换量化后的ADU值（电压脉冲幅值）。实验光路图如图1所示。
　　理想情况下，探测范围内的光电响应是均匀的，因此，求取不同光阑孔径及不同温度下探测器探测到的众数，将众数所占的比重[Pmode]作为黑体辐射的均勻性判据参数。
　　实验所用的8个探测器，[Pmode]均在90%以上，该结果满足实际要求，且每次扫描时探测到的最大误差为：
　　式中：[Umax]为探测范围内的最大光电响应值;[Umin]为探测范围内的最小光电响应值。
　　8个探测器中，[Er]均不超过5%。因此，可将众数作为不同孔径光阑大小时的光电响应参照值。表1为一组8个光电探测器的光电响应值随光阑孔径的变化趋势表。由表1可知，随光阑孔径的增加，光电响应随之增加。
　　通过光电响应值可以得到不同光阑孔径下的黑体辐射密度值。表2为通过表1计算得到的黑体辐射源辐射密度与光阑孔径大小的关系表。
　　实验数据反映了随着光阑孔径的增加，黑体辐射源的辐射密度逐渐下降，且下降速度逐渐减慢。以选取的光阑直径为横坐标，辐射密度为纵坐标，作出黑体辐射密度随光阑孔径变化曲线，如图2所示。 　　根据文献[2]的理论模型得到的结果为1.98 [mV/mm2]，与实验得到的结果最大误差为25.7%。因此，对于实际的黑体辐射密度模型进行修正，增加指数衰减项，则式（1）变为：
　　式中，[k]为与探测器相关的参数，由于探测器之间存在着微小差异，因此[k]的值略有不同。拟合的曲线与实验值相比，误差在3%范围内。这一结果反映了实际的黑体辐射源辐射能力随着光阑孔径的增加而下降。实验中当光阑孔径达到9.5 mm时，辐射密度基本稳定，下降缓慢。
　　实验数据与理论值存在较大差异，这是由于黑体内部温度分布不均匀，数据拟合模型相比理论模型，存在衰减项。这一结果反映了黑体辐射源中心处的辐射密度更大，说明锥形尖端处的温度更高，辐射密度向四周缓慢下降，根据辐射模型推导出实际黑体辐射源的温度分布也为高斯分布，且为圆对称分布模型。
　　4  结  语
　　针对实际黑体辐射源存在辐射不均匀的问题，本文提出了一种利用碲镉汞中红外光伏探测器阵列实现黑体辐射源辐射能力测量的方法。碲镉汞中红外探测器可以快速响应，且量子效率高，满足实验需求，避免了复杂的光线模拟计算，结果比较直观。通过实验数据对实际黑体辐射源辐射模型进行矫正，实验表明黑体辐射源辐射密度随着光阑孔径的增加而减小，且辐射能力自中心向四周缓慢下降，满足高斯分布。矫正后的模型含位置相关的高斯衰减项，该项是由黑体辐射腔内部锥形温度分布的不均匀性引起的。矫正后的模型与实验结果进行对比，具有较好的一致性，证明该方法的可行性。
　　通过采用光伏探测器阵列对黑体辐射源辐射密度进行探测，得到了黑体辐射源辐射密度随光阑孔径的变化趋势。结果表明在较大的光阑孔径下，黑体辐射源工作比较稳定，可以为红外系统的标定提供合适的参考孔径范围。今后将对距离与黑体辐射源辐射密度的关系进行进一步研究。
　　注：本文通讯作者为谭逢富。
　　参考文献
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