[发明专利]一种基于离轴椭球面反射镜的低温光谱发射率测量装置

权利要求书

1.一种基于离轴椭球面反射镜的低温光谱发射率测量装置，其特征在于包括设置于真空腔内的样品炉、黑体、离轴椭球面反射镜和反射镜屏蔽层，待测样品位于样品炉内且该待测样品处于椭圆A的焦点A处，黑体处于椭圆B的焦点A’处，椭圆A和椭圆B共用一个焦点，该焦点位置用B和B’共同表示，且该焦点处为傅立叶红外光谱仪的入射焦点，椭圆A与椭圆B长轴之间的夹角为60°且椭圆A和椭圆B的离心率均为0.866，离轴椭球面反射镜的旋转中心位于椭圆A与椭圆B的交点C处，该离轴椭球面反射镜的离心率与椭圆A和椭圆B相等，该离轴椭球面反射镜的外侧设有反射镜屏蔽层，离轴椭球面反射镜和反射镜屏蔽层共同用于将待测样品或黑体发出的辐射信号汇聚到傅立叶红外光谱仪的入射焦点，通过旋转离轴椭球面反射镜实现黑体信号与待测样品信号之间的切换。

2.根据权利要求1所述的基于离轴椭球面反射镜的低温光谱发射率测量装置，其特征在于：所述离轴椭球面反射镜横切面满足离心率e＝0.866的椭圆方程，离轴椭球面反射镜采用低膨胀系数的SiC材料研磨制作，旋转中心在离轴椭球面反射镜的镜面中心，该离轴椭球面反射镜的镜面镀有反射金膜，通过旋转离轴椭球面反射镜实现分别将黑体或待测样品的辐射信号汇聚到傅立叶红外光谱仪的入射焦点处。

3.根据权利要求1所述的基于离轴椭球面反射镜的低温光谱发射率测量装置，其特征在于：所述真空腔由304不锈钢材料制成，由机械泵和分子泵组成该真空腔的抽气系统，真空度能够达到10^-4Pa。

4.根据权利要求1所述的基于离轴椭球面反射镜的低温光谱发射率测量装置，其特征在于：所述黑体采用变量程的低温黑体，其温度范围为-60～100℃。

5.根据权利要求1所述的基于离轴椭球面反射镜的低温光谱发射率测量装置，其特征在于：所述样品炉由样品炉双层外壳和加热主体组成，其中样品炉双层外壳中通入低温恒温液体，通过改变低温恒温液体温度实现对待测样品的一级控温；加热主体主要由氧化铝陶瓷片及设置于氧化铝陶瓷片内的电热丝组成，通过电热丝加热实现对待测样品的二级控温。

6.根据权利要求5所述的基于离轴椭球面反射镜的低温光谱发射率测量装置，其特征在于：所述加热主体内部距离待测样品表面3mm处设置一根用于测温的铂电阻，在待测样品中心设置另一根相同型号的铂电阻，通过两个测温点的数据以及真空腔中的热传导方程计算得到待测样品的表面温度。

7.根据权利要求1所述的基于离轴椭球面反射镜的低温光谱发射率测量装置，其特征在于：所述待测样品为直径50mm、厚2mm的圆片，通过调整样品炉双层外壳的温度以及加热主体的温度实现待测样品的精确控温。

8.根据权利要求1所述的基于离轴椭球面反射镜的低温光谱发射率测量装置，其特征在于：所述样品炉与反射镜屏蔽层之间、黑体与反射镜屏蔽层之间以及傅立叶红外光谱仪与反射镜屏蔽层之间均设有热沉，该热沉主要由无氧铜液氮管道缠绕在5mm厚的无氧铜铜管外壁上组成，液氮管道和铜管通过焊接连接导热，真空腔与热沉内壁均刻画锥体矩阵结构，并在该锥体矩阵结构的表面喷涂高发射率黑漆，用于有效减小测量过程中背景辐射的影响。

9.根据权利要求8所述的基于离轴椭球面反射镜的低温光谱发射率测量装置，其特征在于：所述热沉的两端分别连接有低温光阑，通过热沉与低温光阑之间的热传导及热辐射实现低温光阑的冷却，该低温光阑分别位于样品炉的出口后、黑体炉的出口后、离轴椭球面反射镜三个方向的前端以及傅立叶红外光谱仪的入口前，用于有效减少测量过程中杂散光的影响。

10.根据权利要求1～9中任意一项所述的基于离轴椭球面反射镜的低温光谱发射率测量装置，其特征在于具体运行过程为：

测量发射率时，测量出的黑体信号表示为：

S(λ)＝γ·ε_BB·L_BB(λ，T_BB)+S_amb (1)

因此首先测量出两个不同温度T₁、T₂时的黑体辐射信号：

S₁(λ)＝γ·ε_BB·L_BB(λ，T₁)+S_amb (2)

S₂(λ)＝γ·ε_BB·L_BB(λ，T₂)+S_amb (3)

其中S₁(λ)和S₂(λ)分别是两个不同温度下黑体的测量信号，γ是测量系统的响应系数，ε_BB是黑体的有效发射率，L_BB(λT₁)和L_BB(λT₂)分别是黑体T₁、T₂时的辐射亮度，分别通过普朗克黑体辐射公式计算得到，其中S_amb是背景辐射的信号；

联立式(2)和式(3)计算得到：

此时转动离轴椭球面反射镜旋转120°实现待测样品与黑体之间的切换，测量得到待测样品的信号为：

S_s(λ，T)＝γ·ε_s·L_BB(λ，T)+S_amb (5)

联立式(1)、式(4)和式(5)得到待测样品的光谱发射率：

Sbb(λ，T)代表T温度下的黑体测量信号，λ是测量波长。