近紅外波段動態(tài)發(fā)射率與輻射亮度同時測量關(guān)鍵技術(shù)研究

發(fā)布時間：2020-07-16 03:10

【摘要】：溫度是描述完全熱力學(xué)物態(tài)方程的重要參數(shù)之一,它的精確測量是檢驗各種物理模型和構(gòu)建各類物態(tài)方程的前提和關(guān)鍵�；诨殷w模型假設(shè)的Planck輻射法沖擊測溫技術(shù)在沖擊波實驗物理中得到了非常廣泛的應(yīng)用,但是,利用該方法在2500 K以下的低溫區(qū)開展沖擊溫度測量時卻面臨了極大的挑戰(zhàn)。主要原因一是在2500 K以下的溫度區(qū)間,近紅外、紅外高溫計的波長覆蓋范圍(1～3μm,甚至更寬)比可見光高溫計的波長覆蓋范圍(～0.5 μm)更寬,在如此寬泛的波長范圍內(nèi),有關(guān)發(fā)射率的灰體模型假設(shè)已經(jīng)不再成立;二是材料的動態(tài)發(fā)射率是與實驗壓力、溫度以及其表面狀態(tài)等緊密相關(guān)的。因此,在2500 K以下的近紅外、紅外波段開展沖擊溫度測量時,必須在單發(fā)次實驗中實現(xiàn)動態(tài)發(fā)射率與輻射亮度的同時測量。針對近紅外波段動態(tài)發(fā)射率與輻射亮度同時測量的關(guān)鍵技術(shù)問題,對動態(tài)發(fā)射率與輻射亮度同時測量的基本原理、實驗系統(tǒng)設(shè)計、數(shù)據(jù)處理與不確定度分析、實驗考核與驗證等方面進行了系統(tǒng)研究,主要開展了以下三方面的研究工作:(1)提出了一種動態(tài)發(fā)射率與輻射亮度同時測量的新方法。該方法采用經(jīng)積分球充分均勻化的序列矩形激光脈沖照明沖擊前后的樣品/窗口界面,通過時序的精確控制,將用于動態(tài)發(fā)射率測量的信號疊加在樣品/窗口界面自身的熱輻射信號之上,從而解決了動態(tài)發(fā)射率測量方法的適用性問題和精確測量問題,以及動態(tài)發(fā)射率與輻射亮度的同時測量問題。采用該方法在單發(fā)次實驗中、利用單一波長就可以實現(xiàn)樣品/窗口界面沖擊溫度的精確測量,完全回避了傳統(tǒng)輻射測溫方法中有關(guān)動態(tài)發(fā)射率的灰體模型假設(shè),解決了長期以來由于動態(tài)發(fā)射率不確定性而帶來的沖擊溫度精確測量難題。(2)建立了動態(tài)發(fā)射率與輻射亮度同時測量實驗技術(shù)。通過電光調(diào)制法和聲光調(diào)制法,解決了高穩(wěn)定度照明序列矩形激光脈沖的產(chǎn)生問題:通過對動態(tài)實驗中的時序關(guān)系進行精細分析,解決了沖擊波和照明激光脈沖到達樣品/窗口界面時刻的精確同步問題;設(shè)計了三波長動態(tài)發(fā)射率與輻射亮度同時測量實驗系統(tǒng),對每一個子系統(tǒng)的功能、設(shè)計原則、采取的技術(shù)路線、達到的性能指標等進行了詳細介紹,并對實驗數(shù)據(jù)的處理方法以及測量不確定度進行了初步的理論分析。通過對以上問題的解決,建立了動態(tài)發(fā)射率與輻射亮度同時測量實驗技術(shù),具備了高精度測量1500～2500 K沖擊溫度的實驗?zāi)芰Α?3)利用本文建立的動態(tài)發(fā)射率與輻射亮度同時測量技術(shù),設(shè)計了物理實驗,對A1和Sn兩種典型結(jié)構(gòu)的金屬材料在2000 K左右的沖擊溫度進行了實驗測量。實驗結(jié)果表明,采用本文建立的動態(tài)發(fā)射率與輻射亮度同時測量技術(shù)獲得的溫度與最新的理論計算結(jié)果吻合的非常好,揭示了采用傳統(tǒng)灰體模型假設(shè)得到的溫度明顯偏高300～500 K的原因,即A1和Sn在可見-近紅外波段有關(guān)發(fā)射率的灰體模型假設(shè)不再成立以及輻射測溫方法在長波長處對發(fā)射率的不確定性更加敏感。Al的沖擊測溫實驗結(jié)果澄清了以往Al在2500 K以下溫度區(qū)間測量得到的溫度偏高的原因,Sn的沖擊測溫實驗結(jié)果則證實了最近有關(guān)Sn的多固相理論狀態(tài)方程的計算結(jié)果。
【學(xué)位授予單位】：中國工程物理研究院
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN219
【圖文】：