康品春

(廈門(mén)市計(jì)量檢定測(cè)試院,廈門(mén) 361004)

1 引言

研制吸收比達(dá)99.9%以上且具有寬光譜吸收特性的高吸收比標(biāo)準(zhǔn)器,可解決高吸收比極端量量值溯源難題,解決高吸收比在線現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量難題,實(shí)現(xiàn)光譜高吸收比扁平化量值傳遞[1]。采用原子層沉積(ALD)工藝,利用垂直碳納米管陣列(VACNTs)的稀疏結(jié)構(gòu)和碳納米管本身具有的中空結(jié)構(gòu),制備超黑垂直生長(zhǎng)碳納米陣列涂層,可實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光高吸收比標(biāo)準(zhǔn)器的研制[2]。此外,通過(guò)設(shè)計(jì)獨(dú)特的腔體結(jié)構(gòu)研制腔式吸收器也可提高光吸收率,獲得高吸收比標(biāo)準(zhǔn)器[3]。

腔式吸收器的腔體結(jié)構(gòu)有光陷阱作用,能進(jìn)一步限制光從吸收器逸出,比相同材料的二維平面吸收器具有更高吸收率。通過(guò)模擬和實(shí)際測(cè)量相結(jié)合的方法設(shè)計(jì)高吸收率的腔式吸收器。腔式吸收器吸收率的模擬方法主要有積分方程理論、Gouffe法、Buckle-Sparrow 算法以及多次反射理論中的DeVos 法和蒙特卡羅法[4]。Gouffe 法假定入射光線經(jīng)過(guò)反射后呈均勻分布,根據(jù)非透明腔式吸收器的透射率為零的基本原理,即吸收率和反射率之和為1,通過(guò)求腔口反射出來(lái)的入射光線的能量,計(jì)算腔式吸收器的吸收率[5]。蒙特卡羅法作為一種概率統(tǒng)計(jì)數(shù)值方法,能非常容易地處理復(fù)雜腔式吸收器的形狀,且物理解釋非常清楚,被廣泛應(yīng)用于腔式吸收器光譜吸收率的模擬[6]。我們基于Gouffe 法和蒙特卡羅法,使用Fred 軟件對(duì)圓柱圓錐形腔吸收器、球形腔吸收器和不同直徑帶螺紋圓柱形腔吸收器在入射能量相同時(shí)的出射能量進(jìn)行模擬,制作出腔式吸收器實(shí)物,在300～1 100 nm 波長(zhǎng)范圍進(jìn)行光譜吸收率的測(cè)量,以對(duì)軟件模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證[7]。

2 腔式吸收器的研制

2.1 軟件模擬

使用Fred 軟件模擬圓柱圓錐形腔吸收器、球形腔吸收器和不同直徑帶螺紋圓柱形腔吸收器的光譜吸收率,如圖1 所示。在Fred 軟件中,設(shè)置光源為平行光源且尺寸與吸收器腔口相同,即圖1 中的白色圓形區(qū)域,位于吸收器的左側(cè);用于接收經(jīng)吸收器反射和散射后出射能量的分析面為方形區(qū)域,位于光源的左側(cè)。用于控制吸收器開(kāi)口面積的光闌為綠色區(qū)域,其固定在吸收器上;藍(lán)色部位為不同腔體形狀的吸收器,分別為(a)120°錐底角圓柱圓錐形Φ25.4 mm×80 mm 腔吸收器;(b)球形Φ80 mm 腔吸收器;(c)圓柱形帶螺紋Φ45 mm ×10 mm 腔吸收器;(d)圓柱形帶螺紋Φ35 mm ×10 mm 腔吸收器。在吸收器的內(nèi)部和擋板靠近吸收器側(cè)設(shè)置涂層。內(nèi)壁涂料吸收率的高低會(huì)影響腔式吸收器的吸收率,腔式吸收器的吸收率一般隨著內(nèi)壁涂料吸收率的增加而增加。模型中選擇以黑色朗伯散射為主,吸收率為0.970 的涂層材料。

圖1 不同腔體形狀吸收器模擬結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Simulated absorbers with different cavity shapes

利用上述軟件模擬結(jié)構(gòu)對(duì)腔口分別為Φ10 mm、Φ15 mm 和Φ25 mm 開(kāi)孔的吸收器進(jìn)行模擬,設(shè)置尺寸與腔式吸收器開(kāi)口尺寸相同的平行光源,其發(fā)射到吸收器中的總能量為1 w。各腔式吸收器的模擬吸收率結(jié)果如圖2 所示,當(dāng)吸收器開(kāi)孔面積相同時(shí),圓柱圓錐形腔吸收器的吸收率最接近于1,其次是球形腔吸收器,圓柱形腔吸收器的吸收率最小且兩個(gè)不同直徑的圓柱形腔吸收器的吸收率無(wú)明顯差別。腔吸收器隨著腔口直徑的增大,從Φ10 mm到Φ25 mm 圓柱圓錐形腔的吸收率無(wú)明顯變化;球形腔吸收器的吸收率有輕微的降低;圓柱形腔吸收器的吸收率降低最為明顯,其吸收率從0.995 降低到0.987。無(wú)論腔口直徑大或小,圓柱圓錐形和球形的吸收率都在0.999 以上。

圖2 吸收器吸收率隨腔口直徑變化曲線圖Fig.2 Curves of absorbance with different cavity diameters

2.2 實(shí)物制作

為了對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,使用鋁合金材料制作出兩套不同腔體的吸收器,如圖3 所示。分別為(a)圓柱形螺紋內(nèi)壁Ф45 mm ×10 mm 腔吸收器;(b)圓柱形螺紋內(nèi)壁Ф35 mm ×10 mm 腔吸收器;(c)圓柱圓錐形Ф25.4 mm×80 mm 腔吸收器(120°錐底角,高度僅為圓柱高度);(d)球形Ф80 mm 腔吸收器。吸收器開(kāi)口由光闌控制,直徑Ф25 mm。其中一套吸收器內(nèi)壁噴涂一種航空黑漆,另外一套吸收器內(nèi)壁電鍍納米銅涂層。兩種內(nèi)部涂層的吸收率均為0.970。

圖3 不同腔體形狀吸收器實(shí)物圖Fig.3 Made absorbers with different cavity shapes

3 實(shí)物測(cè)試分析

3.1 內(nèi)壁涂料表面形貌

使用日本日立公司Hitachi S-3400N 型號(hào)的鎢燈絲掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)兩種高吸收率內(nèi)壁涂料進(jìn)行表面形貌的檢測(cè)。圖4(a)為航天黑漆的SEM 圖,圖中黑漆涂層顆粒直徑約為10 μm,涂層顆粒之間有粘連;圖4(b)為電鍍納米銅涂層的SEM 圖,該涂層為倒三角腔體呈網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu),形成一個(gè)個(gè)小的光陷阱,起到高吸收的效果。

圖4 內(nèi)壁涂料SEM 圖Fig.4 SEM pictures of inner wall coatings

3.2 吸收率測(cè)試

對(duì)以上兩套八個(gè)腔式吸收器在300～1100 nm波段的吸收率使用紫外可見(jiàn)近紅外分光光度計(jì)(PerkinElmer 公司lambda1050 +型號(hào))進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量結(jié)果如圖5 所示。測(cè)量前,儀器使用美國(guó)藍(lán)菲光學(xué)公司的標(biāo)準(zhǔn)黑板定標(biāo),該黑板經(jīng)中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院校準(zhǔn)。使用航空黑漆作為內(nèi)部涂料的四個(gè)吸收器中,圓柱圓錐形和球形的吸收率隨波長(zhǎng)無(wú)明顯變化,且光譜吸收率平均達(dá)到0.999 以上;Ф45 mm 圓柱形腔吸收器和Ф35 mm 圓柱形吸收器腔隨著波長(zhǎng)的增加,其吸收率有輕微的先增加后減小的趨勢(shì),在該波段的光譜吸收率平均為0.988。

圖5 不同形狀和內(nèi)壁涂料吸收器的光譜吸收率圖Fig.5 Curves of absorbance with different cavityshapes and inner wall coatings

使用納米銅作為內(nèi)部涂料的四個(gè)腔式吸收器在600～1 100 nm 波段,圓柱圓錐形和球形的吸收率無(wú)明顯變化。Ф45 mm 圓柱形腔吸收器和Ф35 mm圓柱形腔吸收器降低的趨勢(shì)比較明顯,從0.998 分別降到0.961 和0.974。在300～600 nm 波段范圍內(nèi),Ф45 mm 和Ф35 mm 圓柱形的吸收率均在0.998 以上。由于這兩個(gè)圓柱形腔吸收器體積較小,在300～600 nm波段具有一定的實(shí)用價(jià)值。在300～1 100 nm 波段范圍內(nèi),圓柱圓錐形和球形的吸收率在0.999 以上,Ф45 mm 圓柱形腔吸收器光譜吸收率平均為0.991,Ф35 mm 圓柱形腔吸收器光譜吸收率平均為0.988。

對(duì)于球形和圓柱圓錐形的腔吸收器,采用航空黑漆和納米銅作為內(nèi)壁涂料的差別不大,在300～1 100 nm波段的吸收率平均都達(dá)0.999 以上。對(duì)于Ф45 mm 圓柱形腔吸收器和Ф35 mm 圓柱形腔吸收器,在300～750 nm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)采用納米銅作為內(nèi)部涂料時(shí)吸收器的吸收率遠(yuǎn)高于采用航空黑漆作為內(nèi)部涂料時(shí)的吸收率。在800～1 100 nm 波段范圍則相反,采用航空黑漆作為內(nèi)部涂料時(shí)吸收器的吸收率比采用納米銅作為內(nèi)部涂料時(shí)的吸收率要高。內(nèi)壁涂料對(duì)腔式吸收器的吸收率有較大的影響,選擇合適的內(nèi)壁涂料可獲得在特定波段內(nèi)的高吸收腔式吸收器。采用兩種不同的內(nèi)部涂層的不同形狀吸收器,在300～1 100 nm 波段范圍內(nèi)的平均吸收率的測(cè)量數(shù)值與模擬結(jié)果基本一致。

為了對(duì)腔式吸收器尺寸和其吸收率的關(guān)系進(jìn)行進(jìn)一步研究,設(shè)計(jì)并制作了直徑為25.4 mm,長(zhǎng)度分別為20 mm、40 mm 和60 mm 的圓柱形腔吸收器;直徑為60 mm,長(zhǎng)度分別為40 mm 和60 mm,螺紋為1 mm的圓柱形腔,并在內(nèi)壁噴涂航天黑漆。對(duì)上述腔式吸收器的吸收率進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量結(jié)果如圖6 所示。從圖中可以看出,設(shè)計(jì)的圓柱形腔體在300～1 100 nm波段的吸收率基本都在0.995 以上。其中,直徑60 mm、長(zhǎng)20 mm 的帶螺紋圓柱形腔吸收器的吸收率最低,但基本在0.995 以上;直徑25.4 mm、長(zhǎng)20 mm的圓柱形腔吸收器的吸收率比其稍高,隨著腔體長(zhǎng)度的增加,圓柱形腔吸收器的吸收率增加;直徑60 mm、長(zhǎng)40 mm 的帶螺紋圓柱形腔吸收器的吸收率和直徑25.4 mm、長(zhǎng)40 mm 圓柱形腔吸收器的吸收率在0.998左右。直徑25.4 mm、長(zhǎng)60 mm的圓柱形腔吸收器吸收率最高達(dá)到0.999 以上。

圖6 不同尺寸腔式吸收器的光譜吸收?qǐng)DFig.6 Curves of absorbance with different cavity diameters

4 結(jié)束語(yǔ)

使用Fred 軟件模擬和試驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合研究不同形狀和尺寸腔體對(duì)腔式吸收器吸收率的影響。腔吸收率在腔口開(kāi)孔直徑為25 mm,航空黑漆和納米銅為內(nèi)壁涂料的情況下,圓柱圓錐形和球形更高,在300～1 100 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光譜吸收率平均達(dá)0.999 以上。