авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 | 7 |

«А. А. Кмито Ю. А. Скляров Пиргелиометрия Ленинград Гидрометеоиздат 1981 УДК 551.508.2 Рецензенты: канд. физ.-мат. наук П. Н. ...»

-- [ Страница 5 ] --

Среднее значение СП, полученное по каналу 10 за период с 16 октября 1978 г. по 15 мая 1979 г., составляет Е 0 = = 1376 ± 1, 7 Вт-м - 2. Среднее квадратическое отклонение (из менчивость) ±0,73 Вт-м - 2, или ±0,05%, однако наблюдалось два суточных спада, достигавшие 0,24% (3,3 В т - м - 2 ) среднего значения [243].

Особый интерес, как для выяснения воспроизводимости ре зультатов измерений современных пиргелиометров в условиях космического полета, так и для точности получаемых результа тов, представляют материалы наземных (пред- и послеполет ных) и ракетных сравнений таких приборов. Уникальные материалы такого рода были получены при подготовке и проведении исследовательского полета ракеты Аэроби-170 летом 1976 г. [265, 276]. Особая ценность этих исследований состоит в том, что ракетные измерения производились под спутником «Нимбус-6», на котором была установлена аналогичная аппа ратура. Задачи запуска ракеты состояли не только в прове дении метрологических исследований пиргелиометров, но и в уточнении среднего значения солнечной постоянной, особенно чрезвычайно высокого значения СП, полученного по каналу аппаратуры РИРБЗ.

Бортовой комплекс ракетных приборов состоял из четырех пиргелиометров, использующихся для измерения С П (АКР 4-А, АКР 4-В, П А К Р А Д, Е С П ) и четырех каналов аппаратуры РИРБЗ. Из 10 каналов этого прибора на ракете исследовались четыре: открытый (интегральный) канал 3, канал 2 с кварце вым фильтром, а также каналы 4 и 5 со стеклянными фильт рами O G 530 и RG 695. Конструктивно все четыре канала РИРБЗ были объединены с Е С П в один приемный блок.

Прибор Е С П был разработан Д. Хики [265] незадолго до полета. В качестве приемных полостей в нем использованы серебряные цилиндры с внутренним обратным конусом, покры тые зеркально отражающей чернью и снабженные обмоткой замещения. Цилиндры укреплены на тороидальной термоэлек трической батарее так, что один из них освещается Солнцем, а второй обращен в противоположную сторону. Батарея вы полняется гальваническим осаждением меди на константановую обмотку тора. Диафрагмы трубы прибора создавали такие же углы поля зрения, как и у каналов РИРБЗ (центральный 2о=18° и предельный z2 = 26°). При наземных сравнениях все эти каналы снабжались насадками, обеспечивающими стан дартные углы поля зрения. Прибор Е С П работал в «ангстре : мовском», или «пассивном», режиме, т. е. необлучаемая полость.нагревалась током до того уровня, который ожидался заранее.при измерении,солнечной постоянной. Отклонение радиации от.ожидаемого уровня фиксировалось термопарой и передавалось по телеметрической системе так же, как сигналы термобатарей каналов РИРБЗ.

Пиргелиометр П А К Р А Д ввиду сложности автоматического регулирования тоже работал в пассивном режиме: данные «о радиации получались по сигналам термобатареи, фиксиро вавшей разность между облучаемой и затененной, но нагре ваемой заданным током полостями.

Отметим, что пиргелиометр П А К Р А Д для ракетных изме рений был переконструирован с учетом того, что время работы в полете (на потолке траектории) составляет примерно 5 мин.

.'Прибор помещен в цилиндрический футляр, снабженный защи той от солнечного облучения (экраном). В боковой части корпуса прибора, где помещаются приемники, сделаны отвер стия, облегчающие выход газов, заносимых полостями из лижней атмосферы. В качестве приемников используются ци линдры с обратным конусом, покрытые зеркальной чернью.

Коэффициент поглощения рабочей полости, измеренный в ИБС, •был а п = 0,9979. Угол поля зрения увеличен, а при наземных сравнениях он приводится к стандартным с помощью.насадки. Прочие элементы конструкции прибора сохрани лись.

Испытания полетных приборов, проводимые до и после полетов, показали высокую стабильность. Чувствительность прибора в вакууме при давлении р Ю - 1 Па, соответствую щем высоте более 80 км, сохраняется неизменной. Наличие компенсационной полости существенно снижает температурные влияния на работу прибора. Д л я ее учета температура корпуса прибора измеряется в полете. Погрешность измерений оцени вается ±0,1 % [265].

Пиргелиометры АКР 4А и АКР 4Б работали каждый со •своей системой автоматики в активном режиме, т. е. темпера тура облучаемой полости сохраняла заданное значение пере грева по отношению к температуре затененной путем изменения е электрического нагрева. Оба однотипных прибора были е •объединены в один блок АКР.

Температура блоков измерялась и передавалась по теле метрической системе. Все блоки приемников были установлены на единой плате, обеспечивавшей наводку их на центр диска Солнца с точностью до 1 дуговой минуты в течение всего рабочего времени (335 с на высотах более 100 км). Макси мальная высота подъема ракеты «Аэроби» (225 км) была, достигнута через 428 с после запуска [265].

Предполетные испытания приемных узлов приборов прежде всего включали проверку их работоспособности и уровня на : дежности в рабочем диапазоне температур и давлений (до 1,33-Ю -4 Па) при облучении от имитатора Солнца. После этого проводились сличения по Солнцу, в которых, кроме полетных приборов, участвовали швейцарские (давосские) пиргелио метры П М О 2 и П М О 5. Сличения полетных приборов произ водились в вакуумной камере с кварцевым окном при давлениях до 1,33-10-2 Па. Впоследствии, однако, время подготовки быЛо сокращено и удалось только установить, что показания всех приборов согласуются в пределах ±0,5 % (взаимные расхо ждения между АКР 4А и АКР 4Б не превышали ±0,1 %, а между АКР и П А К Р А Д ±0,25 %)• Приземление аппаратуры после полета ракеты было в ос новном удачным, хотя приемные полости П А К Р А Д и Е С П были загрязнены. Поэтому послеполетные испытания были проведены только с приборами АКР, что позволяет считать данные этих приборов особенно надежными, тем более что оба прибора дали весьма близкие результаты (среднеквадратиче ское отклонение не более ±0,1 % ). Среднее значение их показаний 'о= 1368±7 Вт-м - 2. Измерения с помощью при бора П А К Р А Д дали о = 1364±4 В т - м - 2, однако впослед ствии они были скорректированы автором с использованием уточненного Гейстом и Ричмондом [228] коэффициента погло щения полости а п = 0,994 (вместо 0,996). Это~ дало Е0 = = 1367 ± 4 Вт-м- 2.

Отметим, что показания прибора П А К Р А Д изменялись за 200 с работы прибора всего на ±0,03%, а температура мас сивного медного теплостока прибора (масса 3 кг) увеличилась за это время только на 0,21 К.

По прибору Е С П было получено 0 = 1369 Вт-м~ 2 (в еди ницах шкалы МРЭ). Это значение СП, как видим, превышает показания приборов типа АКР, тогда как в предполетных испытаниях Е С П давал более низкие (на 0,05%) результаты.

Это, по мнению авторов [265], свидетельствует о недостаточ ной стабильности прибора Е С П.

Большой ' интерес представляет сопоставление показаний каналов аппаратуры РИРБЗ, работавших одновременно на ракете и спутнике. Основные характеристики этих каналов и их показания представлены в табл. 5.3 [265]. Из нее видно, что спутниковая аппаратура по каналам 2 и 4 дала завышенные результаты. По открытому интегральному каналу 3 как спутниковая, так и ракетная аппаратура дала существенно (на 1,6%) более высокие значения СП, чем полученные с по мощью других приборов ракетного комплекса. В то же время при наземных сравнениях, как указывалось, показания всех приборов совпадали в пределах ±0,5 %. Причины завышения результатов измерений солнечной постоянной по каналу 3 не были выяснены. По мнению Г. А. Никольского, они объясняются неучетом влияния влажности атмосферы на показания термо : Таблица 5. Данные измерений каналов аппаратуры РИРБЗ Показания, В т - м - :

Спектральный № канала диапазон, мкм Аэроби' Нимбус-6' 1342 2 0,2-3, 3 0,2-50,0 1389 4 0,5-2,8 950 0,7—2,8 679 электрических приборов при наземных сравнениях и испыта ниях [94].

Среднее значение С П по данным полостных пиргелиомет ров, представляющих шкалу МРЭ, при ракетном эксперименте.1976 г. составило Е 0 = 1367 ± 0,8 Вт-м~ 2.

Значительная ценность результатов сравнения работы при боров в условиях космического полета, а также возможности сопоставления их с данными предварительных и послеполетных исследований привели к тому, что подобные ракетные экспе рименты стали проводиться в С Ш А регулярно с интервалом примерно в два года. Последующие запуски (после июня J.976 г.) состоялись в ноябре 1978 г. и в мае 1980 г.

Результаты измерений С П по прибору П А К Р А Д при этих измерениях составили 1364,2;

1371,2 и 1372,6 В т - м - 2 соответ ственно. Увеличение С П, обнаруженное при этих измерениях, в среднем за четыре года составляет примерно 0,5 %.

5.4. Систематизация и коррекция полученных результатов Результаты измерений С П, полученные различными авто рами, особенно до производства «прямых» измерений и широ кого использования полостных пиргелиометров, как хмы видели, существенно различаются между собой. Это приводило к необ ходимости неоднократно пересматривать и корректировать по лучавшиеся данные. В итоге устанавливались стандартные значения С П (см. п. 5.2, 5.3). Авторы, анализировавшие резуль таты измерений последних примерно 20 лет [225, 275], обра т и л и внимание на то, что значения С П, полученные с помощью приборов, градуировавшихся в единицах МПШ-56, и абсолют ных приборов, являвшихся носителями своих шкал, в част ности определяющих новую шкалу МРЭ, различаются при мерно на 1 %, тогда как разница между этими шкалами, по : наземным сравнениям, превышает 2 %. С целью согласования результатов К. Фрелихом был произведен критический анализ всех методов измерения С П до 1970 г. [275]. Ему удалось скорректировать многие данные и получить близкие к назем ным расхождения между значениями СП, выраженными в МПШ-56 и шкале МРЭ. Результаты коррекции Фрелихом из мерений различных исследователей представлены в табл. 5.4.

Она основывалась на использовании последующих уточнений коэффициента поглощения применявшихся полостей ап, прове рок переводных коэффициентов, сравнений относительных приборов, уточнения пропускания окон и т. д. В последней графе таблицы даны исправленные результаты измерений С П каждым прибором, переведенные в единицы шкалы МРЭ.

Таблица дополнена нами на основе новых публикаций [226, 243, 245, 260 и др.], появившихся после 1969 г.

На рис. 5.5, заимствованном из [94] и дополненном нами, в хронологическом порядке представлены результаты измере ний С П за последнее пятилетие. Кривые проведены по данным измерений приборами различных типов, установленными на ракетах, аэростатах и спутниках. Приведено также значение С П по уточненным данным Л Г У.

: Результаты измерений СП, скорректированные Средние Дата измере- Средство г Авторы подъема, Шкала ний носитель Оригинальное значение Кондратьев, Ни- 1962-1967 1356 ± Аэростат МПШ- кольский [96, 259] Драммонд и др. 1387 ± 1966-1967 Самолет Б-57Б »

room j ZZUJ Драммонд и др. 1967-1968 Самолет КВ-990 1387 ± 1 [219] 1364 ± 2 Кругер [275] 1967 Самолет КВ-990 Абс.

МПШ- 1967 Самолет-ракета 1385 ± 1 Драммонд [219] Х- Кендалл [275] 1968. 1370 ± Абс.

Самолет КВ- ПАКРАД 1969 1352 ± 1 Пламондон [275] «Маринер-6, 7» Абс.

Вилсон [287] 1969 Аэростат Абс. 1366 ± АКР Хики и др. [265] 1975 1389 ± 1 «Нвмбус-6» Привязка (кан. 3) к абс.

Кендалл • [265] 1364 ± 1976 Ракета «Аэроби» Абс.

ПАКРАД 1368 ± Вилсон [265] 1976 То же Абс. АКР „ 1369 ± Хики [265] 1976 Абс. ЕСП 1373,4 ± Вилсон [94] 1978 Абс. АКР Кендалл [245] 1978 1371,2 + Абс.

„ ПАКРАД Хики [94] 1978 1371 ± Абс. ЕСП 1979 1366 ± Бруса, Фрёлих [94] Аэростат Абс. ПМО Хики и др. [94] 1376 ± «Нимбус-7» Абс. ЕСП Кендалл [275] 1980 1372,6 ± Ракета «Аэроби» Абс.

ПАКРАД Вилсон и др. [260] 1368,3: Спутник ММСА Абс.

АКРИМ 1980 1366,8 ± Бруса, Фрёлих [94] Абс. ПМО Аэростат Из рисунка видно, что в рассматриваемый период увеличе ния солнечной активности отмечается тенденция роста С П.

Анализируя характер изменения ракетных («Аэроби» — A p l, 2, 3) и спутниковых («Нимбус», ММСА) данных, можно ви деть, что в первом ракетном эксперименте (1976 г.) различия результатов измерений, произведенных разными приборами, достигали 0,4%, тогда как во втором эксперименте (1978 г.) они сократились до 0,15 %. По этим двум экспериментам опре деленно выявляется увеличение С П на 0,4%. После 1978 г.

приборы типа АКР и отчасти П А К Р А Д фиксируют тенденцию : Таблица 5. приведенные к единицам МРЭ поправки, Вт-м 1 Переход к абсолютной шкале Исправленное ориги- Приведенное к на пропуска- на пропуска- Коррекция (%) и ее нальное среднее зна- МРЭ согласно ние а т м о с ф е р ы ние окна причины чение В т • м ~ 2 [225J, В т - м - 35 —0,4 %;

уточн. 1371 + 7 1376 ± шкалы ЛГУ 80 5 — 1,5 %;

учет усло- 1366 + вий калибровки 79 164 — 1,5 %;

то же 1366,5 ± 1 85 +0,6 %;

уточн. 1372 + коэф. черноты 0 5 — 1,5 %;

учет усло- 1364 ± вий калибровки 150 +0,2 %;

уточн.

77 1373 ± коэф. черноты 0 +0,6 %;

уточн.

0 1362 ± коэф. черноты 0 +0,2 %;

уточн.

14 1369 +- шкалы 1368,5 ± —1,5 %;

учет ус — — — ловий калибровки 1364 ± 1368 ± = 1369 ± — — 1373,4 + — 1371 ± 1371 ± 0 1366 ± 0,8— Ё 1376 ± 2 — 1372,6 ± 1368,3 ± 3, +0,3;

учет неопр. — шкалы МРЭ 1366,8 ± 0,8- ср. 1369 + убывания СП, тогда как прибор Е С П — тенденцию резкого возрастания. Тенденция к возрастанию отмечается и по данным аэростатных измерений с помощью П М О 6. Таким образом, можно констатировать, что надежность результатов космиче ских измерений еще недостаточна и что шкалы различных приборов должным образом еще не согласованы.

Д л я достаточно уверенного определения долговременной изменчивости СП, очевидно, необходимо проведение более длительных измерений с помощью одного и того же прибора либо с помощью однотипных приборов, сохранение или иден : точность метрологических характеристик которых в условиях эксплуатации должно быть обеспечено.

Попытки определения изменений С П на основе материалов Смитсоновского института, как показывают современные иссле дования [241а, 274], оказываются безуспешными в основном из-за погрешностей интерпретации результатов. Так, ампли туды трех- и шестимесячных периодичностей, обнаруживаю щихся в данных основных станций (Тейбл Маунтин и Монте сума), оказываются примерно втрое меньше погрешности измерений. Более длительные изменения СП, амплитуда кото рых (до 0,8%) сравнима с суммарной погрешностью измере ний, оказались не в противофазе, а совпадают с изменениями солнечной активности.

Следует, однако, отметить, что по некоторым исследованиям данных Смитсоновского института четко выделяются 11- и 22-летние периодичности, а также заметна 82-летняя периодич ность [275].

Имеющиеся измерения С П с космических аппаратов недо статочны для обнаружения длительных периодичностей. Изме рения на АМС «Маринер-6 и 7» проводились в течение полу года. Замеченные при этом флуктуации лежат в пределах всего ±0,15% среднего о = 1363±7 Вт-м - 2. Анализ резуль татов измерений, полученных по каналу 1 аппаратуры РИРБЗ спутника «Нимбус-6», производившихся в течение 1,5 лет, приводит к выводу о том, что изменчивость С П не превышает ±0,1% [239]. Подобный вывод следует из анализа данных, полученных по каналу 3 за 1976 г., однако в 1975 г., по данным интегрального канала, отмечались вариации средних суточных значений СП, достигавшие 0,25 %• Вариации, не превышающие 0,2—0,3%, наблюдаются и в ходе средних суточных значений СП, полученных со спутника «Нимбус-7» (канал 10) в период с ноября 1978 г. по апрель 1980 г. [243]. Важно заметить, что средние значения СП, полученные аппаратурой «Нимбус-6» и и «Нимбус-7», были привязаны к ракетным экспериментам 1976 и 1978 гг. соответственно. Кроме того, следует иметь в виду, что случайные погрешности осредненных отсчетов значи тельно меньше, чем указывавшиеся ранее для одиночного измерения. Так, для средних суточных значений СП, получае мых с помощью канала 3 аппаратуры РИРБЗ «Нимбус-7», они снижаются до ±0,05 %, или ±0,7 В т - м - 2 [243]. Это позво ляет считать полученные средние суточные изменчивости достаточно метрологически обоснованными.

Учитывая сказанное, рассмотрим результаты исследования средней суточной изменчивости СП, опубликованные в послед нее время Р. Вилсоном [260]. Эти результаты были получены с помощью аппаратуры АКР ИМ, состоящей из трех приборов типа АКР 4 (каналы А, В и С), установленных на спутнике «Миссия максимума солнечной активности» (ММСА, февраль : 9 Заказ № 202 1980 г.). Одной из основных целей запуска спутника М М С А является изучение как короткопериодных (от минут до меся цев), так и долгопериодных (11- и 22-летних) вариаций сол нечной постоянной. Дублирование аппаратуры А К Р И М должно обеспечить надежную работу ее в течение по крайней мере 1 года, а периодические сравнения с подспутниковыми ракет ными экспериментами — в течение более длительного времени.

Для предохранения полостей контрольных каналов В и С от воздействия космических и солнечных излучений частота их включения существенно меньше, чем рабочего канала А.

Каналы В и С включались с интервалами от одного до несколь ких месяцев. Канал А включался в среднем на 52 мин в сутки на каждом из 15 витков. На одном витке получалось около 800 отсчетов при открытой заслонке и 1200 отсчетов при закры той. Это обеспечивало статистическую погрешность среднего орбитального значения АЕ0 = +0,001 %• Приборы АКР 4, входившие в аппаратуру А К Р И М как независимые каналы А, В и С, были рассмотрены ранее.

В отсчеты рабочего прибора (канал А) вводились поправки на:

— систематическую погрешность, определенную при его ат тестации;

— приведение расстояния к 1 астрономической единице;

— изменение чувствительности в полете;

— влияние температуры (излучение через апертуру и изме нение сопротивления спирали замещения);

— отклонение оси трубы.от направления на центр солнеч ного диска;

— релятивистские эффекты, обусловленные движением ИСЗ.

Авторы [260] указывают, что только первые три из этих поправок превышали 0,01 %, а расхождения между показа ниями рабочего и контрольных каналов не превышали +0,05 % измеряемой величины. Следует, однако, заметить, что каналы прибора полностью адаптировались к условиям работы в кос мосе только спустя 62 дня после запуска. Большие изменения чувствительности каналов до адаптации объясняются испаре нием газов, особенно паров воды, адсорбированных в полостях.

Средние орбитальные, значения С П за 153 дня полета (начиная с 15 февраля 1980 г.) представлены на рис. 5.6.

По вертикальной оси отложены отклонения от среднего значе ния 0 = 1368,31 + 0,01 Вт-м- 2. Вертикальные штрихи у каж дого значения С П соответствуют погрешности измерения.

Из рисунка видно, что флуктуации среднеорбитальных значе ний С П за эти несколько месяцев не превышали +0,05%, но в двух случаях (в начале апреля и конце мая) имели место изменения на 0,2 % за 7—10 дней. Замечено, что эти снижения С П совпадали с увеличением относительного числа солнечных пятен.

: На рисунке, кроме того, показаны отсчеты по контрольным каналам В и С (в 45, 62, 163 и 195-й дни полета). Видно, что показания по всем трем каналам в этот период мало разли чаются между собой, однако между отсчетами по каналу А и контрольным каналам (В и С) примерно за три месяца воз никло расхождение на 0,025 %- Этот дрейф чувствительности учитывался при обработке результатов измерений.

Таким образом, проведенные исследования убедительно сви детельствуют о небольшой величине короткопериодных изме нений солнечной постоянной Ео. Весьма важным представ ляется проведение исследований и долгопериодной ее измен чивости. В соответствии с этим в С Ш А намечены планы накопления информации о СП, ее изменчивости и спектральном составе. По опубликованным материалам [243, 265, 275], на планируемых к запуску спутниках «Нимбус-F/G», «Тайрос-N», ЕРБОС, К Л И М С А Т, Л А Н Д С А Т и др. будет устанавливаться аппаратура типа РИРБЗ, АКР и Е С П. Планируется также проведение периодических ракетных и аэростатных подспутни ковых экспериментов, направленных на обеспечение долговре менной работы спутниковой аппаратуры.

11* Глава Терморадиационные свойства поглощающих покрытий приемников излучения 6.1. Методы и аппаратура для исследований При аттестации пиргелиометров, являющихся носителями собственных шкал, важнейшую роль играют определения коэф фициента поглощения и термического сопротивления черного покрытия приемника. В настоящее время не существует ком плекса серийных приборов, которые могли бы в полной мере обеспечить измерение параметров покрытий с необходимой точностью. Поэтому рассмотрим серийные приборы и лабора торные установки, которые в совокупности обеспечивают реше ние всего круга задач. Особое внимание при этом уделим рассмотрению методов расчета и измерения коэффициента поглощения полостных приемников с высокой точностью, раз работанных в последнее время, а также систематизации полу ченных результатов.

6.1.1. Приборы, применяемые для исследования покрытий в видимой и ближней И К областях спектра, выпускаются серийно. Приведем краткое описание их с указанием основных характеристик.

Спектрофотометр СФ-18. Прибор предназначен для измере ния коэффициентов пропускания прозрачных и рассеивающих твердых образцов, а также коэффициентов отражения зеркаль ных и рассеивающих твердых и порошкообразных образцов.

Спектральный диапазон работы прибора 0,4—0,75 мкм. Резуль таты измерений автоматически записываются на калиброван ном бланке в виде кривой спектрального отражения, пропуска ния или оптической плотности [171].

Работа прибора основана на методе оптического нуля.

Прибор имеет шкалы измерения пропускания (отражения):

0—10;

1—100;

90—110;

75—125 %. Значения коэффициента пропускания (отражения) больше 100 % получаются при изме рении относительным методом, где параметры образца сравне ния принимаются за 100 %• Д л я нерассеивающих объектов точность шкалы пропускания прибора не хуже ±0,5 %. Д л я остальных видов измерений в настоящее время нет метрологического обеспечения. Поэтому правильность измерений коэффициентов диффузного отраже ния, пропускания и оптической плотности светорассеивающих : веществ не нормируется и зависит от применяемых образцов сравнения. Воспроизводимость результатов измерений лежит в пределах ±0,2 %.

В настоящее время имеется ряд приборов, позволяющих измерять непосредственно интегральный коэффициент погло щения солнечной радиации as. В этих приборах тем или иным способом реализуется источник со спектром излучения, близ ким к солнечному. Рассмотрим основные из них.

Фотометр ФМ-85. Прибор ФМ-85 предназначен для изме рения коэффициентов отражения рассеивающих твердых мате L В 7 Рис. 6.1. Оптическая схема фотометра ФМ-85.

/ — источник излучения ( л а м п а ДКСШ-1000);

2 — конденсор;

3 — в х о д н а я щ е л ь монохро м а т о р а ;

4 — м о д у л я т о р ;

5, 6, 8, 11— з е р к а л а ;

7 — к в а р ц е в а я п р и з м а ;

9 — в ы х о д н а я щ е л ь ;

10 — л и н з а ;

12 — и н т е г р и р у ю щ а я с ф е р а ;

13 — о б р а з е ц или э т а л о н ;

14 — э к р а н ;

15 — при емник излучения;

16 — с п е к т р а л ь н а я м а с к а.

риалов (несыпучих) и коэффициентов пропускания прозрачных (нерассеивающих) образцов в области спектра 0,3—2,5 мкм.

Применение спектральной маски позволяет проводить прямые измерения интегрального коэффициента отражения солнечной радиации p s в спектральном диапазоне 0,3—2,5 мкм и по нему определить as — интегральный коэффициент поглощения сол нечной радиации. Д л я непрозрачных образцов as = 1 — р5. При проведении спектральных измерений на место маски устанав ливается щель.

На рис. 6.1 приведена в упрощенном виде оптическая схема фотометра [46]. Источником излучения в приборе служит дуговая ксеноновая лампа ДКсШ-ЮООМ 1, спектр которой близок к спектру Солнца. Призма 7 с помощью щели 3 и сфе рического зеркала 6 образует спектр в плоскости установки выходной щели 9. Выходная щель, перемещаясь, выделяет необходимые участки спектра. Далее линза 10 и зеркало И направляют монохроматическое излучение в фотометрический шар 12. Зеркало является подвижным и может направлять излучение на исследуемый объект или на стенку шара.

: Вследствие широты охватываемого спектрального диапазона в фотометре одновременно работают четыре приемника излу чения трех типов, из которых на рисунке показан только один 15. Измерение коэффициента отражения исследуемого об разца можно проводить по абсолютному методу Тейлора или по методу сравнения.

Д л я измерения интегральных ps на место выходной щели устанавливается спектральная маска 16, которая представляет собой фигурную диафрагму, составленную из 43 цилиндриче ских стержней диаметром 3 мм. Передвижением этих стержней устанавливают желаемый профиль маски для спектральной коррекции проходящего через нее излучения. Весь процесс измерения p s с помощью настроенного прибора занимает несколько минут.

При измерении коэффициента отражения исследуемый образец накладывается на отверстие, расположенное в верх ней части шара и имеющее диаметр 50 мм.

Погрешность абсолютных измерений прибора ФМ-85 оцени вается ± 3 %.

Накладной фотометр ФМ-99 в основном предназначен для контроля интегрального коэффициента поглощения солнечной радиации отдельных участков поверхности крупногабаритных изделий, но может с успехом применяться и в лабораторных условиях для изучения небольших образцов-свидетелей [102].

Коэффициент отражения ps определяется для спектрального диапазона 0,3—2,5 мкм. Диаметр измеряемого участка образца составляет 20 мм. Сходимость измерений ±1 %.

Д л я измерения спектральных коэффициентов отражения при длинах волн более 2,5 мкм серийной аппаратуры не вы пускается ни в С С С Р, ни за рубежом. Эти измерения обеспе чиваются различными лабораторными установками. В качестве примера рассмотрим установку, позволяющую измерять спек тральные коэффициенты отражения и пропускания рассеиваю щих материалов в области 2,5—15 мкм [165].

Спектрофотометрическая установка для измерения харак теристик рассеивающих материалов в области 2,5—15 мкм состоит из спектрометра ИКС-21 и приставки с зеркальной полусферой.

Схема установки изображена на рис. 6.2. Керамический источник излучения 6, обладающий индикатрисой излучения, близкой к ламбертовской, установлен в плоскости основания зеркальной полусферы 8 радиусом 150 мм. В оптически сопря женной с ним точке основания полусферы располагается иссле дуемый образец 5. Этим обеспечивается освещение образца, близкое к диффузному. Д л я исключения влияния на резуль таты измерений собственного излучения образца излуче ние источника модулируется секторным диском 7 с частотой 8,8 Гц.

: Отраженный образцом лучистый поток через отверстие в полусфере посылается на входную щель 3 монохроматора прибора ИКС-21 с помощью зеркал 1, 2 и 4. Наблюдение образца может происходить под углами 5, 25, 50 и 75° к его нормали. Д л я этого в полусфере предусмотрены четыре отвер стия диаметром 30 мм, а сама полусфера вместе с источником и образцом поворачивается на требуемый угол вокруг оси, про ходящей через измеряемую зону образца. Ось перпендикулярна линии, соединяющей центры источника и образца, т. е. диа метру полусферы. Вокруг той же оси полусфера с источником Монохроматор ИКС- В 7 В Рис. 6.2. Схема спектрофотометрической установки для измерения характери стик рассеивающих материалов в области 2,5—15 мкм.

и образцом может быть повернута на угол 180° так, чтобы можно было измерить пропускание образца при почти диффуз ном освещении.

Методика измерений основана на том, что в соответствии с правилом обратимости Гельмгольца коэффициент отражения рА образца при освещении в направлении А равен его коэф фициенту яркости р А в обратном направлении при диффузном освещении [44], т. е.

При этом где ВА — яркость образца в направлении А, В о — яркость совершенного рассеивателя.

Измерение коэффициента отражения р(А) производится по методу сравнения с эталоном, которым является золоченое зеркало. При диффузном освещении яркость плоского зеркаль : ного образца с коэффициентом отражения р » 1, 0 практически одинакова во всех направлениях, т. е. такая, как у идеального рассеивателя.

Таким образом, методика измерения состоит в следующем.

Сначала на самописце прибора ИКС-21 записывается сигнал N0, соответствующий зеркальному эталону при измерении отраже ния или отсутствию образца при измерении пропускания, а за тем — сигнал iVi, соответствующий отражению или пропуска нию исследуемого образца. После этого значение коэффициента отражения (пропускания) находится по формуле где k — поправочный коэффициент, обусловленный наличием отверстий в полусфере.

Измерения на описанной установке производятся с погреш ностью в пределах ± 3 % (абсолютных) на гладких участках спектра. В полосах поглощения погрешность может возрастать до ±7%. способности ( Т И С ) [151] Терморадиометр излучательной предназначен для измерений коэффициента излучения s ве ществ при температуре, близкой к комнатной.

Принцип работы терморадиометра основан на законе Кирх гофа е = 1 — р, и фактически Т И С измеряет коэффициент отражения в спектральном интервале 4—40 мкм при максимуме чувствительности около 12 мкм.

Т И С является накладным прибором. Как и описанный ранее ФМ-99, он имеет измерительную головку, блок регистрации и питания ( Б Р П ). Источником инфракрасного излучения является зона вблизи приемника излучения — болометра типа БМЦ-3, нагретая на несколько градусов выше температуры окружающего пространства и исследуемой поверхности. Благо даря этой разности температур создается лучистый поток от приемника к образцу. Отраженный от образца поток возвра щается на приемник и регистрируется им. Прибор калибруется по золоченому зеркалу и модели А Ч Т, выполненной в виде черненой цилиндрической полости. Терморадиометр может использоваться как при исследовании образцов, так и для измерения коэффициентов Излучения участков поверхности крупногабаритных готовых изделий.

В настоящее время вместо Т И С а начат выпуск терморадио метра ТРМ. Принцип его работы аналогичен принципу работы ТИСа. Отличие приборов — в оптической схеме. Кроме того, в ТРМе усовершенствована электронная схема. Благодаря этому Т Р М отличается меньшим весом измерительной головки и большей стабильностью показаний.

6.1.2. В современных пиргелиометрах все шире используются полостные приемники, которые выполняются в виде определен : ных геометрических тел (конус, цилиндр и др.) или их сочета ний, имитирующих АЧТ. Это позволяет получить коэффициент поглощения приемника, близкий к единице ( а п « 1 ) и мало чувствительный к изменениям коэффициента поглощения чер ного покрытия стенок полости а. До недавнего времени коэф фициент а п определялся только расчетным путем. Это ослож няло оценку погрешности Аап. В последние годы, однако, были разработаны методы и созданы уникальные установки, обеспе чивающие измерение а п с высокой точностью и позволяющие существенно повысить точность пиргелиометрических измере ний. Одна из них была раз работана для измерения и /2 /3 Л периодической поверки ко эффициента а п приемника Государственного первично го эталона средней мощно сти лазерного излучения в диапазоне длин волн 0,3— 12 мкм [104]. Рассмотрим ее более детально.

В основу действия уста новки положен метод фото- Рис. 6.3. Схема фотометрического метрического шара, исполь- блока установки для измерения коэф зующийся для последова- фициента поглощения полостных при емников.

тельного измерения падаю щего (Ф п ) и отраженного (Фот) потоков лазерного излучения различных длин волн. Излу чение лазера направляется в полость с помощью световода. По этому отраженный (выходящий из полости) поток Фот нахо дится как сумма двух составляющих:

Фот = Фот + Фот, где Фот — поток, отраженный в зазор между световодом и входным отверстием исследуемой полости;

Ф о т — поток, отра женный внутрь канала световода.

Измеряемый коэффициент поглощения определяется по со отношению ф' Ф" т а п = 1 — Р п = 1 — -тг 1 ф21 (6- где р п — суммарный коэффициент отражения полости.

Таким образом, задача делится на три этапа, включающих в себя измерения трех указанных потоков: Фп, Фот и * Ф от.

Схема фотометрического блока установки при измерениях Ф п и Фот показана на рис. 6.3. В первом случае в фотометриче ский шар 2 помещается физическая копия (имитатор) свето : вода 3. Имитатор устанавливается так же, как световод, на правляющий излучение в исследуемую приемную полость 4, которая в данном случае представляет собой зачерненный цилиндр, сопряженный с зеркальной полусферой у входного отверстия. Рабочий световод 1 вводит излучение высодеста бильного лазера (отклонения мощности от номинального зна чения не превышают 0,01 %) в шар 2. Стенки шара и наружные поверхности световодов 1 я 3 покрываются белой светотехни ческой эмалью, имеющей в спектральном диапазоне 0,4— 0,8 мкм коэффициент диффузного отражения р ш = 0,91.

В качестве приемника 5 служит кремниевый фотодиод, имею щий малый уровень шумов и широкий динамический диапазон (Ю-5— ю - и Вт).

Излучение, входящее в шар через световод 1, создает на его стенках освещенность » = — ;

„, (6.2) где F = Fm Fс • полная освещаемая площадь, состоящая из — площади шара Fm и площади наружной поверхности свето вода Fc, Fо — площадь отверстий в шаре..

Зная площадь поверхности приемника (/гПр = 0)78 мм2), находим поступающий на него лучистый поток Фпр = = ^^ »

где i i = m - — — фототок, определяющийся показаниями ре гистрирующего прибора tii, ценой деления его шкалы k\ и коэф фициентом усиления тракта сигнала k2, 5 — чувствительность приемника (5 = 0,46 А - В т - 1 ).

Из соотношений (6.2) и (6.3) следует, что Фп = — ( 6. 4 ) L v Sk2t прРш При измерении Ф от световоды 1 и 3 меняются местами и излу чение лазера направляется в исследуемую полость 4. Тогда, рассуждая аналогичным образом, получим, что выходящий из полости отраженный поток, который вызывает показания реги стрирующего прибора пг при коэффициенте усиления К2, будет UL, фот = 1—А (6.5) 2 пр? ш : а отношение интересующих нас потоков ®от I tlokz (6.6) Подобный прием применяется и при измерении отношения потока Ф о т, выходящего из полости через отверстие световода.

При этом применяется разветвитель, состоящий из двух оди наковых световодов, к одному из которых подводится световод лазера, а выходящий из полости световод подключается к све тоизмерительному шару.

1 г Лазерное излучение Рис. 6.4. Схема измерения коэффициента поглощения полостей.

Погрешность измерения Да п в предположении, что а п г» I, определяется из соотношения (6.1) в виде ДФ„ + ДФП \ I ф \ п J АФ ( от У, / ДФп V (6.7) + р;

где АФ — погрешности измерения соответствующих потоков.

Из выражения (6.7) видно, что при а п « 1 величины pj, и р п весьма малы и даже при сравнительно больших погреш ностях измерений потоков ( Д Ф / Ф = 1 0 % ) погрешность измере ния коэффициента поглощения будет мала. Действительно, для рассмотренного приемника Г П Э С М на длине волны 0,87 мкм теоретический расчет дал а п = 0,999 92, а экспериментальное значение для различных образцов а п = (0,999 93—0,999 97) + +0,000 03.

В работе [210] приводятся краткие сведения о пироэлек трическом рефлектометре, созданном В. Бруса и К. Фрелихом для измерения коэффициента отражения - полостей ПМО- и подобном установке В. Блевина и Д. Гейста, использующейся в Н Б С США. Основой этой установки является конический пироэлектрический приемник 3 (рис. 6.4) с отверстием 1-7.1.

в вершине, через которое с помощью фокусирующей оптики в полость 1 направляется излучение аргоно-неонового лазера (X = 0,363... 1,090 мкм). Излучение лазера модулируется с ча стотой около 70 Гц, проходит через прецизионную диафрагму (диаметр 5 мм) и, отразившись от исследуемой полости, реги стрируется пироприемником 3, поверхность которого покрыта золотой чернью. Д л я калибровки установки используются «бе лый» (отражение 100%) и «черный» (отражение считается равным нулю) ящики. Потери отражающегося полостью излу чения через отверстие в приемнике, которые измеряются с по мощью раздвоителя потока, составляют пренебрежимую вели чину (примерно 1 • 10 -5 ). Погрешность измерения коэффициента а п = 0,9998 считается не менее +0,02%. Воспроизводимость показаний составляет в среднем +0,02 %.

6.1.3. Важной характеристикой поглощающего покрытия является индикатриса рассеяния, показывающая, как распро страняется по пространству излучение, отраженное от образца.

Поскольку серийной аппаратуры в С С С Р для измерения инди катрис отражения не выпускается, в качестве примера рас смотрим установку, разработанную А. С. Топорцом [172].

Основной частью такой гониоспектрофотометрической уста новки является камера в виде цилиндрического барабана диаметром 700 мм. Барабан состоит из двух частей: вращаю щейся и неподвижной. В плоскости оси вращения барабана помещен держатель, имеющий два гнезда. В одном из гнезд помещается кювета с окисью магния, в другом — исследуемый образец. Световой пучок, идущий из монохроматора, вводится в камеру барабана через осветитель, который обеспечивает освещение образца под любым углом в пределах 360°. Угловая апертура освещающего пучка может изменяться специальной диафрагмой. На боковой поверхности барабана расположен приемник излучения ФЭУ-20. Сигнал, вырабатываемый прием ником, усиливается и измеряется гальванометром М-91. Изме рения могут производиться через 5°.

6.2. Тонкопленочные покрытия пиргелиометрических приемников Д л я обеспечения малой инерционности черное покрытие рабочей площадки приемника должно обладать малой массой и незначительной теплоемкостью. Кроме того, необходимо, чтобы между покрытием и металлической подложкой был хороший тепловой контакт.

Иногда этих свойств системы покрытие—подложка стре мятся добиться нанесением на подложку тонких пленок ди электриков, металлов, их солей и окислов. Наибольшее рас пространение среди покрытий указанного типа получили : оксидные пленки. Важно, что в зависимости от состава обраба тываемого металла, условий обработки и состава используемых растворов можно получить различные свойства оксидных по крытий: повышенную стойкость к внешним условиям и различ ный цвет пленок.

Оксидирование может осуществляться двумя путями: хими ческим — обработкой металла окислителями (кислотами или щелочами), электрохимическим — окислением под действием электрического тока. Эти способы дают покрытия с существенно различными свойствами. Например, при оксидировании алюми ния химическим способом в щелочном растворе хроматов образуются пленки толщиной 2—3 мкм с рыхлой пористой структурой, которые легко разрушаются при воздействии внеш них условий. Химическое оксидирование алюминия в растворе, содержащем хроматы, ортофосфорную кислоту и соединения фтора, создает покрытия толщиной 3—4 мкм. Такие пленки более надежно защищают металл от коррозии и обладают хорошей механической прочностью.

Электрохимическим способом получают пленки толщиной от долей микрометров до 100—300 мкм. Под действием элек трического тока на поверхности алюминия образуется А1203.

При непродолжительном пропускании тока толщина слоя окисла составляет 0,01—0,1 мкм. Увеличение времени оксиди рования приводит к образованию пор в пленке А1203 и окисле нию более глубоких слоев подложки. Таким образом, поверх ность оксидированного алюминия состоит из двух слоев:

плотный сплошной слой окисла толщиной до 0,1—0,2 мкм, при легающий к подложке, и пористый слой на внешней поверхности пленки. Оксидная пленка как бы вырастает из металла под ложки и неразрывно сцепляется с ним.

С целью повышения качества покрытия иногда применяют электрохимическое полирование поверхности перед оксидиро ванием.

Оксидные пленки благодаря их пористости обладают высо кой адсорбционной способностью и потому легко окрашиваются в различные цвета. Наиболее чистые тона можно получить на оксидированном алюминии и его сплавах с магнием, марган цем и медью. Д л я получения черных покрытий на алюминии после электрохимического оксидирования применяют последо вательно растворы уксуснокислого кобальта и марганцево кислого калия, в результате чего образуется черная окись кобальта, заполняющая поры оксидной пленки. Черные покры тия получаются и при использовании ряда органических кра сителей, например анилиновых.

Черные оксидные пленки получаются также на меди и ее сплавах. По твердости и износоустойчивости они превосходят неоксидированный металл. Толщина пленки обычно около 2 мкм.

: Оптические характеристики оксидных покрытий в сильной степени зависят от времени оксидирования и состава исполь зуемых растворов. Так, при электрохимическом оксидировании (анодировании) сплава АМг-6, проводимом после электрохи мической полировки, толщина пленки возрастает с увеличением времени оксидирования. При малых временах оксидирования образуются настолько тонкие слои, что в видимом участке спектра наблюдается интерференционная картина, которая проявляется в окрашивании поверхности металла в «цвета побежалости». Зная ход спектрального коэффициента отраже ния р(А) покрытия, показатель преломления п его вещества, р(Л) 0, 0, 0, 0. 0,7 X мкм 0,5' ' 0,4 0, Рис. 6.5. Спектральные коэффициенты отражения оксидированных поверхно стей химически полированного сплава АМг-6 в видимой области спектра.

1 — х и м и ч е с к а я полировка, 2 — оксидирование 120 с, 3 — оксидирование 240 с.

расстояние АХ между длинами волн Ai и Х2, на которые прихо дятся соседние максимумы в кривой отражения р(Х), можно определить толщину такой пленки z= 4/Tcos ' р (6 - 8) " где ф — угол падения света на поверхность покрытия, а Х (6.9) т • Ко — Л] — порядок интерференции.

На рис. 6.5 приведены кривые спектральных коэффициентов отражения в видимой области оксидированных поверхностей химически полированного АМг-6 для разных времен оксидиро вания и, следовательно, разных получающихся толщин покры тий, рассчитанных по формулам (6.8) и (6.9). Видно, что эти кривые лежат примерно на одном уровне, несколько ниже кривой р(Я) для химически полированного образца и разли чаются положениями интерференционных максимумов.

На рис. 6.6 приведена зависимость интегрального коэффи циента поглощения, определенная терморадиометром Т И С [132] : в области 3—40 мкм при комнатной температуре для тех же образцов, от времени оксидирования. В этом случае увеличение толщины покрытия существенно увеличивает коэффициент поглощения в инфракрасной области спектра. Но при этом в спектре отражения (рис. 6.7) появляются поло сы поглощения, характер ные для образующейся при оксидировании сплава шпи нели — смеси окислов алю миния и магния.

Аналогичные результаты были получены М. А. Кро поткиным и Б. П. Козыре Рис. 6.6. Влияние времени оксиди рования на коэффициент поглоще ния покрытия в средней ИК обла 240 t с сти спектра.

а Рис. 6.7. Спектральные коэффициенты отражения оксидированных поверхно стей химически полированного сплава АМг-6 в средней ИК области спектра.

Цифры у кривых — время оксидирования.

вым при исследовании анодированного алюминия и его спла вов [88].

Такая селективность в спектре отражения оксидных покры тий нежелательна. Введение черных пигментов улучшает поглощательные свойства оксидированных покрытий. Иногда для регулирования поглощательной способности рабочих по верхностей приемников излучения используются также интер : ференционные и лаковые покрытия (последние слоем толщи ной 5—10 мкм) [89]. Однако в актинометрии они не нашли применения и здесь не рассматриваются.

6.3. Оптические свойства лакокрасочных покрытий Лакокрасочные покрытия ( Л К П ) представляют собой мно гокомпонентные среды, состоящие в простейшем случае из оптически однородного связующего толщиной z0, содержащего в себе частицы диспергированного пигмента, химически инерт ного к связующему. Излучение, распространяющееся в слое Л К П, попадает на частицы пигмента и частично поглощается ими и связующим, а также рассеивается. Таким образом, Л К П следует рассматривать как рассеивающие среды, обладающие поглощением. Зачерняющие покрытия, которые находят боль шое применение в актинометрии, содержат обычно пигменты, у которых поглощение существенно преобладает над рассеянием.

Л К П наносятся на подложку и образуют с нею систему, оптические характеристики которой зависят от оптических характеристик Л К П (коэффициентов пропускания, отражения и поглощения), его толщины и оптических свойств подложки.

Обычно подложки непрозрачны, и для их описания достаточно коэффициента отражения р, который зависит от показателей преломления связующего и подложки [8, 199].

Д л я исследования оптических характеристик системы Л К П — подложка должны использоваться приборы, которые позволяют либо оценить долю поглощенной этой системой энергии от всей падающей, т. е. коэффициент поглощения, либо измерить отраженную системой долю упавшего потока, т. е.

коэффициент отражения. По ряду причин последний способ измерений — рефлектометрический — имеет преимущества пе ред первым — калориметрическим. Но при этом аппаратура должна регистрировать излучение, отраженное покрытием в пределах всего полупространства перед ним.

Л К П получили широкое распространение по многим при чинам, в частности в силу технологичности их нанесения и воз можности получать разнообразные оптические свойства путем составления различных композиций связующих и пигментов.

С помощью Л К П можно реализовать достаточно близко к идеальным по крайней мере три типа покрытий: «солнечные отражатели», «солнечные поглотители» и «абсолютные погло тители» [89].

На рис. 6.8 приведены кривые, характеризующие спектраль ные коэффициенты отражения эмалей различных цветов. Белая эмаль АК-512 (кривая 1) имеет большое отражение в области 0,3—2 мкм и малое в области длин волн более 3 мкм. Поэтому она с успехом может применяться как солнечный отражатель.

: Примером солнечного поглотителя может служить черная эмаль АК-512 (кривая 2), у которой большое поглощение наб людается в спектральной области, соответствующей солнечному излучению. По мере увеличения длины волны излучения опти ческая толщина покрытия уменьшается и начинает «просвечи вать» отражающая (например, медная) подложка;

при этом поглощение системы Л К П — подложка уменьшается, особенно Рис. 6.8. Спектральный коэффициент отражения оксидированной меди с до бавкой в электролит черных пигментов.

в инфракрасной области спектра. Та же черная эмаль АК- (кривая 3), нанесенная достаточно толстым слоем, вполне удовлетворительно имитирует абсолютный поглотитель, по скольку ее коэффициент отражения как в ультрафиолетовой и видимой, так и в инфракрасной областях не превышает 0,8, т. е. поглощение достаточно толстого слоя черной эмали АК- превышает 0,92.

Вопросам получения и исследования поглощающих красок и эмалей посвящено довольно много работ [88, 107, 164, 204, 270, 283 и др.]. Анализируя их, следует признать, что наилуч шим абсолютным поглотителем является лак Парсонса. Его коэффициент поглощения как в солнечной, так и в инфракрас ной областях превышает 0,96 и практически неселективен по спектру (рис. 6.9). Достаточно близки к английскому лаку Парсонса по оптическим характеристикам, кроме упоминав шейся АК-512, отечественная черная эмаль АК-243 и американ ская краска ЗМ, нанесенные слоем толщиной свыше 100 мкм (поверхностная плотность более 8—10 мг-см - 2 ).

10 Заказ № 202 К сожалению, сведения о спектральных характеристиках серийно выпускаемых Л К П, в частности черных, ограничены работами только тех исследователей, которые располагают аппаратурой для измерения спектров отражения рассеиваю щих материалов. А эти авторы зачастую испытывали лабора торные варианты составов черней и других красок, не освоен ных промышленностью (см., например, [88, 270, 283]). При этом далеко не всегда получались технологически воспроизво димые краски. Иногда технология приготовления и нанесения красок вообще не указывается.

Несколько больше сведений имеется об интегральных тепло радиационных характеристиках Л К П. В сводной табл. 6. Рис. 6.9. Спектральные коэффициенты отражения черных ЛКП.

1 — л а к П а р с о н с а, 2 — АК-243, 3 — к р а с к а ЗМ.

приведены значения коэффициентов поглощения солнечной ра диации as и коэффициентов излучения е (покрытий и материа лов подложек), по которым можно судить о применимости тех или иных красок для целей актинометрии [151, 164].

Точное определение оптических характеристик систем Л К П — подложка в настоящее время возможно в основном путем измерений их на готовых изделиях или (чаще) на образ цах-свидетелях.

Д л я определения новых составов Л К П и выбора толщины их нанесения возможен расчет оптических характеристик Л К П, основанный на положениях оптики рассеивающих сред, напри мер на двухпотоковом приближении теории переноса.

Большое значение имеет информация об угловой зависи мости коэффициентов поглощения актинометрических покры тий. Проведенные исследования [47, 107, 172] показали, что в видимой области спектра большинство матовых Л К П доста точно близки к равномерным рассеивателям.


Однако в средней инфракрасной области многие Л К П существенно отличаются от равномерного рассеивателя. В табл. 6.2 содержатся изме ренные нами коэффициенты яркости некоторых Л К П -при их диффузном освещении и наблюдении под разными углами к нормали плоского образца для различных длин волн И К : Таблица 6. Теплорадиационные характеристики лакокрасочных покрытий ( z 5 0 мкм) и конструкционных материалов a Подложка s Покрытие 0, 0, АК-512 белая Сталь 0, 0, АК-512 черная „ Медь 0, 0, АК-243 черная 0, 0, Сталь КО- 0, 0, КО-818 Медь 0, КО-818 Дюраль 0, KO-8I9 0, Сталь 0, КО-819 0, Медь 0, 0, ХС-510 белая Керамзитобетон 0, Грунт Парсонса Медь 0,88 0, Лак Парсонса по грунту:

английский 0, 0, Медь 0, американский 0, 0, 0, Краска ЗМ Без покрытия 0,45-0,55 0,11-0, Нержавеющая сталь 0, Без покрытия 0, Дюраль Без покрытия 0,43 0, Алюминий АЛ Без покрытия 0,63 0, Медь Ml 0, Без покрытия Медь М5 0, 0, Керамзитобетон 0, Без покрытия диапазона. Измерения производились с помощью установки, описанной в [165]. Измеренные значения соответствуют коэф фициентам отражения при освещении образцов под указан ными углами. Из приводимых данных видно, что при увеличе нии углов падения коэффициент отражения системы ЛКП—• подложка, как правило, возрастает. Однако оценить в полной мере влияние толщины Л К П и коэффициента отражения под ложки на индикатрису отражения пока не представляется возможным.

6.4. Методы расчета коэффициентов поглощения покрытия В предыдущих разделах уже отмечалось, что на поглоща тельную способность покрытий — как тонкопленочных, так и лакокрасочных, большое влияние оказывают строение и состав покрытия, его толщина и свойства подложки. Эти факторы учитываются в первую очередь при выборе типа покрытия и технологии его нанесения. В частности, такой учет возможен на основе двухпотоковош приближения теории рассеяния света.

В этом приближении рассматриваются поток Ф ь «нисходящий»

10* Таблица 6. Угловые зависимости коэффициентов отражения (%) черных лакокрасочных покрытий в средней инфракрасной области спектра Коэффициенты отражения при углах падения Весовая Длина Покрытие плотность, волны, мг•см-2 мкм 5° 25° 45° 5 48 Эмаль АК-512 черная 1, 9 7 14 5 28 Эмаль АК-512 черная 1, 9 6 28 14 24 24 Эмаль АК-512 черная 2,86.

9 6 20 34 Краска АК-243 1, 9 14 5, 5 6 Краска АК-243 5, 9 6 14 14 5 Лакосажевая композиция 0, 22 9 14 28 28 20 18 Грунт Парсонса 9 14 18 4 4 Лак Парсонса англий- 2, 3, 9 2, ский без грунта 4 4 4' 5 16 Лак Парсонса американ- 1, 3, 9 3 ский без грунта 14 8 Лак Парсонса англий- 3,6 5 „6 2, 9 2 ский по грунту Парсонса 14 3 4 4 Лак Парсонса англий- 5,5 9 3, ский по грунту Парсонса 2,5 14 2,5 3, 2, Лак Парсонса американ- 3 9 8 ский по грунту Парсонса 3 3, 14 5 5 2 Краска ЗМ (США) 9 13 14 14 4 4 : в покрытие от внешней границы, и поток Ф2, «восходящий» из глубины покрытия и возникающий вследствие рассеяния по тока Ф на неоднородностях покрытия или на границе покры тия с подложкой. Если покрытие не имеет неоднородностей и не рассеивает распространяющееся в нем излучение, а только поглощает его (случай однородной диэлектрической среды, на пример пленки), то его монохроматический коэффициент погло щения, равный по закону Кирхгофа коэффициенту излучения, может быть рассчитан по формуле, выведенной японскими исследователями [199], „ (JL) = е (Я.) = 7°')(1~Р'Г2'). (6.10) ( 1 — Pol Здесь poi — френелевский коэффициент отражения внешней границы покрытия в воздух (вакуум), р )2 — френелевский ко эффициент отражения подложки в покрытие, d — оптическая толщина покрытия, зависящая от его показателей преломления (ri\) -и затухания (%i), геометрической толщины г, длины волны X и угла наблюдения гз следующим образом:

| rf = 4-rcralxlz/A,cosi|). (6. I I ) Однако большинство актинометрических покрытий неодно родны и потому рассеивают распространяющееся в них излу чение. Точное решение уравнения переноса излучения в подоб ных случаях, как отмечает А. П. Иванов [51], в настоящее время недостижимо. Но достаточно близкие к истинным опти ческие характеристики рассеивающей среды можно получить, используя двухпараметрический вариант двухпотокового при ближения, известный под названием теории Гуревича—Ку белки—Мунка ( Г К М ) [44, 45, 233, 248, 249]. В этой теории рассматриваются характеристики элементарного объема рас сеивающей (сильно мутной) среды. Основными параметрами элементарного объема являются показатель поглощения К и показатель рассеивания S, которые характеризуют ослабле ние потока, отнесенное к единице длины, за счет поглощения и рассеяния соответственно:

^L;

(6.12) К4 = v dz ' Ф dz ' ' Ф где Ф — полный упавший в среду поток, з(Фп и dФр — измене ния потока за счет поглощения и рассеяния при прохождении излучением пути dz.

Не вдаваясь в подробности теории ГКМ, отметим только основные даваемые ею результаты. Без учета границ раздела наблюдаемые коэффициенты отражения p(z) и коэффициенты : пропускания x(z), обусловленные параметрами R и L среды и ее толщиной z, будут Р(2) = 1_ l R т (z) = e - " t 2Lz I- Л V Здесь R имеет смысл коэффициента отражения бесконечно толстого слоя среды, a L — ее глубинного показателя ослабле ния. В случае изотропной среды [30, 249] эти параметры свя заны с характеристиками элементарного объема соотношениями L = л/А'2 + 2 KS.

Удельное поглощение среды, т. е. отношение показателя поглощения к показателю рассеяния, зависит от параметра R:

„= •б.,з Формула (6.13), известная в литературе как формула Ку белки—Мунка, широко применяется для составления рецептур красок с заданными коэффициентами поглощения (отражения) [6]. Ее недостаток, состоящий в том, что не учитываются границы раздела.среды, давал повод для критики всей теории Г К М (см., например, [8]). Однако Н. А. Войшвилло [24], учитывая границы с внешней средой и подложкой, на основе теории Г К М получила выражение / — P 1 — -ftPoi c-2Lz \ t 1 Я-Poi ^-Poi 1 — Pol P(z)=l J + Poi 1 — Poi • R - P 2 ^ Pol 1 c-2 Lz I' t V - 1-/?P12 1-/?P0! ' (6.14) которое с достаточной точностью выполняется для различных сред (например, для молочных стекол [24] и красок [153]) как в видимой, так и в инфракрасной областях спектра.

На рис. 6.10 показана зависимость спектрального коэффи циента поглощения эмали АК-243, нанесенной на медную под ложку, для длины волны 11,45 мкм от толщины покрытия, рассчитанная по формуле (6.14) и измеренная эксперимен тально. Как видно, согласие эксперимента и теории удовлет ворительное.

: Коэффициенты поглощения Л К П, как видно из предыду щего, определяются составом покрытия, т. е. свойствами его компонентов: связующих и черных пигментов. Рассмотрим важнейшие из них.

В качестве связующих Л К П используются природные или синтетические смолы и лаки, полимеризующиеся при сушке покрытий. Оптические свойства полимеров рассмотрены в ряде работ, в частности в книге Т. А. Сперанской и Л. И. Тарутиной J166], где описаны методы исследования полимеров и приме Рис. 6.10. Зависимость коэффициента поглощения эмали АК-243 от толщины ее слоя для %= 11,45 мкм.

2 — рассчитанная.

/ — экспериментальная, няемая аппаратура и приведены спектры поглощения боль шого числа полимеров в ультрафиолетовой, видимой и инфра красных областях, а также показатели преломления nD (при X = 589,3 нм). В инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра показатели преломления определяются редко и сведе ний о них почти не имеется, так как классические методы с использованием призмы из исследуемого вещества для поли мерных пленок оказываются неприменимыми.

В последние годы для определения показателя преломления в И К области широко применяются методы нарушенного пол ного внутреннего отражения ( Н П В О ). Однако этот метод позволяет характеризовать свойства вещества вблизи его гра ницы с воздухом, на глубине z = К/2, т. е. слоя толщиной в несколько микрометров. В то же время в Л К П пленки свя зующих обычно имеют толщину свыше 50—75 мкм. Поэтому для определения оптических констант полимерных пленок целе сообразнее использовать метод, разработанный М. П. Лисицей : [106] для плоскопараллельных шлифов кристаллов. Подроб ный анализ метода дан в книге А. П. Пришивалко [140].

Пигменты Л К П исследованы достаточно подробно в види мой области спектра [6]. Традиционно они подразделяются на Pft) о j I I I I J 0,4 0,5 0, в 0,7 X мкм Рис. 6.11. Спектральные коэффициенты отражения черных пигментов в види мой (а) и средней ИК (б) областях спектра.

I — светостойкий пигмент, 2 — с а ж а ПМ-15, 3 — с а ж а ДГ-100, 4 — принтекс, 5 — нигрозин.

хроматические и ахроматические. Д л я получения поглощаю щих покрытий обычно применяются ахроматические черные пигменты—сажи и органические красители (анилин, нигро зин и др.).

На рис. 6.11 а приведены спектральные коэффициенты отражения некоторых из этих пигментов, измеренные в види : мой области спектра на спектрофотометре СФ-18 в оптически бесконечно толстом слое.

В [152] была предложена классификация пигментов в ин фракрасной области спектра, которая основана на их хими ческом составе и существенно отличается от классификации в видимом диапазоне, ибо в И К области теряет смысл понятие цвета (хроматичности), связанное с восприятием глаза.

В средней И К области пигменты делятся на кислородсо держащие (окислы, соли, основания), бескислородные (диэлек трики и полупроводники, в том числе нитриды, сульфиды, селе ниды и т. п.), металлические и органические. Д л я воспроиз ведения абсолютного поглотителя Л К П должны иметь в своем составе пигменты, поглощающие излучение как в видимой, так:

и в И К областях спектра. К таковым относятся в основном кислородсодержащие пигменты, которые (независимо от их цвета) в области % 6... 8 мкм имеют коэффициенты отраже ния, близкие к нулю, а также некоторые бескислородные (например, сажи).

На рис. 6.116 представлены спектральные коэффициенты отражения образцов тех же черных пигментов, что и на;


рис. 6.11а, но в области 2,5—15 мкм. Из него следует, что хотя в видимом участке все указанные вещества являются хорошими поглотителями, они существенно различаются в средней инфракрасной области. Весьма селективным оказы вается органический краситель нигрозин, а наибольшим по глощением обладают сажи.

Отметим также, что поглощательная способность пигментов зависит от их дисперсности, т. е. от размера частиц исполь зуемого порошка и его соотношения с длиной волны излучения:

при мелких частицах (/ К) уменьшению размера частиц, соответствует увеличение коэффициента поглощения, а при I % уменьшению размера частиц соответствует увеличение коэффициента отражения [152]. Следовательно, д л я повыше ния поглощательной способности Л К ' П надо использовать пигменты в мелкодисперсной фазе.

6.5. Методы расчета коэффициентов поглощения полостей У ж е отмечалось, что полостные приемные элементы выгодно отличаются от плоских. Подбирая геометрию полости и покры тия с соответствующими характеристиками, можно получить практически любую черноту приемного элемента. Это обеспе чивает и желаемую неселективность в широком диапазоне спектра. Проблема определения коэффициента поглощения полостного приемника излучения привела к развитию многочис : ленных методов расчета. Ниже приводится краткий обзор основных методов и полученных с их помощью результатов.

Одной из первых работ в этом направлении были расчеты коэффициента излучения полости в виде цилиндра, выполнен ные Бакли [211, 212]. Из большого числа работ, последовав ших за работами Бакли, можно выделить ряд исследований, в которых применен чисто геометрический подход (без учета •собственного излучения элементов поверхности полости). Дру гие исследования решали проблему с учетом возможной неизо термичности полости. Вначале рассмотрим идеи и результаты первого подхода.

Наиболее простой метод был предложен Гуффэ [234].

По существу, он сводится к учету многократных отражений от диффузно отражающих стенок полости. Если на стенку полости падает единичный поток /, а отражается часть потока рI, где р — коэффициент отражения, то через отверстие, видимое внутри телесного угла Q, выходит часть отраженной энергии р/Я/я. Здесь заложено предположение, что отраженный поток распределяется внутри телесного угла я.

Пусть отражение в направлении, составляющем угол с нормалью к отражающей поверхности, происходит по закону Ламберта. Тогда в элемент телесного угла dQ = sin 8 dQ dap отражается поток, равный /[ cos 0 t^Q == /! cos 0 sin 6 rfcp, (6.15) а весь отраженный поток 2 ic ic/ р/ = / 1 ^ ф 5 cose sin еа?е^ср = 1с/ь (6.16) и где 7i — поток, отражаемый в единицу телесного угла. Таким образом, в единицу телесного угла отражается поток /j = p//jt, ;

а в угол Я — поток р/Я/я. В таком рассмотрении есть неточ ность, обусловленная тем, что поверхность неодинаково отра жает излучение по различным направлениям и следовало бы учесть не только угол, под которым излучающая поверхность «видит» отверстие, но и угол относительно нормали, под кото рым отверстие «видит» излучающую поверхность, т. е. геомет рические факторы радиационного обмена. Гуффэ этого не делает. Основываясь на справедливости своих предположений, он считает, что часть потока p/Q/jt покидает полость после 1-го отражения, а внутри полости остается /(1—рЯ/я), при чем часть потока / ( 1 — р ) поглощена. Таким образом, для второго отражения остается поток /р (1 — Я/я). Поток р2/ (1 — Я/я) отражается, из полости уходит р2/ (1 — Q/n)s0TB/s, остается для третьего отражения поток /р 2 (1—Я/я) (1 — s 0 T B / s ), где s0TB и s — соответственно площади отверстия и полости.

: Учитывая бесконечное число отражений, Гуффз приходит к от ношению Q я а0 \ 1 + ;

а0=1—р. (6.17) «О 0ТВ 1 — ао Здесь ао — коэффициент поглощения материала стенки по лости.

Мишо [256] заметил неточность в изложенных расчетах и предложил заменить Q/n на sin 2 0, при этом он получил для а п следующее выражение:

1 Slri 2 ап = а0 1+ • ^ - + ао/(1-ао) в 1+ (1-ао)(-°;

— sin2 0 ) (6.18) :а о _ / 1 ^ Т \ I ^отв ОВ ' П 1 — ~ ) + -Г" Однако формула (6.18) по-прежнему не содержит геометриче ских факторов радиационного обмена и потому не может пре тендовать на высокую точность.

Уточнение излучательной способности полостей при анало гичном подходе сделано в работе [54]. Как и ранее, на еди ницу площади падает поток 1А. В точке отражается часть потока р1 А. Единица площади излучает неизотропно, так как в направлении, составляющем угол i|) с нормалью, мы «видим»

не всю площадку dsA, а ее проекцию dsA cos и мощность из лучения пропорциональна dsA cos i|x Тогда d/B = pi AdsA cos, (6.19) где dQ — телесный угол, внутри которого элемент dsA «видит»

элемент отверстия dsB, т. е.

= (6.20) где х — угол, составленный нормалью к поверхности dsB и направлением АВ\ АВ — расстояние между центрами элемен тов dsA и dsB. Итак, потеря мощности, излученной элементом поверхности dsA через элемент отверстия dsB, равна р/ dl/з — dsА dsB cos ф cos х- (6.21) : Чтобы рассчитать полную потерю мощности через отверстие sB, нужно проинтегрировать по всем элементам отверстия dsB Тогда получим dIA = ?IAdsA-- [costy^}••dsB=?IAdsAJl{sA, sB). (6.22) SB Величина dIAldsA есть плотность потока, покидающего по лость после 1-го отражения. Сравнивая полученный результат с предположением Гуффэ, легко обнаружить, что Л (s A, sB) является аналогом Я/я в выражении Гуффэ, т. е. формула (6.22) в точности совпадает с выражением Гуффэ р/Я/я лишь при условии, что cos -ф - cos % = const = 1.

Рассматривая последовательно п отражений, авторы ра боты [54] для мощности, выходящей после п отражений, полу чили следующее выражение:

d f A = р"/ А dsA (1 -'7,) /2 (1 - J2y ~ тде и — интегралы, показывающие, какая часть мощ ности выходит после первого и любого из следующих отраже ний. Интегралы ]\ и / 2 отличаются друг от друга, так как перво начально освещается не вся полость, а только та ее часть, которая видна сквозь отверстие. После первого отражения энергия распределяется по всей полости и во всех последую щих отражениях элемент излучающей поверхности может рас полагаться в любой части полости.

Суммирование бесконечного числа отражений позволяет получить [54] для изучательной способности полости следую щее выражение:

еп = а п = 1 - (1 - ао) /, - - 0 ~ h (1 h). (6.23) 1 — ао Если привести уравнение (6.23) к виду (6.17), можно получить (6.24) Бп —- Ко 1 + /2 1 — а0 Сравнивая соотношения (6.17) и (6.24), видим, что h заме няет в формуле (6.17) Я/я, а / 2 является эквивалентом отно шения площадей отверстия и полости S B / S - 0T Формула (6.24) является, по-видимому, наиболее точной из всех рассмотренных выше, но и она обладает недостатком.

Строго говоря, в соотношении (6.24) не учтено собственное излучение полости, и все полученные соотношения учитывают в основном геометрические характеристики: площади, телесные углы, геометрические факторы обмена. При учете собственного : излучения осуществляется переход к качественно новому опи санию излучательной способности полости. Этот новый подход можно было бы назвать энергетическим. Такой подход более сложен и требует другого математического аппарата.

Излучательная способность полости с учетом собственного излучения (энергетический подход) может быть оценена так.

Для элемента поверхности полости можно записать закон сохранения энергии [273]: яркость В (хо) элемента dAX0 по верхности равна сумме собственного излучения so7Т4(х) и отраженной части падающего потока /(х 0 ), т. е.

В ( х 0 ) = е 0 оТ 4 (х 0 ) + р/(х 0 ), (6.25) где е0 — излучательная способность материала стенок полости,, р — коэффициент отражения поверхности, а — постоянная Стефана—Больцмана.

Радиационная энергия 1(х0) может приходить на элемент поверхности dAXQ от других участков поверхности, располо женных на стенках полости, например с элемента dAx. Но ра диационный поток, уходящий с элемента dAx, есть BxdAx и на элемент dAXQ поступает часть этого потока, равная BxdAxdFx_u, Tj\edFx_xo—геометрический фактор между элементами dAx и dAXQ. Тогда полный радиационный поток /(хо) можно найти, если проинтегрировать B(x)dFXQ_x по всей поверхности по лости:

I(x0) = \B(x)dFXt-x. (6.26) s Вводя (6.26) в (6.25), можно получить интегральное уравне ние относительно В (хо):

В (х 0 ) = е 0 аГ 4 (х 0 ) + [ В (х) dFXt-x. (6.27) Р Если сопоставить соотношение (6.27) с формулами Гуффэ [234] или формулой, полученной в [54], то можно видеть, что ранее считалось, что ЕосгТ4 пренебрежимо мало.

Перейдем теперь к обзору методов решения уравнения (6.27) для различных полостей. Как правило, в работах по лучистому теплообмену определяют значение коэффициента излучения g, рассматривая полости как излучатели. Однако можно определить аналогично эффективному, нормальному и полусферическому коэффициентам излучения (еЭф, е„, e h ) соот ветствующие величины аЭф, а„, a h.

Локальный эффективный коэффициент поглощения аЭф(х) равен доле поглощенного излучения при диффузном облучении : данной точки полости (так как рассматриваются только по лости, излучающие диффузно).

коэффициентом поглощения a h назы Полусферическим вается величина, равная доле поглощенного излучения при диффузном облучении всего входного отверстия полости, т. е.

проинтегрированный по углам и площади входного отверстия коэффициент поглощения а Э ф ( х ).

Нормальный коэффициент поглощения а„ есть доля погло щенного излучения при облучении всего входного отверстия параллельным пучком вдоль оптической оси полости.

В дальнейшем вместо коэффициента излучения s будет использоваться соответствующее значение коэффициента по глощения а.

При рассмотрении теплообмена излучением вводят по нятие углового коэффициента или геометрического фактора •dFdAx-aAi [50].

Для элементарных площадок dA\ и dA2 выполняется ра венство cos Pi C S В O = dA, — dAi я/ где |3i и p2 — углы между нормалями к площадкам и прямой, •соединяющей их;

/ — длина этой прямой.

Для угловых коэффициентов выполняется условие взаим ности cosPl c os fe dA. 1 dF..dA\—dAi = dA, 2 dF„, 2 =,9 2 dA, I dA,,.

dA — dAi -Сводку различных угловых коэффициентов можно найти, напри мер, в [50]. Учитывая, что по определению, р = 1 — е, а аЭф = = еЭф = В (х) /аТ4 (х), интегральное уравнение (6.27) перепишем в виде (*„) = а + (1 - а) $ а эф dFXt-х. (6.28) а эф Р е ш а я уравнение (6.28), можно определить значение эффек тивного коэффициента поглощения каждой точки, а следова тельно, определить черноту полости при любой геометрии падающего пучка. Однако на практике даже для простейших форм полостей, как правило, получить общее решение урав нения (6.28) невозможно, и обычно решают его приближенно на ЭВМ.

Рассмотрим основные формы полостей, используемых для неселективных приемников излучения,— цилиндр, сферу, ко нус, цилиндр с конусом и двойной конус.

6.5.1. Для решения интегрального уравнения (6.28) в слу чае диффузной конической полости необходимо определить : угловой коэффициент Fx1-x для радиационного обмена между двумя бесконечно тонкими кольцами на поверхности конуса, находящимися в точках х0 и х соответственно. Рассмотрим прямой круговой конус (угол при вершине 28, длина вдоль оси L, радиус основания R2, радиус входной диафрагмы i?i).

Координата х направлена вдоль оси конуса, а координата z — перпендикулярно оси конуса.

При выводе величины Fxа-х [273] рассмотрим сначала обмен между прозрачными дисками, перпендикулярными оси конуса:

{h2 + rl + г! - [(К3 + r\ + rl) Fd_d = 4г?гаТ"}, где h — расстояние между дисками. В конусе r t = л:0 tg-0;

r2 = xtgB;

h= (x0—x).

Следовательно, + х2 + 2х0х cos 2 9 — _ - (хо - х ) [ ( х + xof - 4хх cos2 9 1/ 0 ] 2 2а: sin Дальнейший анализ приводит к следующему выражению для углового коэффициента dFXa-x при ширине колец dx (х — отсчитывается вдоль оси конуса):

_COS20_ d ur xc-x 2х0 sin 0 ^ В вершине конуса при х = 0 у уравнения (6.29) имеет место сингулярность. Раскрывая неопределенность по правилу JIo питаля, можно получить выражение _аа) (6- 3 °) «эф(0)= sin39 а+( Это уравнение определяет максимальный локальный коэффи циент поглощения конической полости.

Уравнение (6.28) может быть решено приближенно, мето дом иттерации на ЭВМ. В [273] такое решение проведено с использованием правила Симлсона для численного интегри рования. Первоначальное распределение задается а Э ф(л:) априори. Обычно выбираются значения а э ф(0) из уравнения : '(6.30) и а Э ф ( Ь ) = а. Остальные точки линейно аппроксими руются. В точке х = х0 имеется разрыв производной функции.

•DFXss~x- Интегрирование проводится по обе стороны от разрыва (от X = 0 Д О X = Xq и от х = х0 до х = L).

На рис. 6.12 приведены результаты расчета локального эффективного коэффициента поглощения конуса ссЭф(х), полу ченного в указанном выше расчете (пересчитанные для величин Рис. 6.12. Поверхностное распределе ние эффективного локального коэф 0, О 0,2 О// 0,6 0,8 x/L «эф (х) при значениях а = 0,3;

0,5;

0,7 и 0,9 и различных углов 0). Из кривых видно, что чернота полости значительно падает при х 0,7. Наибольший эффект полости достигается ири низких а и малых 0...

Можно, однако, показать, что использование численного интегрирования по Симпсону (или подобному методу) приводит к значительной погрешности вблизи вершины конуса, которая не устраняется при увеличении точек разбиения. Поэтому Р. Бэдфордом и К. Ма [200, 201, 202] был предложен другой метод расчета, позволяющий получать значения а Э ф(х) вблизи сингулярных точек. Он применен для определения коэффици ента поглощения различных, диффузных изотермических и не изотермических полостей.

: Интеграл в уравнении (6.28) можно переписать в виде суммы, разбив конус на п равных зон и воспользовавшись тео ремой о среднем:

п xi + L \a^(x)dFXa_x = Y j \ аэф (x)dFx^x = О i= \ xt x п l + 2 ["эф (^i+l) + «Эф (JC»)] = (6- 31 ) iTj = Обозначим FXq,Xi= ^ dFxa_x. Величина FXt, x. может быть x i ' • определена из уравнения (6.29). Уравнение (6.28) представ ляется системой линейных уравнений:

п [ а эф( х ;

+1) + а э ;

(*;

)] X «эф (*о) = a + (1 — О XI т m i— п Х + 1 — *o i) + ( + «») 4 " [ а э * (Z + F x 1 + аэс СЧ " JX j=m (6.32) X(F, -F, );

XO ZJ+L XO ZJ tl аэф(г) = а х + (1 — aL) [а эф (xi 0 + а э ф (х г )] X + X(Fzl,Xi +l - F z, X i ). (6.33) Здесь а и, aL — коэффициенты поглощения покрытия стенок конуса и входной диафрагмы конуса соответственно;

FXQ, Х., FXO, ZJ, FZ, Х. — соответствующие угловые коэффициенты.

Координата г меняется вдоль входной диафрагмы радиусом Ri, лежащей в основании конуса радиусом R2.

Раскрывая неопределенность в местах сингулярностёй по правилу Лопиталя, получим, что z\ sin HM FX = sin* 0 и lira F =. (6.34) Х Величина аЭф(0) определяется аналогично (6.33), т. е.

«эф (0) = К, +. ( 1 — c o s i n e. -g- [аЭф (Zi+i) + аЭф (г,-)] -f I г=т г2 + + z i (6.35) а. |+ (\ — ааз/) sin3 0 ' "i + V. 13 З а к а з Mb 202 Значение аЭф(0) определяется совместно с системой (6.32) и (6.33). В точке xi = x0 величина FXQ, Xi определяется усло виями уравнения (6.33). Другая сингулярность находится в точке соединения диафрагмы со стенкой. Можно показать,, 1+ sm что величина FXQj г., когда г,- ~R2, х L и 2 ля Fи zi=0 Д т. е. последний член в сумме (6.32) равен 1 величины * при z = R2 И Xi = L SN «ЭФ "^2 ' неопределенность также может быть обойдена и последний член в сумме (6.33) выражается в виде ( + 2 5 ш 9 ) -[*-[ а э ф () + а з ф ( х г а ) ] + аЭф(Ь) р л, г 1 — sin Рассмотрим пример решения системы уравнений (6.32) и (6.33) для конуса без входной диафрагмы. Представим си стему (6.32) в виде Л. i а,Ф (**) = *, (6.36) где Ак, i — коэффициенты уравнения, Ви — свободные члены.

В точке i = l (х = 0) а Э ф(0) определяется уравнением (6.30). Член суммы (6.36) ЛА,1аЭф(0) перенесем вправо. Вслед ствие выполнения (6.34) первое уравнение исключается, по этому индексы системы пробегают значения 2 ^ i ^ п -(- Ц 2 ^ k ^ п + 1 (индекс k соответствует точкам х0, i — точ кам Xi). Выражая Ak,i и Ви через соответствующие угловые коэффициенты и параметры конуса а и 0, можно получить аЭф.

На рис. 6.13 приведено полученное в [200] распределение аэф(х) вдоль х я z для различных значений R\/R2 при 0 = 15°, cico = cii, = 0,5. Пунктирной линией показаны две функции:

а Э ф(х) и аЭф(г) д л я a L = 0,5 и а ь = 0,1 (верхняя и нижняя кривые) при R\IR2 = 7г- Видно, что влияние коэффициента отражения входной диафрагмы в области, которую может визировать приемник, незначительно, так как падающее на диафрагму излучение переотражается в глубь конуса и приво дит к эффектам второго порядка малости. Значительно силь нее на черноту влияет уменьшение радиуса входной диа фрагмы R\. В области х 0,5/, аЭф(х) резко падает. Отсюда следует, что в целях увеличения черноты полости желательно ее сильно диафрагмировать. Из графиков видно, что чернота возрастает в области соединения диафрагмы с основанием, однако эта область не визируется.

Выше мы рассмотрели методы расчета локального эффек тивного коэффициента поглощения конической полости. Однако реально полость облучается пучком, имеющим конечный диа : метр и угол расходимости, следовательно, необходимо уметь определять коэффициент поглощения полости для такого слу чая, т. е. коэффициент а с, просуммированный по отверстию и углам входа лучей.

Пусть на расстоянии Я от отверстия полости приемника находится круглый источник радиусом Ro, который облучает часть полости от вершины до точки хс на стенке.

Рис. 6.13. Зависимость эффективного локального коэффициента поглощения конической полости от диаметра входной диафрагмы при 6=15°, aco=ai, = 0,5.

Интегральный коэффициент поглощения полости а° опреде ляется как [200] x dF I «эф i ) L + HlX c a=. (6.37) л с J dFL + HlX Знаменатель представляет собой угловой коэффициент между источником и приемником, полость которого можно заменить черным диском, помещенным в точке хс (в [200] рассматри 13* вается эквивалентная обратная задача — АЧТ облучает плос кий детектор). Для а с можно получить также уравнение со а ° = Y j ~2 (*г-и) + 4 ( * i ) ] ( F L + H l X. + 1 — F L + H ^. ), i= г д е XOJ+I = А'с.

Рис. 6.14. Интегральный коэффициент поглощения конической пол'ости как функция половинного угла 0 в зависимости от расстояния до излучателя H/R2=Q, 1, 5, 50, 500 при аа, = а ь = 0,9;

R0=Ri.

a) R,lR2=%;

6) R,IR2= 1.

При наличии входной диафрагмы в конусе х с выбирается из условия визирования через эту диафрагму плоского излу чателя полостным приемником. Область полутени также будет входить в интеграл (6.37). При # - - 0, R0-^-Ri это будет вно сить погрешность. Однако для большинства практических случаев ошибка мала. Если #—-0, Ro-~Ri, xc = L, то а° равно полусферическому коэффициенту поглощения а н. Если же Я большое ( Я ^ 5007?2) и R ^ Rь то а с равно нормальному коэффициенту поглощения а п.

На рис. 6.14 приведены примеры расчета а с для конической полости с диафрагмой при AA=AL=0,9, и RI=R2 Ri=R2[ : как функции при различных значениях H/R2. Из графика видно, что величина а с значительно меняется при изменении H/R2, следовательно, условия облучения приемника могут сущест венно влиять на его коэффициент черноты. При Н о о а п для конуса определяется из простого уравнения L ап = «эф (•*) x,-dx, (6.38) т. е. а п получается усреднением в параллельных лучах проек ций элементов полости на выходное отверстие. Аналогично можно получить соотношение между ап и ah для. диффузной к о н и ч е с к о й полости:



Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 | 7 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.