Модель абсолютно черного тела

МОДЕЛЬ АБСОЛЮТНО ЧЕРНОГО ТЕЛА, содержащая графитовый излучатель в виде цилиндрической полости, водоохлаждаемые токоподводы, находящиеся в контакте с торцами графитового излучателя, систему обеспечения рабочего давления защитного газа в цилиндрической полости, отличающаяся тем, что, с целью повышения рабочих температур путем снижения скорости сублимации графитового излучателя, увеличения точности воспроизведения температур путем выравнивания температуры вдоль цилиндрической полости, а также снижения потребляемой мощности путем уменьшения габаритов графитового излучателя, цилиндрическая полость выполнена из анизотропного графита, например пирографита, слои которого концентричны относительно оси полости, а между торцами цилиндрической полости и токоподводами дополнительно установлены наборы шайб из анизотропного графита, удельное тепловое сопротивление которых превышает удельное тепловое сопротивление цилиндрической полости вдоль ее образующей, а общее тепловое сопротивление набора шайб выбрано из условия компенсации перепада температур вдоль цилиндрической полости, система обеспечения рабочего давления выбрана с диапазоном давлений 0,1 - 10,0 МПа.

Изобретение относится к инфракрасным тепловым излучателям типа черного тела.
Целью изобретения является повышение рабочих температур излучателя и точности воспроизведения температур и снижение потребляемой мощности.
Модель абсолютно черного тела состоит из графитового излучателя в виде цилиндрической полости, набора шайб, находящихся в тепловом контакте с торцами графитового излучателя, водоохлаждаемых токоподводов, системы обеспечения рабочего давления защитного газа в цилиндрической полости.
Цилиндрическая полость образована анизотропным графитом, слои которого концентричны оси цилиндрической полости. Существенно расширен диапазон давлений до 0,1-10 мПа. Набор шайб создает дополнительное тепловое сопротивление, способствующее выравниванию температур вдоль цилиндрической полости.
Цилиндрическая полость отличается высокой изотермичностью при малых габаритах. Температура полости выравнивается за счет высокой теплопроводности (300 Вт/м К) анизотропного графита (пирографита) в направлении, параллельном оси полости, и за счет высокого теплового сопротивления между торцами полости и токоподводами, которое создают шайбы из анизотропного графита (пирографита), слои которого перпендикулярны оси полости (теплопроводность в этом направлении 2 Вт/м К). Выравниванию температуры полости способствует и более высокое удельное электросопротивление шайб в направлении оси полости. Шайбы в этом случае выступают в роли дополнительного источника тепла, который компенсирует теплопотери на токоподводах. Невысокая теплопроводность материала полости в радиальном направлении (2 Вт/м К) способствует возникновению значительных перепадов температур по толщине стенки. Это не влияет на изотермичность внутри полости, однако улучшает точность визирования пирометрического отверстия в боковой стенке полости, что способствует повышению точности измерения потока излучения.
В отличие от других углеродных материалов пирографиту свойственна высокая однородность кристаллической структуры, что исключает возможность локальных перегревов и локальных разрушений материала полости. Это свойство пирографита, а также меньшая, чем у других углеродных материалов, скорость испарения способствуют долговечности излучающей полости и позволяют поднять рабочие температуры практически на 1000 К по сравнению с достигнутой в известных излучателях. При температурах выше 3000 К нагрев излучающей полости осуществляют в среде защитного газа под давлением до 10 мПа. При повышенных давлениях снижается скорость сублимации углерода, что положительно сказывается на долговечности излучающей полости и сводит к минимуму поглощение излучения парами углерода. Минимальное давление защитного газа, равное 0,1 мПа, обусловлено тем, что при температурах полости ниже 3000 К давление пара углерода не превышает 10³ Па и защитный газ даже при таких небольших давлениях в несколько раз снижает скорость сублимации углерода. При повышении рабочих температур полости выше 3000 К давление пара углерода экспоненциально увеличивается с температурой и для активного снижения скорости сублимации углерода требуются более высокие давления. При температуре вблизи 4000 К, как установлено на практике, требуются давления защитного газа порядка 10 мПа. Дальнейшее повышение давления лишь незначительно снижает скорость сублимации углерода, однако сопряжено с дополнительными трудностями создания таких высоких давлений и приводит к снижению эффективности теплоизоляции, т. е. к увеличению тепловых потерь.
Шайбы из пиролитического графита, размещенные между торцами полости и токоподводами, благодаря малой теплопроводности в осевом относительно полости направлении являются эффективными тепловыми сопротивлениями тепловому потоку к токоподводам и позволяют снизить потpебляемую мощность по сpавнению с известными излучателями на 20-40% .
Пример реализации на лабораторной установке. Излучающая полость была изготовлена из пирографитовой тpубки диаметром 8 мм, длиной 50 мм и толщиной стенок 0,9 мм. Между торцами полости и водоохлаждаемыми медными токоподводами помещали шайбы из пирографита толщиной до 1 мм. Теплоизоляция полости была выполнена в виде 20 слоев углеродной ткани, расположенных концентрично полости по всей ее длине. Распределение температур по длине полости определяли через 4 пирометрические отверстия, расположенные в 3-5 мм от каждого из торцов полости, и в точках, удаленных от торца полости на расстояния 10 и 25 мм. Температура измеряется с помощью эталонного оптического пирометра ЭОП-66. Нагрев полости проводится в атмосфере защитного газа (аргона или гелия) при его давлении от 0,1 до 10 мПа. При температуре полости 3960 К потребляемая мощность составляет 2,9 кВт, ресурс полости - 23 ч. При температуре 2800 К потребляемая мощность составила 1,54 кВт, после 73 ч работы излучающая полость не претерпевает видимых изменений, т. е. ресурс может составить более 100 ч.
Температуры, измеренные в 4 указанных точках, имеют максимальное расхождение, не превышающее 22 К, при температуре в центре, равной 3960 К. При более низких температурах перепады еще ниже, что соответствует во всех случаях степени черноты полости не менее 0,999, т. е. реализуется модель АЧТ высокого качества. (56) Котюк А. Ф. и др. Высокотемпературная модель АЧТ для энергетической фотометрии. Измерительная техника, N 2, 1976, с. 63-65.
Бураковский Т. и др. Инфракрасные излучатели. ; Л. : Энергия, 1978, с. 73.