ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2009, № 4, с. 5-28
УДК 535.233.43/535.321.54/536.52
СПЕКТРАЛЬНАЯ ПИРОМЕТРИЯ
(обзор)
© 2009 г. А. Н. Магунов
НИИ перспективных материалов и технологий Московского государственного института электроники и математики Россия, 115054, Москва, ул. Малая Пионерская, 12 Поступила в редакцию 17.02.2009 г.
В спектрах излучения многих объектов имеются участки, где распределение интенсивности подобно спектру черного тела. Это позволяет определять температуру, регистрируя спектр излучения и сравнивая его с планковским спектром. Экспериментальные или расчетные данные о коэффициенте излучения таких объектов не требуются, так как температура определяется как параметр наблюдаемого распределения. Этим свойством характеризуются спектры излучения газовых и твердофазных пламен, эрозионной плазмы поверхностного разряда, металлов, полупроводников и диэлектриков, микро- и наночастиц, а также гетерогенных сред (порошковых смесей, керамик) при температурах, как меньших температуры плавления, так и превышающих ее. Для регистрации спектров применяются спектрометры с линейками фотоприемников, чувствительных в области длин волн 200-1100 нм. Такие спектрометры позволяют за время ~1 мс записать спектр и определить температуру излучателя в диапазоне 800 K-140 кК. В обзоре обсуждаются особенности метода, примеры его применения, измерительные характеристики, нерешенные проблемы и перспективы.
РАСБ: 44.40.+а, 07.20.Dt
1. ВВЕДЕНИЕ
В последние 15-20 лет оптическая пирометрия получила новые измерительные возможности, связанные с применением малогабаритных дифракционных спектрометров и многоэлементных детекторов излучения (п.з.с.-линеек). Быстрая (0.1-10 мс) регистрация широкого спектра излучения дает возможность в каждом эксперименте сравнивать форму спектров исследуемого объекта и черного тела и находить участки, где эти спектры подобны. Переход от измерения интенсивности на одной или двух длинах волн к измерению на 1000-2000 длин волн позволил определять температуру таких объектов, об излучательной способности которых нет никаких данных.
Появление этой разновидности метода существенно расширяет область применения оптической пирометрии, поскольку в исследованиях часто бывает необходимо измерять температуру в отсутствие каких-либо сведений о коэффициенте излучения объекта.
Вместе с тем возникают вопросы о причинах появления спектров равновесного видимого излучения при нагревании широкозонных диэлектриков (корунда А1203, алмаза и др.) и прозрачной плазмы, частиц субмикронных и нанометровых размеров; о возможности различать тепловые спектры плазмы (планковский и тормозной); об
усреднении спектра в случае пространственно неоднородной температуры; о способах разделения спектров при их наложении.
В обзоре представлено состояние нового направления оптической пирометрии, обозначены проблемы и перспективы, приведены примеры измерений температур в диапазоне 800-50000 К в условиях, когда традиционные методы пирометрии неэффективны.
2. ПРОБЛЕМЫ ОПТИЧЕСКОЙ ПИРОМЕТРИИ
Спектр излучения реальных объектов отличается, как правило, от спектра излучения абсолютно черного тела, отличия между ними учитывают введением дополнительной функции е(^, Т) < 1, называемой коэффициентом излучения [1]. В некоторых случаях зависимость е(^, Т) удается рассчитать, но чаще всего ее измеряют экспериментально, при этом для измерения коэффициента излучения требуется независимый метод измерения температуры объекта.
В оптической пирометрии измерения интенсивности излучения проводят обычно на одной (^0) или двух (^ и ^2) длинах волн [2]. В первом случае необходимо знать коэффициент излучения е(^0), во втором - отношение двух коэффициентов е(^1)/е(^2). Методы пирометрии позволяют
точно измерять температуру объектов, у которых оптические свойства и спектры излучения изучены. В течение десятилетий усилия многих исследовательских групп направлены на определение коэффициентов излучения материалов, наиболее широко применяемых в технологии [35]. Разрабатываются новые методы измерения коэффициентов излучения [6-8].
Однако данные об излучательной способности отсутствуют для значительной части материалов, применяемых в технике и технологии. Обширный класс объектов со сложными и малоизученными оптическими свойствами быстро увеличивается. Невозможно провести систематическое изучение излучательных свойств множества таких объектов, как многокомпонентные смеси, композиционные материалы, тонкопленочные и многослойные структуры, в том числе различные полупроводниковые гетероструктуры, поверхности с гетерогенными свойствами (поверхность интегральной микросхемы состоит из металлических проводников, полупроводниковых элементов и диэлектрической изоляции). При синтезе керамик из порошковых смесей непрерывно изменяются химический состав и микроструктура вещества, происходящая при этом эволюция коэффициента излучения неизвестна. Традиционно трудными для пирометрии являются оптически тонкие объекты, полупрозрачные тела с неоднородной температурой, неплоские тела со сложной геометрией, шероховатые поверхности. Для таких объектов получить достоверные данные о температуре методами одно- или двухволновой пирометрии бывает трудно или невозможно.
Чтобы снизить влияние неопределенности коэффициента излучения, применяется пирометрия на нескольких длинах волн [9-11]. Например, измерив интенсивность излучения на пяти длинах волн и задав спектральную зависимость коэффициента излучения е(А,) в виде полинома 3-й степени, получаем систему из пяти уравнений, в которой число неизвестных (четыре коэффициента в многочлене и искомая температура) равно числу измеренных величин. Основные усилия при этом отводятся решению вспомогательной задачи вычислительного определения е(А,). Создание и усовершенствование пирометрических методов продолжается и в настоящее время [12].
В измерительную процедуру оптической пирометрии обычно не включается проверка гипотезы о соответствии спектра излучения изучаемого объекта спектру черного тела. В ряде случаев (например, в плазменных технологиях) без такой проверки нельзя быть уверенным, что регистрируемое излучение является равновесным и хотя бы приближенно описывается формулой Планка. В средах, где идут химические процессы (горение, экзотермические реакции в смесях твердофазных
реагентов, взрывы), при измерении температуры возникают проблемы, связанные как с неопределенностью коэффициента излучения, так и с присутствием неравновесного излучения, вклад которого необходимо исключать. Почти не проводятся температурные измерения в радиационных технологиях, поскольку в процессе облучения вещества частицами высоких энергий не только изменяются излучательные свойства поверхности, но и возникает интенсивное неравновесное излучение.
Итак, в оптической пирометрии существуют проблемы, ограничивающие область применения этого метода, несмотря на универсальность его физического принципа:
а) для определения температуры необходимо предварительно изучить оптические свойства множества объектов в области тех длин волн, на которых измеряют интенсивность излучения;
б) в эксперименте не регистрируются признаки, указывающие на равновесный характер излучения.
Для увеличения достоверности результатов и расширения области применения пирометрии необходимо:
а) исключить (или существенно снизить) влияние неопределенности коэффициента излучения на результат измерения;
б) непосредственно наблюдать равновесное распределение, параметром которого является искомая температура.
Последнее условие давно и широко применяется в физике газоразрядной плазмы. Известен метод измерения температуры газа в разряде по наблюдаемому распределению интенсивности во вращательной структуре электронных спектров излучения двухатомных молекул [13-15]. В этом случае интенсивность излучения измеряется в достаточно большом числе точек спектра (например, регистрируется интервал спектра шириной 10-20 нм с разрешением 0.01 нм, это соответствует измерению на 1000-2000 длинах волн), что позволяет проверить основную гипотезу метода - наличие равновесного (больцмановского) распределения по энергии в подсистеме вращательных степеней свободы молекул ОН, СК К2, 02 и др. Другой метод предназначен для определения температуры электронов в горячей плазме, он состоит в регистрации и обработке спектра тормозного континуума: спектр излучения плазмы в широком интервале спектра представляют в виде зависимости логарифма интенсивности от частоты, спрямление графика происходит в случае максвелловского распределения электронов по энергиям, наклон прямой линии дает электронную температуру [16]. Разработан ряд методов лазерной спектроскопии плазмы и газов, в которых с помощью внешнего излучения возбуждают люми-
Интенсивность
100 10-3 10-6 10-9 10-12 10-15
10
(a)
/р/ Zw
100
Длина волны, мкм
101
- 2
Интенсивность 106
104
102
100
10-2 1 10-1
(б)
100
Длина волны, мкм
Рис. 1. Интенсивность излучения по моделям Планка (1) и Вина (2) при температуре Т = 2000 К (а) и Т = 20000 К 3 - отношение интенсивностей, вычисленных по этим моделям. Вертикальная линия обозначает длину волны = С2/Т « 7.2 мкм (а) и 0.72 мкм (б).
/р/ ZW
14 12 10 8 6 4 2 101
(б).
X =
несценцию молекул, регистрируют ее спектр и определяют распределение частиц по энергетическим состояниям (параметром распределения является температура) [17].
3. ПИРОМЕТРИЯ ПО СПЕКТРУ ИЗЛУЧЕНИЯ
Для определения температуры используются обычно малогабаритные дифракционные спектрометры с кремниевыми п.з.с.-линейками, диапазон работы которых включает ближнее у.ф.-, видимое и ближнее и.к.-излучение. Такие спектрометры дают возможность быстро регистрировать интенсивность излучения с помощью нескольких сотен или тысяч пикселов, т.е. получать практически непрерывный спектр, ширина которого составляет по порядку величины 1000 нм. Это позволяет в каждом эксперименте проверять подобие регистрируемого и планковского спектров, т.е. находить участки спектра, в которых имеется подобие. Для оптической пирометрии этим нововведением были открыты качественно новые измерительные
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.