Спектральная пирометрия Магунов. Оглавлениепредисловие Глава Задачи, методы и проблемы оптической пирометрии
 Скачать 4.34 Mb.
|
|
ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. Глава Задачи, методы и проблемы оптической пирометрии . .. . 7 1.1. Измерение температуры . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 7 1.2. Термометрия по тепловому излучению . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 9 1.3. Проблемы оптической пирометрии . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 16 1.4. Постановка задачи . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. Глава Измерение температуры по непрерывному тепловому спектру . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 31 2.1. Метод измерений . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 31 2.2. Регистрация и обработка спектра . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 39 2.3. Схема спектрального пирометра . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 42 2.4. Калибровка спектрометра . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 44 2.5. Диапазон измеряемых температур. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 46 2.6. Пространственная разрешающая способность и быстродействие пирометрии. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 49 2.7. Измерение нестационарной температуры . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 51 2.8. Ошибки спектральной пирометрии . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. Глава Влияние спектральной зависимости излучательной способности на результат измерения . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 63 3.1. Проблема серых излучателей . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 64 3.2. Признаки селективной зависимости) в спектре излучения . .. .. . 65 3.3. Селективно поглощающий объект как серый излучатель . .. .. .. .. .. . 68 3.4. Спектр излучения нагретого вольфрама . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 78 3.5. Ширина спектрального интервала . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 79 3.6. Заключение . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. Глава Спектральная пирометрия конденсированных сред . .. .. .. . 82 4.1. Статическое и динамическое сжатие вещества . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 82 4.2. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез . .. .. .. .. .. .. . 98 Оглавление. Оптический пробой диэлектриков . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 102 4.4. Взаимодействие плазмы, пламени и пучков с твердым телом . .. .. .. . 108 4.5. Нестационарная температура при лазерном нагревании твердых тел 116 4.6. Механизмы температурного свечения прозрачных материалов . .. .. . 118 4.7. Аномалии теплового излучения твердых тел. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . Глава Пирометрия микро- и наночастиц . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 125 5.1. Малые частицы . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 125 5.2. Спектральная пирометрия микрочастиц . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 127 5.3. Спектральная пирометрия наночастиц . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . Глава Пирометрия пламени, взрывов и плазмы . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 149 6.1. Газовое пламя . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 149 6.2. Взрывы и ударные волны . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 154 6.3. Газоразрядная плазма . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 158 6.4. Сонолюминесценция. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . Глава Пространственная и временная неоднородностьтемпера- туры . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 174 7.1. Общая характеристика температурных неоднородностей . .. .. .. .. .. .. . 174 7.2. Усреднение спектров и температур в области визирования . .. .. .. .. . 176 7.2.1. Горячее пятно на поверхности (176). 7.2.2. Постоянный градиент температуры по поверхности (182). 7.2.3. Гауссово распределение температуры (185). 7.3. Градиент температуры вдоль луча зрения. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 187 7.4. Изменение температуры во времени . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 190 7.5. Экспериментальные спектры и температуры . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 191 7.6. Возможность измерения характерных температур объекта . .. .. .. .. . Глава Наложение и искажение спектров . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 202 8.1. Интегральные спектры . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 202 8.2. Атомарные линии на фоне непрерывного спектра . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 205 8.3. Молекулярные полосы на фоне непрерывного спектра . .. .. .. .. .. .. .. . 211 8.4. Наложение непрерывных спектров . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 216 8.5. Влияние спектров пропускания оптических окон и среды . .. .. .. .. .. . Заключение . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . Список литературы . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 232 ПРЕДИСЛОВИЕ В книге рассматривается новое экспериментальное направление оптической пирометрии. Для определения температуры регистрируется широкий спектр излучения объекта. Такой способ позволяет исключить из рассмотрения участки спектра, содержащие атомарные линии и молекулярные полосы. Если зарегистрированный спектр излучения хотя бы на некоторых участках подобен спектру излучения черного тела, температура определяется как параметр наблюдаемого распределения, без привлечения гипотез или экспериментальных данных о коэффициенте излучения. Если зарегистрирован широкий спектр, включая и коротковолновую область, ион спрямляется в координатах Вина значит, объект представляет собой серый излучатель, и его температура определяется наклоном прямой. Если спектр в широком диапазоне не спрямляется, температуру следует определять по коротковолновому краю, где любой объект излучает как серое тело. Исследования по спектральной пирометрии выполнены специалистами ряда областей — геофизики и физики высоких давлений, физики горения и взрыва, лазерной физики, физики плазмы, микро- и на- нотехнологии. Изучение возможностей и ограничений нового метода, проводимое в этих областях, обеспечивается большим набором исследуемых объектов, широким диапазоном экспериментальных условий и разнообразием препятствий. Книга написана с целью систематизации опыта, накопленного при измерениях температур в сложных условиях, обсуждения основных результатов и нерешенных проблем спектральной пирометрии. В главе 1 дано введение в проблему температурных измерений, особенностей и проблем оптической пирометрии. Глава 2 посвящена описанию метода спектральной пирометрии и его измерительных характеристик. В главе 3 рассматривается влияние селективной излучательной способности на точность измерения. В главах 4–6 обсуждаются результаты спектральной пирометрии конденсированных сред, плазмы, пламени взрывов, микро- и наночастиц. В главе 7 рассмотрено влияние неоднородной температуры в области визирования на результат измерения. В главе 8 приведены результаты, полученные разделением интегральных спектров на составляющие, обусловленные действием разных механизмов, обсуждается искажение спектра оптическими элементами и газовой средой 6 Предисловие Книга адресована специалистам в области термометрии, газодинамики, физики горения и взрыва, физики и технологии лазерных, плазменных и радиационных воздействий на материалы, высокотемпературного синтеза новых материалов. Свои статьи и обзоры по температурным измерениям прислали, В. А. Карачинов, A. Kavner, H. Kim, E. H. Kisi, W. M. Kriven, P. Loubeyre, F. Meriaudeau, Л. М. Плясова, НИ. Полетаев, B. C. Regan, M. Shpak, E. Sterer, E. Stoffels, R. Teghil, M. Thumm, D. R. Результаты, приведенные в этих публикациях, использованы при написании книги. Автор благодарен коллегам за внимание. Автор признателен сотрудникам отдела физики плазмы Института общей физики РАНГ. М. Батанову, Н. К. Бережецкой, СИ. Гри- цинину, В. А. Копьеву, И. А. Коссому — вместе с которыми были проведены работы по спектральной пирометрии эрозионной плазмы СВЧ-разрядов на поверхности, твердых тел в плазме, продуктов экзотермических реакций самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в порошковых смесях. Автор благодарен НИ. Тимченко за разработку программного обеспечения спектральной пирометрии и сотрудникам отдела лазерных технологий НИИ перспективных материалов и технологий АО. Захарову и Б. А. Лапшинову, вместе с которыми проводились измерения температуры при лазерном нагревании полупроводников и металлов, лазерном инициировании химических реакций в порошковых смесях. Написанию книги способствовал интерес С. Ю. Шахбазова (НИИ ПМТ) к методу спектральной пирометрии и его приложениям. Я благодарен моей жене Полине Буняковской за постоянную поддержку в работе над книгой и за первое критическое прочтение главы АН. Магунов Глава ЗАДАЧИ, МЕТОДЫ И ПРОБЛЕМЫ ОПТИЧЕСКОЙ ПИРОМЕТРИИ В условиях термодинамического равновесия температура характеризует среднюю кинетическую энергию одной частицы (E = 1,5kT и распределение по энергии в системе частиц (распределение Максвелла Больцмана — для классических систем, распределение Ферми– Дирака и Бозе–Эйнштейна — для квантовых систем). Температура определяет скорости элементарных процессов в конденсированных средах, газах, пламенах и газоразрядной плазме. Стем- пературой изменяются коэффициенты диффузии частиц, скорости химических реакций, характерные частоты ионизации, диссоциации, заселения возбужденных уровней. Электрофизические, теплофизические, оптические и магнитные свойства веществ зависят от температуры. Измерение температуры Термометрия, или измерение температуры, является наиболее распространенным видом измерения в естественных науках, технике и технологии. В настоящее время известно около ста методов измерения температуры, из которых широко применяется лишь небольшая часть. Действие различных устройств для определения температуры (термометров) основано на измерении физических величин, зависящих от температуры. Традиционными средствами измерения являются жидкостные термометры, термопары и термосопротивления, оптические пирометры Контактный термометр всегда измеряет свою собственную температуру, которая, при выполнении ряда условий, достаточно точно совпадает с температурой исследуемого объекта в области контакта. Контактные термометры являются распространенными в интервале температур от криогенных до 1000–1500 К. Во многих случаях они не обеспечивают необходимой производительности измерений, пространственного разрешения, быстродействия и, кроме того, неприменимы при высоких температурах. Бесконтактные пассивные методы, включающие регистрацию собственного теплового излучения объекта, по мере развития элементной базы (фотоприемники, оптика, микропроцессоры), приобретают все большее значение Гл. 1. Задачи, методы и проблемы оптической пирометрии Несмотря на многочисленные разработанные методы и большой опыт, накопленный исследователями, температурные измерения часто сталкиваются с серьезными, иногда непреодолимыми, трудностями. Результат измерения температуры зависит оттого, насколько изучены и понятны температурные зависимости физических величин, измеряемых в эксперименте, ив какой степени можно контролировать условия измерений. В сложных условиях погрешность определения температуры вначале может достигать 300 %, при этом крайние значения доверительного интервала отличаются на порядок (в этих случаях говорят, что измерение проведено с точностью до порядка величины; утверждение, что температура объекта порядка 3000 К означает, что она, скорее всего, лежит в интервале от 1000 до 10000 КВ некоторых случаях возможность даже грубой экспериментальной оценки температуры является неочевидной, не всегда понятны свойства объекта, модель измерения и источники ошибок. При измерении температуры таких объектов, как плазма и сходящиеся ударные волны, возникали ошибки враз (всегда в сторону завышения по отношению к действительной температуре. Изучение свойств этих объектов позволяло со временем выявить ошибки ив результате ряда измерительных и вычислительных итераций, достигнуть необходимой, достаточно высокой точности. Температура твердых тел в исследованиях и технологии изменяется в сравнительно узком интервале, от 100–300 К до температуры плавления К, поэтому здесь невозможно ошибиться на порядки величины, и очень большие ошибки быстро выявляются. Но ошибки в 1,3–1,5 раза при измерениях в сложных условиях являются распространенными, при этом результаты выглядят правдоподобно и не всегда вступают в явное противоречие с другими данными. На обнаружение и устранение таких ошибок требуется длительное время и многочисленные эксперименты. В области современных высокотемпературных технологий (радиационных, лазерных, плазменных, микроволновых, где температура является критическим параметром большинства процессов, термометрия в настоящее время развита недостаточно. В литературе отсутствуют обзоры, где анализируются результаты экспериментов по влиянию температуры на свойства и скорости процессов при синтезе или обработке материалов. Для написания обзоров нет достаточного количества достоверных экспериментальных данных. Требуются новые методы термометрии, чтобы преодолеть ограниченные возможности традиционных методов, как контактных, таки бесконтактных. Ряд ошибок при измерении температуры твердых тел и газа в низкотемпературной плазме методами контактной и бесконтактной термометрии при проведении процессов осаждения пленок и травления микроструктур рассмотрен в [1.5]. Особенностью 1.2. Термометрия по тепловому излучению 9 всех новых технологий является то, что использование самых точных приборов при измерении температуры не позволяет избегать методических ошибок, превышающих погрешность измерительного прибора на несколько порядков. Причины ошибок связаны, как правило, нес характеристиками приборов, ас недостаточной изученностью условий измерения и свойств объектов. Успех измерения температуры иногда определяется возможностью создания нового измерительного метода, поэтому составной частью научных исследований на протяжении многих десятилетий является разработка новых методов измерения. За последние 50 лет разработаны и широко применяются методы термометрии, основанные на новых принципах. В активных методах проводится лазерное [1.6–1.8], электронно-пучковое [1.9, 1.10], нейтронное [1.11, 1.12], рентгеновское или ультразвуковое [1.15] зондирование исследуемого объекта, при этом сам объект является термочувствительным элементом, показания которого считываются зондирующим излучением или частицами. Методы создаются для термометрии новых объектов или известных объектов в новых условиях. Термометрия по тепловому излучению Широко распространенным методом измерения температур является радиационная термометрия, основанная на регистрации теплового излучения нагретых объектов. Высокие температуры можно измерять по оптическому излучению, используя свойства функции Планка, описывающей тепловой (температурный) спектр абсолютно черного тела. Универсальность метода проявляется в том, что возможность измерения температуры не зависит от фазового состояния вещества и его химического состава, от формы объекта и расстояния до него. Спектральная интенсивность (Вт/(см 2 · мкм) теплового излучения черного тела описывается формулой Планка = C 1 λ −5 exp (C 2 /λT ) − где 37418 Вт · мкм 4 /см 2 , C 2 = 14388 мкм · К, λ — длина волны (в микрометрах). На рис. 1.1 показаны спектры теплового излучения при температурах черного тела от 500 до 8000 К. Определение температуры по тепловому излучению чаще всего проводят в инфракрасном диапазоне на длинах волн 8–14 мкм и 3–5 мкм (в окнах прозрачности атмосферы), а также в области видимого света на длине волны 0,65 мкм, иногда используется дополнительная длина волны (например, 0,55 или 0,48 мкм, этот выбор зависит от особенностей объекта. Наиболее существенные Гл. 1. Задачи, методы и проблемы оптической пирометрии Рис. 1.1. Спектры теплового излучения черного тела при температурах 500, 1000, 2000, 4000 и 8000 К (снизу вверх. На оси абсцисс отмечены спектральные интервалы, которые чаще всего используются для измерения температуры в оптической пирометрии изменения интенсивности излучения с температурой происходят, как видно на рисунке, в коротковолновой области спектра. Максимум спектральной интенсивности находится на длине волны λ max (мкм) = 2898 /T К) (это соотношение называется законом смещения Вина. При увеличении температуры до 10 К максимум сдвигается в ближний ультрафиолетовый диапазон, при 10 К максимум находится в рентгеновском диапазоне (известна двойная звезда, спектр рентгеновского излучения которой подобен планковскому с температурой КВ случае, когда измеряется не спектральная интенсивность, а число квантов, испускаемое нагретой поверхностью единичной площади за единицу времени в единичном интервале спектра (квант/(см 2 · с · мкм)), максимуму потока квантов соответствует длина волны λ max (мкм) ≈ ≈ 3670/T (К). Излучательная способность. Спектры теплового излучения реальных объектов отличаются от спектра излучения черного тела, эти отличия описываются вспомогательной функцией 0 ε(λ, T ) 1, зависящей, в общем случае, от длины волны и температуры и называемой коэффициентом излучения (или излучательной способностью, или коэффициентом черноты. В некоторых случаях зависимость, T удается рассчитать, но чаще ее измеряют экспериментально, при этом для измерения коэффициента излучения требуется независимый метод измерения температуры объекта. Экспериментальные данные по коэффициентам излучения некоторых материалов содержатся в справочниках. Термометрия по тепловому излучению 11 В оптической пирометрии измерения интенсивности излучения проводят обычно на одной ( λ 1 ) или двух (и) длинах волн [1.3, 1.4, 1.20, Яркостная пирометрия. Яркостная пирометрия основана на том, что интенсивность излучения черного тела на выбранной длине волны определяется только температурой. Метод состоит в измерении интенсивности излучения водном узком спектральном интервале, практически на одной длине волны λ 1 . Для черного тела через полученную точку) проходит только одна планковская кривая. Для определения температуры нечерного тела необходимо знать коэффициент излучения на выбранной длине волны ε(λ 1 ). В области Вина связь между истинной температурой и яркостной температурой T r излучающего объекта дается выражением = 1 T r + λ 1 C 2 ln Второе слагаемое в скобках всегда принимает неположительные значения, поэтому На рис. 1.2 показано, каким образом проводится определение температуры. Измеренная интенсивность излучения объекта на длине волны нм определяет нижнее значение температуры, в данном Рис. 1.2. Определение температуры методом яркостной пирометрии. Измеренная интенсивность (обозначена звездочкой) на длине волны 0,65 мкм соответствует температуре черного тела = 1420 К. Если тепловой излучатель не является черным, его температура выше и может составлять 1500 К (при ε = 0,44), 1600 К (при ε = 0,17) и т. д. случае T = 1420 К (эта температура называется яркостной, которому соответствует максимальное значение излучательной способности = 1. Если ε < 1, действительная температура объекта выше получаем = 1500 К при ε = 0,44, T = 1600 К при ε = 0,17, T = 1700 К при = 0,08, T ≈ 2000 К при ε = 0,01. Таким образом, в отсутствие данных Гл. 1. Задачи, методы и проблемы оптической пирометрии по излучательной способности объекта неопределенность температуры может достигать десятков процентов, при этом всегда выполняется условие В яркостной пирометрии влияние неопределенности коэффициента излучения Δ ε на результат измерения температуры существенно различается для двух областей планковской кривой. В области Вина, те. на коротких длинах волн ( C 2 /λT 1) выполняется условие в длинноволновой области Рэлея–Джин- са ( C 2 /λT 1) выполняется Δε/ε = ΔT/T. Это означает, что относительная неопределенность коэффициента излучения Δ ε/ε приводит к такой же относительной неопределенности искомой температуры в области Рэлея–Джинса и к существенно меньшей (враз) неопределенности температуры в области Вина. Таким образом, в отсутствие точных данных по коэффициентам излучения измерения лучше проводить в виновской области теплового спектра. Например, при температуре объекта = 4000 К неопределенность Δε/ε = приводит к неопределенности Δ T/T = 0,1 на длине волны λ = 10 мкм = 0,36) и к неопределенности ΔT/T = 0,006 на длине волны = 200 нм (C 2 /λT = 18). Однако, использование УФ-диапазона для пирометрии в области не слишком высоких температур возможно лишь в случае, когда применяется фотоприемник с накоплением сигнала, регистрирующий не фототока полное число фотоэлектронов за время экспозиции. |