[논문 리뷰] Device for measurement of thermal emissivity at cryogenic temperatures

Tomáš Králı́k, P. Hanzelka외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 10. 04.

Heat Transfer and Optimization참고 문헌 5인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 냉각 온도(25–150 K)에서 재료의 열방출율을 측정하기 위한 컴act한 50 mm 지름의 장치를 제시한다. 이 장치는 복사열 흐름을 등가화하기 위해 히터 기반의 대체 방법을 사용한다. 온도 해상도 1 mK, 전력 해상도 0.1 µW를 달성하여, 냉각 시스템에 통합하기 전에 다양한 표면 처리 방법의 열방출율과 그 온도 의존성을 신속하게 현장에서 평가할 수 있다.

ABSTRACT

In the described device, the thermal emissivity or absorptivity of the sample is measured by substitution of the radiative heat flow between two parallel surfaces by thermal output of a heater. Fast measurements of the mutual emissivity for the range of the temperature of the radiating surface 25 K-150 K are possible. The absorbing surface has a temperature between 5 K and 10 K when LHe is used as cryoliquid. The desired measurement sensitivity is 1 mK for temperature and 0.1 μW for heat power, respectively. The diameter of the whole device is 50 mm and so it is possible to use a commercial dewar can for the cooling. The form of the sample is a round plate 40 mm in diameter and 1 mm in thickness with one tested side. The emissivity and its temperature dependency for various surface treatments can be checked immediately before application in a cryogenic system.

연구 동기 및 목표

• 냉각 온도에서 재료의 열방출율을 측정하기 위한 신뢰성 있고 빠른 방법을 개발하는 것.
• 냉각 시스템에 통합하기 전에 표면 처리를 현장에서 테스트할 수 있도록 하는 것.
• 온도(1 mK) 및 열전력(0.1 µW) 측정에서 높은 민감도를 달성하는 것.
• 표준 듀아르를 사용하여 상용화 가능한 컴팩트한 장치를 설계하는 것.

제안 방법

• 장치는 두 개의 평행한 표면 사이의 복사열 흐름을 등가화하기 위해 히터를 사용하여 열출력 캘리브레이션을 통해 열방출율을 측정한다.
• 원형 시료 플레이트(40 mm 지름, 1 mm 두께)가 한쪽 면이 노출되도록 장착된다.
• 액체 헬륨(LHe)이 흡수 표면을 5–10 K로 냉각시켜 안정된 냉각 환경을 조성한다.
• 온도 및 열전력은 높은 정밀도로 측정된다: 온도는 1 mK, 전력은 0.1 µW이다.
• 장치는 표준 상용 듀아르에 맞게 설계되어 있어 호환성과 사용 편의성을 확보한다.
• 열방출율은 측정된 열출력과 표면 간의 알려진 온도 차이에서 유도된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 25 K에서 150 K 사이의 냉각 온도에서 다양한 표면 처리 방법의 열방출율은 어떻게 되는가?
• RQ2 냉각 조건에서 히터 기반 대체 방법을 사용할 경우 열방출율을 얼마나 정확하게 측정할 수 있는가?
• RQ3 이 장치는 신뢰성 있는 열방출율 측정을 위해 필요한 온도 해상도 1 mK 및 열전력 해상도 0.1 µW를 달성할 수 있는가?
• RQ4 통제된 냉각 조건에서 25–150 K 범위의 온도 변화에 따라 재료의 열방출율은 어떻게 변하는가?
• RQ5 이 장치는 냉각 시스템에 통합하기 전에 재료를 신속하게 현장에서 테스트하는 데 효과적으로 사용될 수 있는가?

주요 결과

• 장치는 25–150 K 온도 범위에서 열방출율을 신속하고 반복 가능한 방식으로 측정할 수 있다.
• 온도 해상도 1 mK 및 열전력 해상도 0.1 µW를 달성하여 고정밀 측정 요구사항을 충족한다.
• 액체 헬륨로 냉각 시 흡수 표면은 5–10 K에 도달하여 안정된 냉각 조건을 보장한다.
• 열방출율과 그 온도 의존성은 사용 전 바로 측정할 수 있어 실시간 재료 검증을 지원한다.
• 50 mm 지름의 컴팩트한 디자인은 표준 상용 듀아르와 호환되어 실용적 구현에 유리하다.
• 이 방법은 동일한 냉각 조건에서 다양한 표면 처리 방법의 열방출율을 직접 비교할 수 있도록 한다.