[论文解读] Device for measurement of thermal emissivity at cryogenic temperatures

Tomáš Králı́k, P. Hanzelka+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 4, 2016

Heat Transfer and Optimization参考文献 5被引用 7

一句话总结

本论文提出了一种紧凑型装置，直径50 mm，用于在低温环境（25–150 K）下测量材料的热发射率，采用基于加热器的替代法来等效辐射传热。该装置实现了1 mK的温度分辨率和0.1 µW的功率分辨率，可实现对各种表面处理在集成至低温系统前的快速、原位发射率及其温度依赖性评估。

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.

研究动机与目标

• 开发一种可靠且快速测量材料在低温环境下热发射率的方法。
• 实现在集成至低温系统前对表面处理进行原位测试。
• 实现温度（1 mK）和热功率（0.1 µW）测量的高灵敏度。
• 设计一种紧凑型设备，使用标准杜瓦瓶进行冷却，具备商业兼容性。

提出的方法

• 该装置利用加热器替代两块平行表面之间的辐射传热，通过热输出校准实现发射率测量。
• 将一个直径40 mm、厚1 mm的圆形样品板安装，使其一侧暴露用于测试。
• 液氦（LHe）将吸收表面冷却至5–10 K，从而建立稳定的低温环境。
• 温度和热功率均以高精度测量：温度分辨率为1 mK，功率分辨率为0.1 µW。
• 该装置设计为可适配标准商用杜瓦瓶，确保兼容性与易用性。
• 通过测量的热输出和已知的表面间温差，推导出发射率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在25 K至150 K的低温范围内，各种表面处理的热发射率是多少？
• RQ2 在低温条件下，基于加热器的替代法能否准确测量发射率？
• RQ3 该装置是否能实现1 mK的温度分辨率和0.1 µW的热功率分辨率，以确保可靠的发射率测量？
• RQ4 在受控低温条件下，材料在25–150 K范围内的发射率如何随温度变化？
• RQ5 该装置能否有效用于在低温系统部署前对材料进行快速、原位测试？

主要发现

• 该装置可实现25–150 K温度范围内热发射率的快速、可重复测量。
• 其温度分辨率达到1 mK，热功率分辨率为0.1 µW，满足高精度测量要求。
• 当使用液氦冷却时，吸收表面温度可降至5–10 K，确保了稳定的低温环境。
• 可在使用前立即测量发射率及其温度依赖性，支持实时材料验证。
• 50 mm直径的紧凑设计与标准商用杜瓦瓶兼容，提升了实际部署的可行性。
• 该方法可在相同低温条件下直接比较不同表面处理的发射率。