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Taylor and Francis Group, Journal of Modern Optics, 17(57), p. 1648-1660

DOI: 10.1080/09500340.2010.514363

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Wideband filter radiometers for blackbody temperature measurements

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Abstract

The use of high-temperature blackbody (HTBB) radiators to realize primary spectral irradiance scales requires that the operating temperature of the HTBB be accurately determined. We have developed five filter radiometers (FRs) to measure the temperature of the National Research Council of Canada's HTBB. The FRs are designed to minimize sensitivity to ambient temperature fluctuations. They incorporate air-spaced colored glass filters and a Si photodiode detector that are housed in a cell whose temperature is controlled to ±0.1°C by means of annular thermoelectric elements at the front and rear of the cell. These wideband filter radiometers operate in four different wavelength bands. The spectral responsivity measurements were performed in an underfill geometry for a power-mode calibration that is traceable to NRC's cryogenic radiometer. The spectral temperature sensitivity of each of these FRs has been measured. The apertures for these FRs were cold-formed by swaging machine-cut apertures onto precision dowel pins. A description of the filter radiometer design, fabrication and testing, together with a detailed uncertainty analysis, is presented. We derive the equations that relate the spectral irradiance measured by the FRs to the spectral radiance and temperature of the HTBB, and deal specifically with the change of index of refraction over the path of the radiation from the interior of the HTBB to the FRs. We believe these equations are more accurate than recently published derivations. Our measurements of the operating temperature of our HTBB working at temperatures near 2500 K, 2700 K and 2900 K, together with measurements using a pyrometer, show agreement between the five filter radiometers and with the pyrometer to within the estimated uncertainties. ; Le recours aux corps noirs (radiateurs) haute température (HT) afin d’établir des échelles d’éclairement énergétique spectral primaires exige que la température de fonctionnement des corps noirs HT soit déterminée avec précision. Nous avons mis au point cinq radiomètres à filtres (RF) pour mesurer la température de corps noirs HT du Conseil national de recherches du Canada. Ces RF sont conçus de manière à minimiser la sensibilité aux fluctuations de la température ambiante. Ils comportent des filtres de verre coloré, séparés par des couches d’air et un détecteur à photodiode Si, qui sont logés dans une cellule dont la température est stabilisée à ±0,1 °C au moyen d’éléments thermoélectriques annulaires placés devant et derrière la cellule. Ces radiomètres à filtres large bande fonctionnent dans quatre bandes de fréquences. Des mesures de la sensibilité spectrale ont été effectuées avec une géométrie de sous-remplissage pour un étalonnage en mode de puissance qui est traçable au radiomètre cryogénique du CNRC. La sensibilité à la température spectrale de chacun de ces RF a été mesurée. Les ouvertures de ces RF ont été formées à froid par emboutissage des ouvertures sur des pions de centrage de précision. L’article présente une description de la conception, de la fabrication et des essais des radiomètres à filtres, ainsi qu’une analyse d’incertitude détaillée. Nous calculons les équations qui mettent en relation l’éclairement énergétique spectral mesuré par les RF avec l’éclairement énergétique spectral et la température des corps noirs HT et nous étudions spécifiquement le changement d’indice de réfraction dans le trajet du rayonnement de l’intérieur du corps noir HT jusqu’aux RF. Nous pensons que ces équations sont plus précises que les calculs publiés récemment. Nos mesures de la température de fonctionnement de notre corps noir HT à des températures avoisinant les 2500 K, 2700 K et 2900 K, ainsi que des mesures effectuées avec un pyromètre, montrent que les valeurs obtenues avec les cinq radiomètres à filtres et avec le pyromètre concordent et respectent la gamme d’incertitude estimée. ; peer reviewed: yes ; NRC Pub: yes