JP2006098295A - 放射率測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 装置を測定対象物に当接させるだけの簡便な操作によって放射率を測定できると共に、測定対象物の放射率を精度良く測定することのできる放射率測定装置を提供する。
【解決手段】 本発明の放射率測定装置１０は、赤外光源１１から放射エネルギーを入射させる入射穴１２と、入射穴１２からの入射方向Ｘと対向して配置され、開口周縁部が測定対象物１３に当接される試料用穴１４と、放射エネルギーを検出する検出器１５が配置される検出穴１６とを備える積分球１８と、検出器１５に接続される演算制御手段１９とからなり、検出器１５は、積分球１８により多重散乱した測定対象物１３からの放射エネルギーを検出穴１６を介して検出し、演算制御手段１９において既知の試料の放射率の測定値と比較して、測定対象物１３の放射率を算出する。試料用穴１４の開口周縁部に温度補正用の温度センサーが設けられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、放射率測定装置に関し、特に積分球を用いた放射率測定装置に関する。

宇宙開発、原子力、半導体産業等の技術分野においては、使用する機器や使用部材の熱設計を行うにあたり、放射率を測定することが重要な要素となっている。例えば宇宙船を設計する場合、耐熱材料等によって構成された熱防御システムが用いられており、かかる熱防御システムの設計においては、構成材料の放射率（輻射率）等の物性データを用いて、空力加熱発生時の機体の状態を解析することが重要である。

従来の放射率の測定方法として、放射測定法、反射測定法、熱量測定法等が用いられている。放射測定法は、同一温度及び同一波長において、被検体の表面からの放射エネルギーと、黒体空洞からの放射エネルギーとを夫々測定し、これらの比から放射率を求めるものである。また反射測定法は、特定波長帯における被検体表面の反射と、標準試料表面の反射との比から、放射率を求めるものである。さらに、熱量測定法は、被検体からの熱損失が放射のみによるものとして、半空間に失われる熱量より、全半球放射率を求めるものである。

また、放射率は、特に温度依存性を有していることから、温度変化が激しい環境下で使用される材料の放射率を、様々な温度条件下で測定することを可能にする技術も開発されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−１９４６２９号公報

しかしながら、上記従来の放射率の測定方法は、何れも比較的大掛かりな装置を必要とするため、簡便に放射率を測定できるものではなかった。すなわち、例えば熱量測定法（カロリーメータ法）による放射率の測定方法によれば、精度良く測定対象物の放射率を測定するには、測定対象物に熱源であるヒーターや温度センサーを取り付けて測定する必要があり、予め用意された特定の試料片の放射率を測定する際には有効であるが、例えば大きな測定対象物における任意の測定点で放射率測定を行う場合や、人工衛星や各種の機械に搭載されている部材そのものを破壊せずに放射率測定する場合には、採用することは困難である。また、特許文献１に記載の放射率の測定方法や測定装置によれば、測定対象物を種々の温度条件下や加圧条件下、或いはガスの雰囲気下におくための、加熱装置、冷却装置、加圧装置、減圧装置、ガス供給部等を設ける必要があり、簡便に放射率を測定できるものではなかった。

一方、例えば常温で簡単に測定対象物の放射率を測定できるようにした放射率測定装置として、例えば商品名「ＴＳＳ−５Ｘ」（ジャパンセンサー（株）製）が開発されている。この測定装置は、測定プローブ内に半球面黒体炉及び検出器を備えており、当該測定プローブを測定対象物に当てることで、一定温度に加熱した半球面黒体炉から赤外線を集中照射し、測定対象物からの反射エネルギーを、半球面黒体炉の頂点に設けた小孔から入射させて検出器により検出し、検出した反射エネルギーによる反射率と放射率との関係式から、放射率を演算するようにしたものであるが、このような放射率測定装置によれば、試料からの反射エネルギーだけでなく、直接黒体炉から入ってくるエネルギーと試料自身によるふく射エネルギーとが混在して検出器に入ってくるため、十分な測定精度が得られない。

本発明は、装置を測定対象物に当接させるだけの簡便な操作によって放射率を測定できると共に、測定対象物からの放射エネルギーのみを検出器により効果的に検出できるようにして、測定対象物の放射率を精度良く測定することのできる放射率測定装置を提供することを目的とする。

本発明は、赤外光源から放射エネルギーを入射させる入射穴と、該入射穴からの入射方向と対向して配置され、開口周縁部が測定対象物に当接される試料用穴と、放射エネルギーを検出する検出器が配置される検出穴とを備える積分球と、前記検出器に接続される演算制御手段とからなり、前記検出器は、前記積分球により多重散乱した測定対象物からの放射エネルギーを前記検出穴を介して検出し、前記演算制御手段において既知の試料の放射率の測定値と比較して、測定対象物の放射率を算出する放射率測定装置を提供することにより、上記目的を達成したものである。

また、本発明の放射率測定装置は、前記試料用穴の開口周縁部に温度センサーが設けられていることが好ましい。

さらに、本発明の放射率測定装置は、前記赤外光源と前記入射穴との間に、前記赤外光源からの放射エネルギーを平行光とするミラー又はレンズからなる平行光照射手段を備えていることが好ましい。

さらにまた、本発明の放射率測定装置は、前記赤外光源と前記検出器との間に光学フィルターを有しており、所定の波長範囲に分光した放射エネルギーを前記検出器で検出することが好ましい。

本発明の放射率測定装置によれば、装置を測定対象物に当接させるだけの簡便な操作によって放射率を測定できると共に、測定対象物からの放射エネルギーのみを検出器により効果的に検出できるようにして、測定対象物の放射率を精度良く測定することのできる放射率測定装置を提供することを目的とする。

図１に示す本発明の好ましい一実施形態に係る放射率測定装置１０は、例えば人工衛星や各種の機械の構成部材等を測定対象物として、これらの放射率を、常温で且つ破壊することなく測定する際に用いるものである。

そして、本実施形態の放射率測定装置１０は、赤外光源１１からの放射エネルギーを入射させる入射穴１２と、入射穴１２からの入射方向Ｘと対向して配置され、開口周縁部が測定対象物１３に当接される試料用穴１４と、放射エネルギーを検出する検出器１５が配置される検出穴１６とを備える積分球１７と、検出器１５に接続される演算制御手段１８とからなり、検出器１５は、積分球１７により多重散乱した測定対象物１３からの放射エネルギーを検出穴１６を介して検出し、演算制御手段１８において既知の試料の放射率測定値と比較して、測定対象物１３の放射率を算出するものである。

また、本実施形態によれば、放射率測定装置１０は、試料用穴１４の開口周縁部に温度補正用の温度センサー（図示せず。）を有しており、また赤外光源１１と入射穴１２との間に、赤外光源１１からの放射エネルギーを平行光とする例えば非軸放物面ミラーやレンズからなる平行光照射手段１９を備えている。さらに、本実施形態によれば、放射率測定装置１０は、赤外光源１１と検出器１５との間に光学フィルター（図示せず。）を有しており、所定の波長範囲に分光した放射エネルギーを検出器１５で検出するようになっている。

本実施形態によれば、積分球１７は、例えば測定対象の波長範囲の放射エネルギーを、均等拡散に近く、かつ波長に関し非選択的に反射させる面を内壁面とする中空の球体であり、好ましくは、例えば内壁面に鏡面加工を施したり、拡散反射性白色塗料が塗布されている。また積分球１７は、例えば１〜２０ｍｍの肉厚を有すると共に、その内壁面が例えば径が１５〜１５０ｍｍの球形となっており、手で持って測定対象物１３に押し付ける操作を容易に行うことが可能な大きさとなっている。この積分球１３には、周壁を貫通して、入射穴１２、試料用穴１４、及び検出穴１６が、３箇所に開口して各々形成されている。

入射穴１２は、例えば直径が１〜２０ｍｍの円形開口であって、これの外側には、赤外光源１１として例えばＩＲ光源が配置され、この赤外光源１１から、所定の波長範囲の放射エネルギーを、入射穴１２を経て積分球１７の内部に、試料用穴１４に向けて照射できるようになっている。また、入射穴１２と赤外光源１１との間に介在して設けられた平行光照射手段１９は、赤外光源１１から照射される放射エネルギーを屈折させて平行光とするものである。放射エネルギーを平行光として入射させて試料用穴１４の測定対象物１３に照射させることにより、測定対象物１３からの反射エナルギーが検出器１５に入ることなく、測定対象物からの放射エネルギーを積分球によって多重散乱させたもののみを検出器１５によって効果的に検出することが可能になる。

試料用穴１４は、例えば直径が２〜２２ｍｍの円形開口であって、入射穴１２からの入射方向Ｘと対向して配置されることにより、これの開口周縁部を測定対象物１３の所定の部位に押し付けるようにして当接させた際に、赤外光源１１から入射する放射エネルギーを、当該試料用穴１４を介して測定対象物１３に照射させるようになっている。また、試料用穴１４の開口周縁部には、当該開口周縁部を測定対象物１３に当接させた際に測定対象物１３と接触可能な位置に、熱電対、半導体等からなる温度センサーが取り付けられており、この温度センサーによって、測定対象物１３の測定部位における温度を測定できるようになっている。温度センサーによって測定対象物１３の温度を測定することにより、算出される測定対象物１３の放射率を校正して、放射率の測定精度を向上させることが可能になる。

検出穴１６は、例えば直径が０．１〜１０ｍｍの円形開口であって、赤外光源１１から入射穴１２を介して入射して試料用穴１４の測定対象物１３に照射された放射エネルギーの反射エネルギーによる影響を受けることなく、積分球１７によって多重散乱させた測定対象物１３からの放射
エネルギーのみを効果的に検出することが可能な位置として、例えば入射穴１２と試料用穴１４とを結ぶ線による軸に対して略９０度方向の位置となる領域に配置されて開口形成されている。また、検出穴１６の外側には、積分球１３の周壁に取り付けられて、検出器１５が設けられている。

検出器１５は、例えば積分球１７によって多重散乱された測定対象物１３からの放射線による放射エネルギー（電磁波）を内部に導入するためのレンズ等からなる光学系（図示せず。）と、この光学系の奥側に配置された検出素子（図示せず。）とを備えている。検出素子としては、放射エネルギーを光としてとらえ光電効果により放射エネルギーに応じた電気信号を出力する光電型素子や、放射エネルギーを熱として受けとめ、素子の温度上昇を電気信号に変換する熱型素子が用いられる。光電型素子としては、Si又はGe等が使用され、熱型素子としては、サーモパル又は焦電素子等が用いられる。本実施形態では、好ましくは熱型素子であるサーモパイルが用いられる。

本実施形態によれば、検出器１５の光学系は光学フィルターを含んでおり、これによって積分球１７は、赤外光源１１と検出器１５の検出素子との間に光学フィルターを備えることになる。光学フィルターは、光学系により集光した放射エネルギーから、特定の波長帯の成分のみを抽出して分光するようになっており、これによって抽出された成分のみが検出素子に与えられる。なお、光学フィルターは、赤外光源１１と入射穴１２との間に介在させて、所定の波長範囲に分光した放射エネルギーを測定対象物１３に照射させるようにすることもできる。赤外光源１１と検出器１５との間に光学フィルターを設けたことにより、特定の波長帯における放射率を効果的に測定することが可能になる。

そして、本実施形態によれば、検出器１５は、例えばアンプ２０やＡ／Ｄコンバータ２１等を介してコンピュータ等による演算制御手段１８と接続している。演算制御手段１８は、例えばCRTディスプレイ等の画像表示部２２、CPU２３、RAM２４、RＯM２５の他、ハードディスク、入出力インタフェース、キーボード、マウス等によって構成されている。また演算制御手段１８は、内蔵するハードディスク（図示せず）にコンピュータプログラムがインストールされており、このコンピュータプログラムをCPU２３が実行することにより、検出器１５が検出した放射エネルギーから、測定対象物１３の放射率を算出できるようになっている。

本実施形態の放射率測定装置１０を用いて測定対象物１３の放射エネルギーを測定するには、まず当該測定対象物１３の測定作業に先立って、校正用標準試料として、他の大掛かりな測定装置により放射率及びその温度依存性が予め測定された既知の材料である、例えば高放射率の試料（例えばBlack Kapton：２０℃における放射率ε＝０．８０）と、低放射率の試料（例えばAl蒸着フィルム：２０℃における放射率ε＝０．０５）に対して、本実施形態の放射率測定装置１０を用いて放射率及びその温度依存性を測定すると共に、これらの測定結果を校正した後に、演算制御手段１８のハードディスクに保存しておく。

そして、放射率を測定すべき測定対象物１３として例えば人工衛星の構成部材に積分球１７を押し当てて、試料用穴１４の開口周縁部を当接させた状態で、入射穴１２を介して赤外光源１１から所定の波長範囲の放射エネルギーを入射させて測定対象物１３に照射する。また放射エネルギーが照射された測定対象物１３から放出されて積分球１７で多重散乱された放射エネルギーのみを検出器１５で検出して、この検出された放射エネルギーから、演算制御手段１８において既知の試料の放射率の測定結果と比較しつつ、当該既知の試料の放射率の測定値に基づいて、測定対象物１３の放射率を容易に算出することが可能になる。

したがって、本実施形態の放射率測定装置１０によれば、積分球１７を測定対象物１３に当接させるだけの簡便な操作によって、非破壊で測定対象物１３の放射率を容易に測定できると共に、積分球１７により多重散乱させた測定対象物１３からの放射エネルギーのみを検出器１５により効果的に検出できるようにして、測定対象物１３の放射率を精度良く測定することが可能になる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく種々の変更が可能である。例えば、積分球は、その内壁面が球形であれば良く、その外周形状は、手で持って操作しやすい形状に適宜変更することができる。また、高い測定精度を必要としない場合には、温度センサーや平行光照射手段、或いは光学フィルターを設ける必要は必ずしもない。

以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

入射穴１２、試料用穴１４、及び検出穴１６が形成された、内壁面の球径がφ３０ｍｍの積分球１７を備える上記実施形態と同様の放射率測定装置１０を用い、放射率が既知の試料（ポリイミドフィルム：Upilex-25R 放射率ε＝０．５８、及びHOGS 放射率ε＝０．３３）を測定対象物１３と仮定して、これの放射率を放射率測定装置１０で測定すると共に、その測定精度を評価した。なお、入射穴１２には反射ミラーを備える赤外線光源（５Ｖ、１．４Ａ）１１を取り付けた。検出穴１６には、測定波長範囲０．６〜４２μｍのサーモバイル（温度補償付）を検出素子とする検出器１５を取り付けた。また、入射穴１２から試料用穴１４への入射方向Ｘが、測定対象物１３と垂直な方向から例えばθ＝７度傾くように積分球１７を測定対象物１３に当接させることにより、試料の正反射成分の損失防止を図った。

校正用標準試料として、高放射率の試料（例えばBlack Kapton：２０℃における放射率ε＝０．８０）と、低放射率の試料（例えばAl蒸着フィルム：２０℃における放射率ε＝０．０５）について、それぞれの温度依存性を予め測定し、校正を行った後、測定対象物１３として放射率が既知の試料の放射率を、放射率測定装置１０により測定した。この時の測定精度は、±０．０４だった。

試料用穴１４の開口周縁部に設けた温度センサーを用いて測定された既知の試料の温度による校正を行った結果、測定精度は±０．０１となった。

これらの測定結果から、本実施形態の放射率測定装置１０によれば、簡便な操作によって測定対象物の放射率を精度良く測定できることが判明する。

本発明の一実施形態に係る放射率測定装置の基本構成の説明図である。

符号の説明

１０ 放射率測定装置
１１ 赤外光源
１２ 入射穴
１３ 測定対象物
１４ 試料用穴
１５ 検出器
１６ 検出穴
１７ 積分球
１８ 演算制御手段
１９ 平行光照射手段
２０ アンプ
２１ Ａ／Ｄコンバータ
２２ 画像表示部
２３ CPU
２４ RAM
２５ RＯM
Ｘ 入射方向

Claims (4)

1. 赤外光源から放射エネルギーを入射させる入射穴と、該入射穴からの入射方向と対向して配置され、開口周縁部が測定対象物に当接される試料用穴と、放射エネルギーを検出する検出器が配置される検出穴とを備える積分球と、前記検出器に接続される演算制御手段とからなり、前記検出器は、前記積分球により多重散乱した測定対象物からの放射エネルギーを前記検出穴を介して検出し、前記演算制御手段において既知の試料の放射率の測定値と比較して、測定対象物の放射率を算出する放射率測定装置。
2. 前記試料用穴の開口周縁部に温度センサーが設けられている請求項１に記載の放射率測定装置。
3. 前記赤外光源と前記入射穴との間に、前記赤外光源からの放射エネルギーを平行光とするミラー又はレンズからなる平行光照射手段を備える請求項１又は２に記載の放射率測定装置。
4. 前記赤外光源と前記検出器との間に光学フィルターを有しており、所定の波長範囲に分光した放射エネルギーを前記検出器で検出する請求項１〜３のいずれかに記載の放射率測定装置。
   

Images