GLORIA-BB - zwei Schwarzkörperstrahler zur Kalibrierung eines Infrarot-Interferometers

Radiometrische Influg-Kalibrierung des GLORIA Infrarot-Interferometers

Die Kalibrierung der von GLORIA gemessenen Strahlung der Atmosphäre wird mit einem hochpräzisen Kalibrationssystem bestehend aus zwei Schwarzkörper-strahlern unterschiedlicher Temperatur durchgeführt. Die geforderte radiometrische Genauigkeit liegt bei 1%. Das Kalibrationssystem für GLORIA wurde am Institut für Atmosphären- und Umweltforschung entwickelt, gebaut und für den Einsatz am Flugzeug getestet.

Die optische Fläche eines GLORIA-Schwarzkörperstrahlers hat eine Größe von 125 mm x 125 mm und besteht aus einem draht-erodierten Pyramidenfeld mit 625 Einzelspitzen und zusätzlichen Lichtfallen in der Grundplatte, das über eine Kühleinheit mit 4 mal 2 Peltier-Elementen in der Strahlungstemperatur variiert werden kann. Die Peltier-Elemente sind nach der zur Verfügung stehenden elektrischen Leistung ausgewählt worden. Die Wärmeableitung der Peltier-Elemente erfolgt über massive Kühlkörper mit leistungsoptimierten Lüftern. Die Temperatur wird über 10 kalibrierte Temperaturfühler (Platinwiderstandsthermometer) an ausgewählten Positionen in der Grundplatte des Pyramidenfeldes bestimmt. Sie dienen auch zur Temperatursteuerung der Peltier-Elemente.

Hoher Emissionsgrad und optimiertes Thermalkonzept

Sowohl das Pyramidenfeld als auch die Innenflächen des Gehäuses sind mit dem Schwarzlack NEXTEL-Velvet Coating 811-21 beschichtet, der einen Emissionsgrad von mehr als 0,967 im Wellenlängenbereich von 5 bis 12 μm besitzt. Aufgrund der steilen Flanken der Pyramiden wird der Großteil der einfallenden Strahlung nach hinten reflektiert und so die Absorption erhöht. Für den Strahlungsaustauch des Pyramiden-feldes mit der Apertur-Fläche wurden Geometriefaktoren bestimmt und daraus ein effektiver Emissionsgrad von 0,9996 ermittelt. Die gemessene Unsicherheit der Beschichtung von 1% führt zu einer Unsicherheit im Emissionsgrad von u(ε) = 0,0003.

Das Gehäuse, das die optische Fläche umschließt, ist im vorderen Teil vom Pyramidenfeld thermisch entkoppelt und dient als Streulichtblendensystem. Es wird ebenfalls mit Peltierelementen gekühlt. Das Streulichtblendensystem wird bei einer etwas niedrigeren Temperatur betrieben und dient als Wasserdampffalle, um Kondensation auf der optischen Fläche zu vermeiden. Beide Schwarzkörper sind über eine GFK-Aufhängung mit der Instrumentenstruktur verbunden und mit einer Isolierung aus extrudiertem Polystyrol-Hartschaum versehen.

Zur Charakterisierung der Schwarzkörpereigenschaften wurde ein aufwendiges Messprogramm bei der PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt) in Berlin erstellt.

Anforderungen an die Schwarzkörper

Größe der optischen Fläche = 125 mm x 125 mm
GBB-C Temperatur = Instrumenttemperatur - 10 K
GBB-H Temperatur = Instrumenttemperatur +30 K
Kenntnis der Temperatur < 0.1 K
Emissionsgrad > 99.7 %
GBB Designkonzept
Draht-erodiertes Pyramidenfeld mit Lichtfallen
Optische Fläche mit einem Emissionsgrad von 0.9996