CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐÁNH GIÁ ĐẶC TRƢNG NGUỒN GIẢ VẬT ĐEN DỰA TRÊN HỐC DẠNG HÌNH TRỤ - ĐÁY NÓN LÕM CHO HIỆU CHỈNH BẤT ĐỒNG NHẤT ẢNH CỦA
4.2. Nghiên cứu thiết kế hốc phát xạ
4.2.1. Nghiên cứu xác định các tham số thiết kế của hốc phát xạ
4.2.1.4. Xác định các tham số thiết kế của hốc phát xạ
Trên cơ sở những phân tích trên đây, luận án thực hiện lựa chọn các tham số thiết kế cho hốc phát xạ nghiên cứu nhƣ sau:
- Yêu cầu về khẩu độ của hốc phát xạ là 110 mm (Bảng 4.1). Theo nguyên tắc cực tiểu hóa, ta có thể chọn khẩu độ có bán kính r = 55 mm là đủ để thực hiện NUC cho camera có khẩu độ sáng lớn nhất là 110 mm. Tuy nhiên, nếu tính tới tính chất của chùm bức xạ ra luôn có một góc mở nào đó và để đảm bảo các bức xạ lọt vào khẩu độ ống kính camera có hướng song
112
song tương đối nhất, ta nên chọn khẩu độ ra của hốc lớn hơn khẩu độ sáng lớn nhất của camera, hay r > 55 mm. Có thể chọn r = 60 mm, tương ứng với đường kính khẩu độ 120 mm, là tham số thiết kế đầu tiên. Về nguyên tắc, đây là tham số đƣợc tạm lựa chọn, trong quá trình các vòng tối ƣu tiếp theo, nếu tham số này chƣa đạt đƣợc các yêu cầu thiết kế, ta sẽ chọn tiếp một giá trị khác (với gia số r = + 5 mm chẳng hạn) và lặp lại các quá trình tối ƣu tham số cho đến khi yêu cầu thiết kế đƣợc thỏa mãn [107,108].
Bảng 4.5: So sánh hệ số phát xạ hiệu dụng e,n của hốc phát xạ nghiên cứu (trường hợp R/r = 1 và R/r =1,08).
R/ r= 1 R/r = 1,08
= 0,7 = 0,8 =0,9 = 0,7 = 0,8 = 0.9 33 0,990604 0,994932 0,997821 0,991944 0,995708 0,998188 36 0,989531 0,994514 0,99775 0,991034 0,995429 0,998129 39 0,988059 0,993924 0,997624 0,989765 0,994886 0,998056 42 0,985677 0,993105 0,997476 0,987596 0,994092 0,997902 45 0,98343 0,992288 0,9973 0,985221 0,993298 0,997745 48 0,983076 0,992124 0,997256 0,984714 0,993073 0,997679 51 0,984644 0,992568 0,997291 0,986445 0,993568 0,997719 54 0,986176 0,993082 0,997288 0,988018 0,994098 0,997714 57 0,985693 0,992824 0,997199 0,987535 0,993868 0,997646 60 0,983251 0,991908 0,99701 0,985324 0,993069 0,997495 63 0,978767 0,990068 0,996577 0,981429 0,991445 0,997126 66 0,97196 0,986915 0,995757 0,975158 0,98853 0,996375 69 0,963432 0,9829 0,994668 0,967001 0,984696 0,995317 72 0,955481 0,979042 0,993612 0,958702 0,980716 0,994235 75 0,949865 0,976255 0,992796 0,952633 0,977742 0,993418 78 0,940505 0,970032 0,989745 0,947375 0,974163 0,991678 81 0,919066 0,954491 0,981547 0,93159 0,9623 0,985035 84 0,883946 0,928914 0,967522 0,901581 0,939873 0,97265 87 0,839166 0,896413 0,94983 0,856474 0,907062 0,95506 90 0,806275 0,872375 0,937007 0,817543 0,879731 0,940404
- Việc lựa chọn các tham số thiết kế tiếp theo, L và R, sẽ căn cứ trên những cân nhắc giữa hai giá trị tương đối R/r và L/R. Giá trị R nên được chọn sao cho R/r đủ nhỏ để bề ngang của hốc không quá lớn, đồng thời để chiều dài thực tế L của hốc không quá dài. Mặt khác, nên chú ý lựa chọn R/r > 1 (hay là R > r), do cấu hình hốc không có màn chắn thì với các tham số L, R,
113
và bất kỳ ta luôn quan sát thấy e,n(R/r = 1) luôn là nhỏ nhất (Hình 4.2 - 4.4).
Vì r được chọn ở bước trên đây bằng 60 mm, ta chọn R=65 mm, tương ứng với R/r =1,08, thỏa mãn đƣợc các ràng buộc trên đây, đồng thời cũng tạo điều kiện cho việc thiết kế tạo dáng bên ngoài của nguồn giả vật đen đạt những yêu cầu thẩm mỹ tương đối. Bảng 4.5 so sánh các giá trị e,n của hốc có L/R = 3 cho 2 trường hợp R/r =1 và R/r =1,08. Các số liệu tính toán được thực hiện cho hốc có bề mặt = 0,7; 0,8 và 0,9, góc thay đổi từ 33 đến 90. Kết quả trên Bảng 4.5 phù hợp với nhận định rằng sự có mặt của màn chắn (Hình 4.3,4.4,4.6,4.9) làm tăng giá trị của e,n lên đáng kể, nhất là trong khoảng R/r thay đổi từ 1 đến 2. Dựa trên các Hình 4.5 và 4.6, có thể xác định dải giá trị L/R 3 là phù hợp với yêu cầu sử dụng: đối với các hốc có tỷ lệ L/R 3, hệ số phát xạ hiệu dụng của hốc đạt e,n 0,97 cho một dải rộng các giá trị góc và hệ số phát xạ thuần của bề mặt 0,7. Ta chọn tỷ số L/R nhỏ nhất có thể, hay L/R = 3, nhƣ vậy, với R = 65 mm và L/R =3, thì L = 195 mm, đƣợc đánh giá là thỏa mãn yêu cầu về kích thước gọn nhẹ của hốc phát xạ nghiên cứu.
- Để đáp ứng tiêu chí gọn nhẹ, phần đáy nón của hốc phát xạ cần phải đƣợc thiết kế với khối lƣợng (hay thể tích khối hình nón) nhỏ nhất có thể.
Theo kiến thức hình học không gian, ta có thể tích của đáy nón là V =
R3/(3tan), phụ thuộc bán kính trụ R và góc . Trên Hình 4.7 đã mô tả phân bố e,n() cho hốc có các tham số L/R = 3, R/r =1.Trường hợp =0,7, e,n()
0,97 trong dải giá trị 33 65 và đường cong e,n() có hai giá trị cực đại tại = 33 và = 55. Do R đã chọn không đổi, để thể tích của khối hình nón là nhỏ nhất thì phải đƣợc chọn là lớn nhất có thể. Ta chọn = 55 tại cực đại thứ hai của e,n() thỏa mãn yêu cầu trên. Giá trị góc đƣợc chọn tương tự như cấu hình hốc phát xạ được phát triển bởi Palchetti (2008) [89]
và dễ dàng gia công trên thực tế.
- Hình 4.10 mô tả phân bố của hệ số phát xạ hiệu dụng e,n nhƣ là hàm của hệ số phát xạ bề mặt đối với hốc phát xạ có các tham số vừa xác định (r
= 60 mm, R/r =1,08, L/R =3 và =55). Trên Hình 4.10 e,n 0,97 nếu sử dụng vật liệu có hệ số phát xạ bề mặt 0,6. Có rất nhiều vật liệu đáp ứng đƣợc điều kiện này. Tuy nhiên, nếu tính tới điều kiện hốc thực không đẳng nhiệt và các sai số khác trong quá trình chế tạo, ở bước thiết kế hệ thống nên lựa chọn các vật liệu có hệ số phát xạ bề mặt càng cao càng tốt. Trên Hình 4.7
114
ta thấy nếu = 0,9 thì e,n > 0,995 và phân bố e,n () gần nhƣ phẳng trong toàn dải giá trị 33 65. Trên Hình 4.10 cũng quan sát thấy hiện tƣợng tương tự, nếu > 0,9 thì ta luôn có giá trị tính toán e,n > 0,995. Trên cơ sở đó, yêu cầu lựa chọn các vật liệu có hệ số phát xạ thuần > 0,9 nên là ƣu tiên trong thiết kế hốc phát xạ có các tham số đã chọn r=60 mm, R/r =1,08, L/R =3 và = 55.
Hình 4.10: Phân bố e,n nhƣ là hàm của hệ số phát xạ bề mặt (r=60 mm, R/r