Wideband filter radiometers for blackbody temperature measurements

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 \ub10.1\ub0C 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 temp\ue9rature (HT) afin d\u2019\ue9tablir des \ue9chelles d\u2019\ue9clairement \ue9nerg\ue9tique spectral primaires exige que la temp\ue9rature de fonctionnement des corps noirs HT soit d\ue9termin\ue9e avec pr\ue9cision. Nous avons mis au point cinq radiom\ue8tres \ue0 filtres (RF) pour mesurer la temp\ue9rature de corps noirs HT du Conseil national de recherches du Canada. Ces RF sont con\ue7us de mani\ue8re \ue0 minimiser la sensibilit\ue9 aux fluctuations de la temp\ue9rature ambiante. Ils comportent des filtres de verre color\ue9, s\ue9par\ue9s par des couches d\u2019air et un d\ue9tecteur \ue0 photodiode Si, qui sont log\ue9s dans une cellule dont la temp\ue9rature est stabilis\ue9e \ue0 \ub10,1 \ub0C au moyen d\u2019\ue9l\ue9ments thermo\ue9lectriques annulaires plac\ue9s devant et derri\ue8re la cellule. Ces radiom\ue8tres \ue0 filtres large bande fonctionnent dans quatre bandes de fr\ue9quences. Des mesures de la sensibilit\ue9 spectrale ont \ue9t\ue9 effectu\ue9es avec une g\ue9om\ue9trie de sous-remplissage pour un \ue9talonnage en mode de puissance qui est tra\ue7able au radiom\ue8tre cryog\ue9nique du CNRC. La sensibilit\ue9 \ue0 la temp\ue9rature spectrale de chacun de ces RF a \ue9t\ue9 mesur\ue9e. Les ouvertures de ces RF ont \ue9t\ue9 form\ue9es \ue0 froid par emboutissage des ouvertures sur des pions de centrage de pr\ue9cision. L\u2019article pr\ue9sente une description de la conception, de la fabrication et des essais des radiom\ue8tres \ue0 filtres, ainsi qu\u2019une analyse d\u2019incertitude d\ue9taill\ue9e. Nous calculons les \ue9quations qui mettent en relation l\u2019\ue9clairement \ue9nerg\ue9tique spectral mesur\ue9 par les RF avec l\u2019\ue9clairement \ue9nerg\ue9tique spectral et la temp\ue9rature des corps noirs HT et nous \ue9tudions sp\ue9cifiquement le changement d\u2019indice de r\ue9fraction dans le trajet du rayonnement de l\u2019int\ue9rieur du corps noir HT jusqu\u2019aux RF. Nous pensons que ces \ue9quations sont plus pr\ue9cises que les calculs publi\ue9s r\ue9cemment. Nos mesures de la temp\ue9rature de fonctionnement de notre corps noir HT \ue0 des temp\ue9ratures avoisinant les 2500 K, 2700 K et 2900 K, ainsi que des mesures effectu\ue9es avec un pyrom\ue8tre, montrent que les valeurs obtenues avec les cinq radiom\ue8tres \ue0 filtres et avec le pyrom\ue8tre concordent et respectent la gamme d\u2019incertitude estim\ue9e.Peer reviewed: YesNRC publication: Ye