2第二章_红外辐射源

null第二章 红外辐射源第二章 红外辐射源硅碳棒硅碳棒硅碳棒电热元件是一种以碳化硅为主要原料制成的非金属电热元件，具有膨胀系数小、不易变形、化学稳定性强、使用寿命长、安装维修方便等特点。硅碳棒电热元件可使用的炉体温度为600℃-1600℃，可在空气中使用，无需任何保护气氛，广泛应用于冶金、陶瓷、玻璃、机械、分析化验、半导体、科学研究等领域。 钨灯钨灯钨管黑体灯钨管黑体灯水银灯水银灯乳白石英加热管乳白石英加热管 一、石英加热管技术节能原理 一、石英加热管技术节能原理　　石英远红外加热管是采用了经特殊工艺加工的乳白石英玻璃管、配用电阻合材料作为发热子，由于乳白石英玻璃可以吸收来自电热丝辐射的几乎全部的可见光和近红外光、且能使之转化为远红外辐射。故乳白石英是一种转换效率很高的远红外能量的加热元件，石英加热管具有优良的远红外辐射特性。通电后，发热合金丝发射的近红外光和可见光其中95％被乳白石英管所阻挡、吸收、使管内温度升高产生纯硅氧键的分子振动，辐射远红线。置使此95％的可见光，近红外光均可转化为远红外光辐射。　 二、石英加热管性能与用途二、石英加热管性能与用途　　石英加热管不用涂料，辐射率稳定、高温不变形、无有害辐射、无环境污染、耐高温、抗蚀能力极高，化学稳定性好、热惯性小、热响应速度快、热转换效率高。加热温度可自行选择、长期使用辐射性能不退变，结构合理使用方便。石英加热管是国内唯一的选择性辐射远红外加热元件。用途广泛、适用性强。它可广泛地应用于机电、化学、电子纺织、印染、塑料、印刷、粮食、食品加工、医学卫生、皮革等加热干燥，固化脱水及各类烘道、烘房、烘箱的加热设备上。石英加热管特别适应于医药卫生、科研试验室、要求无污染的环境，含酸碱等腐蚀性加热场合。 氙灯氙灯第二章 红外辐射源第二章 红外辐射源 凡是温度高于绝对零度的物体都可以发射红外辐射，所以，从原则上讲，自然界任何实际物体都是红外辐射源。然而，对红外物理研究与红外技术应用具有实际意义的红外源十分有限，它主要包括四种类型：作为辐射的黑体辐射源；红外技术中应用的红外辐射源；红外系统在进行探测、定位和识别时使用的红外目标源；干扰红外系统探测的背景辐射源。 2.1 黑体辐射源2.1 黑体辐射源能够在任何温度下全部吸收所有波长的辐射的物体叫绝对黑体。绝对黑体的辐射称为黑体辐射。 一个密闭空腔中的辐射就是黑体辐射，不过绝对黑体只是一个理想概念。实际上，为了从腔内取出辐射，需要把黑体腔开一个小孔，这种腔形黑体辐射源的发射率非常接近于1。 2.1 黑体辐射源2.1 黑体辐射源l860年，基尔丘夫(Kirchuff)提出了制作黑体辐射源的理论原则，指出腔体内应处于理论等温状态，辐射小孔的面积与腔体内面的面积相比应可以忽略。到20世纪40年代，哥福(Gouffe)建立了完整的空腔辐射理论，为黑体辐射源的应用奠定了基础。随着计算机技术的发展，空腔理论设计工作取得了很大进展，理论计算得到的黑体辐射源的有效发射率可达0.9999以上。黑体空腔理论的成熟和计算的准确性，为设计和制作实用的黑体辐射源创造了良好的条件。2.1.1 黑体辐射源的用途2.1.1 黑体辐射源的用途黑体辐射源通常用作辐射标准，它被用于： 标定各种红外辐射源的辐射强度； 标定各类红外探测器的响应率； 测定红外光学系统的透射比； 研究各种物质表面的热辐射特性； 研究大气或其他物质对辐射的吸收或透射性能。 2.1.2 黑体辐射源辐射特性的决定因素2.1.2 黑体辐射源辐射特性的决定因素衡量一个黑体辐射源性能的优劣，主要决定于空腔内有效发射率和辐射能通量的大小，以及黑体腔的工作温度。黑体辐射源的有效发射率与开孔面积相对于腔体内表面总面积的大小、黑体腔的形状和材料表面发射率以及肢体偏离真正等温条件的程度等因素有关。null黑体辐射源的辐射能通量取决于辐射腔口直径及开口前所用光闲。黑体辐射源的工作温度确定应按应用目的进行选择。一般说来，除应用于研究大气吸收持性的黑体外，通常都选择大气透过率高的工作波段，这样可减少大气吸收对测量结果的影响。 2.1.3 黑体辐射源的分类2.1.3 黑体辐射源的分类黑体辐射源的类型技工作温度分有如下几种：1273K以上的称为高温黑体，它的辐射能通量在近红外波段；373—1273K的称为中温黑体，它的辐射能通量在中红外波段，223—373K的称为近室温黑体，它工作在远红外波段；低于223K的称为低温黑体。2.1.4 有效发射率的计算2.1.4 有效发射率的计算在空腔理论中，哥福理论占有重要的地位，它被人们广泛采用。哥福理论适用于球形、圆住形和圆锥形腔体有效发射率的计算。虽然该理论的某些假设不甚严格，计算值比其他理论值偏低，但它的计算方法较简单，容易获得可靠的结果。根据哥福理论的计算，有效发射率的常用表达式为null2.1.5 结构及设计要求2.1.5 结构及设计要求典型腔型黑体辐射源的结构 2.1.5 结构及设计要求2.1.5 结构及设计要求一个黑体型辐射源的有效比辐射率与腔体形状、开孔大小、腔壁的比辐射率及等温精度都有关。设计黑体除要求其有效比辐射率尽量接近于1外，开孔大小、等温精度均极其重要。等温精度影响到辐射的定量精度。开孔太小，无法获得一定的辐射能量，开孔过大有效比辐射率较低，也不易做到等温。 黑体源的腔体结构通常有球型、园柱型或圆锥型等形式，选择时需要综合考虑各种因素。可对腔体形状作初步分析。(1)三种腔体结构的比较(1)三种腔体结构的比较设球型、园柱型和圆锥型腔体具有相等的（腔长与开口半径比），用Gouffe可计算并比较它们的有效比辐射率。可以发现：球形黑体有效比辐射率最高，园柱次之，圆锥最低。这是因为球形腔体内反射次数最多的缘故。 (2)对腔体材料的要求和选择(2)对腔体材料的要求和选择 对腔体材料的一般要求是：材料表面的发射率高，并尽可能具有漫反射性能；在黑体工作温度范围内(尤其是对高温黑体源)要有好的抗氧化能力，如采用氧化发黑内腔壁，氧化层应不易脱落，可长期在空气中使用，如黑体工作温度较高，必须用高纯氮气对腔内壁进行保护；此外，为了获得均匀的温度分布，材料应具有较高的热传导性能。null 对于1400K以上的高温黑体，通常选用石墨和陶瓷材料，也可月高熔点纯金属制作。为了防止氧化，常用倩性气体作为保护气氛。对于1400K以下的中温黑体，选用铬镍不锈钢最好，它经1000℃氧化后，其发射率达0.85以上。例如，用1Crl8Ni9Ti氧化发黑后，其平均发射率可达0.9以上。中温黑体源也可采用石墨作腔体材料，它能在空气中工作，但其发射率不高。 (3)对加热的要求(3)对加热的要求为了实现腔体均匀加热，使腔壁温度分布均匀，加热线圈需合理分布，要求中间稀疏，后端稍密，越近腔口处越要加密，还可采用二组或三组加热丝以达到均匀加热的效果。上述方法是目前最常用的加热方法，但温度均匀性达不到很高的精度。如要制作温度均匀性特别好的基准黑体，可采用恒温热流法，其温度均匀性精度很高，但造价很贵。 (4)对温度测量和控制的要求(4)对温度测量和控制的要求常用铂电阻温度计插入腔体以测量腔体温度，而用另一温度计插入腔芯，并接上电子比例控制器以控制腔芯温度。对温度控制稳定性的要求取决于对黑体辐射精度的要求。根据斯式藩—玻耳兹曼定律，黑体辐射源的辐出度为null所以当黑体源工作温度改变dT时，由此引起黑体辐出度的相对变化量为 因此，如果要求黑体源的辐出度变化小于1％，则要求黑体腔内的温度变化不超过0.25％，对于1000K的黑体辐射源，要求温度测量和控制的精度在2.5℃以内。又如，若要保证0.5％的辐出度精度，则要求控制温度的精度约为0.1％，对于1000K黑体源，要求温度测量和控制的精度达1 ℃左右。 2.2 电热固体红外辐射源2.2 电热固体红外辐射源2.2.1 能斯脱灯 能斯脱(Nernst)灯是一种由氧化物及少量其他物质混合制成的棒状或管状固体红外辐射源。它的长度约3 cm，直径约3 mm，两端缠铂丝并与电路相连接，用直流或交流供电，工作温度可达2000 K。 能斯脱灯在室温下是绝缘体，在点燃之前需加230 v左右的电压。用电热丝或酒精灯将能斯脱灯预热到800 ℃左右时，棒(或管)即开始导电，它具有负阻效应，放电路中需加入限流器。能斯脱灯的优缺点能斯脱灯的优缺点 能斯脱灯的主要优点是它可以在空气中点燃，而仍需玻璃外壳及红外透射窗。它发出的光谱，在1—6微米波段类似于选择性辐射体，光谱发射宰甚小；而从中红外(波长＞7微米)一直至15微米波段近于黑体辐射，其光谱发射宰为0.9。能斯脱灯的缺点是机械强度低，工作寿命短，表面部分的辐射状况常受空气扰动变化不定．此外，起燃也比较麻烦。 null能斯脱灯的光谱发射率 2.1.2 硅碳棒2.1.2 硅碳棒硅碳棒是用含SiC超过95％的材料制成的棒状或管状辐射源。硅碳棒的直径为6~50 mm，长度从几厘米到1 m左右。它可以在空气中直接通电加热，而不像能斯脱灯那样需要预热。其工作温度在1500 K以下。若温度超过1500 K，则棒体将被氧化而损坏。如果在棒表面徐上二氧化钦保护层，则可使工作温度提高到2200 K。 null硅碳棒的光谱发射率 硅碳棒的优缺点硅碳棒的优缺点硅碳棒机械强度好，工作寿命长，使用简便，受电压波动影响较小，但它体积大，电阻小，供电需用低电压、大电流的电源，功率消耗较大。 2.1.3 钨灯2.1.3 钨灯 由于钨的熔点高(3680K)，蒸发率小，在可见光波段选择性好，在高温下有较大的机械强度，以及容易加工等优点，所以在白炽灯中得到了广泛的应用。 钨丝灯在近红外测量中常用作辐射源，但由于玻壳对红夕陶射的限制，这种订的辐射波长在3 微米以下。有时，将钨丝装在一个充满惰性气体并带有红外透射窗口的灯泡内，可以延长红外波段。根据不同需要，灯丝可做成各种形状，钨灯的供电电源要求稳定。钨灯的优缺点钨灯的优缺点另一种形式的钨灯是钨带灯，它是将钨带通电加热而发光的光源。钨带通常制成狭长条形，宽为2 mm，厚为0.05 mm左右。通电加热后；两端靠近电极支架处温度较低，中间部分温度较高，测量时只选择中间部分的辐射进行测试。因钨带电阻甚小，所以要求用低电压大电流电源供电。null还有一种常用的钨灯称为钨管黑体灯，它由一根在真空或氩气中通电加热的钨管制成。真空灯的温度可达1800 ℃，充氩气的灯的温度达2700 ℃。钨管由25 微米厚的钨皮制成，一般长45 mm，直径约2 mm，在一端有一个直径约l mm的孔，钨管的辐射就从这个孔沿钨管轴线向外辐射出来。管心装有一束直径约23 微米的细钨丝，它是先拧在一起，切成毛刷状的断面，再塞入钨管内形成由大量细钨丝构成的发光断面。钨管黑体灯在可见光区域内的光谱发射宰很高，可达0.95。null钨管黑体灯结构 2.1.4 乳白石英加热管2.1.4 乳白石英加热管在红外加热技术中，有多种加热辐射源，如金局搪瓷加热器、电阻带、碳化硅板和陶瓷板等。与这些加热元件不同，乳白石英加热管不存在基体与涂层之分，不必担心在使用过程中涂层的脱落问题，所以乳白石英加热管是一种新型红外加热元件。 乳白石英加热管是以天然水晶为原料，在以石墨电极为谢蜗发射体的真空电阻炉中熔融(1740摄氏度)拉制而成。在熔融过程中，使气体在熔体中形成大量的小气泡，故外观呈乳白色状。 null乳白石英玻璃材料耐热性能好，可耐200～1300摄氏度高温，热膨胀系数低，有优良的抗热震性能，此外，还具有很好的化学稳定性，但机械强度和耐冲击性能较差。乳白石英管的光谱发射率 乳白石英加热管与硅碳棒对比乳白石英加热管与硅碳棒对比与硅碳棒相比，乳白石英加热管用作红外辐射源有如下特点： (1)发射率高，并具有选择性发射，在4~8微米和11~22微米波段，光谱发射串达到0.92。在8~11微米区有较强的选择反射光谱带。 (2)热惯性小，热容量仅为碳化硅及金属管的十分之一； (3)工作温度范围广，通常为400~500℃，也可制作表温为750℃以下加热辐射源； (4)升温降温快，只需7~10 min(S比板需30至35min)； (5)外表纯净洁白，可以用在工艺卫生要求很高的地方。 2.3 气体放电辐射源2.3 气体放电辐射源当电流通过气体媒质时，会产生多种放电现象，常见的有辉光放电和弧光放电两类。各种气体放电辐射派的结构基本相同。图中，B是灯壳，通常由透明玻璃或石英按所需形状加工制成。A和C是放电灯的电极，如系直流供电，则A是阳极，B是阴极。G为气体介质，它不应与管壳和电极材料发生化学反应，可选用惰性气体或金属及金属化合物蒸气。 null 当把灯接入电源，就会放电发光。发光的基本过程可分为三个阶段，即：自由电子被外电场加速；被加速的电子与气体原子碰撞，使气体原子受激；当受激原子返回基态时，则以辐射的形式释放能量。 根据放电机制的不同，可制成多种气体放电辐射源。 2.3.1 水银灯2.3.1 水银灯利用金属蒸气的放电现象可以制作辐射源，水银灯就是利用水银蒸气的放电现象而制成的。按水银蒸气压的不同，又分为低压水银灯、高压水银灯和超高压水银灯。低压水银灯主要产生紫外辐射。高压水银灯可产生强的紫外线和可见辐射，同时它也产生近红外光。超高压水银灯随着水银蒸气压的升高，在红外波段的辐射能量也相应地增加，并且谱线变宽，形成连续光谱。高压水银灯结构与工作线路高压水银灯结构与工作线路其灯管用石英玻璃制成，管内充以水银蒸气及少量员气。正常工作时，灯管内的水银蒸气压为0.1～0.5 MPa。除电极外，管内还装有启动用的辅助电极，在辅助电极与相邻的主电极之间加有220 v的交流电压。由于电极之间的间距很近(约2～3 mm)，形成很强的电场，因而电极间的气体被击穿，发生辉光放电，产生大量电于和离子，这些带电粒于在电场作用下产生镑流过程，并过渡到两主电报之间的弧光放电。高压水银灯结构与工作线路高压水银灯结构与工作线路在高压水银灯点燃的韧始阶段，是低气压的水银蒸气和氮气放电，这时管压很低，约25 v，放电电流很大，约5—6 A，称为启动电流。低压放电产生的热量使管壁温度升高，水银逐渐气化，管压逐渐增加，放电也逐渐由低压放电向高压放电过渡。当水银全部蒸发后，管压达到稳定状态，于是进入稳定的高压水银蒸气放电。高压水银灯从启动到正常工作通常需要经过4～6分钟。2.3.2 氙灯2.3.2 氙灯除利用金属蒸气放电制作辐射派(如水银灯)之外，还可利用情性气体的放电现象制成辐射源。超高压下的氩、氪、氙等情性气体在紫外和可见光区域具有连续光谱，而在红外波段则有明显的线光谱叠加在连续光谱上。在惰性气体中，以氙气放电最为常用，由它制成的辐射源叫做氙灯。氙灯与水银灯对比氙灯与水银灯对比氙灯与水银灯不同，后者在启动之前蒸气压不高，而前者在启动之前的常温下就一直存在有很高的气压，所以要点燃惰性气体放电灯需要有辅助装置——触发器。 null短弧氙灯的光谱分布 触发器的工作原理触发器的工作原理B1是高压升压变压器．它将220V电源电压升至3500~5000V并向C1充电。当电容上的电压达到火花间隙P的击穿电压Vp时，间隙中的空气被击穿，C1使通过火花间隙和脉冲变压器B2的初级线圈放电，同时在B2的次级线圈感应出一个脉冲高压，它使灯击穿，形成火花放电，这将使电极局部发热，引起大量热电子发射。这时，主电源向灯供电，火花放电过渡到自持弧光放电，灯就点燃了。灯点燃后，触发器不起作用。null火花触发器电路 2.3.3 碳弧2.3.3 碳弧前面的各种放电灯均采用密封的泡壳，放电在其中进行。碳弧则是开放式放电，电弧发生在大气中的两个碳棒之间。为使电弧保持稳定，阳极做成有芯结构，一般它由外壳和灯芯形成，采用纯碳素材料，碳黑，石墨，焦炭制作，只是灯芯材料较软。放电时，阳极大量放热，造成碳的蒸发，而灯芯的蒸发比外壳厉害得多，因此便在阳极中心形成稳定的喷火口（弧坎）。碳弧的辐射月90％是从阳极弧坎发出，其中主要是热辐射。null碳弧的光谱分布 null碳弧的辐射随电流增大而增加。常采用直流供电，其伏安特性是负的。即电流增大时，电极间电压下降。因此，为使工作稳定，电路中需串联附加电阻。碳弧的启动方式与其他放电灯不同，需先将两电极接触，然后拉开一定距离才能起弧。放电过程中，阳极的消耗速度比阴极快1倍左右，为使两电极相对位置保持不变，故需附有自动移动调节装置。2.4 红外激光器2.4 红外激光器激光的产生原理 当原子和分子吸收频率为v的辐射后，会由基态激发到激发态上，由于激发态不稳定，在一定条件下它们将从激发态回到基态。当原子或分子从能量高的E2态向能量低的E1态跃迁时则发射电磁辐射，发射的光频率为 辐射的基本形式辐射的基本形式光的发射有自发发射与受激发射两种，自发发射是从激发态偶然发生的跃迁，发射光是无规则的。受激发射则是处于激发态的原子或分子受到频率为 的光的作用，发射出与入射光同方向、同频率、同相位和同偏振的光，其强度与入射光强度成正比。激光产生的基本条件激光产生的基本条件如果原子或分子处于热平衡状态，位于高能态的粒子数比位于低能态的粒子数少得多，光吸收比光发射更易于发生，但有时也存在另外一种情况，即处于高能态的粒子数比处于低能态的粒子数多，此状态为“粒子数反转”，这时光发射比光吸收更容易发生。激光产生的基本条件激光产生的基本条件如果在外来能量激发下，物质处于粒子数反转状态，即处于高能态上的粒子数密度大于处于低能态上的粒子数，此时，如果有一束光子通过处于这种状态的物质，而光子的能量又恰恰等于这两个能态的能量差，这时光的受激发射过程将压倒受激吸收过程，使该物质输出的光能量超过入射光的能量，呈现“光放大过程”。激光产生的基本条件激光产生的基本条件为实现粒子数反转分布，要求在单位时间内激发到高能态的粒子数愈多愈好，处于低能态的粒子数愈少愈好。同时，要求粒子在高能态上的寿命愈长愈好，而这是由粒子本身性质所决定的。所以为了实现粒子数反转分布，应该合理选择激光物质和工作能级。激光产生的基本条件激光产生的基本条件为了实现粒子数反转，必须从外界供给原子或分子能量，这种供给能量的过程称为“光抽运”或“光泵浦”。一般气体激光器是通过外加高压使气体放电进行光抽运的，而红宝石激光器则是用氙灯闪光照射红宝石实现光抽运的。激光的基本组成及功能激光的基本组成及功能一台激光器由工作物质、光学谐振腔和使工作物质形成粒子数反转分布状态的激励源组成。 光学谐振腔的作用一是提供正反馈，使受激发射的光子多次通过腔内的工作物质，以产生持续的光发射；二是把腔内的一部分激光输出，此外，光学谐振腔还可以起到限制光子运动方向的作用，保证输出的激光具有极佳的方向性。null光学谐振腔工作原理 产生激光的实际方法产生激光的实际方法为了实现上述功能，一般的光学谐振腔是在激光工作物质的两端装上反射镜。光在反射镜间来回反射多次，通过很长的光程，有效地不断产生受激辐射，使光强度急剧放大。在光往返传播中，偏离光轴的光、反射镜的漫反射、衍射、散射以及吸收等都被损失掉，余下的正反射的光要在两个反射镜之间形成驻波，波节在两个反射镜面处。产生激光的实际方法产生激光的实际方法因为只有频率满足这个共振条件的光波强度大，因而该频率的光产生的受激发射最强列，并不断扩大。当增益超过损失，就发生激光振荡，形成激光。为了让一部分激光能输出到腔外，可以让一端的反射镜稍微透光。 激光器的特性和分类激光器的特性和分类1.相位一致，在反射镜之间形成的驻波，由于是受激发射，只有相位一致的光才能受到放大，因此输出的光一定是相位一致的，具有相干性。 2.方向性强。因为仅沿光轴方向往返的光才被放大，所以输出的激光束的发散角很小，而且是沿光轴方向直线传播的。null3.单色性好。因为两能态之间的能差是固定的，光波长仅由该能差确定，所以波长是单一的，而且只有在两个反射镜之间形成驻波的光才能产生振荡，所以，用激光器输出的激光，一定是具有单一波长的光。 4.亮度高。由于激光的方向好，发射立体角极小，所以必然亮度高。激光器的分类激光器的分类按工作物质分，可分为固体、液体、气体激光器。 按泵浦方式分，可分为光泵式、电泵式和化学反应式激光器。 按工作方式分，可分为连续式和脉冲式。 按输出波长，可分为紫外、可见和红外等类激光器。null一些典型红外激光器 2.5 常见的自然红外辐射源2.5 常见的自然红外辐射源太阳 月亮 星星 地面 云层 天空2.6 常见的目标红外辐射源2.6 常见的目标红外辐射源飞机的辐射 坦克的辐射 人体的辐射 火炮的辐射