红
外
物
理
4 红外辐射源
4.1 黑体型辐射源
黑体型辐射源作为
辐射源,广泛地用作红外设备的绝对标准。
黑体型辐射源——黑体源,或称黑体炉。
4.1.1 Gouffé理论
1954 年提出,可对球形、圆柱形和圆锥形腔体的有效发射率作理
论上的计算。
1.有效发射率的推导
思路:先求腔孔的有效吸收率 0 ,可得有效发射率 。 00
条件:开孔面积为 ,整个内
面面积(包括开孔面积)为 ;
腔体温度为 ,内表面为朗伯面,反射率为
A tS
T ,吸收率为 ,不透明
( )。
0
步骤:如图 4-1 所示。
辐射功率 垂直投射到 x位置的小面积0P (x)S 上。x处的辐射照度为
红
外
物
理
)(
)( 0
xS
PxE (4-1)
反射后, 作为辐射源,则其辐出度为 (x)S
)(
)()( 0
xS
PxExM (4-2)
反射到腔内的辐射功率为
0)( PxSMP (4-3)
·从腔孔中逸出去的辐射功率为
),(cos)(cos)( 0
2
1 xFPdxSMdxSLPdP (4-4)
注意: dxF cos1),( 称为腔孔的角度因子,它与腔孔对 x 点所
张的立体角及 x 点的位置有关。
经第一次反射后,净留在腔内的辐射功率为:
011 )](1[ PxFPPP , (4-5)
1P 又被腔壁第二次反射,反射到腔内的辐射功率为:
1PP (4-6)
假设:经第二次反射后,辐射功率 P 将均匀辐照整个空腔内壁。
则 中有 的分量从腔孔中逸出。 P tSA /
·第二次从腔孔中逸出的辐射功率为:
1
tt
2 PS
A
S
APP (4-7)
第二次反射后,净留在腔内的辐射功率为
1
t
22 )1( PS
APPP (4-8)
·第三次反射后,从腔孔逸出的辐射功率为:
红
外
物
理
1
2
tt
2
t
3 )1( PS
A
S
AP
S
AP (4-9)
第三次反射后,净留在腔内辐射功率为:
1
22
t
2
t
3 )1()1( PS
AP
S
AP (4-10)
·经第 n 次反射后,从腔孔中逸出功率为
1
1
t
2
t
1
t
)1( P
S
A
S
AP
S
AP nnnn
(4-11)
·经无数次反射后,从腔孔中逸出的总辐射功率为:
)(
t
t
S
APS
AP
11
1
11 nr PPPPP 321
)1(1
)],(1[),( 0
2
0
t
t
S
A
PxF
S
APxF
(4-12)
·腔孔的有效反射率为:
)(
t
tr
S
A
S
AxF
xF
P
P
11
)],(1[
),(
2
0
0 (4-13)
·腔孔的有效发射率为:
)(
t
t
S
A
xF
S
A
11
)]},([1){1(
1 000 (4-14)
2.角度因子的推导
当入射辐射是垂直腔孔表面的时候,第一次反射时,从腔孔逸出
的辐射功率最大, 的值也最大。此情况下的 值来计算),( xF ),( xF 0 是
比较合理的。
红
外
物
理
2
0 0
0 sincos1cos1),( dddxF
22
2
0
2sin
Rl
R
(4-15)
式中R是腔孔半径, l是从腔孔平面算起的腔的深度。
lRg / 称为腔孔的几何因子,则
2
2
1
),(
g
gxF (4-16)
通常几何因子 <<1,有近似: lRg /
2),( gxF (4-17)
3.三种典型腔体
·圆孔圆锥形腔:
)1(
1
g
2
gg
ggS
A
t
(4-18)
红
外
物
理
·圆孔圆柱形腔:
)1(
2)1(2
gg
g
g
S
A
t
(4-19)
·圆孔球形腔:
2
2
2
21
g
g
g
S
A
t
(4-20)
对于圆孔球形腔的
tS
A 记作
0S
A ,在 1g 时,它恰好等于角度因子
,所以有: ),( xF
0
2),(
S
AgxF (4-21)
4.公式简化
由于 , 1 。则
tt
t
S
A
S
A
S
A
S
A
)1(
)])(1(1[
0
0 (4-22)
令
))(1(
0S
A
S
Ak
t
(4-23)
tt S
A
S
A
)1(
0 (4-24)
可得
)1(00 k (4-25)
红
外
物
理
5.讨论
·腔孔的有效发射率 总是大于腔壁
的发射率 ——腔体效
应。
0
球 形 腔 内 表 面 积 最 大 , 有 , 又 , 则
;因为
0// SASA t 0)1(
0)//)(1( 0 SASAk t 1 ,所以 )/ tSA1()tS/1( A ,则有
,则有1]/)/1(/[1 tt SASA ]/)/ tt SASA10 (/[ ,有 ,)k1(00
00 。
·在 值相同的情况下,Rl / 的值越大则 0 也越大。
·在 值相同的情况下, 的值越大则 Rl / 0 也越大。
·对于同一 值,空腔的内表面积越大则Rl / 0 也越大。球形腔的 0
最大,圆柱形腔次之,圆锥形腔最小。
·若 足够大, 足够大,Rl / 0 将趋于 1。故空腔型辐射源在此条
件下,可视为黑体源。
6.计算举例
如图 4-6 所示,l =5.4cm, =1.5cm,RR =1.0cm, =2.6cm, ,
=0.78,计算腔孔的有效发射率
h o60
0 ?
R
红
外
物
理
解: (cm 22 1RA 2)
)5.14.55.12
866.0
6.25.1(2
30cos
22
0 RRlhRSt
953.22 (cm2)
0436.0
953.22
tS
A
近似出 : 0/ SA
0156.0)
8
1( 22
0
g
S
A
所以:
tt
t
S
A
S
A
S
A
S
A
)1(
))(1(1
0
0
0436.0)0436.01(78.0
)0156.00436.0(22.0178.0
9939.0
4.1.2 Devos 理论
1954 年提出,直接计算任意形状腔体的腔孔有效发射率。没有假
设腔壁是漫反射表面,比较完善和系统。
1.局部反射率
我们知道,物体的反射是有方向性的,且可利用双向反射分布函
数或方向反射比来描述物体反射辐射随入射角与收集角的变化关系。
在推导腔孔有效发射率时,Devos 引入了局部反射率的概念,这里予
以保留。
所谓局部反射率,是指在某方向上单位立体角内的反射率,并可
红
外
物
理
表示为:
ii
rrrir
A dP
ddP
/ (4-30)
实际上, irA 表示辐射由 方向入射,经面元 向 方向单位立体角
内的反射本领,量纲为(sr
i dA r
-1)。它与双向反射分布函数 的
关系为
i i r rf ( , ; , )
ir
A i i r r rf ( , ; , )cos (0-1)
因此,知道了物体表面的 i i r rf ( , ; , ),就可求 irA 。
2.Helmholtz 互易性定理
如图 4-8 所示,根据辐射亮度的定义,可以写出从 到dA 的辐射
功率 为:
1dA
1dP
2
1
111111
1cos
r
dAdALddALdP
A
A (4-31)
2A
A 1AA
这个辐射功率经dA 反射到 的部分为: 2dA
21
2
1
21 ddPdP AAA
2
2
2
2
1
1
1
121 cos
r
dA
r
dAdAL AA
AA
A (4-32)
式中 是 的辐射由 的方向入射,经面元 向 方向上单位21AAA 1dA PA1 dA 2PA
红
外
物
理
立体角内的反射率。
同理可以写出来自 ,经dA反射到 的辐射功率 为: 2dA 1dA 12dP
2
1
1
2
2
2
2
1
2
212 cos
r
dA
r
dAdALdP AA
AA
A (4-33)
式中 是 的辐射由 方向入射,经面元 向 方向上单位立体
角内的反射率。
12AA
A 2dA PA2 dA 1PA
如果面元 和 是温度恒定的同一物体上的两个部分,则应有
,于是,在辐射热平衡条件下, 。则可得到:
1dA 2dA
LLL 21 1221 dPdP
212121 coscos AA
AA
A
A
A
AA
A (4-34)
上式就是互易性定理的
表达式。
3.Devos 腔体理论
推导思路:如图 4-9 所示,·考虑一个封闭腔,任意面元dw在任
一方向do的有效发射率:若腔是等温的,其有效发射率为 1;若不是等
温,给出温度修正项。·考虑腔壁上有开口,它相当于封闭腔下,dw面
元在 方向的有效发射率,减去 直接或间接对 在 方向的有效发
射率的贡献。
do do dw do
dw
n
m
dn
rwn
m
n
do
dΩ
w
odm
图4-9 Devos理论
n
w
o
w
w
n
红
外
物
理
(1)封闭腔内壁任意面元的有效发射率
由图 4-9 可知,dw向 方向的辐射功率等于dw自身向 方向的辐
射功率加上整个腔经dw向do方向反射的辐射功率。
do do
· 自身向do方向的辐射功率为: dw
o
w
o
wwbb
o
w
o
w ddwTLdP cos)( (4-35)
式中, 是 面元在do方向上的发射率; 为温度为 时黑体的
辐射亮度; 为 对 所张的立体角; 为 和 的连线与 法线
之间的夹角。
o
w dw
o
wd
)( wbb TL
o
w do
wT
do dw dw dw
·整个腔壁经 向 方向反射的辐射功率: dw do
一次反射情况下,求任一面元dn的辐射,经dw向 方向反射的辐
射功率,先求 的辐射入射到dw的辐射功率
do
dn
w
n
w
nnbb
w
n
n
w ddnTLdP cos)( (4-36)
式中 为 在 方向的发射率, 为温度为 时黑体的辐射亮度,
为 和 的连线与 法线之间的夹角, 为 对 所张的立体
角。由于
w
n
dn
dn
dw
dw )( nbb TL nT
w
n dn wnd dw dn
2
cos
wn
n
ww
n r
dwd (4-37)
其中 为 和 的连线与 dw法线间的夹角, 为 与 dn间的距离,
而 对 所张的立体角d 为
n
w dn dw wnr dw
dn dw nw
2
cos
wn
w
nn
w r
dnd (4-38)
所以 入射到dw上的辐射功率可改写为 dn
n
w
n
wnbb
w
n
n
w ddwTLdP cos)( (4-39)
则 经 反射到do方向, 立体角内的辐射功率 可写成 dn dw owd nowdP
红
外
物
理
o
w
no
w
n
w
n
wnbb
w
n
no
w dddwTLdP cos)( (4-40)
其中 为dn经dw反射到do方向上单位立体角的反射率。当 Helmholtz
定理近似成立时,
no
w
o
w
on
w
n
w
no
w coscos (4-41)
可把上式简化为
o
w
n
w
o
w
on
wnbb
w
n
no
w dddwTLdP cos)( (4-42)
这样可以得到整个腔体经 反射到do方向, 立体角内的辐射功率
:
dw owd
no
wP
n
w
on
wnbb
w
n
o
w
o
w
o
w dTLddwP )(cos)1( 半球 (4-43)
二次反射情况下,即由面元dm入射到dn,并从 向 反射,然后
又被 向do方向反射。用与一次反射相同的方法可得
dn dw
dw
o
n
on
w
n
w
wm
n
m
n
o
wmbb
n
m
mo
nw ddddwTLdP cos)( (4-44)
对 和 积分,就可得到整个腔体通过dw向do方向反射的辐射功率 dm dn
m
n
on
w
n
w
wm
nmbb
n
m
o
w
o
w
o
w ddTLddwP )(cos)2( 半球 (4-45)
如此继续下去,可同样求得通过 的三次,四次……反射到do的
辐射功率。
dw
所以总的由 dw到 方向的辐射功率等于 自身辐射的功率加上
多次反射的功率之和。从而得到
do dw
])(
)()([cosP
m
n
on
w
n
w
wm
nmbb
n
m
n
w
on
wnbb
w
nwbb
o
w
o
w
o
w
o
w
ddTL
dTLTLddw
半球
半球 (4-46)
若令
)(
)()(
wbb
nbbwbb
n TL
TLTLC (4-47)
红
外
物
理
)(
)()(
wbb
mbbwbb
m TL
TLTLC (4-48)
则
])1(
)1([cos)(P
m
n
on
w
n
w
wm
n
n
mm
n
w
on
w
w
nn
o
w
o
w
o
wwbb
o
w
ddC
dCddwTL
半球
半球 (4-49)
由此可知,面元dw在do方向的有效发射率:
mnnwonwwmnnmmnwonwwnnoww ddCdC )1()1( 半球半球 (4-50)
若密闭空腔为恒温腔,即腔壁温度处处相等,则 = =┈=0,此
时的发射率为
nC mC
mnnwonwwmnnmnwonwwnoww ddd 半球半球 (4-51)
其中 、 、 为 ,dn,dm处腔壁的发射率(或吸收率)。 ow wn nm dw
若有单位辐射能从do经ow入射到d ,首先被dw 收了 ow 部分辐
射,经 dw 射后,整个腔壁对一次反射后的辐射吸收部分为
,同样地,整个腔壁对二次反射后的辐射吸收部分为
,依此类推。由于腔是密闭的,入射辐射将全部被
吸收,所以得到等温密闭腔的有效发射率
w上 吸
反
n
wd
onwwm
on
w
w
n 半球
半球 nnm d mnnwd
0=1。
若密闭腔不恒温,则dw在do方向的有效发射率为
mnnwonwwmnnmmnwonwwnnw ddCdC 半球半球1 (4-52)
令
mnnwonwwmnnmmnwonwwnnw ddCdC 半球半球 (4-53)
则:
ww 1 (4-54)
三条结论:
红
外
物
理
①当腔壁温度均匀时, w =0,而腔壁 dw在 方向的有效反射率
do
1w
②当 , 时,即腔壁其他部分的温度比 面元的温度低,
则面元dw在do方向的有效发射率
0nC 0mC dw
1w 。
③当 , 时,即腔壁其他部分的温度比 面元的温度高,
则面元dw在do方向的有效发射率
0nC 0mC dw
1w 。
由于面元 dw和 是任意取的,因此我们推导的结论是普遍适用
的。
do
(2)开口腔的有效发射率
恒温开口腔有效发射率的计算思想:封闭恒温腔壁上开一小口 ,
它对腔壁上任意面元
do
dw的有效发射率的影响等价于恒温封闭腔情况
下,面元 的有效发射率中扣除面元do辐射中,直接和间接地到达
产生的贡献。
dw dw
由于恒温封闭腔dw的有效发射率是 1,所以 向 发射出的辐射
功率为
dw do
o
w
o
wbb
o
w ddwTLdP cos)( (4-55)
它减去do发出经dw反射到do的辐射功率以及减去do发射到腔壁,反射
到 ,再反射回do的辐射功率,就是do为开孔情况dw向do的总功率。 dw
由有效发射率为1的面元 发出经 反射到do的辐射功率可写成 do dw
o
w
oo
w
w
o
w
obb
oo
w dddoTLdP ]cos)([ (4-56)
因为
2
cos
ow
o
ww
o r
dwd , 2cos
ow
w
oo
w r
dod
则上式改写为
红
外
物
理
][cos)( ow
oo
w
o
w
o
wbb
oo
w dddwTLdP (4-57)
其次,由面元 发射到面元 后被反射到 面元,再由 反射到
的辐射功率为
do dn dw dw
do
))((cos)( ow
no
w
w
n
ow
n
n
o
n
obb
oo
nw ddddoTLdP (4-58)
注意到
2
cos
on
o
nn
o r
dnd , 2cos
on
n
oo
n r
dod
且利用互易定理
w
n
wo
n
o
n
ow
n coscos
上式可变为
))((cos)( ow
no
w
w
n
wo
n
o
n
w
nbb
oo
nw ddddnTLdP (4-59)
再利用
2
cos
nw
n
ww
n r
dwd 2cos
nw
w
nn
w r
dnd
及互易定理
o
w
on
w
n
w
no
w coscos
则上式又可写为
))((cos)( nw
on
w
o
n
wo
n
o
w
o
wbb
oo
nw ddddwTLdP (4-60)
对 在半球减去do所对应的立体角内积分,就可以得到由 发出
经整个腔壁反射到dw,再由dw反射到do的辐射功率
dn do
n
w
o
n
wo
n
on
wdo
o
w
o
wbb
oo
w ddddwTLdP )(半球cos)( (4-61)
这样,在do为开孔的恒温腔,dw向 方向的总辐射功率等于(4-55)
式减去(4-57)式和(4-61)式。即有
do
]1[cos)( nw
o
n
wo
n
on
wdo
o
w
oo
w
o
w
o
wbb
o
w dddddwTLP )(半球 (4-62)
红
外
物
理
根据有效发射率的定义,在开口腔的情况下,面元dw向do方向的有效
发射率为
n
w
o
n
wo
n
on
wdo
o
w
oo
ww ddd )(半球1 (4-63)
这就是均匀壁温情况下,开口空腔的 Devos 二级近似有效发射率的计
算公式。
对于非等温腔,其有效发射率的二级近似公式,只是从式(4-63)
中减去由于温度不均匀所引起的修正项因子 ,其中 与(4-53)式
的区别在于其积分限不是半球,而是半球减去( )所张的相应立体
角。即:
do
nwmnonwwmnnmmdonwonwwnndow ddCdC )()( 半球半球 (4-64)
式中, 和 由(4-47)式和(4-48)式定义。 nC mC
所以,非等温腔的有效发射率的二次近似公式为:
w
n
w
o
n
wo
n
on
wdo
o
w
oo
ww ddd )半球-(1 (4-65)
4.举例
对于等温球形腔,见图 4-10,由几何关系,有
红
外
物
理
2
2
l
rd ow
和 )cos1(2 nw
所以
dd nw sin2
且
sinsin
sin)90cos(
2
2
22
2
2
2
l
r
l
r
b
rd on
所以,对于开孔为do的球形腔,一级近似的有效发射率为
oo
wl
r 2
2
0 1 (4-66)
二级近似的有效发射率为
2/02
22
2
2
0
21 d
l
r
l
r wo
n
on
w
oo
w (4-67)
对于等温圆柱形腔,见图 4-11,
因为
2
2
l
rd ow
2/322
2
22 ])[(
22)90cos(2
rxl
dxr
a
r
a
rdx
a
rdxd nw
2/322
2
3
2
2
2
)(
cos
rx
xr
b
xr
b
rd on
所以,一级近似为
红
外
物
理
oo
wl
r 2
2
0 1 (4-68)
二级近似为
l won
on
woo
w rxlrx
xdxr
l
r
0 2/3222/322
42
2
2
0 ])[()(
21 (4-69)
4.2 黑体型辐射源
如图 4-12 所示,典型实用黑体型辐射源。
·主要组成:辐射腔体、保温绝缘层、无感加热丝、感温元件、
光阑等。
黑体腔形有圆柱形、圆锥形、球形以及其他轴对称旋转体的组合,
特殊情况也采用非轴对称旋转体。
可变温度模拟黑体的加热方式有电阻加热、循环液体加热以及使
用不同工质的热管加热。
固定温度的黑体则通常工作在各种介质凝固点相变温度上。
·基准黑体:在模拟标准黑体中,又把一系列金属凝固点标准黑
体作为基准。金属凝固点黑体是把纯度很高的金属融化,在降温过程
红
外
物
理
中,从液体向固体转换的相变温度平台区作为温度的标准,由此给出
标准的光谱辐亮度值,作为标定光度测量仪器和光辐射测量仪器的标
准。
目前推荐使用的金属凝固点黑体主要有:
镓点黑体:凝固点温度 T=302.9146K,发射率ε=0.9999;
锡点黑体:凝固点温度 T=505.078K,发射率ε=0.9999;
锌点黑体:凝固点温度 T=692.677K,发射率 ε=0.9999;
铝点黑体:凝固点温度 T=1234.93K,发射率ε=0.9999;
铜点黑体:凝固点温度 T=1357.77K,发射率 ε=0.9999;
银点黑体:凝固点温度 T=933.473K,发射率 ε=0.9999;
金点黑体:凝固点温度 T=1337.18K,发射率ε=0.9999。
·黑体分级:在标准中,把黑体按照准确度分为凝固点黑体(基准
黑体)、标准黑体和工业黑体。用凝固点黑体检定一级标准黑体,用一
级标准黑体检定工业黑体。各种黑体的温度特性如下:
①一级标准黑体应具有的温度特性:黑体稳定到设定温度后,温
度稳定性应优于 0.2K/h;黑体腔有效辐射面的温度均匀性应优于±
0.2K;一级标准黑体配备的测温仪表应能直接或间接测量黑体腔有效
辐射面的温度,测温准确度应优于 0.05%。
②工业黑体应具有的温度特性:黑体稳定到设定温度后,温度稳
定性应优于±0.5K/h;黑体腔有效辐射面的温度均匀性对于一等应优于
0.001T;对于二等应优于 0.002T;对于三等应优于 0.003T(T 为设定
温度值)。
③一级标准黑体和工业黑体应能在 3 小时内稳定到设定温度。
一级标准黑体和工业黑体的辐射特性主要由实测的有效发射率来
红
外
物
理
表征。一级标准黑体的实测有效发射率不小于 0.999。工业黑体的实
测有效发射率对于一等不小于 0.99;对于二等不小于 0.98;对于三等
不小于 0.95。
1、黑体设计制造的要求
·腔形的选择
一般考虑选用圆锥,圆柱或球型腔体。
球形腔的有效发射率最大、圆柱形腔体次之、锥形腔最小。
从辐射源的体积、质量、保温、温度均匀性以及加工制作等方面来
看,圆柱和圆锥形腔具有较多的优势,许多高精度黑体广泛采用圆柱
形腔和锥形腔。大多数黑体辐射源,取 ≥6。增加 值可以提高
有效发射率,但 值太大就会造成均匀加热困难。
/l R /l R
/l R
·对腔芯材料加热的要求
做成腔体的材料称为腔芯。理想的腔芯应满足下列三个要求:①
具有高的导热率,以减少腔壁的温度梯度;②在使用温度范围内(尤
其在高温时),要有好的抗氧化能力和氧化层不易脱落的性能;③材料
的表面发射率要高。
对于 1400K 以上的腔芯,常用石墨或陶瓷制作。
在 1400K 以下,一般用金属制作,其中最好是用铬镍(18-8 系列)
不锈钢,它有良好的导热率,加热到 300℃,表面会变暗,发射率可
增加到 0.5;用铬酸和硫酸处理表面,发射率可达 0.6;将表面加热到
800℃,则表面形成一层发射率为 0.85 的稳定性很高又很牢固的氧化
层。
低于 600K 的腔芯可用铜制作,铜的导热率较高,但应注意,铜表
面由于受热而形成的表面发黑的氧化层是不稳定的,高于 600K 时,氧
红
外
物
理
化层就会脱落。
为增加腔壁的发射率,可对其表面进行粗糙加工,以形成好的漫
反射体。另外,还可在腔壁上涂上某种发射率高的涂层,来增加腔壁
的发射率。但是,在温度较高时,涂料会脱落,故腔壁涂层的方法只
适用于温度不太高的情况。
·腔体的等温加热
对腔体的等温加热,通常是用电热丝加热的,即通过绕在腔芯外
围的镍铬丝加热线圈进行加热。为改善腔体温度的均匀性,可以改变
腔芯的外形轮廓,使其任意一点上腔芯的横断面积相等,以保证每一
加热线圈所加热的腔芯体积相等。在腔体开口附近,应增加线圈匝数,
以弥补其热损失。质量更高的黑体还可用热管式加热器或通过高温气
体加热,但其成本要高的多。
恒温区的测量通常有两种方法,一种是测腔壁的温度,一种是测
腔内沿轴线的温度分布。
·腔体的温度控制和测量
根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律,黑体型辐射源的辐出度 ,其
中 为黑体型辐射源的有效发射率,T为腔体的工作温度。如果该温度
有一个微小的变化dT,则引起辐射源的辐出度变化dM 为
4
0M T
0
3
04dM T dT (0-2)
于是,辐出度的相对变化为
4dM dT
M T
(0-3)
以上说明腔体温度变化对辐出度变化的影响是很大的。若要求供
给红外设备校准用的黑体型辐射源辐出度变化小于 1%,则这要求其腔
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理
体温度变化能不超过 0.25%,对于一个 1000K 的黑体辐射源,要求温
度测量和控制的精度在 2.5K 以内。要保证 0.5%的辐射精度,则要求
温度的控制精度大约为 0.1%,即对 1000K 而言,要求温度测量和控
制的精度达 1K 左右。
由此可见,对黑体温度的控制和测量的好坏,直接影响到黑体的
性能。为此通常对黑体要提出控温精度和温度稳定性的要求。由于黑
体内的温度不可能是完全恒定的,所以测温点的选择就非常重要。一
般规定:对圆柱形腔,测温点取在腔的底部中央;对圆锥形腔,测温
点一般取在锥顶点处;而对球形腔,测温点则取在开口的对称中心位
置。温度计一般用热电偶或铂电阻温度计。
·降低黑体前表面的辐射
黑体的前方,紧挨开口处应放置光阑盘,且用水冷,以降低黑体
前表面的辐射。
由于光阑的存在,使黑体有一定的使用视场,如图 4-9 所示。通
常在标定黑体时,只标定腔底的温度。一般腔的底部及光阑决定了它
的视场。若恒温区较稳定且较长,则黑体的视场就可变大。一般要在
黑体的视场范围内使用。
圆柱型腔 光阑
视场
图4-9黑体视场的示意图
恒温区
总之,对黑体辐射源有如下一些指标要求:有效发射率、温度范
围、孔径尺寸、加热时间、温度稳定性、控温精度、恒温区、视场、
重量及尺寸等。要根据使用的场合和目的,合理地选择和设计黑体。
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2、常用的黑体类型
按工作温度范围:①高温黑体,工作温度大约为 1273K 以上,它的
辐射主要在近红外波段;②中温黑体,工作温度大约在 323-1273K,
它的辐射主要在中红外波段;③常温黑体,工作温度大约在 223-323K,
它的辐射主要在远红外波段;④低温黑体,工作温度大约为 223K 以下,
它的辐射主要在极远红外波段。
按辐射腔口的口径尺寸:①小口径黑体,腔口直径大约为 10mm 左
右,主要作为点源类辐射源用于实验室或野外的辐射测量校准;②大
口径黑体,腔口直径大约为 50mm 左右,主要红外辐射计、红外测温仪、
红外热像仪的标定标准辐射源;③面源黑体,口径大于 100mm,主要
用于红外焦平面阵列器件、红外热成像、红外辐射计、红外测温仪等
设备的标定标准辐射源。
HFY-200C 型主要技术指标:
·温度 范围:室温+5℃~1000℃
·温度分辨率:0.1℃
·有效发射率:0.99
·温度精确度:±1.5%(<600℃)
±0.25%(>600
℃)
·黑体光栏:Ф0.3~Ф10mm(可选)
·传 感 器:K 型热电偶
·外形尺寸:380×255×290mm/重量:9Kg
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HFY-201A 型主要技术指标:
·温度范围:100℃~999℃
·黑体开口:Ф50mm
·温度分辨率:0.1℃
·有效发射率:0.99
·温度精确度:±1.5℃(<600℃)
±0.25%t
(>600℃)
·传 感 器:K 型热电偶
·外形尺寸:480×305×450mm/重量:20Kg
4.3 实用红外辐射源
实验室和光谱仪器中常用的红外辐射源:能斯脱灯、硅碳棒、钨
丝(带、管)灯、氙灯、汞灯和各种气体放电灯等等。
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4.3.1 电热固体辐射源
1、能斯脱灯
能斯脱灯常作为红外分光光度计中的红外辐射源。
构造:能斯脱灯的发光体是(用氧化锆,氧化钇,氧化铈和氧化
钍的混合物烧结而成的)一种很脆的圆柱体或空心棒状,用很稳定的
直流或交流供电加热。
工作:室温下它是非导体,预热(火焰或电加热)到 800℃时,
开始导电。具有负的电阻温度系数,在电路中需要加镇流器,防止灯
芯烧坏。
特性:辐射输出与 900℃黑体之比所表示的光谱特性曲线如图
4-14 所示。可以看出,在 1~6μm 波段内类似于选择性辐射体,光谱
发射率很小;而从 7~15μm 波段就接近于黑体辐射,其光谱发射率约
为 0.85。能斯脱灯的光谱发射率如图 4-15 所示。
优点:寿命长,工作温度高,黑体特性好、不需要水冷。
缺点:机械强度低,稍受压易损坏。空气流动容易引起光源温度
的变化等。
典型数据:功率消耗 45W、工作电流 0.1A;工作温度 1980K;尺
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寸为 3.1mm(直径)×12.7mm(长度)。
2.硅碳棒
构造:硅碳棒是用碳化硅做成的圆棒,其两端做成银或铝电极。
工作:用 50V-5A 的电流输入,同样需要镇流器。由于它在室温下
是导体,加热电流可直接通过它,不需要进行预热。
特性:辐射输出与 900℃黑体之比所表示的光谱特性曲线如图
4-16 所示。图 4-17 示意了硅碳棒的光谱发射率与波长的关系。在 2~
15μm 波段内的平均发射率值约为 0.8。
特点:空气中的工作温度一般在 1200~1400K,寿命约为 250h。
缺点:最高工作温度较低,需要镇流设备;碳化硅材料的升华,
会使材料粉末沉积在光学仪器表面上,不能靠近精密光学仪器附近工
作;工作时需要水冷装置,耗电量较大。
3.钨丝灯、钨带灯和钨管灯
近红外测量中常用的辐射源。主要应用于光度测量、光辐射测量、
光谱学、旋光测定、分光测定、比色测量、显微术和闪光灯等。
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钨丝灯:由于玻璃泡透过区域的限制,辐射波长通常在 3μm 以下。
为延长红外波段,可将钨丝装在充满惰性气体并带有透射窗口的灯泡
内。灯丝可做成各种形状。使用时,供电电源要求稳定。
钨带灯:将钨带通电加热而使其发光的光源。通电加热后,钨带
的温度分布不均匀,两端靠近电极支架处温度较低,中间温度较高,
测量时选择温度均匀的中心部分处的钨带辐射。
钨带电阻很小,要求低电压、大电流且稳定的供电电源。
钨管灯:由一根在真空或氩气中通电加热的钨管做成。真空灯的
温度可达 1100℃,充氩灯的温度可达 2700℃。
钨管灯的温度变化很小。因此,钨管灯是最接近黑体的辐射源之
一,常被用作光谱分布标准光源。
红
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4.乳白石英加热管
乳白石英加热管是一种新型红外加热元件。
与碳化硅辐射元件相比,乳白石英加热管用作红外辐射源有如下
特点:
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·发射率高,具有选择性发射。在 4~8μm 和 11~22μm 波段内,
光谱发射率达到 0.92;在 8~11μm 内有较强的选择反射光谱带。如
图 4-19 所示。
·热容量小,热容量仅为碳化硅及金属管的十分之一。升温降温
快,只需 7~10min(碳化硅需 30~35min)。
·工作温度范围广,通常为 400~500℃,也可制作表面温度为 750
℃以下、100℃以上的加热辐射源。
·乳白石英加热管不存在基体与涂层之分,表面纯净洁白,可用
在工艺卫生要求高的场所。
·热膨胀系数低,有优良的抗热震性能和电绝缘性能,有很好的
化学稳定性;但机械强度和耐冲击性能较差。
4.3.2 气体放电辐射源
当电流通过气体媒质时,会产生放电现象,利用这种放电现象可
制作辐射源。
1.水银灯
水银灯是利用水银蒸气放电制成的灯的总称。按水银的蒸气压强
红
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物
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不同,可分为低压水银灯、高压水银灯和超高压水银灯。
高压水银灯:水银汽压为 0.1~0.5MPa;超高压水银灯:水银汽
压为 1~2Mpa。称为。
低压水银灯的辐射主要是紫外辐射,随着水银蒸汽压的升高,红
外区的辐射增加。当压强超过 20Mpa 时,红外辐射占全部辐射的 34%。
超高压水银灯是良好的近红外辐射源。
超高压水银灯(不同水银气压下的)相对光谱分布如图 4-22 所示。
2.氙灯
利用氙气放电制成的辐射源叫做氙灯。典型的超高压短弧氙灯的
光谱分布示于图 4-25。
这种灯的工作气压在 0.5~3.0MPa 之内,它的实际光谱与太阳光
谱很接近,在近红外也是很强的辐射源。
红
外
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理 3.碳弧
碳弧是开放式放电,电弧发生在大气中的两个碳棒之间。碳弧的
光谱是由炽热电极的连续光谱和气体混合物的特征线、带光谱迭加而
成。
图 4-26 示出了作为标准的普通碳弧的相对光谱分布。除了在
0.38~0.39μm 的氰带之外,其光谱与 3800K 的黑体十分接近。
4.4 红外激光器
激光器光源与普通光源相比,激光具有方向性好、亮度高、单色
性和相干性好等特性。
4.4.1 激光的特性
激光与普通光源相比,有如下几个特点:
1.激光的方向性好
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激光发射的光束发散角很小,一般为 10-6sr。所以激光的方向性
很强,光束的能量在空间高度集中。
2.激光光束具有高亮度
除激光光束很小外,有些激光器可使能量集中在很短的时间内发
射(约 10-9s内),瞬时功率很大,所以激光光源可具有非常高的亮度。
3.单色性好
谱线宽度很窄。普通光源中单色性最好的氪灯(Kr86),所发出红
光的波长 =605.7nm,其谱线宽度为 4.7×10 -4nm。单模稳频氦氖激光
器发出的激光波长=632.8nm,其谱线宽度可窄至 10-8nm。
4.相干性好
单模稳频的氦氖激光器的相干长度可达几十千米。由于相干长度
越长,波列维持的时间越长,所以激光时间相干性好。除时间相干性
外,激光光束还具有很好的空间相干性,即在辐射场的空间波场中,
波前各点都是相干的,所以激光器是理想的相干光源。
4.4.2 常用的激光器
任何种类的激光器,其基本结构必然包括三个主要组成部分。
1.工作物质:用来在特定能级间实现粒子数反转并产生受激发射。
2.汞浦装置:用来激励工作物质,使其产生并维持特定能级间的
粒子数反转和相应的受激发射。
3.光学谐振腔:其作用是保证受激发射光子在腔内产生持续的激
光振荡,此外还对振荡光子的特征(频率,方向等)加以限制,以保
证激光输出的高定向性和高单色性。
由于激光器所采用的工作物质和汞浦方式以及使用目的和工作方
红
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式的不同,大致可分为如下四种:
1.单次脉冲式工作方式:按此方式,工作物质的激励以及激光发
射,均是一个单次脉冲的过程,一般的固体激光均以此方式工作,可
获得大能量激光输出。
2.重复脉冲方式工作:激励是采取重复脉冲的方式进行,故可获
得相应的重复脉冲激光输出。
3.连续方式工作:工作物质的激励和激光的输出均是连续的。
4.Q 突变工作:这是一种特殊的超短脉冲工作方式,其特点是将单
次激光能量压缩在极短的振荡时间内输出,从而可获得极高的脉冲输
出功率。
按照激光器采用的工作物质、泵浦方式、工作方式和输出波段的
不同,可对激光器进行不同的分类。
1.按工作物质分:分为固体(含半导体)、液态(含染料)、气体
(含分子的、原子的、离子的)激光器。
2.按泵浦方式分:分为光泵式,电光式,化学反应式等激光器。
3.按工作状态分:分为脉冲式,重复脉冲式,连续式和 Q 突变式
激光器。
4.按输出波长来分类:可分为紫外,可见,红外和远红外激光器。