04第四章红外辐射源

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 ，整个内表面面积（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 1g 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 总是大于腔壁材料的发射率 ——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 )/ tSA1()tS/1( A  ，则有 ，则有1]/)/1(/[1  tt SASA  ]/)/ tt SASA10 (/[ ，有 ，)k1(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数学表达式。 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 1w 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 0nC 0mC dw 1w 。 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 0nC 0mC dw 1w 。 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 红 外 物 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。 红 外 物 理 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 红 外 物 理 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。 红 外 物 理 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 红 外 物 理 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。 红 外 物 理 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 外 物 理 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： 红 外 物 理 ·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 外 物 理 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 物 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 红 外 物 理 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 外 物 理 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。