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黑体型辐射源

发布时间:2014-10-22 11:30:12点击数:

基尔霍夫定义的黑体是一个理想化的物理模型,它的比辐射率为1,且与波长无关,而且是理想的漫发射体。这样,黑体可以用来作为与其它辐射源比较的基准。我们虽然无法制作出这样一个严格意义上的黑体,但我们可以制作一个尽可能接近绝对黑体的辐射源,比如它的比辐射率非常接近1,而且在一定的光谱范围内与波长无关,在一定的空间辐射范围内遵循朗伯余弦定律。这样的辐射源本质上应是灰体,或者应确切地称之为黑体型辐射源。多年来,红外领域的工作者都把这类黑体型辐射源称为黑体,约定俗成,黑体型辐射源这一更为确切的名称反而不常使用了。
 
1860年,基尔霍夫提出了制作黑体必须满足的条件。他指出,在一个等温密封腔内的辐射就是黑体辐射。所以,如果在密封腔壁上开一小孔,小孔发出的辐射应该是逼真地模拟了黑体辐射。他进一步指出,无论密封腔的几何形状或制作材料如何,都不影响这个结果。重要的是,密封腔要是真正等温的,同时,小孔的面积比密封腔内表面的面积要小得多。

       图1.14 人造黑体原理

绝对黑体要求对任何波长的辐射100%吸收,材料本身无法做到这一点,但是,入射到密封腔小孔的的辐射却能被密封腔壁完全吸收。红外测温仪
如在等温容器A上开一个小孔B,所有由小孔B入射的光线经过多次反射才能由B射出。当腔壁的反射率较小,反射次数较多时,只有极小部分的光才能从B射出。例如把A的内表面涂黑,设吸收率为0.9,反射率为0.1,经三次反射后,它就吸收了入射光的0.999,已经非常接近黑体了。因此,只要满足腔壁近似等温,开孔比腔体小得多,就有可能制作一个黑体源。      
                               

黑体腔的有效比辐射率

根据黑体空腔理论,增加空腔辐射面积,改善空腔内部温度均匀性,提高腔壁材料发射率是提高空腔有效发射率的重要因素。黑体的有效比辐射率可通过计量标定和理论计算得到。
 
Gouffe对黑体设计问题作了分析,虽然他的某些方法的合理性尚有争议,大多数叙述作为校准标准的高精度黑体结构的文章,都利用了Gouffe的方法来计算有效比辐射率。
 
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。

Gouffe公式计算得出的结论是:对于给定的L/r值,表面积最大的腔体的有效比辐射率最高,其腔体效应是极为明显的。              红外线测温仪
 
腔体的有效比辐射率总是超过其腔壁的比辐射率,腔壁材料比辐射率较低时,增加腔长/开孔半径之比,可明显改善腔体的有效比辐射率。以L/r等于6的圆锥腔体为例:
 
    表1.5 不同腔长/开孔半径比和腔壁材料制成圆锥黑体的有效比辐射率
      
腔长/开孔半径L/r 腔壁比辐射率ε 腔体有效比辐射率ε '
6 0.9 0.995
6 0.1 0.53
40 0.1 0.93
 
对给定L/r值,球形腔体有效比辐射率最高,但制作较难,也难以均匀加热。因此,园柱或圆锥腔体结构还是经常采用的。开孔较小的点源黑体可以把整个腔体做成圆锥状,一些大口径的黑体面源的有效辐射面和附罩加工成同心V型槽,V型槽的深度远大于槽的宽度,即有较大L/r值。