《红外辐射源》PPT课件.ppt

第四章红外辐射源 4 1腔体辐射的Gouff 理论 基尔霍夫定律证明密闭空腔内的辐射就是黑体辐射 腔体辐射理论是制作黑体源的理论基础 Gouff 和Devos在1954年分别提出了各自计算开孔空腔有效发射率的理论 腔孔的有效发射率 根据基尔霍夫定律 腔孔的有效发射率应该等于腔孔的有效吸收率 设想有一束辐射P0从腔孔入射到腔体内 入射辐射在腔体内经历若干次反射 每经一次反射都有一部分辐射功率从腔孔逸出 如逸出的总辐射功率为P 那么腔孔的有效反射率 腔壁反射的辐射功率 x点的辐射出射度 腔孔的有效吸收率 腔孔的有效发射率 腔孔的有效发射率的计算就归结为从腔孔逸出的总辐射功率的计算 设一开孔空腔如图所示 P0在x处产生的辐射照度 第一次反射从腔孔中逸出的辐射功率 经第一次反射后 留在腔内的辐射功率为 留在腔内的辐射功率被腔壁第二次反射 反射的功率 假设均匀地辐照在空腔内壁 那么第二次从小孔逸出的功率 第二次反射部分 留在腔内的辐射功率 第三次反射后 从小孔逸出的功率 第三次反射后 留在腔内的辐射功率 第n次反射后 从腔孔逸出的辐射功率 若干次反射后 从腔孔逸出的总的辐射功率 第四次反射逸出的辐射功率 其中 腔孔的有效反射率为 腔孔的有效发射率为 二 角度因子 三 三种典型腔体的A St 圆孔圆锥形腔 对圆形腔孔 圆孔圆柱形腔 圆孔球形腔 把球形腔的面积记为S0 四 简化公式 对腔壁材料 对球形腔 腔孔的有效发射率只和材料的发射率以及有关 五 根据数图简易计算腔孔的发射率 例1 已知l R 6 0 9的圆锥腔体 用数图近似计算其腔孔的有效发射率 例2 l R 6 材料的发射率为0 6 腔体为圆孔圆柱形 腔孔的有效发射率是多少 六 讨论 腔体效应 腔孔的有效发射率大于材料的发射率 材料 材料的发射率越大 腔孔的发射率越大 腔体深度 l R越大 腔孔的发射率越大 腔体形状 腔体内表面积越大 腔孔的发射率越大 在其它条件相同的情况下 球形腔 圆柱 圆锥 七 改进 限制开孔面积 扩大腔内表面面积 4 2黑体型辐射源 黑体型辐射源作为标准辐射源 广泛地用做红外设备的绝对标准 然而 黑体是一种理想化的概念 在自然界并不存在绝对的黑体 开有小孔的空腔很接近黑体 所以通常就把开有小孔的空腔叫做黑体辐射源 或标准黑体辐射源 它可以作为一种标准来校正其他辐射源或红外系统 一 黑体辐射源的分类 二 黑体型辐射源的结构 HFY 100型主要技术指标 测温范围 180 320K F22热管 黑体开口 50mm 传感器 Pt100 Pt1000 控温测温精度 0 1K 温度稳定性 0 05K h 空腔轴向温度均匀性 0 1K L在2 3腔长内 黑体空腔有效发射率 0 999 用交流隔离变压器降压 分压 加热功率300W左右 尺寸 mm 重量 kg 129 400 4 主要用途 模拟空间冷背景 高真空的环境中 航天 星载红外遥感仪器的定标 低温黑体辐射源 技术参数1 温度范围 100 1000 连续可调2 黑体空腔开口 50mm3 温度分辨率 0 1 4 温度稳定性 0 5 20分钟5 温度精度 0 15 满量程 6 冷却方式 风冷7 空腔有效分辨率 0 998 电源 220V 10 50HZ9 加热电流 6 7A10 使用环境温度 0 45 11 相对湿度 85 12 外形尺寸 350 400 450mmW13 重量 约18公斤 中温黑体辐射源 腔式黑体 温度范围 40 1400度辐射系数 0 97 0 9999稳定度 0 1 0 25度口径 0 25 2英寸 面源黑体 温度范围 50 800度稳定度 0 1 0 25度辐射系数 0 9 0 05 0 01辐射面尺寸 2 14英寸 美国光电工业公司ElectroOpticalIndustries Inc 三 设计黑体型辐射源的几个问题 1 腔形的选择 2 腔芯材料的选择 一般要求 具有高的热导率 以减小温度梯度 具有稳定的表面性质 具有较高的发射率 3 腔体的加热与温度控制 根据斯蒂芬 玻耳兹曼定律 黑体温度的控制直接影响到黑体的性能 因此黑体对温度控制的精度要求很高 整个黑体是恒温的 恒温区域越长越好 4 降低黑体前表面的辐射 为了减少腔孔附近的热损耗 或者根据需要选择源的辐射面积 常在腔孔处加有光阑盘 如果加有限制光阑 计算辐射必须以光阑面积为辐射面积 距离应该从光阑处开始计算 四 黑体辐射源的低频调制 探测器一般测量的是辐射源产生的辐射照度 直接测量得到的是直流信号 如果需要 可以通过在黑体辐射源的出口处加斩波器 对信号加以调制 可以得到交变信号 4 3实用红外辐射源 一 电热固体辐射源 实际使用的红外辐射源通常在某一较宽的光谱区接近于上述条件 而电热固体辐射源是在红外光谱区较为实用的辐射源 一定的辐射功率 红外辐射源发出的辐射经过媒介的吸收 散射和光学系统的色散后 到达探测器的能量要求不致太弱 能被检出 1 能斯特灯 能斯特灯的光谱特性 能斯特灯的光谱在1 6 m波段类似于选择性辐射体 光谱发射率较低 在7 15 m波段接近于黑体 平均光谱发射率0 85 2 硅碳棒 硅碳棒的光谱特性 在2 15 m波段接近于黑体 平均光谱发射率0 8 3 钨灯 4 乳白石英加热管 乳白石英加热管是以天然水晶为原料 在以石墨电极为坩埚发热体的真空电阻炉中熔融 1740 拉制而成的 辐射特性 4 8 m 11 22 m两个波段光谱发射率高达0 92 二 气体放电辐射源 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 水银灯属于气体放电光源 有低压 高压和超高压之分 管内除水银蒸汽外还充有氖 氩等气体 以利点燃气体放电 大多用在可见光或紫外 2 氙灯 氙灯是利用氙气放电发光的气体放电灯 灯的光谱能量分布接近于太阳光 是最接近日光的人造光源 在红外区也有明显的线状光谱 脉冲氙灯 长弧氙灯 3 碳弧 开放式碳弧 可见光区 发射率达0 99 近红外区发射率也可达到0 96 光谱分布接近3800K黑体 三 红外激光器 1 CO2激光器 CO2激光器是气体激光器中少有的红外激光器之一 2 固体激光器 和气体激光器不同 大多数固体激光器的工作波长都是在红外区域 PHOTONICS公司 1064nm波长的连续或调Q脉冲输出的红外激光器 可调谐晶体激光器 Co2 MgF掺钴氟化镁调谐范围 1 6 2 3 m Ni2 MgF掺镍氟化镁调谐范围 1 6 1 8 m V2 MgF掺钒氟化镁调谐范围 1 05 1 3 m Cr3 BeAl204金绿宝石调谐范围 0 7 0 818 m Ti3 A1203掺钛蓝宝石调谐范围 0 7 1 m Cr3 Mg2