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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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：+1001000连续可调2）黑体空腔开口：50mm3）温度分辨率：0.14)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:0-4511)相对湿度:85%12)外形尺寸:350400450mmW13)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
6、.97-0.9999 稳定度：度 口径：0.25-2英寸,面源黑体:温度范围：50-800度 稳定度：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 Electro Optical Industries,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
7、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
8、斯特灯,能斯特灯的光谱特性,能斯特灯的光谱在16m波段类似于选择性辐射体，光谱发射率较低；在715 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215 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:48m、1122m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
9、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(1.62.3m)、Ni2：MgF 掺镍氟化镁 调谐范围(1.6-1.8m）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(0.7-1m)，Cr3：Mg2SiO4 镁橄榄石 调谐范围(0.85-1.4 m)。,3.半导体激光器,波 长：780nm、808nm、850nm、980nm。出瞳功率：1mW3W。工作电压：DC 3V、4.5V、5V、9V、12V,各种半导体激光器输出波长几乎可以覆盖各主要红外波段。而可调谐半导体激光器是半导体激光器中重要的一种。,
