黑体和黑体辐射源

　　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。

　　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*吸收。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。

　　人造黑体辐射源的原理

　　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。

　　设球型、园柱型和圆锥型腔体具有相等的L/r(腔长与开口半径比)，用Gouffe公式可计算并比较它们的有效比辐射率。可以发现：球形黑体有效比辐射率高，园柱次之，圆锥低。这是因为球形腔体内反射次数多的缘故。