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详细解读一下黑体辐射源与黑体的区别

2018-11-23

   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完全吸收。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最高,园柱次之,圆锥最低。这是因为球形腔体内反射次数最多的缘故。

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