Источники и приемники излучения - Ишанин Г.Г.
ISBN 5-7325-0164-9
Скачать (прямая ссылка):
ХОДОМ.
f 1.1. Тепловые источники излучения
Черное тело, коэффициент теплового излучения полости. Черным телом (ЧТ) называется излучатель, поглощающий все падающее на него излучение. ЧТ — эталонный источник потока излучения. Его применяют для паспортизации различных Приемников излучения (ПИ), для определения характеристик пропускания и поглощения различных материалов, а также спектральных характеристик монохроматоров, для контроля пирометров и радиометров и других измерительных приборов.
За эталон ЧТ принято потому, что мощность, излучаемую им, можно подсчитать с помощью законов теплового излучения.
Б
Поскольку по закону Кирхгофа отношение спектральной плотности энергетической светимости (СПЭС) и спектрального коэффициента поглощения есть величина постоянная для данной температуры и длины волны, а спектральный коэффициент поглощения ЧТ равен единице, то СПЭС ЧТ является максимально возможной для данных Т и X. Именно поэтому ЧТ называют полным излучателем.
В природе ЧТ не существует. Однако искусственно удается создать излучатели, свойства которых приближаются к свойствам ЧТ.
Модель ЧТ можно получить в виде замкнутой полости с небольшим отверстием в ней. Попадающее внутрь такого источника излучение многократно отражается на стенках и сильно поглощается. Чем меньше входное отверстие, тем меньше вероятность выхода излучения из полости, т. е. тем больше коэффициент поглощения. Такой излучатель по своим свойствам приближается к ЧТ.
Излучение полого источника всегда больше излучения плоского источника. Различия излучательной способности вогнутой поверхности (или полости) и гладкого плоского образца можно охарактеризовать эффективным коэффициентом теплового излучения, или коэффициентом почернения у (Я, Т) > 1.
В соответствии с законом Кирхгофа можно записать еп Т\ - М(*. Т) М(Х, Г) М’(Х, Т)
' 1 ' Ма (Я, Т) ~ М' (X, Т) М° (X, Т) ~ f 1 'е ^Л' 1 >’
где у (X, Т) — коэффициент почернения; М' (X, Т) — СПЭС плоского образца; М (X, Т) — СПЭС полого излучателя; е' (X, Т) -коэффициент теплового излучения плоского образца; М° (X, Т) — СПЭС ЧТ.
Поскольку СПЭС любого тела меньше СПЭС ЧТ, то у (X, 7’) х хе' (X, Г)< 1.
Излучение полой сферы с отверстием на поверхности. Другие виды излучающих поверхностей. Часто излучение любой полости приближенно оценивают приведением ее к равновеликой сферической поверхности, причем поверхность' полостей и площади отверстий должны быть равными. Поэтому рассмотрим излучение сферы, па поверхности которой сделано круглое окно для выхода излучения.
Эффективный коэффициент теплового излучения сферы равен
Jji _ „ _ 1 rJ?
г’
где m — .S/Scjj, < 1; S ~ 5Сф— 5огв —поверхность полости;
V — координаты точки полости; L„ (Т) — собственная яркость плотьдки d5; р — коэффициент отражения полости.
Величил.ч m определяется диаметром отверстия, поэтому излучение зависит от него. Если отверстие уменьшается, то m -*¦ 1,
Рис. 1.1. Виды излучающих полостей
при этом е8ф -* 1. Чтобы получить коэффициент излучения близким к единице, необходимо иметь большую полость и малое отверстие.
Полости изготавливают из различных материалов (стали, алюминия, меди), обладающих хорошей теплопроводностью для получения Т — const по всей полости. Их формы могут быть различными (рис. 1.1). Поверхность обычно выполняют шероховатой и оксидированной.
Черные тела снабжаются набором диафрагм разного размера, которые охлаждаются либо водой, либо воздухом. В последнем случае они имеют радиаторы. Небольшие изменения формы полости слабо влияют на коэффициент излучения.? Более важно поддерживать постоянной температуру внутри полости' (изотермическая полость). Температуру измеряют термометрами или термопарами. Если температура ЧТ выше 1273 К, то обычно используют керамику. К хорошим результатам приводит изготовление ЧТ на основе конической поверхности с углом при вершине, меньшим или равным 15°. Если конус выполнен с коэффициентом излучения материала е — 0,7—0,75 и ^ = 5°, то эффективный коэффициент излучения ЧТ будет больше 0,99.
Приближенная формула расчета коэффициента излучения конической поверхности имеет вид е8Ф яй 1 — р |(.Р2/4/г)/(1 -f -f D2/4/2) 1, где D —выходной диаметр конуса; I — длина конической поверхности (рис. 1.2). Хорошие параметры имеют излучатели в виде трубок с малым отверстием или узкой щелью на цилиндрической поверхности.
На рис. 1.3 представлена конструкция эталонного ЧТ. В основу Ч Г положена шероховатая коническая полость 11, выточенная в медном цилиндрическом стержне 6, с углом при вершине, равным 15°. Вокруг стержня Рис_ , 2. Коническая излу-размещена нагревательная спираль 5 чающая плоскость
10
Рис. 1.3. Конструкция эталонного черного тела''
с переменным шагом, который позволяет поддерживать постоянную температуру по всей длине ЧТ: шаг меньше у кондов, где теплоотвод повышен За счет оксидирования коэффициент излучения конической поверхности доводится до 0,7. Температуру ЧТ измеряют два термистсоа 9, помещенные внутри полости. На выходе ЧТ установлено защитное окно 3, прозрачное для рабочего спектрального диапазона. Окно и теплоизолирующий асбестовый слой 4 уменьшают тепловые потерн. Излучатель имеет сменные калиброванные диафрагмы 2 или револьверную головку с переменными диафрагмами. В передней части ЧТ установлены диафрагмы — радиаторы }, охлаждаемые воздухом. Для лучшего охлаждения корпус имеет ребра 10, Слой из слюды 7 изолирует обмотку относительно конуса. Крышка 8 закрывает выводы термисторов.
