第四章 红外辐射源
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
5
——红外技术及应用
在设计制造黑体型辐射源时， 应考虑以下几个问题。
• • • • • 1．腔形的选择 2．对腔芯材料加热的要求 3．腔体的等温加热 4．腔体的温度控制和测量 5．降低黑体前表面的辐射
6
来自百度文库
——红外技术及应用
黑体视场的示意图
图4-2 黑体视场的示意图
7
——红外技术及应用
4.2 其它红外辐射源
12
——红外技术及应用
• 4．乳白石英加热管 • • 乳白石英加热管是一种新型红外加热元件。 • 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。在熔融过程中，使气体在熔体中形 成大量的小气泡，故外观呈乳白色。乳白石英玻 璃材料耐热性能好（可耐200℃～1300℃高温）， 热膨胀系数低，有优良的抗热震性能和电绝缘性 能，此外，还具有很好的化学稳定性，但机械强 度和耐冲击性能较差。
• 下面主要介绍实验室和光谱仪器中常用的 红外辐射源，如能斯脱灯、硅碳棒、钨丝 （带、管）灯、氙灯、汞灯和各种气体放 电灯等等。
8
——红外技术及应用
•
• 1．能斯脱灯
4.2.1 电热固体辐射源
• 能斯脱灯常作为红外分光光度计中的红外辐射源。 它有寿命长，工作温度高，黑体特性好和不需要 水冷等特性。管子两端绕有铂丝，以作为电极与 电路的连接。 • 由于能斯脱灯都是细长的圆柱形，因而对分光光 度计狭缝的照明特别有用。能斯脱灯的主要缺点 是机械强度低，稍受压，就会损坏。 • 典型能斯脱灯的各项参数如下：功率消耗为45W、 工作电流为0.1A；工作温度为1980K；尺寸为 3.1mm（直径）×12.7mm（长度）。
13
——红外技术及应用
4.2.2 气体放电辐射源
• 当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 • 2．氙气 • 3．碳弧
14
——红外技术及应用
4.2.3 红外激光器
• 激光器是20世纪60年代发展起来的一种新型 光源。与普通光源相比，激光具有方向性好、 亮度高、单色性和相干性好等特性。激光器的 出现从根本上突破了以往普通光源的种种局限 性（如亮度低、方向性和单色性差等），赋予 古老光学技术以新的生命力，产生了许多新的 分支学科，如全息照相、光信息处理、非线性 光学等。本节将简单介绍激光的特性及常用的 红外激光器。
10
——红外技术及应用
硅碳棒
11
——红外技术及应用
• 3． 钨丝灯、钨带灯和钨管灯 • 钨丝灯是近红外测量中常用的辐射源。但 由于玻璃泡透过区域的限制，这种灯的辐 射波长通常在3μm以下。 • 钨带灯是将钨带通电加热而使其发光的光 源。钨带常做成狭长的条形，宽约为2mm， 厚度约为0.05mm左右。 • 钨管灯是由一根在真空或氩气中通电加热 的钨管做成的。真空灯的温度可达1100℃， 充氩灯的温度可达2700℃。
1
——红外技术及应用
• 4.1.1 空腔辐射理论
4.1 黑体型辐射源
• 基尔霍夫定律证明密闭空腔内的辐射就是黑体的 辐射。
• 腔体辐射理论是制作黑体源所涉及的基础，主要 有哥福（ Gouffé）理论、德法斯（ Devos ）理论 等。 • Gouffé在1954年提出了一个计算开孔空腔有效发 射率的表达式。 Devos在1954年给出了黑体辐射 源腔孔有效发射率的计算公式。
3
4.1.2 黑体辐射源
——红外技术及应用
• 典型的实用黑体型辐射源的构造如图 4-1所示 •
图4-1 三种典型的腔体结构
4
——红外技术及应用
• 如按辐射腔口的口径尺寸来分类，则可把 黑体型辐射源分为以下三类： • 大型：Ф≥100mm； • 中型：Ф≈30 mm； • 小型：Ф≤10 mm。 • 如按工作温度的范围来分类，则可把黑体 型辐射源分为以下三类： • 高温：3000～2000K； • 中温：900～500K； • 低温：400～200K。
15
——红外技术及应用
• • • • •
激光与普通光源相比，有如下三个特点。
1．激光的方向性好 2．激光光束具有高亮度 3．单色性和相干性好
16
——红外技术及应用
• 任何种类的激光器，其基本结构必然包括 以下三个主要组成部分： • （1）工作物质：用来在特定能级间实现粒 子数反转并产生受激发射。 • （2）抽运（泵浦）装置：用来激励工作物 质，使其产生并维持特定能级间的粒子数 反转和相应的受激发射。 • （3）光学谐振腔：其作用是保证受激发射 光子在腔内产生持续的激光振荡，此外还 对振荡光子的特征（频率、方向等）加以 限制，以保证激光输出的高定向性和高单 色性。
2
——红外技术及应用
• 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。因此，我们也就不可能制作出一 个绝对黑体。由前面的讨论可知，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。
17
——红外技术及应用
9
——红外技术及应用
• 2. 硅碳棒 • 硅碳棒是用碳化硅（SiC）做成的圆棒。一 般硅碳棒的直径为6～50 mm，长度为5～ 100cm。在空气中的工作温度一般在 1200～1400K，寿命约为250h。 • 硅碳棒的主要缺点是最高工作温度较低， 需要镇流的电源设备。同时，由于碳化硅 材料的升华效应，会使材料粉末沉积在光 学仪器表面上，因此它不能靠近精密光学 仪器附近工作。另外，工作时需要水冷装 置，耗电量较大等
——红外技术及应用 • 教学目的：对各种辐射源的了解在红外物理技术 的应用实践和工程设计中起着非常重要的作用。 本章讨论了作为标准用于校准的黑体型辐射源。 随后讨论了实验室常用的电热固体辐射源、气体 放电辐射源、红外激光器等其他标准辐射源。 • 教学方法：面授 • 教学手段：板书 • 学时分配：6 • 重点、难点： • 1.重点掌握黑体辐射源的空腔辐射理论和腔体结 构。 • 2.对电热固体辐射源、气体放电辐射源、红外激 光器的特性有必要的了解。
——红外技术及应用
在设计制造黑体型辐射源时， 应考虑以下几个问题。
• • • • • 1．腔形的选择 2．对腔芯材料加热的要求 3．腔体的等温加热 4．腔体的温度控制和测量 5．降低黑体前表面的辐射
6
来自百度文库
——红外技术及应用
黑体视场的示意图
图4-2 黑体视场的示意图
7
——红外技术及应用
4.2 其它红外辐射源
12
——红外技术及应用
• 4．乳白石英加热管 • • 乳白石英加热管是一种新型红外加热元件。 • 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。在熔融过程中，使气体在熔体中形 成大量的小气泡，故外观呈乳白色。乳白石英玻 璃材料耐热性能好（可耐200℃～1300℃高温）， 热膨胀系数低，有优良的抗热震性能和电绝缘性 能，此外，还具有很好的化学稳定性，但机械强 度和耐冲击性能较差。
• 下面主要介绍实验室和光谱仪器中常用的 红外辐射源，如能斯脱灯、硅碳棒、钨丝 （带、管）灯、氙灯、汞灯和各种气体放 电灯等等。
8
——红外技术及应用
•
• 1．能斯脱灯
4.2.1 电热固体辐射源
• 能斯脱灯常作为红外分光光度计中的红外辐射源。 它有寿命长，工作温度高，黑体特性好和不需要 水冷等特性。管子两端绕有铂丝，以作为电极与 电路的连接。 • 由于能斯脱灯都是细长的圆柱形，因而对分光光 度计狭缝的照明特别有用。能斯脱灯的主要缺点 是机械强度低，稍受压，就会损坏。 • 典型能斯脱灯的各项参数如下：功率消耗为45W、 工作电流为0.1A；工作温度为1980K；尺寸为 3.1mm（直径）×12.7mm（长度）。
13
——红外技术及应用
4.2.2 气体放电辐射源
• 当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 • 2．氙气 • 3．碳弧
14
——红外技术及应用
4.2.3 红外激光器
• 激光器是20世纪60年代发展起来的一种新型 光源。与普通光源相比，激光具有方向性好、 亮度高、单色性和相干性好等特性。激光器的 出现从根本上突破了以往普通光源的种种局限 性（如亮度低、方向性和单色性差等），赋予 古老光学技术以新的生命力，产生了许多新的 分支学科，如全息照相、光信息处理、非线性 光学等。本节将简单介绍激光的特性及常用的 红外激光器。
10
——红外技术及应用
硅碳棒
11
——红外技术及应用
• 3． 钨丝灯、钨带灯和钨管灯 • 钨丝灯是近红外测量中常用的辐射源。但 由于玻璃泡透过区域的限制，这种灯的辐 射波长通常在3μm以下。 • 钨带灯是将钨带通电加热而使其发光的光 源。钨带常做成狭长的条形，宽约为2mm， 厚度约为0.05mm左右。 • 钨管灯是由一根在真空或氩气中通电加热 的钨管做成的。真空灯的温度可达1100℃， 充氩灯的温度可达2700℃。
1
——红外技术及应用
• 4.1.1 空腔辐射理论
4.1 黑体型辐射源
• 基尔霍夫定律证明密闭空腔内的辐射就是黑体的 辐射。
• 腔体辐射理论是制作黑体源所涉及的基础，主要 有哥福（ Gouffé）理论、德法斯（ Devos ）理论 等。 • Gouffé在1954年提出了一个计算开孔空腔有效发 射率的表达式。 Devos在1954年给出了黑体辐射 源腔孔有效发射率的计算公式。
3
4.1.2 黑体辐射源
——红外技术及应用
• 典型的实用黑体型辐射源的构造如图 4-1所示 •
图4-1 三种典型的腔体结构
4
——红外技术及应用
• 如按辐射腔口的口径尺寸来分类，则可把 黑体型辐射源分为以下三类： • 大型：Ф≥100mm； • 中型：Ф≈30 mm； • 小型：Ф≤10 mm。 • 如按工作温度的范围来分类，则可把黑体 型辐射源分为以下三类： • 高温：3000～2000K； • 中温：900～500K； • 低温：400～200K。
15
——红外技术及应用
• • • • •
激光与普通光源相比，有如下三个特点。
1．激光的方向性好 2．激光光束具有高亮度 3．单色性和相干性好
16
——红外技术及应用
• 任何种类的激光器，其基本结构必然包括 以下三个主要组成部分： • （1）工作物质：用来在特定能级间实现粒 子数反转并产生受激发射。 • （2）抽运（泵浦）装置：用来激励工作物 质，使其产生并维持特定能级间的粒子数 反转和相应的受激发射。 • （3）光学谐振腔：其作用是保证受激发射 光子在腔内产生持续的激光振荡，此外还 对振荡光子的特征（频率、方向等）加以 限制，以保证激光输出的高定向性和高单 色性。
2
——红外技术及应用
• 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。因此，我们也就不可能制作出一 个绝对黑体。由前面的讨论可知，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。
17
——红外技术及应用
9
——红外技术及应用
• 2. 硅碳棒 • 硅碳棒是用碳化硅（SiC）做成的圆棒。一 般硅碳棒的直径为6～50 mm，长度为5～ 100cm。在空气中的工作温度一般在 1200～1400K，寿命约为250h。 • 硅碳棒的主要缺点是最高工作温度较低， 需要镇流的电源设备。同时，由于碳化硅 材料的升华效应，会使材料粉末沉积在光 学仪器表面上，因此它不能靠近精密光学 仪器附近工作。另外，工作时需要水冷装 置，耗电量较大等
——红外技术及应用 • 教学目的：对各种辐射源的了解在红外物理技术 的应用实践和工程设计中起着非常重要的作用。 本章讨论了作为标准用于校准的黑体型辐射源。 随后讨论了实验室常用的电热固体辐射源、气体 放电辐射源、红外激光器等其他标准辐射源。 • 教学方法：面授 • 教学手段：板书 • 学时分配：6 • 重点、难点： • 1.重点掌握黑体辐射源的空腔辐射理论和腔体结 构。 • 2.对电热固体辐射源、气体放电辐射源、红外激 光器的特性有必要的了解。