紅外輻射源課件

第四章紅外輻射源紅外輻射源人造輻射源（“源”）自然輻射源(“背景”）標(biāo)準(zhǔn)輻射源工程用輻射源天體、地面景物、大氣等艦船、飛行器、工業(yè)目標(biāo)等紅外系統(tǒng)探測的對象目標(biāo)源§4.1腔體輻射的Gouffé理論基爾霍夫定律證明密閉空腔內(nèi)的輻射就是黑體輻射。腔體輻射理論是制作黑體源的理論基礎(chǔ)。

Gouffé和Devos在1954年分別提出了各自計算開孔空腔有效發(fā)射率的理論。腔壁反射的輻射功率:x點(diǎn)的輻射出射度:腔孔的有效吸收率：腔孔的有效發(fā)射率：腔孔的有效發(fā)射率的計算就歸結(jié)為從腔孔逸出的總輻射功率的計算。設(shè)一開孔空腔如圖所示。P0在x處產(chǎn)生的輻射照度：第一次反射從腔孔中逸出的輻射功率:經(jīng)第一次反射后,留在腔內(nèi)的輻射功率為:留在腔內(nèi)的輻射功率被腔壁第二次反射,反射的功率:假設(shè)均勻地輻照在空腔內(nèi)壁,那么第二次從小孔逸出的功率:第二次反射部分,留在腔內(nèi)的輻射功率:第三次反射后,從小孔逸出的功率:其中:腔孔的有效反射率為:腔孔的有效發(fā)射率為:二.角度因子⑵圓孔圓柱形腔⑶圓孔球形腔把球形腔的面積記為S0四.簡化公式對腔壁材料:令:對球形腔:腔孔的有效發(fā)射率只和材料的發(fā)射率以及有關(guān).五.根據(jù)數(shù)圖簡易計算腔孔的發(fā)射率例2：l/R=6,材料的發(fā)射率為0.6,腔體為圓孔圓柱形.腔孔的有效發(fā)射率是多少?球形腔體:圓柱形腔:六.討論⑴腔體效應(yīng):腔孔的有效發(fā)射率大于材料的發(fā)射率;⑵材料:材料的發(fā)射率越大,腔孔的發(fā)射率越大;⑶腔體深度:l/R越大,腔孔的發(fā)射率越大;⑷腔體形狀:腔體內(nèi)表面積越大,腔孔的發(fā)射率越大.在其它條件相同的情況下,球形腔>圓柱>圓錐.七.改進(jìn):限制開孔面積擴(kuò)大腔內(nèi)表面面積一.黑體輻射源的分類按輻射腔口的口徑尺寸來分類:大型：Ф≥100mm；中型：Ф≈30mm；小型：Ф≤10mm。按工作溫度的范圍來分類高溫：2000～3000K；中溫：500～900K；低溫：200～400K。二.黑體型輻射源的結(jié)構(gòu)HFY-100型主要技術(shù)指標(biāo):●測溫范圍：180-320K（F22熱管）

●黑體開口：Ф50mm

●傳感器：Pt100,Pt1000

●控溫測溫精度：±0.1K

●溫度穩(wěn)定性：±0.05K/h

●空腔軸向溫度均勻性：±0.1K(L在2/3腔長內(nèi)）

●黑體空腔有效發(fā)射率：≥0.999

●用交流隔離變壓器降壓、分壓,加熱功率300W左右

●尺寸(mm)／重量(kg)：Ф129*400/4主要用途：

模擬空間冷背景、高真空的環(huán)境中，航天、星載紅外遙感儀器的定標(biāo)。低溫黑體輻射源腔式黑體：溫度范圍：-40-1400度

輻射系數(shù)：0.97-0.9999穩(wěn)定度：

0.1-0.25度

口徑：

0.25-2英寸面源黑體:溫度范圍：50-800度

穩(wěn)定度：0.1-0.25度輻射系數(shù)：0.9+0.05/-0.01

輻射面尺寸：2-14英寸美國光電工業(yè)公司

ElectroOpticalIndustries,Inc.三.設(shè)計黑體型輻射源的幾個問題1.腔形的選擇球形腔發(fā)射率最大,但是難以加工,也不容易均勻加熱.圓柱和圓錐形腔相對易于加工和均勻加熱.一般取l/R≥6,但是太大也不易均勻加熱.2.腔芯材料的選擇一般要求:⑴具有高的熱導(dǎo)率,以減小溫度梯度;

⑵具有穩(wěn)定的表面性質(zhì);

⑶具有較高的發(fā)射率.四.黑體輻射源的低頻調(diào)制

探測器一般測量的是輻射源產(chǎn)生的輻射照度,直接測量得到的是直流信號.如果需要,可以通過在黑體輻射源的出口處加斬波器,對信號加以調(diào)制,可以得到交變信號.§4.3實(shí)用紅外輻射源一.電熱固體輻射源理想的紅外輻射源應(yīng)該滿足兩個基本條件：

⑴良好的光譜分布。在整個測定波長領(lǐng)域，要有均一且平滑的連續(xù)的分布，即在各波長都能發(fā)射出同等強(qiáng)度的光且不隨時間而改變。

實(shí)際使用的紅外輻射源通常在某一較寬的光譜區(qū)接近于上述條件，而電熱固體輻射源是在紅外光譜區(qū)較為實(shí)用的輻射源。⑵一定的輻射功率。紅外輻射源發(fā)出的輻射經(jīng)過媒介的吸收、散射和光學(xué)系統(tǒng)的色散后，到達(dá)探測器的能量要求不致太弱，能被檢出。1.能斯特?zé)粞趸啠╖rO2）氧化釔（Y2O3）和氧化釷（ThO2）等燒結(jié)制成的中空或?qū)嵭膱A棒。直徑一般在1-3mm左右，長約20-50mm；材料和形狀：常溫下是非導(dǎo)體，使用前預(yù)熱到800C；工作狀況：工作溫度在1300－2100C工作電流：0.05-1.2A優(yōu)點(diǎn)：發(fā)光強(qiáng)度大；壽命長(可達(dá)2000小時)；特別適用于用作紅外分光光度計的輻射源。缺點(diǎn)：材料機(jī)械強(qiáng)度低，需要預(yù)熱。能斯特?zé)舻墓庾V特性能斯特?zé)舻墓庾V在1－6μm波段類似于選擇性輻射體，光譜發(fā)射率較低；在7－15μm波段接近于黑體，平均光譜發(fā)射率0.85。2.硅碳棒硅碳棒是用碳化硅（SiC）做成的圓棒。一般硅碳棒的直徑為6～50mm，長度為5～100cm。兩端度鋁作為電極。材料和形狀：工作狀況：工作溫度一般在1200～1500K壽命：250h～1000h大功率的硅碳棒作光源，其兩端需要用水冷卻電極接觸點(diǎn)。最高工作溫度較低；由于碳化硅材料的升華會使材料粉末沉積在光學(xué)儀器表面上；工作時需要水冷裝置，耗電量較大。缺點(diǎn)：硅碳棒在長波輻射效率高于能斯特?zé)?，因而使用波長范圍較能斯特?zé)魧挕９鹛及舭l(fā)光面積大，價格便宜，操作方便。優(yōu)點(diǎn)：硅碳棒的光譜特性在2－15μm波段接近于黑體，平均光譜發(fā)射率0.8。3.鎢燈⑴鎢絲燈鎢絲燈是近紅外測量中常用的輻射源。但由于玻璃泡透過區(qū)域的限制，這種燈的輻射波長通常在3μm以下。⑵鎢帶燈鎢帶燈是將鎢帶通電加熱而使其發(fā)光的光源。鎢帶常做成狹長的條形，寬約為2mm，厚度約為0.05mm左右。⑶鎢管燈鎢管燈是由一根在真空或氬氣中通電加熱的鎢管做成的。真空燈的溫度可達(dá)1100℃，充氬燈的溫度可達(dá)2700℃。4.乳白石英加熱管乳白石英加熱管是以天然水晶為原料，在以石墨電極為坩堝發(fā)熱體的真空電阻爐中熔融（1740℃）拉制而成的。輻射特性:4－8μm、11－22μm兩個波段光譜發(fā)射率高達(dá)0.92二.氣體放電輻射源電流通過氣體媒質(zhì)時，會產(chǎn)生放電現(xiàn)象，利用這種放電現(xiàn)象可制作輻射源。1.水銀燈水銀燈屬于氣體放電光源，有低壓，高壓和超高壓之分。管內(nèi)除水銀蒸汽外還充有氖、氬等氣體，以利點(diǎn)燃?xì)怏w放電。大多用在可見光或紫外。2.氙燈氙燈是利用氙氣放電發(fā)光的氣體放電燈，燈的光譜能量分布接近于太陽光，是最接近日光的人造光源。在紅外區(qū)也有明顯的線狀光譜。脈沖氙燈長弧氙燈3.碳弧開放式碳弧，可見光區(qū)，發(fā)射率達(dá)0.99， 近紅外區(qū)發(fā)射率也可達(dá)到0.96，光譜分布接近3800K黑體。三.紅外激光器1．激光的方向性好2．激光光束具有高亮度3．單色性和相干性好激光與普通光源相比，有如下三個特點(diǎn)：1.CO2激光器CO2激光器是氣體激光器中少有的紅外激光器之一2.固體激光器和氣體激光器不同，大多數(shù)固體激光器的工作波長都是在紅外區(qū)域。PHOTONICS公司：1064nm波長的連續(xù)或調(diào)Q脈沖輸出的紅外激光器。⑴YAG激光器工作物質(zhì)：摻釹釔鋁石榴石 （Nd3＋：YAG）⑵釹玻璃激光器工作物質(zhì)：釹玻璃輸出波長:1.06μm輸出波長:1.06μm

⑶可調(diào)諧晶體激光器Co2＋：MgF摻鈷氟化鎂調(diào)諧范圍(1.6－2.3μm)、Ni2＋：MgF摻鎳氟化鎂調(diào)諧范圍(1.6-1.8μm）V2＋：MgF摻釩氟化鎂調(diào)諧范圍(1.05-1.3μm)、Cr3+：BeAl204金綠寶石調(diào)諧范圍(0.7-0.818μm)Ti3+：A1203摻鈦藍(lán)寶石調(diào)諧范圍(0