发布时间 : 星期三 文章红外辐射和辐射源-中科院上海技术物理研究所 - 图文更新完毕开始阅读f9b46df6970590c69ec3d5bbfd0a79563c1ed4b4
喷气发动机或火箭的尾焰是典型的选择性辐射体。在燃气流中，主要的燃烧物是二氧化碳和水蒸汽，它们产生了特有的分子发射带。二氧化碳强谱带在4.3微米,较弱谱带分别在2.7微米和15微米。水分子强谱带靠近2.7微米和6.3微米。4.3微米二氧化碳发射带的辐射强度约为2.7微米水分子发射带强度的3倍。对各种火焰的测量表明，这个比值可以从2.5至10,主要与所用的材料有关。从探测角度看，考虑到太阳光线干扰和大气透过，4.3微米二氧化碳发射带也比2.7微米水分子发射带更有用。
如按严格定义，黑体的比辐射率在全光谱范围内应恒等于1，灰体的比辐射率应恒等于一个常数，几乎所有材料都是选择性辐射体。但许多材料在有限的光谱区间的辐射特性完全可看成灰体，这样可以简化计算。
1．4．3．2 常用材料的比辐射率
从基尔霍夫定律可得出结论：在给定温度下，任何材料的比辐射率在数值上等于该温度时的吸收率。
根据能量守恒定律，入射的辐射能等于吸收、反射、透过能量之和，即：
??????1 （1.4.19） 对于不透辐射材料??0,???，所以有：
??1?? (1.4.20)
由于直接测量比辐射率比较困难，可通过测量反射率来间接测量比辐射率。
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常用材料的比辐射率如表所列，由表可见：
1）金属材料的比辐射率均较低,但随温度而增加,并且当表面形成氧化层后,比辐射率成十倍或更大倍数增加。
2）非金属的比辐射率要高些，一般大于0.8,并随温度的增高而减小。 3）金属或其他非透明材料的辐射发生在表面几微米内,因此,比辐射率与材料尺寸无关,主要与表面状态有关。表面涂复或刷漆对比辐射率有影响，表面的油膜、污垢、灰尘、擦伤都能引起比辐射率测量值的变化。 4）比辐射率是有方向性的，必须分别定义半球、定向、法向等三类不同的比辐射率。由于这三类比辐射率的差别较小，除磨光金属外，其差都可忽略。对磨光金属，半球比辐射率约比法向值大20%，但由于很少用磨光金属做辐射源，一般就不特别注明了。
同样一种材料在不同波段的比辐射率的差异很大，雪就是一个典型例子。表中给出雪的比辐射率为0.85，这是在红外波段测得的平均结果。雪在阳光照射下显得十分耀眼，说明雪在可见波段是很好的漫反射体，由于吸收很少，根据基尔霍夫定律，它的比辐射率应该很低。太阳辐射相当于6000K黑体，其辐射的峰值波长在0.5微米处,整个辐射能量98％处于0.15到3微米的波段内。由于人眼只对可见光敏感, 最敏感的波长在0.5微米左右，阳光下我们观察到的雪确实应该是白的。
比辐射率定义为辐射源的辐射出射度与具有同一温度的黑体的辐射出射度之比。表中给出的雪的比辐射率值是在－10℃时测得的，该温度下的黑体辐射的峰值波长在11微米，且整个辐射能量约有98％处于3微米到70微米的波段内。因此，表中给出的雪的比辐射率主要反映雪在红外波段的发射本领。可惜人眼不能感知红外，否则雪应该是“黑”的。
像卫星那样的航天飞行器进入日照区时，星体大量吸收太阳辐射的能量，舱内迅速升温。进入阴影区后，星体又向深冷太空辐射能量，舱内急剧降温。我们可充分利用星体的壳体材料在太阳辐射波段和壳体热辐射波段发射能力的差别，对星体结构进行热控设计，减小舱内环境温度的波动。热控设计时，壳体材
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料对太阳辐射的吸收率?以及在低温（300K）辐射时的比辐射率?是非常重要的参数。
内部没有能量散逸的卫星称为被动式卫星，其平衡温度仅取决与?/?值。?/?值高的为“热卫星”，?/?值低的为“冷卫星”。对于有能量散逸的主动式卫星，必须考虑其他一些因素，但决定它们的平衡温度时，?/?仍是最重要的一个量。
比较一下磨光铝板和白色氧化钛涂料的?/?值，就能明白：为什么许多飞机为降低停放地面时太阳照射产生的内部高温，都涂以涂层。美国双子星座载人飞船以制动舱和设备舱外蒙皮为辐射散热面, ?为0.9，对太阳辐射的吸收率?为0.187。其?/?值为0.21，对舱内的红外探测仪器比较有利。
1．5 黑体型辐射源
1．5．1 黑体和黑体型辐射源
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绝对黑体的辐射源，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
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