基尔霍夫辐射定律及其应用
红外辐射的基本定律之一。
维普资讯 http://www.cqvip.com ４ ２ 红 外 技 术 ●知识讲座● 基尔霍夫辐射定律及其应用 曹鼎 汉 德 国 物 理 学 家 基 尔 霍 夫 （ ｕｔ Ｇ ｓｖ ａＲ ｂｒ Ｋｉ ｈ ｏ ， １２ ￣ｌ８）早在其他 ｏ ｅｔ ｒ ｈ ｆ ８４ ８７ ｃ 一 ７ １ ） （） １ 其次，假设在光谱辐射时，相应地用 ， １ ２，…，和 ｌ ｃ， ２ ｉ ， ，。ｊ ｉ ｌ …分别表示 之，则有 Ｍ ｉ。 ｃ 科学家引入“ 黑体” 的概念以及用实验方法描 绘黑体辐射曲线和建立辐射基本定律的完整 公式之前，就曾开始研究物质的热特性，并 最终在研究辐射传输过程中，于 ｌ５ 年根 ８９ 据热平衡原理导出了关于热的转换的著名的 基尔霍夫辐射定律。 基尔霍夫辐射定律 （ 以下简称基 氏辐射 定律）指出：在热平衡条件 卜 ，所有物体在 一 Ｍ Ｉ。 １ ｃ２ Ｍ ｎ－－ ? ＝ Ｍ 一 。２ ｃｉ 。 ｃ ０ ｉ ＝Ｍ０ ／ （ 可见，根据基氏辐射定律，则有 。 Ｍ ／Ｍ ｃ ＝。 ＝Ｍ ＾ ｃ ： ： Ｕ ／Ｍ ＾ ： （） ３ （） ４ 定温度下 的辐射功率密度 （ Ｍ）和辐射 吸收比 （）的比值都相 同，并等于一个黑 。 ｃ 体在【一温度下的辐射功率密度 （ ） 。在数值上，对全辐射而言，仅 为其温度 的函 数；对光谱辐射而言，则为其波长 （ 或频 率）和温度的函数，但都与物体性质无关。 该定律的核心就是：物体对电磁辐射的发射 率与吸收比成正比。 然而，根据发射率 （ ￡ ）的定义，则有 ￡ ＝Ｍ ／Ｍ ￡一 Ｍ． （） ５ ／ Ｕ Ｍ ： （） ６ 因此，将基氏辐射定律和发射率定义结合起 来，则有 （） ７ 。 Ｉ ｉ （） ８ 假设在全辐射时，用 ， ， ， …， 同时，基氏辐射定律又可』 文字阐明如下： ｛ ｊ 和。 ｃ ｃ ｃ ， ，。，。，…，分别表示几个普通物体 在一定温度下，任何物体的发射率之值与其 （ 即非黑体）在其温度为 ７时的辐射功率密 １ 度和辐射 吸收 比，而 。 ％ 则分别为黑 和 体在同一温度下的辐射功率密度和辐射吸收 比，那么，因黑体的辐射吸收比为 ｌ ，故基 氏辐射定律可写成如下的数学形式。 对全辐射而言，则有 Ｍ ！ 。 ｃ ２ 吸收比之值都相等。还可用一句话表达：好 的吸收体也是好的发射体。 然，物体的吸 收比愈大，则其发射率也愈大，反之亦然。 鉴于基氏辐射定律从数学上将材料处于 热平衡时，热辐射的一些性质联系起来，总 结 了所有材料在热平衡条件下的辐射规律， 内涵丰富，以致常被称作辐射系统的热力学 第二定律，并且至今仍然成为辐射理论的重 要基础。附带说明一下，基氏辐射定律的正 确性．可用能量守恒观点，也可通过物理实 Ｍ ｏ。Ｏ ｃ 作者为高级工程师，现已退休 验方法，还可在两个非常大的，彼此平行 维普资讯 http://www.cqvip.com 红 外 技 术 ４ ； ３ 的，并以微小间距相对的物体之问，反复相 互辐射和吸收的热转换情况 卜 ，来作热收支 计算而得到证明。 层，则不但会因加强涂层的表面粗糙度，致 使其成为弱的反射体，得以提高其发射率， 而且会因扩大涂层的表面积，导致其总辐射 能的增加。又如，由于色度火的涂层的反射 比较色度小的涂层的反射比为小，因而前者 较后者的辐射能量为高。再如，选择适当的 涂层厚度 （ 一般应控制在 ０１ ． ｍ 之 ． ～０４ ａ ｒ 基 氏辐射定律在科研和牛产实践过程， 具 有广泛 用途，扼 要言之 ， 汁有 以下 ｌ ０点。 １ ． 根据基氏辐射定律和发射率定义可得 ￡ ，和 ￡＝ 这两个关系式。由于事实 一 ｊ ； 间） ，不但能使辐射元件成为弱的反射体 ， 有良好的辐射效果，而且能够提高涂层与辐 ｅ ￡ 之值都不容易直接测得，所以常通过 和 ； 测定 或 ｊ 伉来确定 ￡ ￡ 的值。 或 ２从此定律可认识到：￡ ￡ 都主要是 ． 和 ｊ 射元件之问的粘结强度，延 长 辐射元件的使 用寿命，导致原材料消耗量的降低。 ５ ． 好的吸收体也是好的发射体，故好的 反射体和透明体，就都不是好的发射体，而 是不 良的吸收体，即是不良的发射体。这表 明，红外辐射加热是否很有效果，主要取决 材料表面状态的函数，而不是材料整体特性 的函数。故有包皮或涂层的材料表面的 ￡ 和 ￡之值，均取决于包皮本身或涂层本身，而 ｊ 不取决于包皮内或涂层下的真实表面。这一 认识非常重要，因而在设计制造红外辐射加 于被照射物体 （ 即被加热１件）的吸收比之 大小。因吸收比大的物质，能够吸收大量的 热的辐射元件或加热炉炉腔内壁时，应 充 分注意。 红外辐射能量，进而转变成大量的热能。基 于这一认识，我们懂得在钢铁的远红外热处 理的加热过程，由于毛坯和半成品 （ 即仅经 粗加工品）的吸收比大于成品 （ 即经精加工 ３ ． 当一束红外线投射到某物体表面或某 介质的分界面上时，通常，发生人射能的一 部分被 吸收 （ 为 ） 设 ，另一 部分被 反射 （ Ｐ ，其余部分被透射 （ ）的三 设为 ） 设为种现象，然而，根据能量守恒原则，必有 ＋ ＋ ＝ｌ ｐ 这一关系式。由于大多数辐射体 材 料对 红外 辐射 来说 都是 不透 明 的， 即 ＝ 品） ，所以它们在接受红外加热时，就加热 效率而言，前者为高；但对需要被加热的精 加工成品的表面，则最好在加热前，预先涂 敷一薄层吸收促进剂。 ６ ． 好的吸收体必然是好的发射体。这还 表明，物质的吸收比愈大，则其发射率亦愈 ０ ，故 Ｐ ＝卜 或 ＝ｌ ｐ － ，同理，必有 ｌＰ。因此，对于不透 明 ＿ｉ Ｐ 卜 或 ｌ 体材料，测得 或 ｏ 之值就可确定 Ｐ或 Ｐ 大。同理，物质的吸收比最人的波段的发射 ｃ ｊ 之值，进而可确定 ￡ ￡之值。 或 ｊ ４ 因 认 识 到 对 不 透 明 体 材 料 有 ．＝卜Ｐ ＝卜Ｐ，￡ ， ＝ 这些关系 ， ＝ 率最大。由此可见，我们不应该把固定的一 种远红外辐射元件或一个远红外加热炉当作 “ 万灵丹” 加以应用，而应该针对用以制造被 式，所以在设计制造远红外辐射加热装置 时，尽管所用辐射涂层材料的成分和结构都 一 加热工件的材料来选择。在选择红外辐射涂 层材料时，就要求尽量保证加热装置或加热 定，但必须注意到涂层 的 ￡ ｅ 的值， 和 ｊ 炉所发射的波谱分布与被加热物料所吸收的 波谱分布，两者完全匹配或接近匹配。这里 之所以尢需考虑辐射元件材料本身或加热炉 还特别与涂层的表面状态密切相关。所谓涂 层的表面状态，通常指涂层的粗糙度，表面 积，色度和厚度等的大小。这些因素在设计 应用红外技术时，都必须充分考虑。比如， 内腔材质本身之波谱分布，就是因为 物体的 发射率大小只与其表面状态有关，而与其内 若将辐射元件基体预先打毛后 ，才涂布涂 部性质无关。 维普资讯 http://www.cqvip.com ４ ４ 曹鼎汉：基尔霍夫辐射定律及其应用 ７在较深入地研究基 氏辐射定律过程 ．中，了解到太阳也是一个天然的、巨大的红 于辐射到其上面的能量 ，故 ｏ和 ￡ ｃ 不但相 等，而且其数值决不可能大于 ｌ 。其次，因 任何物质所发出的辐射能决不可能较同一温 度下的黑体所发出的辐射能为多，故选用远 红外辐射涂层原材料时，其辐射特性以愈接 近黑体愈好。 ９ ． 良好的吸收体必须具有低的表面 一个 外辐射体。已经证实，尽管地球大气中有一 层稳定的水蒸汽、Ｃ ， Ｏ 和臭氧等气体 ，在 太阳所发射的相当广阔的波段起着削弱太阳 辐射的作用。然而，水蒸汽在 ３ ｍ 以内，５ ｋ ｔ ～ ７ｍ，ｌ～ｌ ｍ各波段之间都具有强烈 ｋ ｔ ４ ６ ＃ 的吸收带，因而对红外线的透射则有强烈的 反射比和足够高的内部吸收比，以期能够阻 衰减作用；Ｃ ， Ｏ 在波长 ２ ｋ 、４３ｍ，特 止辐射的反射和透过。若有非常细小的金属 ．ｔ ．ｔ ６ｍ ｋ 别在 ｌ～１ ｔ ３ ７ｍ处都有强烈的吸收带；臭氧 微粒沉积在其基体材料表面，其结果就会使 ｋ 的吸收带 主要表现在 １ａ 附近。除此之 ０ｍ 该辐射体表面具有低的反射比。这种效应加 外，空气分子本身，空气中存在的悬浮粒 子、较大的粒子和吸水性的晶体、尘土、灰 辐射的削弱。因此，根据基 氏辐射定律所概 括的辐射过程存在的客观规律，来认识和避 免红外辐射的衰减现象，具有头等重要的意 义。具体地讲，在设计制造和改造远红外辐 射体所发出的远红外线在最小的衰减程度 之该辐射体具有高的吸收比，必须形成一个 良好 的吸收体 。这就是形成金属 “ 的原 黑” 黑，就是因为它们吸收辐射能的本领十分接 近黑体的缘故。这也是广泛应用金属“ 原 黑” 理的典型例子。 烟等微粒杂质都对太阳辐射造成散射而带来 理 。在红外技术 中，常用碳黑、铂黑、金 ｌ． ０在研究基 氏辐射定律过程 中还认识 射加热装置时，应该尽量采取措施，使其辐 到：在不管用什么材料制成的恒温真空容器 内，其辐射功率密度总是与温度同容器内壁 下，投射到被加热工件上，借以保证加热效 相同的黑体发射的辐射功率密度相等，因空 率。国内现今已有红外辐射加热炉和真空热 腔内壁上每一点所发射的辐射能都为空腔内 处理炉的生产，如果注意到这一问题，对其 壁上其他任意一点所吸收。因此，空腔的辐 产品加以技术革新，则将大有裨益。 ８ ． 因任何物质所吸收的能量决不可能大 ，、 － ，、 － ，、 － ，、 － ，－ 、 ，－ 、 ，、 － 射与黑体的辐射极其相似。这一特征就成为 设计现代化空腔辐射器的理论依据。 Ｗ Ｗ Ｗ 高稳定性红外脉冲灯制造法 本文描述 了制造一种提高光谱红外波段辐射强 度 的管状脉冲灯的结构和连续工序。管状玻管内径 ０６ ． ．～１ ｍｍ，壁厚～１ ３ ｍｍ，电极距离～２ｍｍ。在 ０ 红外成像系统 美国 Ａ ｅ 工程公司生产的 Ａ 一 １８型红外 ｍｂｒ Ｅ ４２ 成像系统，使用凝视探测器技术使其能在夜间或穿 过云雾拍摄到高质量图像。由于 Ａ － １８ Ｅ ４２ 型热像 仪还具有 １０ ／ 的帧频，因而能记录下移动极 ００帧 Ｓ 这 种 灯 中， 圆 柱 状 电极 的直 径 比玻 管 直 径 小 ２％，电极长约 １ ｍｍ，在压力为 １ ｂｒ ０ ． ２ ． ａ 的条件 ３ 下把氙气充人灯中。当闪光能量为 ｌ Ｊ ～２ 时，在红 外 波段 的辐 射输 出 比普 通 的氙脉 冲灯 高 ３％ ～ ０ ５％，作为透明电极涂层的燃烧电极做在玻管的外 ０ 表面上。当加在其外部 电极上的峰值脉冲电压为 ３ ～ 快的物体图像，Ａ 一 １８ Ｅ ４２ 型系统能提供 Ｒ 一 ７ Ｓ １０视频输出成象并包含 １ １８ ８ 个 ２ Ｘ１ 二维 ＩＳ ２ ｎｂ红外 探测器列阵。该系统的电子装置包括监视成像所必 须的所有驱动、搜索、处理和显示功能，增益、偏 移和集成时间可以从面扳上进行监视和调整。该系 统还装有 １０ １Ｖ／６Ｈｚ ０ 工作所需要的所有电源和调 节装置。仝系统售价 ４００美元。 ９０ 摘自 《 光电子技术》 ４Ｖ时，电极便被点燃。管状灯的最后装配是用 ｋ 轻合金陶瓷把管的两部分连接在一起。 摘 自ＵＳ ４ ９６ ２ Ｐ ６ ０５
