黑體和黑體輻射源

　　基爾霍夫定義的黑體是一個(gè)理想化的物理模型，它的比輻射率為1，且與波長無關(guān)，而且是理想的漫發(fā)射體。這樣，黑體可以用來作為與其它輻射源比較的基準(zhǔn)。我們雖然無法制作出這樣一個(gè)嚴(yán)格意義上的黑體，但我們可以制作一個(gè)盡可能接近黑體的輻射源，比如它的比輻射率非常接近1，而且在一定的光譜范圍內(nèi)與波長無關(guān)，在一定的空間輻射范圍內(nèi)遵循朗伯余弦定律。這樣的輻射源本質(zhì)上應(yīng)是灰體，或者應(yīng)確切地稱之為黑體型輻射源。多年來，紅外領(lǐng)域的工作者都把這類黑體型輻射源稱為黑體，約定俗成，黑體型輻射源這一更為確切的名稱反而不常使用了。

　　1860年，基爾霍夫提出了制作黑體必須滿足的條件。他指出，在一個(gè)等溫密封腔內(nèi)的輻射就是黑體輻射。所以，如果在密封腔壁上開一小孔，小孔發(fā)出的輻射應(yīng)該是逼真地模擬了黑體輻射。他進(jìn)一步指出，無論密封腔的幾何形狀或制作材料如何，都不影響這個(gè)結(jié)果。重要的是，密封腔要是真正等溫的，同時(shí)，小孔的面積比密封腔內(nèi)表面的面積要小得多。

　　黑體要求對(duì)任何波長的輻射100%吸收，材料本身無法做到這一點(diǎn)，但是，入射到密封腔小孔的的輻射卻能被密封腔壁*吸收。如在等溫容器A上開一個(gè)小孔B，所有由小孔B入射的光線經(jīng)過多次反射才能由B射出。當(dāng)腔壁的反射率較小，反射次數(shù)較多時(shí)，只有極小部分的光才能從B射出。例如把A的內(nèi)表面涂黑，設(shè)吸收率為0.9,反射率為0.1,經(jīng)三次反射后,它就吸收了入射光的0.999,已經(jīng)非常接近黑體了。因此，只要滿足腔壁近似等溫，開孔比腔體小得多，就有可能制作一個(gè)黑體源。

　　人造黑體輻射源的原理

　　黑體腔的有效比輻射率

　　根據(jù)黑體空腔理論，增加空腔輻射面積，改善空腔內(nèi)部溫度均勻性，提高腔壁材料發(fā)射率是提高空腔有效發(fā)射率的重要因素。黑體的有效比輻射率可通過計(jì)量標(biāo)定和理論計(jì)算得到。

　　Gouffe對(duì)黑體設(shè)計(jì)問題作了分析，雖然他的某些方法的合理性尚有爭議，大多數(shù)敘述作為校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)的高精度黑體結(jié)構(gòu)的文章，都利用了Gouffe的方法來計(jì)算有效比輻射率。

　　一個(gè)黑體型輻射源的有效比輻射率與腔體形狀、開孔大小、腔壁的比輻射率及等溫精度都有關(guān)。設(shè)計(jì)黑體除要求其有效比輻射率盡量接近于1外，開孔大小、等溫精度均極其重要。等溫精度影響到輻射的定量精度。開孔太小，無法獲得一定的輻射能量，開孔過大有效比輻射率較低，也不易做到等溫。

　　黑體源的腔體結(jié)構(gòu)通常有球型、園柱型或圓錐型等形式，選擇時(shí)需要綜合考慮各種因素?？蓪?duì)腔體形狀作初步分析。

　　設(shè)球型、園柱型和圓錐型腔體具有相等的L/r(腔長與開口半徑比)，用Gouffe公式可計(jì)算并比較它們的有效比輻射率。可以發(fā)現(xiàn)：球形黑體有效比輻射率高，園柱次之，圓錐低。這是因?yàn)榍蛐吻惑w內(nèi)反射次數(shù)多的緣故。