книги из ГПНТБ / Левитин И.Б. Инфракрасная техника

резонатором, через который выходит индуцированное из­

редине между гранями, к которым подведены контакты цепи. Для обеспечения надежного электрического кон­ такта с /г-областыо диод припаивается к массивной пла

Лазеры с электронным возбуждением

0,85

40

Продолжение табл. 8

Д л и н а волны П о л у п р о в о д н и к излучения,

мкм

13. Лабораторные источники инфракрасного излучения

В лабораторной практике при исследовании приемников лучистой энергии, при калибровке инфракрасных прибо­ ров, при спектральных измерениях и т. д. используются различные источники инфракрасного излучения с вполне определенными параметрами.

Модели черного тела (полные излучатели). Идеально (абсолютно) черного тела, в строгом смысле понятия, дан­ ного о нем в гл. 1, не существует. Однако создаются и ши­ роко используются модели черного тела (полные излуча­ тели), по свойствам настолько близкие к идеальному, что они удовлетворяют требованиям измерений с очень высо­ кой точностью. Принципиально такой моделью является непрозрачная замкнутая полость с достаточно малым от­ верстием и равномерно нагретыми стенками. Геометриче­ ская форма полости при этом практического значения не имеет, хотя из конструктивных соображений чаще всего модели придают трубчатую форму.

Показано [24], что коэффициент излучения (коэффи­ циент поглощения) излучающего отверстия модели чер-

41

ного тела может быть вычислен по следующей формуле:

где А0 — площадь излучающего отверстия; А — площадь внутренней поверхности полости; а с т — коэффициент по­ глощения стенок.

Рис. 15. Малогабаритный полный излучатель СЗПИ

Вмоделях черного тела предусматривается надежная теплоизоляция внутренней полости, стенки которой должны быть сделаны из материала, способного длительно выдер­ живать рабочую температуру. Обогрев осуществляется почти всегда электронагревательной обмоткой, витки ко­ торой располагаются так, чтобы полость нагревалась рав­ номерно. Кроме того, в конструкции предусматривается термопара или термистор для контроля температуры из­ лучающей полости.

Вкачестве примера одной из подобных конструкций на рис. 15 показан малогабаритный полный излучатель, раз­ работанный в Северо-Западном заочном политехническом институте (СЗПИ) [24], имеющий размеры приблизительно 90 мм в длину и 60 мм в диаметре. Он снабжен электронным терморегулятором, схема которого показана на рис. 16,

42

обеспечивающим стабилизацию заданной температуры с точностью до + 0,5 °С в пределах от температуры окру­ жающей среды до 150 °С.

Излучатель представляет собой двухполостную симмет­ ричную относительно среднего поперечного сечения цилиндрическую конструкцию с малыми отверстиями с тор­ цевых сторон. Полость / является вспомогательной: вну­ три нее проходят полупроводники преобразователей тем­ пературы (термистор и термопара), а полость 2 является

Рис. 16. Схема электронного терморегулятора к малогабаритному излучателю СЗПИ

рабочей. Высокая теплопроводность материала полостей (алюминий) создает хорошую равномерность нагрева сте­ нок. Полная площадь излучающей полости составляет 2510 мм2 , площадь излучающего отверстия 3,14 мм2 . Внут­ ренняя поверхность полостей подвергнута химическому матовому чернению, при этом ее коэффициент поглощения составляет 0,96. Расчетная поглощательная способность (коэффициент излучения) излучателя 0,999.

Малогабаритный полный излучатель СЗПИ с успехом использован в качестве конструктивного элемента инфра­ красного пирометра СЗПИ типа ИКР-1, а также в кон­ струкции эвапорографа ГОИ типа ЭВ-84, где два таких излучателя с разной температурой создают в поле зрения реперные температурные точки сравнения (см. гл. 6).

43

Окисленная никелевая лента. Такой излучатель может с достаточной технической точностью заменить черное тело. Никелевая лента нагревается в воздухе проходящим по ней током до температуры 700—800 °С в течение 2—3 ч; при этом поверхность никеля покрывается слоем черной окиси с весьма высокой излучательной способностью в коротко­ волновой инфракрасной области (с увеличением % значе­ ние е (Я.) постепенно уменьшается; соответствующую по­

Данные о значениях е (К) для окиси никеля в табл. 9 даны для температуры 1100 °С. Использование окисленной никелевой ленты создает ряд удобств: устойчивость тем­ пературы излучателя, большие его размеры, простоту экс­ плуатации. Лента должна иметь толщину порядка 0,2 —

— 0,3 мм; следует, однако, опасаться длительного нагрева ленты при высокой температуре (порядка 700 °С и выше), так как она становится хрупкой и легко разрушается. При температуре 300 °С лента может успешно работать не­ сколько десятков часов.

44

Силитовый стержень (глобар). Этот излучатель широко

ния, смешанного с глиной и подвергнутого обжигу. Такой стержень, обладающий высоким сопротивлением, нака­ ливается электрическим током (к концам подводится на­ пряжение порядка 100 В) до рабочей температуры 980 — —1100 °С; размеры стержней: диаметр от 8 мм до 5 см, длина от 25 до 100 см. Основной недостаток снлитового стержня состоит в его низкой рабочей температуре; иногда его используют при более высокой температуре (до 1900 °С), защищая поверхность от окисления слоем окиси тория,

товленную из смеси окислов циркония и иттрия. К концам трубки присоединены электроды в виде проволочек из платины; трубка (штифт) нагревается проходящим по ней электрическим током. В холодном состоянии штифт яв­ ляется диэлектриком; достаточная электропроводность у штифта возникает после разогрева. Питание штифта осу­ ществляется через бареттер (для стабилизации тока). К штифту прикладывается переменное напряжение 230 В. Штифт работает в воздухе; для средневолновой инфра­ красной области (до 15 мкм) штифт Нернста является очень хорошим источником излучения (близкого к излучению черного тела при той же температуре).

14. Естественные источники инфракрасного излучения

При использовании активных и пассивных инфракрас­ ных систем часто приходится принимать во внимание по­ лезные или мешающие излучения естественных источников, которые можно разделить на три основные группы: а) на­ земные источники — почва, растительность, водная по­ верхность, здания, транспортные средства, люди; б) ат­ мосферные источники — пары воды и атмосферные газы, облака, пыль, полярные сияния; в) космические ис­ точники — Солнце, Луна, планеты, звезды, туманности.

Наземные источники излучения. К этим источникам

45

относятся находящиеся на поверхности Земли объекты. Спектральное распределение излучения таких источников зависит не только от их температуры, но и от излучательной и отражательной способности. Излучение элементов ланд­ шафта (почвы, растительности, зданий и т. п.) образуется суммированием их собственного, теплового излучения и отраженного ими солнечного излучения. Отражательные свойства элементов земного ландшафта с учетом сказан­ ного учитываются значением альбедо (отношение суммар­ ного отраженного лучистого потока к падающему). В табл. 10 приведены значения инфракрасного альбедо

так как слой воды толщиной менее 0,1 мм полностью по­ глощает падающее на него излучение, начиная с X = 2 мкм, а при толщине 10 см — начиная с X = 0,95 мкм.

Излучение растительных массивов изучено недостаточно полно из-за трудности определения температуры расти­ тельности при проведении измерений. Растения обладают собственным механизмом регулирования своей темпера­ туры (например, в жаркое время травяной покров нагре­ вается меньше, чем скалы). Можно считать приближенно,

46

что общая неровность поверхности растительных массивов

излучения являются капли и молекулы воды, молекулы различных газов, частицы пыли и т. п., рассеивающие, отражающие и поглощающие излучение, приходящее к ним от космических или наземных источников. Таким образом, атмосферные источники являются вторичными источниками инфракрасного излучения; они создают фон, мешающий наблюдению.

Особенно сильно сказывается мешающее действие из­ лучения дневного и ночного неба. В инфракрасной области спектра, для К > 3 мкм, собственное тепловое излучение атмосферы преобладает над рассеянным атмосферой сол­ нечным излучением. Собственное тепловое излучение неба днем и ночью приблизительно одинаково.

Спектр излучения неба, покрытого низкими облаками, близок "к спектру излучения черного тела, так как облака, состоящие из мелких капелек воды, рассеивают излучение многократно и диффузно; нижняя поверхность облаков рассеивает излучение, полученное от земных и водных по­ верхностей, которые излучают подобно черному телу. Сле­ довательно, излучение низких облаков можно принять таким же, как излучение черного тела при температуре приземного слоя воздуха.

Излучение высоких облаков также подобно излучению черного тела, однако при температуре воздуха на высоте,

Космические источники излучения. К этой группе источ­ ников излучения относится прежде всего Солнце. Его уг­ ловой диаметр для земного наблюдателя составляет 32'. Яркость солнечного диска максимальна в центре и не­ сколько уменьшается к краям. Это уменьшение различно в разных областях спектра: в ультрафиолетовой области (при X = 0,32 мкм) яркость на краю солнечного диска со­ ставляет 60% яркости в центре, в инфракрасной области — около 80%.

Спектральное распределение энергии солнечного излу­ чения близко к излучению черного тела примерно при 6000 °С. На рис. 17 показано это распределение, искаженное

47

большим числом линий поглощения солнечного и зем­ ного излучения (фрауигоферовы линии). При расчетах обычно пользуются сглаженной планковской кривой, со­ ответствующей излучению черного тела при указанной температуре.

Излучение Солнца в инфракрасной области исследо­ вано достоверно только до X — 12 мкм, так как более длин­ новолновые излучения полностью поглощаются земной атмосферой. Существует узкое окно прозрачности в обла­ сти X = 21 мкм, пропускающее только 14% солнечного излучения.

является Луна. Угловой диаметр лунного диска для зем­ ного наблюдателя равен 31 '. Луна посылает к Земле от­ раженное солнечное излучение. Отражательные свойства лунной поверхности оценивают значением сферического альбедо Ас — отношением лучистого потока Фх , рассеи­ ваемого освещенной половиной сферы, к лучистому потоку

нем 0,073, однако его значение для разных участков поверх­ ности Луны изменяется от 0,054 до 0,176 (самая яркая точка лунной поверхности — кратер Аристарх). Лунный

48