对黑体炉有效发射率值标定的探讨

1 引 言

    黑体炉作为热辐射源，根据其产生的温度范围，分为低温、中温、高温黑体炉，它是描述热辐射常用参数量如辐射强度 I、辐射出射度 M、辐射照度E、辐射亮度 L 的溯源基准器，也可用于辐射温度计和热像仪定标，其依赖的基本参数是发射率 ε₀。同时为各种非接触式测温仪表进行分度、标定、检校提供-50 ℃～3 000 ℃的标准辐射源，也可为高温材料的试验、测试提供标准高温热源，如制造石墨及石墨电极样品，将煤焦或石油焦石墨化，以达到检验产品质量的目的。不仅如此,黑体炉还在国家辐射温度仪计量器具量传系统中起着重要的量传作用。黑体炉的有效发射率 ε 值是衡量黑体炉质量优劣的一个最重要的技术指标，因此对黑体炉 ε 值的标定十分重要。

2 基本原理介绍

2.1 黑体、镜体、透明体的定义

    当辐射能投射到物体表面时，和可见光一样，也发生吸收、反射和穿透现象。参看图 1，在外界投射到物体表面上的总能量 Q 中，一部分 Q_α被物体吸收，一部分 Q_ρ被物体反射，一部分 Q_τ穿透过物体。按照能量守恒定律有：

对投入辐射的吸收率、反射率和穿透率，记为 α、ρ和 τ。于是有：

    α+ρ+τ=1

    当吸收率为 1 时，即完全吸收，此物体叫做绝对黑体（简称黑体）；当发射率为 1 时，此物体叫做镜体（当为漫反射时称作绝对白体）；当穿透率为 1 时，此物体叫做绝对透明体（简称透明体）。显然黑体、镜体（或白体）和透明体都是假定的理想物体。

2.2 辐射源有效发射率的概念

    黑体的吸收率 α=1，这就意味着黑体能够全部吸收各种波长的辐射能。尽管在自然界并不存在黑体，但用人工的方法可以制造出十分接近黑体的模型，黑体炉就是我们认为的接近黑体的模型。通过两块平板间的辐射换热，得出基尔霍夫定律，定律解释了辐射和吸收的内在联系。

    上式就是基尔霍夫定律，由定律可以得出以下结论：

    （a）在同温度的前提下，物体的辐射力越大，其吸收率也越大。换句话说，善于辐射的物体必善于吸收。

    （b）因为所有实际物体的吸收率总是小于 1，所以在同温度条件下黑体的辐射力最大。

   （c）将上式与黑度的定义式 ε=E/Eb相对照，则有：

    ε=α

    而在正常状态下，黑体辐射源其实是非等温漫射黑体空腔。因此实际黑体空腔的有效发射率（又称黑度系数）的含义是实际黑体的辐射力与同温度下绝对黑体辐射力的比值。可见，在理想状态下，即把实际黑体看作绝对黑体时，ε=1。