以辐射源为标准的辐射度计量
出处：按学科分类—工业技术 企业管理出版社《计量专业工程师手册》第473页（2633字）
从普朗克公式和斯忒藩－玻尔兹曼定律可知，只要准确地知道黑体的温度，它的总辐射出度和光谱辐射出度就是一个可计算的量，可以用作标准辐射源。但实际上，理想的黑体是没有的，物理学家尝试了很多种形式的腔形来制造人工黑体，其中用得最多的是圆筒形。
由图9．3－2(a)可见，若有一束光辐射从外面射进腔内，必须经过多次反射后，才有可能再从腔内反射到腔外，每次反射都被腔体吸收一部分，只要腔壁的材料有较高的吸收系数，且腔有足够的深度，就能够获得很接近于1的总吸收本领。根据基尔霍规定律，它的发射率也很接近于1，十分接近理想的黑体。为了更进一步提高人工黑体的发射率，可以两个方面着手，一是使用吸收率高的材料制造腔体，二是改进腔的形状。如图9．3－2(b)、(c)、(d)所示，可以采用缩小开口，增加腔的长度，使筒底部变成锥形或倒锥形，还可以在筒底或圆锥面上刻上许多沟槽。还有一个重要条件是应尽量使辐射腔的温度稳定和均匀。实用上的黑体辐射源，必须工作在某一确定的温度，人工黑体的一般结构如图9．3－3。其中辐射腔体的形式和材料、加热器的结构和加热方式、保温层的材料和结构、外壳的材料和结构等，要根据黑体的工作温度和使用目的来选择。现将几种常用的计量标准黑体简述如下。
图9．3－2 黑体辐射腔的形式
图9．3－3 人工黑体的结构
常温标准黑体——它的工作温度是人类日常生活所处的环境温度，从－40°～+80℃，用维恩位移定律可以算出，在这个温度范围内，黑体辐射最强所对应的波长约为8～12μm的红外线，是遥感、气象和军事常用的。常温标准黑体的辐射腔可用铜或钢作材料，加热器采用恒温水(0℃以上)或恒温酒精(0℃以下)的接触式热传导加热。考虑到空气中的二氧化碳和水蒸气会对红外线有一些特定的吸收带，这种标准黑体应工作在真空或干燥的氮气氛中。
中温标准黑体——一般工作在500～1000K，这个温度范围所对应的红外辐射波段是火箭、导弹的红外制导及工业、能源科学的常用波段。中温标准黑体的辐射腔可用铜或钢制造，加热器采用在耐火陶瓷管上绕电炉丝的电加热器。这样的加热器可以很方便地调节和控制温度。保温层可以用石棉和耐火砖等材料。这种标准黑体一般可在空气中工作，必要时可考虑适当的大气吸收修正，也可以工作在真空中或惰性气体中。
常温黑体和中温黑体主要辐射能量是在红外波段，可以作为总辐射亮度或总辐射照度的标准辐射源。
高温标准黑体——一般工作在2800－3000K，在这种温度下，黑体已白热发光，能辐射出相当多的可见光，还有一些足可探测到的紫外线。只要能准确测定黑体的温度，就可用普朗克公式计算出各个波长的光谱辐射亮度，因此高温黑可以作为光谱辐射亮度和照度的最高标准。在将近3000K的高温下，许多金属都熔化了，所以辐射腔不能用金属来制造，一般都用石墨制成。加热器是一根通以大电流的石墨管。由于温度很高，若在空气中，黑体腔和加热管就会很快被氧化，所以必须工作在真空或惰性气体中。保温层是石棉、碳毡等绝热材料，再加上几层抛光的金属圆筒反射层，外壳上还要加上通水冷却层。
用高温标准黑体，可建立波长从250－2500nm的光谱辐射亮度和光谱辐射照度的基准。在可见光谱区域准确度较高。紫外光谱区的辐射强度较弱，测量准确度受到限制。在红外光谱区因易受周围环境辐射的影响，准确度也受到限制。由于高温黑体结构庞大，操作复杂，不宜用作传递标准，故光谱辐射亮度和光谱辐射照度分别用两种结构不同的灯泡来作为量值传递的标准光源。图9．3－4(a)是光谱辐射亮度标准灯，它是带石英窗口的钨带灯，在玻璃壳内有一长度约为30mm，宽度约为4mm的薄钨带，通以恒定的电流后白热发光，从石英窗口射出近紫外线到近红外线的光辐射。它的光辐射通过一台光谱辐射计与高温黑体发出的光辐射逐个波长地进行比较，标定出它的光谱辐亮度值。图9．3－4(b)是两种不形式的光谱辐射照度标准灯，它们是用石英玻璃作泡壳的螺旋溴钨灯，功率分别为1000W和500W，用高温黑体进行定标。
图9．3－4 光谱辐射标准灯
由于高温黑体在紫外光谱区的辐射较弱，所以在波长短于350nm时，标准辐射源可用壁稳氩弧或氢弧，或者用400MeV以上的同步加速器。但这两种标准辐射源更加庞大复杂，故在紫外线常用氘气体放电灯作为传递标准。氘灯可以在165～400nm发出连续光谱，其强度比白炽灯高得多，而且配上一台专用电源后使用也比较方便。在紫外波段常用的光源还有低压汞灯、高压汞灯、汞氙灯等。
红外波段的标准辐射源除了常温黑体和中温黑体外，有时也用白炽灯、硅碳棒、能斯特光源等。远红外波段国外还有用温度在100K以下的低温标准黑体。
【参考文献】：
［1］现代计量学概论，鲁绍曾主编，中国计量出版社，1987。
［2］现代计量测试技术，王江主编，中国计量出版社，1990。
［3］光度学，郝允祥等编着，北京师范大学出版社，1988。
［4］色度学，荆其诚等编着，科学出版社1979，。
［5］Principles Governing Photometry，Metrologia，19，97－101，1983．
［6］Accurate Measurement and Correction for Nonlinearities in Radiometers，J．Res．NBS，67A，1972．