Эталонные источники — модели АЧТ
Понятие «абсолютно черного тела» было введено немецким ученым-физиком Густавом Кирхгофом в середине XIX века. Необходимость введения такого понятия была связана с развитием теории теплового излучения. Абсолютно черное тело (АЧТ) является идеализированной моделью с рядом особенных свойств:
АЧТ идеально поглощает
Абсолютно черное тело поглощает всё падающее на него излучение независимо от угла падения, длины волны этого излучения, его мощности и поляризации.
Таким образом, энергия любого падающего излучения полностью передается АЧТ и превращается в его внутреннюю энергию. Никакая часть падающего на АЧТ изучения не отражается.
АЧТ идеально излучает
Абсолютно черное тело имеет максимальную мощность собственного теплового излучения при данной температуре по сравнению с реальными объектами.
АЧТ — не черная дыра. Одновременно с поглощением АЧТ также излучает тепловое электромагнитное излучение и теряет энергию. Мощность и спектральный состав этого излучения определяются только температурой АЧТ.
Свойства АЧТ
Коэффициент поглощения АЧТ: α = 1
Коэффициент излучения АЧТ: ε = 1
Коэффициент отражения АЧТ: ρ = 0
Коэффициент пропускания АЧТ: τ = 0
Суммарная мощность излучения АЧТ: закон Стефана-Больцмана
Спектральный состав излучения АЧТ: формула Планка
Максимум излучения АЧТ: закон смещения Вина
Именно температура АЧТ определяет сколько излучения оно испускает в инфракрасном, видимом, ультрафиолетовом диапазонах. Несмотря на свое название, АЧТ не всегда имеет черный цвет. При достаточно высокой температуре АЧТ будет излучать в видимом диапазоне и визуально иметь цвет. Наше Солнце – вот пример нагретого до температуры 5800°С объекта, при этом близкого по свойствам к АЧТ. При нагреве металла мы также наблюдаем тепловое излучение невооруженным глазом.
Абсолютно чёрных тел в природе не существует, поэтому в физике для экспериментов используется модель. Чаще всего это замкнутая полость с небольшим входным отверстием. Излучение, попадающее внутрь сквозь это отверстие, после многократных отражений полностью поглощается стенками. Никакая часть попавшего в отверстие излучения не отражается от него обратно — это соответствует определению АЧТ (полное поглащение и отсутствие отражения). При этом полость имеет собственное излучение, соответствующее ее температуре. Поскольку собственное излучение внутренних стенок полости также совершает огромное количество новых поглощений и излучений, то можно сказать, что излучение внутри полости находится в термодинамическом равновесии со стенками. Характеристики этого равновесного излучения определяются только температурой полости (АЧТ): суммарная (на всех длинах волн) энергия излучения по закону Стефана-Больцмана, а распределение энергии излучения по длинам волн описывается формулой Планка.
Поглощение падающего излучения в модели АЧТ
Есть примеры тел, которые лишь наиболее приближены по своим характеристикам к абсолютно черным. К примеру, сажа способна поглотить до 99 % падающего на нее света. Очевидно, что особенная шероховатость поверхности материала позволяет свести отражения к минимуму. Именно благодаря многократному отражению с последующим поглощением мы видим черными такие объекты, как черный бархат.
Объект очень близкий к АЧТ я однажды встретил на производстве бритвенных лезвий Gillette в Санкт-Петербурге, где мне довелось поработать еще до занятия тепловидением.
Классические двухсторонние бритвенные лезвия в технологическом процессе собираются на «ножи» до 3000 лезвий в пачке. Боковая поверхность, состоящая из множества плотно прижатых друг к другу заточенных лезвий, имеет бархатный черный цвет, хотя каждое отдельное стальное лезвие имеет блестящую остро заточенную стальную кромку. Блок лезвий, оставленный на подоконнике в солнечную погоду, мог нагреться до 80°С. Вместе с тем, отдельные лезвия практически не нагревались, так как отражали большую часть излучения. Схожую форму поверхности имеют резьбы на болтах и шпильках, их коэффициент излучения выше, чем на гладкой поверхности. Это свойство часто используется при тепловизионном контроле электрооборудования.
Ученые работают над созданием материалов со свойствами, приближенным к свойствам абсолютно черных тел. Например в оптическом длипазоне достигнуты заначительные результаты. В 2004 году в Англии был разработан сплав из никеля и фосфора, который представлял собой микропористое покрытие и имел коэффициент отражения 0,16–0,18 %. Этот материал был занесен в Книгу рекордов Гиннеса, как самый черный материал в мире. В 2008 году американские ученые установили новый рекорд — выращенная ими тонкая пленка, состоящая из вертикальных углеродных трубочек, практически полностью поглощает излучение, отражая его на 0,045 %. Диаметр такой трубочки — от десяти нанометров и длиной от десяти до нескольких сотен микрометров. Созданный материал имеет рыхлую, бархатистую структуру и шероховатую поверхность.
Каждый инфракрасный прибор проходит калибровку по модели(ям) АЧТ. Точность измерений температуры никогда не может быть лучше, чем точность калибровки. Поэтому качество калибровки очень важно. При калибровке (или поверке) с помощью эталонных излучателей воспроизводятся температуры из всего диапазона измерения тепловизора или пирометра. В практике используются эталонные тепловые излучатели в виде модели абсолютно черного тела следующих типов:
Полостные модели АЧТ. Имеют полость с малым входным отверстием. Температура в полости задается, поддерживается и измеряется с высокой точностьтю. В таких излучателях могут быть воспроизведены высокие температуры.
Протяженные или плоскостные модели АЧТ. Имеют площадку, окрашенную составом с высоким коэффициентом излучения (низким коэффициентом отражения). Температура площадки задается, поддерживается и измеряется с высокой точностьтю. В таких излучателях могут быть воспроизведены низкие отрицательные температуры.
При поиске информации об импортных моделях АЧТ используйте термин «black body». Также важно понимать разницу между проверкой, калибровкой и поверкой тепловизора. Все эти процедуры мы подробно рассматриваем на курсах по тепловизионному контролю. Если вам интересно, в каких случаях нужна обязательная поверка тепловизора, кто и как калибрует тепловизоры, как часто надо делать проверку тепловизора — примите участие в очередном курсе обучения по инфракрасной термографии в Экзаменационном центре «Теплонадзор».
Использованы материалы: Википедия; БСЭ; Infrared Training Center (ITC); Fluke Calibration