【摘要】介绍用傅里叶红外光谱仪(日一IR)测量辐射体常温热发射率的新方法(简称F一K法)。利用日一lR计算机系统通过K一K(Karmers一Kton创关系和麦克马洪公式对反射率谱R(λ,t))进行变换，得到辐射材料的热发射率谱ε(λ,t)。实验证明K–—法在很多方面优于黑体比较法。
1引言
已往测量材料热发射率的方法是使用黑体炉、单色仪，测出其辐射曲线再与理想黑体比较，对不同温度和波长，求出两者辐射通量之比即热发射率ε(λ,t)。该方法要与一个要求严格、制造困难的黑体炉连用，且诸点计算繁琐，实验精度较差，测量波长范围窄，而且只能测量温度较高材料的发射率。随着红外加热节能技术的广泛应用，需要一种快速、准确、易行的方法测量热发射率。2原理
2.1 F一K法的理论依据
把厚度为d的均匀平行薄板状辐射材料置于温度I的空气介质中，当红外光人射到其表面时，由于反射波的振辐和位相发生变化，需引人复反射比r(ω)，它与其表面反射率R(ω)的关系为:
其中:ω为红外辐射的圆频率，r(ω)为反射波振辐，φ(ω)为反射波位相角，i为虚数当光垂直人射时，r(ω))满足菲涅尔公式[1]
此式是傅里叶变换光谱学的基本方程，它表明由记录下的干涉图，经过傅里叶余弦变换能得到任何波数处的光强，变换计算由计算机完成.
3实验结果与分析
3.1样品制备和测量
本实验利用F-K法对以下三种平行薄板进行常温下热发射率ε(λ,t)。以，t)的测量。
(1)国产砰质95#玻璃(主要成分Si02)，厚度d=0.212 cn;
(2)高瓷(主要成分AL2O3和粘土)，厚度d=1.000 cm;
(3)铁铬铝，厚度d=0.060 can.
测量前首先对样品辐射表面进行研磨，再用红粉Fe2O3抛光。常温下通过(FI-IR)分别测出三种样品的反射率谱R，折射率谱n，消光系数谱k以及吸收系数谱a(参见图1, 2, 4, 5, 7, 8),然后由这几种谱图描画出三种样品的发射率谱ε(图3, 6, 9).
3.2结果分析
3.2.1国产95#玻璃热发射率谱
处有一小辐射峰，对应O-H基的拉伸振动，这与用黑体炉测到的结果[5]l近似，只是F-K法测得的。ε(λ,t)谱在小于4μm的短波段呈平直状，与用黑体法测到的曲线在该段有一凹陷(对应于SiO2中Si-O键的二倍频吸收)不符，这是由于本实验使用的样品含有一定量的杂质(如B2O3,MgO等轻元素化合物)造成的。这点可参看样品的‘以，r)谱，在该波段内‘(%} } t)值较大，+(}, t)也较高，它们对应的K(λ,t)值较小，因此相应的麦克马洪公式简化为形成。ε(λ,t)较大的强辐射，故曲线呈平直状。F-K法和黑体法测出的。ε(λ,t)谱大体相符，短波段在幅值上有些差异，除杂质含量不同外，两者样品的厚度和温度也有所不同.
3.2.2高瓷平板热发射率谱
由图6的高瓷。ε(λ,t)谱发现它的发射率谱较国产95#玻璃辐射峰多且峰值高，这是由于高瓷属多元化合物(主要成分Al2O3，具有较多的化学键，其间的祸合多而杂，常常形成多个红外激活振动模式及吸收机制。因此这种材料吸收强，易饱和。可以说样品组成(分子原子水平)越不纯，其ε(λ,t)谱越高越宽，多元化合物较少元化合物的辐射本领高，这也是实用红外技术中为什么用多元且掺杂的化合物材料作为辐射元件的原因。
值得注意的是在图3和图6中对不同厚度的ε(λ,t)谱进行了比较，看到较薄的样品，其ε(λ,t)谱峰值较多，这是因为厚度d较大的样品，应用麦克马洪公式，厚度和吸收系数容易满足:αd》I此时发射率因此对于较厚样品，其ε(λ,t)只与R(λ,t)有关而与αd无关.对于较薄样品，麦克马洪公式不能简化，ε(λ,t)谱与α(λ,t)R(λ,t)和d三者的影响都有关，因此。ε(λ,t)谱表现出样品较复杂的精细结构，同种样品厚度越薄，相应的ε(λ,t)谱图的结构越多，有助于分析样品的组成及含量。通过比较，较薄样品的ε(λ,t)小于较厚样品的ε(λ,t)，这可由麦克洪马公式直接推证。图6还画出了用黑体法测出的、成分与高瓷相近的材料的热发射率谱，形状与用F-K法测量的谱线很接近。
3.2.3铁铬铝的热发射率谱
在所有红外波长范围内，铁铬铝的ε(λ,t)较小，其平均发射率ε(λ,t)大约60%左右与用黑体法测得的ε(λ,t)谱基本相符，如图9所示ε(λ,t)值较小是由于金属表面反射率R(λ,t)具有较大值，同时消光系数k‘和吸收系数α:很大(参看铁铬铝的α(λ,t)，注意几种α(λ,t)谱的纵坐标单位不同)，造成其反射率R较大、吸收本领小的结果，对应样品的厚度，麦克马洪公式。ε(λ,t)≈1-R(λ,t),ε(λ,t)变小 。吸收本领小的辐射体具有低的辐射本领.吸收本领不仅由吸收系数决定，而且由材料内部的吸收和表面的反射系数决定.
4讨论
本实验在理论推导平板材料发射率时用到麦克马洪公式【见公式(9)]，在垂直人射反射测量中
ε(λ,t)仍取饱和值.由于这时x比n大得多，消光系数k‘对反射率具有不容忽视的贡献，R(λ,t)常有较大值ε(λ,t)反而下降，对应上述铁铬铝的情况.
因此把α(λ,t)“以，t)分成三个区域[6]，可以得到每个区域ε(λ,t)的简化公式，可对计算机计算编制的程序作简化处理并对一些实验结果进行分析.
用F-K法测量常温辐射材料热发射率是可行而可靠的，其结果与用黑体测量法得到的结果相近，此方法也适用于高温材料热发射率的测量.材料的温度越高，反射的辐射通量越大，材料的自身辐射对反射会产生干扰和影响.然而FI-IR谱仪是利用干涉方法测量物体的反射率，即使某些波长的杂散辐射到达探测器，变换光谱后可被鉴别出来，对反射光谱的测量没有影响.实际测量只需设置一恒温装置，将待测样品置于其中即可.
综上所述，F一K法除具有高分辨率、高灵敏度等特点外，还具有如下优点:
1)由于FI-IR谱仪利用干涉方法测量材料的反射光谱，故空间电磁波以及其他外界干扰对测量无影响.
2) F-K法利用快速傅里叶分析完成所有计算，测量速度快、准确;加之计算机本身具有傅里叶和K-K变换的子程序，编程方便，避免了使用黑体炉测ε(λ,t)进行大量繁琐计算的缺点.
3)热发射率的测量频带宽(1一数百微米)，与黑体法(带宽2~ 15 μm)相比，向远红外方向移动，故在远红外加热节能技术(如油漆烘烤，脂类固化等)方面有重要的应用.
4)能对较低温度的材料进行热发射率测量，用黑体法则不容易办到.
F-K法也具有某些局限性:
1)被测样品必须制成较光滑的平行薄板，必要时应对样品进行抛光处理以确保样品表面的光洁度，最后需计及材料表面粗糙度对热发射率测量结果的影响并进行修正.
2)测高温材料的ε(λ,t)时需附设恒温装置.
3)根据材料的厚度和光学性质，应对FI-IR谱仪的某些计算程序进行修改和简化，以适应不同的测量要求.
致谢:实验测量中承蒙南开大学测试中心徐锦铭老师的帮助，特此表示感谢。
参考文献
[1] Mo$ T S,鲍有恭，何宜生.半导体的光学性质.1963.27
[2]Ga}buny Max北京大学激光教研室.光学物理，(976.318 ~319,283
[3] McMahon H O J.饰t.Soc.Amer.,1950.40:376
[4]王宗明等.实用红外光谱学.1978.111一120
[5]ToulouKian V S. T>}mal Radiatihe RopeRies NonmetaVic Sotid.l972.8:1581,1367
[6]Toulouldan V S. 'Ihe}al Radiative Properties M}allic Ela}ts and Alloys.1970.7:1191
[7]王宝明等.红外高辐射材料的辐射特性及辐射机制. 红外研究，1983.2(1):55一62
本文作者：王宝明 邓元杰.
