第七章 红外辐射仪器及基本参数测量

Ex Es s
待测源的总辐射通量为： x
如果所选用的探测器是无光谱选择性的，而且是均 匀响应的，那么就可以用相应的电信号表示待测源的辐 射通量： i
x
x
is
s
2.分布光度计
辐射通量和辐射照度的关系：
I I A l
2
E A
测量ΔA处的辐射照度就可以计算通过ΔA的辐射通量。 设计一个闭合曲面包围辐射源，并把这个闭合曲面 划分成若干小面积元，分别测量该处的辐射照度：
双光路测量系统
应用：摄谱仪在物质定性、定量分析及理化参数
测定等方面有广泛的应用。
棱镜摄谱仪：
光栅摄谱仪：
三. 辐射计、光谱辐射计
光谱辐射计：是在窄光谱区间测量光谱辐射通量
的装置。ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
辐射计：是在宽光谱区间测量辐射通量的装置。
辐射计示意图：
红外辐射计的基本组件和功能
(1) 探测器件：将红外辐射功率转换成电输出信号。
h
M T M bb T
根据热平衡时辐射和吸收的关系：
h T T
h T T
任何物体的半球光谱发射率与该物体在同温度下的 光谱吸收率相等；物体的半球全发射率与该物体在同温 度下的全吸收率相等。
辐射平衡测量半球全发射率
保持样品两端的电压不变， 最终样品达到热平衡温度T1 样品处于真空环境中，忽略 样品通过传导和对流的热损耗， 输入给样品的电功率全部以热辐 射的形式散发掉。 输入到样品的功率:
电功率： IV 真空室壁发射并被样品吸收的辐射功率：
A2T2 AT2
4 4
（空腔辐射）
A 样品的表面积；α 样品的吸收率ε2 真空室壁的发射率
样品输出的功率也就是样品的热辐射功率：
A hT1
4
样品处于热平衡：
IV AT2 A hT1
4 4
根据基尔霍夫定律：
h
六. 多通道光谱仪
多通道光谱仪与单色仪的相同之处在于均采用 棱镜或光栅作为色散元件。不同之处在于能同时在 很多波长的通道内收集色散能量。
§7.2基本辐射量的测量
一. 辐射亮度的测量
定义仪器的光谱辐射亮度响应度： V ( ) RL ( ) Le ( )
其中V(λ)为在波长λ处仪器的光谱输出电压 Le(λ)为入瞳处的被测光谱辐射亮度。
2．李特洛(Littrow)棱镜
顶角为30度的直角棱镜，在其 长直角面上镀上反射层。入射光经 它反射后又沿原方向返回射出。所 以它的作用等价于一个60度三棱镜。 应用于大型自准直式的光谱仪。
3．阿贝(Abbe)恒偏向棱镜
平行光束以最小偏向角条件通过 棱镜，出射光束方向和入射光束方向 的交角恒等于90度。这种棱镜多用于 工作在可见光谱范围的单色仪。
h
A T1 T2
4

IV
4

只要测量出输入电功率 IV 和样品与真空室壁 的温度，就可以得到样品的半球发射率。
二.法向全发射率测量
为得到法向全发射率，除对法向光谱发射率积 分外，大多数采用比较辐射度量技术进行测量。 测量原理: 在被测样品表面法线方向上用一个无光谱选择性 的红外探测器，在相同条件下测量样品表面和同温度 黑体表面的辐射，取两个测量值之比来求得法向全发 射率。
光谱辐射计＝单色仪＋辐射计
光谱辐射计主要由两个部分组成：产生窄谱带辐 射的单色仪和测量此辐射通量的辐射计。
四. 红外分光光度计
定义：红外分光光度计也称红外光谱仪，是进行
红外光谱测量的基本设备。 组成：主要由辐射源、单色仪、探测器、电子放 大器和自动记录系统等构成。
分类：
单光束分光光度计 双光束分光光度计
色散元件棱镜：
棱镜的角色散：
d d 2 sin A 2 dn
12
1 n
2
sin
2
A 2
d
棱镜分辨本领： 分辨本领是指分离开两条邻近谱线的能力．
R b dn d
棱镜的材料和形状最终决定了棱镜的分辨本领。
1．科纽(cornu)棱镜
用两个顶角为30度的分别 为左旋和右旋的直角棱镜粘结 而成，以使最小偏向位置通过 的光束不受石英晶体双折射和 旋光性的影响。
Vx Lx ( ) RL ( )
求得待测辐射源的光谱辐射亮度:
Lx Vx RL ( ) Vx Vs Ls
标准辐射源在λ1～λ2波长内测得的电压为:
Vs Ls RL

2
2
1
Ls ( ) RL ( )d
对于待测辐射源所测得的电压为:
Vx Lx RL Lx ( ) RL ( )d
由光源发射并经球壁漫反射的一部分辐射通过球 壁上的一个小孔（窗口）射到测量用的接收器上，这 部分辐射通量正比于光源所发出的总辐射通量。
在积分球C处依次放入标准源和待测源，由它 们分别在窗口处产生的辐射照度为 Es 和 Ex ：
Es Ex s
2

2
4R 1 x 4R 1
在λ1～λ2波段内的响应度为
RL V Le

2
1
Le ( ) RL ( )d

2
1
Le ( ) d
对于标准辐射源在λ处测得的电压为:
Vs Ls ( ) RL ( )
据此可以求得仪器的光谱辐射亮度响应度：
RL ( ) Vs Ls ( )
对于待测辐射源所测得的电压为:
探测器直接测量的往往是辐射照度。
点源： 根据平方反比定律： I Ed 2 考虑假设大气的透射率为τ： I
Ed
2
表观强度

扩展源：
源的实 际强度
先测量给定方向上的辐射亮度
I
L cos dA
A
三.总辐射通量的测量
1.积分球
积分球也称积分光度计。它是一个内壁涂白色漫 反射涂层，球内放待测光源的球壳。 假设球内壁各点都能产生均 匀的漫反射，其漫反射比为ρ， 辐射源所发出的总辐射通量为Φ。
n

E
i 1
i
Ai
对于非均匀辐射的辐射源，需要测量闭合曲面上 各点的辐射照度，测量精度取决于面积元的划分。
实际辐射源往往具有一定的对称性，根据对称性 只需要测量一些代表点的辐射照度。
§7.3 红外发射率测量
发射率是实际物体与黑体在相同条件（温度、光谱 范围和几何条件）下的辐射之比：

经内壁第一次漫反射，辐射通量为：
1
经内壁第二次漫反射：
2
2
经内壁第n次漫反射：
n
n
积分球内总辐射通量为：
1 2 n

2 n




1
积分球内壁上的照度： E 2 （也是B处测量到的照度） 4R 1
6、多棱镜色散系统
在大型光谱仪器中，因要 求有很高的分辨率和大的角色 散率，所以往往要用几块棱镜 组合成多棱镜色散系统。 如图是二块简单三棱镜和 一块阿贝恒偏向棱镜组合系统。
色散元件光栅：
闪耀光栅主极大的 位置服从光栅方程式：
m b(sin i sin )
m 为衍射级次级，m=0，±1，±2，… b 为光栅常数；i 为入射角；φ 为衍射角。 光栅的角色散率：
测量法向光谱发射率，一般采用比较辐射度量法。
给定温度下样品在法向一个小的立体角内发射 的辐射，经分光计分光后，测量在指定波长处的一 个窄波带的辐射，然后把该测量值除以从同样条件 下黑体源得到的测量值。
n , T
Vs Vbb
比较辐射度量法可分为单光路和双光路两种方式。
单光路测量系统
max 2b 如果光栅用于波长为50微米波段，则光栅常数 必须大于25微米。因此每毫米宽度内刻槽数不能多 于40。
双闪耀光栅 （或称宽波段红外光栅）
光栅的制作:
单色仪的结构:
瓦茨沃斯(wadsworth)棱镜—反射镜系统
二. 摄谱仪
定义： 摄谱仪是以感光材料(光谱底版)记录)光谱的
仪器。
4．瓦茨沃斯(wadsworth)棱镜—反射镜系统
一个简单三棱镜和平面反射镜 组合系统。平行光束以最小偏向角 条件通过棱镜，再经反射镜反射， 反射光束方向和入射光束方向的夹 角也是恒定的。这种系统多应用在 红外光谱范围的单色仪。
c 180 2
5、阿米西(Amici）直视棱镜
这种棱镜常用在一些小 型的、便携式的或直接用眼 睛观察的光谱仪器中。由于 中间平均波长偏向角为零， 使仪器结构紧凑，使用方便。
d d m b cos
光栅的分辨本领
R W
d d
W：是有效孔径宽度，W=bNcosφ， b是一条划线的宽度，N是划线总数，φ是衍射角。
R mN
光栅的分辨本领与划线总数N和光谱的级数m成正比。
光栅可以是平面的也可以是球面的。
红外光栅
红外光栅是用于红外到远红外波段的反射式衍射 光栅。它的特点是刻槽间隔比较宽。 光栅可用的最长波长和光栅常数的关系：
M T M bb T
同一物体在不同的条件下，发射率是不同的。因 此，测量结果只有在说明测量条件的情况下才有意义。 影响发射率的测量条件： 除了温度、光谱范围和几何条件以外，还有样品 的化学组分、样品的光学性质。
一. 半球全发射率测量
辐射体的辐射出射度与同温度下的黑体的辐射出 射度的比值:
n T
L T Lbb T
为保障测量结果属于样品在法向的热发射性质， 在较低温度范围内测量时，通常采用施密特(schmidt) 装置。
分别测量样品和黑体的探测器输出信号： n T