Bestimmung der Strahlungseigenschaften von festen Körpern im Bereich der Temperaturstrahlung und Entwicklung eines vollständig diffus reflektierenden Vergleichsnormals

54 Pages·1964·2.511 MB·German

by  Dr.-Ing. Wolfgang Stammen (auth.)

FORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
Nr.1297
Herausgegeben
im Auftrage des Ministerpräsidenten Dr. Pranz Meyers
von Staatssekretär Professor Dr. h. c. Dr. E. h. Leo Brandt
DK 535.312-1 :535.211
Dr.-Ing. Wolfgang Stammen
Elektrowärme-/nstitut Essen e. V.
Bestimmung der Strahlungseigenschaften
von festen Körpern im Bereich der
Temperaturstrahlung und Entwicklung
eines vollständig diffus reflektierenden
Vergleichsnormals
WESTDEUTSCHER VERLAG· KÖLN UND OPLADEN 1964
ISBN 978-3-663-06223-3 ISBN 978-3-663-07136-5 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-07136-5
Verlags-Nr.011297
© 1964 by Westdeutscher Verlag, Köln und Opladen
Gesamtherstellung : Westdeutscher Verlag
Inhalt
1. Einführung .................................................... 7
2. Bestimmung der Strahlungs eigenschaften von festen Körpern. . . . . . . . . 10
2.1 Beschreibung der Meßmethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 10
2.2 Vergleichsnormal für Reflexionsmessungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.21 Beitrag zur Theorie der diffusen Reflexion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 14
2.22 Bestimmung eines vollständig diffus reflektierenden Vergleichs-
normals. ................................................... 19
3. Versuchsbedingungen und Meßergebnisse .......................... 28
4. Zusammenfassung............................................... 35
5. Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 37
6. Anhang:
Zusammenstellung der Versuchsergebnisse auf Bildtafeln 39
5
1. Einführung
Unter Temperaturstrahlung versteht man jene elektromagnetische Strahlung, bei
der die Anregung durch Wärmebewegung, die die Materienbausteine infolge
ihrer Temperatur ausführen, erfolgt. Die Ermittlung der von einem Körper in
einem bestimmten Zeitraum emittierten oder absorbierten Strahlungsleistung
erfordert die Kenntnis der Temperatur und der Strahlungseigenschaften der am
Strahlungsaustausch beteiligten Körper.
Die Strahlungs eigenschaften eines Körpers werden von seiner chemischen Zu
sammensetzung, von seiner Oberflächenbeschaffenheit, von seinem Aggregat
zustand, um nur die wichtigsten zu nennen, in komplizierter Weise beeinflußt.
Das Kirchhoffsche Gesetz gestattet es nun durch die Einführung der im Gesetz
selbst definierten Absorptions- und Emissionsvermögen, die Strahlung eines
beliebigen Körpers trotz der oben aufgezählten verschiedenen Einflußgrößen auf
die Strahlung des sogenannten schwarzen Körpers zurückzuführen. Der durch
KIRCHHOFF eingeführte Begriff des »schwarzen Körpers« war zunächst eine
Abstraktion. Später gelang jedoch auch der experimentelle Nachweis, daß im
Innern eines Hohlraumes mit einer relativ kleinen Öffnung, dessen Wände die
gleiche Temperatur besitzen, eine Strahlung herrscht und aus der Öffnung aus
tritt, die der eines abstrakten schwarzen Körpers der gleichen Temperatur ent
spricht. Ein schwarzer Körper ist dadurch charakterisiert, daß alle auf ihn
fallende Strahlung in Wärme umgewandelt wird. In seiner ursprünglichen Form
lautet das Kirchhoffsche Gesetz:
Der Quotient »Die in der Zeiteinheit von der Oberflächeneinheit eines Körpers
senkrecht zu ihr auf dem Wellenband ß).. bei einer gegebenen Temperatur T in
den Raumwinkel 1 abgestrahlte Strahlungsenergie, dividiert durch die bei der
gleichen Probentemperatur T von der Flächeneinheit senkrecht aus dem Raum
winkel 1 in der Zeiteinheit absorbierte Strahlungsenergie eines schwarzen Strah
lers der gleichen Temperatur T« hat den Wert EINS. Die von der Temperatur T
und der das Wellenband kennzeichnenden Wellenlänge abhängige Größe nennt
man Emissions- bzw. Absorptionsvermögen, je nachdem der betrachtete Körper
als Temperaturstrahler oder als Empfänger der Temperaturstrahlung wirkt.
Während bei dem schwarzen Körper das Emissions-bzw. Absorptionsvermögen
winkelunabhängig ist, ist dies bei allen anderen Körpern bzw. hier, wo wir uns
nur mit strahlungsundurchlässigen Werkstoffen befassen wollen, für deren be
trachtete Oberfläche fast ausschließlich nicht der Fall.
Neben dem Begriff des schwarzen Körpers hat man noch den des grauen Strahlers
als den Strahler definiert, dessen Emissions-bzw. Absorptionsvermögen bei einer
gegebenen Temperatur unabhängig von der Wellenlänge, aber kleiner EINS ist.
Während jedoch der schwarze Körper dem Lambertschen Cosinusgesetz [1]
7
streng folgt, ist dies bei grauen Körpern nicht unbedingt der Fall. Es ist jedoch
für bestimmte Messungen wünschenswert, einen grauen Körper mit einer Lam
bertschen Cosinusverteilung der reflektierten Strahlungs leistung zu besitzen. In
einem Teil dieser Arbeit wird der Mechanismus eines derartigen grauen Körpers
beschrieben und die Herstellung eines solchen, der diese Bedingungen fast voll
ständig erfüllt, aufgezeigt.
Neben den weiter oben erwähnten Größen des Absorptions- und Emissions
vermögens werden die Strahlungseigenschaften eines Körpers durch das Reflexi
onsvermögen und die Durchlässigkeit beschrieben. Die Beziehungen der Größen
untereinander werden durch den Erhaltungssatz der Energie bestimmt:
+ +
a(A, T) r(A, T) dCA, T) = 1
Wie für jedes Wellenlängenintervalllassen sich Absorptions-, Reflexionsvermögen
und Durchlässigkeit auch als spektrales Gesamtabsorptionsvermögen A, spek
trales Gesamtreflexionsvermögen R und als spektrale Gesamtdurchlässigkeit D
definieren.
Da die interessierenden Körper in der Regel in den vorkommenden Schicht
dicken strahlungsundurchlässig sind, vereinfacht sich die Beziehung für undurch
lässige Stoffe zu
+
a(A, T) r (A, T) = 1
bzw.
+
A(T, Ts) R(T, Ts) = 1
Hier bedeuten Ad ie Wellenlänge, T die Empfängertemperatur und Ts die Strahler
temperatur.
Die spektralen Gesamtstrahlungswerte ergeben sich aus den spektralen Werten
entsprechend der Definition durch Integration über den Spektralbereich. Beide
hier angegebenen Beziehungen zeigen, daß für strahlungsundurchlässige Körper
die Bestimmung einer dieser Größen zur Charakterisierung seiner Strahlungs
eigenschaften ausreicht.
Bisher sind im Schrifttum die folgenden Wege beschritten worden, um die
Strahlungseigenschaften von Körpern zu bestimmen. Sie lassen sich in drei
Gruppen aufteilen:
1. Messungen der Gesamtstrahlung, die zu einer, die Strahlungseigenschaften
eindeutig charakterisierenden Größe führen. Diesen Weg hat E. SCHMIDT [2]
beschritten. In dieser Arbeit wurde das räumliche und spektrale Gesamt
reflexionsvermögen R",_o für einen Einfallswinkel der Strahlung oc = 0 für eine
Empfängertemperatur Te unter der Strahlertemperatur T s aus den spektralen
und räumlichen Größen ermittelt. Zum Vergleich sind Werte nach E. SCHMIDT
für das spektrale Gesamtemissionsvermögen für den Fall gleich ho her Strahler
und Empfängertemperatur für einige Werte Te = Ts angegeben (Abb. 22
und 23).
2. Spektrale Messungen, die die Strahlungseigenschaften von verschiedenen
Körpern durch Reflexionsmessungen für nur eine Reflexionsrichtung bestim-
8
men. Hier sind die Ergebnisse sowohl von der räumlichen Verteilung der
reflektierten Strahlungsleistung als auch von den optischen Öffnungsverhält
nissen der Meßanordnung abhängig. Diese können bei Stoffen, die stark
spiegelnden Anteil in der Reflexion haben, einen veränderlichen Anteil je nach
Öffnungsverhältnissen aufweisen.
3. Spektrale Messungen, die eine eindeutige Charakterisierung der Strahlungs
eigenschaften liefern, jedoch nur für Körper sehr guter Wärmeleitfähigkeit
und großen Reflexionsvermögens angewandt werden können, weil die Eigen
strahlung der Proben bei diesem Meßverfahren nicht ausgeschaltet werden
kann.
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2. Bestimmung der Strahlungseigenschaften von festen Körpern
2.1 Beschreibung der Meßmethoden
Die Bestimmung der Strahlungseigenschaften erfolgt in dieser Arbeit durch
Ermittlung des räumlichen Gesamtreflexionsvermögens r,,_o = f (A, T) als der
uneingeschränkt auf alle festen Proben anwendbaren Meßmethode, wie in einer
der TH Braunschweig vorgelegten Dissertation [3] nachgewiesen wird. Das in
dieser Arbeit als Funktion der Wellenlänge bestimmte räumliche Gesamtreflexi
onsvermögen r,,_o ist als das Verhältnis der in den gesamten Halbraum über der
Ebene, in der das zu untersuchende Flächenelement liegt, 2 reflektierten
7t
Strahlungsleistung <l>r;" ~ 0; 21t zu der unter dem Winkel ~ = 0 gegen die
Flächennormalen durch den Öffnungswinkel 12 einfallenden Strahlungsleistung
1
<l> e definiert:
Zur Bestimmung dieser Größe kann man eine Anordnung benutzen, wie in Abb. 1
dargestellt ist. In Fortführung des von W. BRÜGEL angegebenen Weges, eine
r-.'Iodulalor
MonochromatOr
A.Sp.
Spaltblcnde
lrahlungscmpf.
Abb. 1 Strahlengang in der Meßanordnung zur Bestimmung des räumlichen Gesamt
reflexionsvermögens r,,_o
E.Sp. Eintrittsspalt Fl Fläche der Probe
A. Sp. Austrittsspalt F2 Strahlungsempfängerfläche
SI Hohlspiegel PI Planspiegel
10
Halbellipsoid-Spiegelanordnung zu verwenden, in deren einem Brennpunkt sich
der durchzumessende Körper befindet und in derem anderen Brennpunkt der
Strahlungsempfänger sitzt, ist die in Abb. 2 wiedergegebene Teilellipsoid
Spiegelanordnung entwickelt worden, weil Strahlungsempfänger mit einem so
großen Öffnungswinkel, wie sie die Halbellipsoid-Spiegelanordnung erfordert,
z. Z. für das langwelligere Ultrarotgebiet noch nicht bestehen.
Flächennormale der Schnincbcnc
Abb. 2 Strahlengang in der Meßanordnung zur Bestimmung des räumlichen Gesamt
reflexionsvermögens r",-o
Teil-Ellipsoid-Spiegelanordnung:
e: Neigung der Flächennormale der Schnittebene gegen die große Ellipsen
achse
~ erforderlicher ebener Öffnungswinkel des Teilellipsoides (74°)
Die Meßanordnung liefert das räumliche Gesamtreflexionsvermögen r",_o in
einem integrierenden Meßvorgang. Von dem von der zu untersuchenden Probe
in den Halbraum reflektierten Strahlungsleistung wird ein definierter Anteil von
dem Ellipsoidspiegel erfaßt und auf den im anderen Brennpunkt befindlichen
Strahlungsempfänger reflektiert. Die von dem Probekörper reflektierte Strah
lungsleistung wird zu der von einem geeichten Vergleichsnormal unter den glei
chen Bedingungen reflektierten Strahlungsleistung ins Verhältnis gesetzt und
damit r",=o bestimmt. Als Strahlungsquelle dienen je nach dem Temperaturbereich
Nernstrahler oder Strahler aus Siliziumcarbid. Wegen der zu messenden sehr
geringen Beträge der Strahlungsleistung, wie sie bei Reflexionsmeßverfahren
auftreten, wurde die zu untersuchende Temperaturstrahlung moduliert und nach
ihrer Absorption durch den Strahlungsempfänger in eine elektrische Größe ver
wandelt. Diese wird über einen selektiv arbeitenden Wechselspannungsverstärker
geringer Bandbreite gemessen. Je geringer die Bandbreite ist, um so geringer ist
eine etwaige Störstrahlung. Als Empfänger hat ein Vakuum-Strahlungsthermo
element gedient.
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Die Darstellung des räumlichen Gesamtreflexionsvermögen r",=o erfolgt in Carte
sischen Koordinaten über der Wellenlänge in !-Lm, die des richtungsabhängigen
Reflexionsvermögens in Polarkoordinaten (vgl. im Bildanhang auf Tafeln zu
sammengestellte Versuchsergebnisse). Bezeichnet man dieses richtungsabhängige
Reflexionsvermögen mit q",=o(ß), so ist bei einem vollständig diffus reflektierenden
Körper, also einem Lambertschen grauen Körper, auch grauer Lambertscher
Diffusor genannt, der Ort aller richtungsabhängigen Reflexionsvermögen ein
Kreis, dessen Durchmesser das richtungsabhängige Reflexionsvermögen q",-o
(ß = 0) ist (Abb. 3). Für eine beliebige Probe ergibt sich dann eine Form gemäß
der ausgezogenen Kurve in Abb. 3, in der Dissertation [3] als Reflexionsindikatrix
bezeichnetl. Auch der Kreis ist eine solche. Zur Kontrolle ist ein zweites Meß-
- - vollständig diffus
reflektierende Probe
+
60· _ beliebig reflektierende Probe
- 90· ~_L----''----''----'----==~'''°''''-" ,,---,'----'_---'_----L_---'""t' 90·
10-21,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0' 10-2
q~ - 0 (ß) q", - 0 (ß)
Abb. 3 Darstellung des richtungsabhängigen Reflexionsvermögens für den Einfalls
winkel Cl °= 0 , q",=o(ß), in Polarkoordinaten für verschiedene Ausfallwinkel ß
+
zwischen und 90°
verfahren entwickelt worden, bei dem das räumliche Gesamtreflexionsvermögen
r",=o durch Integration über den gesamten Halbraum 2 aus den Werten des oben
1t
genannten richtungsabhängigen Reflexionsvermögen q",=o ermittelt worden ist
(Abb. 4). Messungen, die an der gleichen Probe nach den bei den Meßverfahren
durchgeführt worden sind, zeigen eine gute Übereinstimmung, wie Abb. 5 er
kennen läßt. Bei diesen Meßmethoden, die die gesamte in den Halbraum re
flektierte Strahlungsleistung berücksichtigen, muß das Vergleichsnormal ent
weder eine rein spiegelnde oder eine vollständig diffuse Verteilung aufweisen. Als
spiegelnde Vergleichsnormale finden optisch polierte Flächen, die in Vakuum
mit Metallen bedampft werden, Verwendung.
Hingegen sind Vergleichsnormale, die eine vollständig diffuse Verteilung der
reflektierten Strahlung aufweisen, nur für den Bereich der sichtbaren Strahlung
bekannt (MgO). Das von W. SIEBER [4] und J. EULER [5] als diffuses Reflexions
normale benutzte, im Sandstrahl aufgerauhte Aluminium hat bei den Versuchen
des Verfassers einen nicht vernachlässigbaren spiegelnden Reflexionsanteil ge
zeigt.
Unter Indikatrix versteht man in der Lichttechnik das Rousseau-Diagramm. Hier
1
wird es in Polarkoordinaten-Darstellung gewählt und dabei als Vektorlänge das
richtungsabhängige Reflexionsvermögen q",=o(ß) gewählt.
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