Прибор абсолютно черное тело для чего

Абсолютно черное тело (АЧТ). Виды и значение. Применение

Абсолютно черное тело (АЧТ) – это понятие, относящееся к теории теплового излучения. Оно обозначает тело, имеющее свойство полностью поглощать любое попадающее на его поверхность электромагнитное излучение вне зависимости от длины волны и температуры собственной поверхности. Поглощающий коэффициент такого тела равен 1. Коэффициент отображает отношение поглощаемой энергии к энергии падающего потока. Для него характерно наличие собственного электромагнитного излучения любой частоты. Спектры его излучения способны определятся только в температурном выражении.

Абсолютно черное тело в природе

Понятие абсолютного черного тела является абстрактным, поскольку не существует ни одного предмета или явления, способного поглощать электромагнитное излучение, имея при этом коэффициент равный 1. Находящиеся в космосе черные дыры не принимаются во внимание, поскольку невозможно проконтролировать их температуру, чтобы высчитать уровень излучения и фактический коэффициент, если он вообще имеется.

Коэффициент поглощения на уровне 1 это идеал, которого не существует. Тем не менее, есть вещества, которые очень близки к данному результату. В первую очередь к ним относится сажа и платиновая чернь. Поверхность сажи способна поглощать до 99% падающего излучения. Такой показатель достигается только при работе с видимыми волнами. При попадании инфракрасных волн излучение осуществляется значительно лучше, поэтому сажа теряет свою приближенность к абсолютному черному телу.

Из космических тел солнечной системы практически свойствами АЧТ обладает Солнце. Дело в том, что его излучение происходит с длиной волны 450 нм, при фактической температуре наружных слоев в 6000 К. Это фактически имеет близкий результат к коэффициенту 1.

Абсолютно черное тело — это одна из главных причина появления такого понятия, а в последующем и дисциплины как квантовая механика. Также абсолютно черное тело актуально в термодинамике, астрономии и теории теплового излучения.

Макет АЧТ

Чтобы визуально продемонстрировать принцип работы абсолютного черного тела применяется несложная в изготовлении модель. Ее можно сделать даже самостоятельно используя недорогое подручное оборудование. Для этого необходимо взять непрозрачный ящик. В качестве него может использоваться картонная коробка от обуви или различных продуктов питания. Одну из ее боковых стенок необходимо покрасить в черный цвет или наклеить плотную черную бумагу. Чем она темнее, тем лучше. В центре оклеенной стенки делается сквозное отверстие. Теперь, если смотреть на данную коробку, когда она находится в закрытом состоянии, можно увидеть, что проделанное отверстие намного чернее, чем черная бумага оклеенная вокруг него.

Поскольку отверстие в коробке небольшое, то тонкий пучок света, попадающий в ее полость, многократно отображается от стенок. Как следствие волна медленно затухает. Если она и сможет отобразиться таким образом, чтобы выйти обратно в отверстие, через которое попала, то претерпит настолько сильное изменения, что фактический не будет заметной.

В лабораторных условиях применяются более сложные макеты, сделанные из термостойкого материала. При таком макете возможно проводить его нагрев, что приведет к появлению собственного видимого излучения. Это расширяет диапазон экспериментов.

Самый черный материал в мире

По принципу абсолютного черного тела был разработан материал под названием Vantablack 2, который не поддается измерению спектрометром. Он был получен в 2014 году и является самым темным предметом известным человеку. Он состоит из миниатюрных нанотрубок. Попадающий в их отверстия свет обратно практически не возвращается. Коэффициент их отражения насколько низок, что составляет всего 0,036%.

При исследовании данного материала можно увидеть множество интересных свойств. К примеру, если навести на такое абсолютно черное тело лазерную указку, то она вообще не отображается. Лазерная точка не видна на поверхности, в результате чего создается впечатление, что указка не включена. То же самое касается и любого другого светового оборудования.

Если из этого материала сделать объемную вещь, то при взгляде прямо она всегда выглядит как плоское пятно, поскольку контуры выступов совершенно не просматриваются. Существует несколько предметов искусства, сделанные современными художниками с применением материала Vantablack 2.

Для изготовления данного материала применяются нанотрубки, толщина которых составляет всего 20 нанометров. Это действительно мало, даже в сравнении с человеческим волосом. Фактически такая трубка в 3500 раз тоньше волоса. Один квадратный сантиметр поверхности такого материала состоит из миллиарда нанотрубок.

Принцип действия такого черного тела можно сравнить с лесными деревьями. Посещая лес или парк где имеются деревья высотой в 20 м можно заметить, что солнечный свет практически не достигает поверхности земли. Чтобы провести аналогию с Vantablack 2 нужно, чтобы высота таких деревьев составляла 3000 м, что и позволит достигнуть того эффекта, который создается между стенками нанотрубок.

Перспективные направления использования АЧТ

Любое вещество, работающее как абсолютно черное тело, приобретает весьма ценные свойства. Они поглощают спектр видимого света, ультрафиолета, инфракрасного излучения и так далее. Это весьма перспективное направление развития военной техники, которая при обладании такими свойствами могла бы стать невидимой для технического обнаружения. Что касается научного применения, то абсолютно черные тела могут использоваться для калибровки оптического оборудования. Существуют установки, которые работает по принципу рассмотренному на примере коробки с отверстием. С их помощью осуществляется проверка и настройка работы бесконтактного термометра. Подобные приборы используются в качестве эталона, применяемого при измерении высоких температур с помощью пирометров.

Закон Стефана — Больцмана

Поскольку для абсолютно черного тела характерна невозможность фиксации излучения с применением технического оборудования, то для этого применяется закон Стефана-Больцмана. Это интегральный закон позволяющий определять зависимость плотности мощности излучения от температуры АЧТ. Словесная форма закона звучит следующим образом. Полная объемная плотность равновесного излучения и испускательная способность пропорциональны четвертой степени температуры абсолютно черного тела.

Свое название закон получил от имен двух ученых. Изначально он был открыт Стефаном в 1879 году. Однако его теоретическая составляющая не была закончена. Именно эту часть закона и вывел Больцман.

Приборы АЧТ

В продаже предлагается устройство абсолютно черное тело, которое является эталонным излучателем для проведения поверки пирометров. Они позволяют контролировать точность в диапазоне от +100 до +1100 градусов. Также существуют и более совершенные устройства с увеличенным диапазоном излучение, но их стоимость на порядок выше. Такие установки состоят из трубчатой печи, блока управления и эталонного преобразователя.

Источник

Модели АЧТ

Как связаны абсолютно чёрное тело и тепловизор?

Абсолютно чёрное тело — это объект, который поглощает всё направленное на него э/м излучение и ничего не отражает. Не стоит опираться на само название, чтобы определить цвет тела. Оно испускает широкий диапазон э/м волн. Из-за их различных параметров тело может оказаться не чёрного цвета, а золотистого, алого и других цветов. Название этому объекту в 1862 году дал Г. Кирхгоф.

Абсолютно чёрное тело используют при таких задачах, как калибровка и поверка пирометров, тепловизоров, ИК-камер, калибровка спектральных радиометров и спектрографических анализаторов.

Тепловое излучение тел является одним из источников информации о температуре этих тел и может быть использовано для его измерения. Раздел температурных измерений, который изучает методы и средства измерения температуры тел по их тепловому излучению, называется пирометрия. Приборы, измеряющие температуру бесконтактным методом по тепловому излучению, называются пирометрами и тепловизорами.

По принципу измерения пирометры бывают: монохроматические, полного излучения, частичного излучения и спектрального отношения. Градуировка монохроматических пирометров, а в некоторых случаях и пирометров спектрального отношения может проводиться по температурным лампам, а остальных типов пирометров и тепловизоров по моделям абсолютно черных тел (АЧТ), причем таких пирометров, выпускаемых в настоящее время, абсолютное большинство.

Поэтому применение моделей АЧТ для градуировки пирометров и тепловизоров является актуальным. По конфигурации полости модели АЧТ могут быть сферическими, цилиндрическими, коническими Температурный диапазон моделей АЧТ очень широк — от минус 50°С до плюс 2500°С. От температурного диапазона зависит размер выходного отверстия излучателя (определяется показателем визирования градуируемых пирометров), а также способ нагрева (или охлаждения) модели АЧТ.

Такие модели АЧТ выпускает компания «МЕТРОПИР» по заказам. Все эти модели снабжены высокоточными регуляторами температуры и различными устройствами для автоматизации измерений.

Источник

Абсолютно-черные тела

Абсолютно черные тела это модули, которые работают как идеальный излучатель теплового излучения в спектральном диапазоне от видимого спектрального диапазона до микроволновых. Мы предлагаем Вам высокотехнологичные черные тела, оптимизированные для узкого его применения. Эти черные тела можно разделить по типу использования на следующие группы:

• Абсолютно черные тела серии TCB, относящиеся к классу низкотемпературных абсолютно черных тел;
• Абсолютно черные тела серии DAP, относящиеся к классу сдвоенных черных тел, используемых для калибровки коэффициента неравномерности тестируемых тепловизоров;
• Абсолютно черные тела серии BLIQ, относящиеся к классу низкотемпературных черных тел с генерированием отрицательных температур;
• Абсолютно черные тела серии MTB, относящихся к классу черных тел на средний диапазон температур;
• Абсолютно черные тела серии MAB, относящиеся к классу черных тел с большой рабочей областью для работы в ТГц диапазоне и коротковолновом СВЧ диапазоне;
• Абсолютно черные тела серии HTB, относящиеся к классу черных тел с высокой рабочей температурой;
• Абсолютно черные тела серии UHT, относящиеся к классу черных тел с верх высокой рабочей температурой;
• Абсолютно черные тела серии VSB, относящиеся к классу черных тел с низкой рабочей температурой для работы в вакуумных камерах.

Абсолютно черные тела серии TCB это термоэлектрически контролируемые черные тела с регулируемой температурой от 0°C до +100°C (опционально от -40°C до +150°C). Черные тела характеризуются отличным температурным разрешением (1 мК), температурной стабильностью (до 1 мК) и излучательной способностью (обычно 0,98, опционально 0,99). Площадь излучателя варьируется от 50×50 для модели TCB-2D до 500×500 мм для модели TCB-20D. Эти черные тела предназначены для их использования с высокими или сверхвысокими требованиями, таких как системы для тестирования тепловизоров с охлаждаемыхи детекторами, метрологических стандартов или исследовательских программ.

Абсолютно черные тела DAP являются идеальным решением для калибровки коэффициента неравномерности тепловизоров. По работе абсолютно черное тело эквивалентно двум стандартным черным телам, но предлагается по стоимости лишь немного выше обычного черного тела TCB. В то же время абсолютно черные тела достигают сверхвысокую точность дифференциальной температуры между двумя излучателями черного тела DAP.

Абсолютно черные тела BLIQ является специальная версием черного теал TCB, предназначенного для расширения диапазона температур до низких температур до -40ºC.

Абсолютно черные тела MTB — это чернве тела с высокой точностью, предназначенные для имитации мишеней со средней температуры. Температура радиатора регулируется с использованием специального нагревательного элемента. Эмиттер черного тела можно регулировать в диапазоне от +50°C до +600°C. Площадь излучателя может варьироваться от 50х50 мм до 500×500 мм в зависимости от модификации черного тела.

Абсолютно черные тела MAB это черные тела с высокой излучательной способностью, работающие в THz и коротко волновом СВЧ диапазоне, распространенном на международном рынке. Черные тела были разработаны после проведения длительных экспериментов. Конструкция этих черных тел основана на использовании специального поглощающего покрытия, оптимизированное для диапазона ТГц / короткого СВЧ-диапазона, большой термически однородной пластины эмиттера и сверхточной электроники контроля.

Абсолютно черные тела HTB это черные тела, позволяющие генерировать высокую температуру, которые позволяют регулировать температуру в диапазоне от +100°C до +1200°C. Размеры эмиттера черного тела в зависимости от модификации варьируются от 20 мм до 50 мм.

Абсолютно черные тела UHT это высоко температурные черные тела рабочей температурой в диапазоне до 1500°C. Благодаря специальной конструкции абсолютно черное тело UHT обеспечивает высокую излучательную способность в исключительно широком спектральном диапазоне от около 1 мкм до 3000 мкм. Эта позволяет использовать черное тело UHT в качестве стандартного источника излучения как в ИК-диапазоне, так и в диапазоне ТГц. Черное тело также характеризуется относительно большой апертурой 38 мм.

Для тестирования инфракрасных систем, которые должны быть отправлены в космические миссии, требуются черные тела, расположенные в охлажденных вакуумных камерах, которые имитируют условия космоса. Абсолютно черные тела VSB это новый тип черных тел, которые разработаны для удовлетворения потребностей космических лабораторий. Это черное тело предназначено для моделирования мишени при температурах от -10°C до +200°C, расположенной в охлажденной вакуумной камере.

Источник