Приложение Е (справочное). Определение нормального коэффициента излучения в ИК-диапазоне с использованием средств измерений, измеряющих интегральный коэффициент отражения методом сравнения

Приложение Е
(справочное)

Определение нормального коэффициента излучения в ИК-диапазоне () с использованием средств измерений, измеряющих интегральный коэффициент отражения методом сравнения

Е.1 Общие положения

Определение нормального коэффициента излучения выполняется методом измерения коэффициента отражения образца материала при облучении его поверхности под углом, близким к нормальному относительно поверхности. Отраженный от поверхности образца поток излучения собирается эллипсоидальной или сферической полостью практически из всей полусферы и направляется на приемник ИК-излучения, обычно пироэлектрического типа. Для калибровки средств измерений используются два стандартных образца с высоким и низким коэффициентом отражения, в последнем случае это может быть модель абсолютно черного тела. Сравнивая регистрируемые сигналы от измеряемого и эталонного образцов, определяется коэффициент отражения образца, взвешенный по спектральной плотности излучения абсолютно черного тела. Этот коэффициент отражения вычитается из единицы, и в результате получается коэффициент излучения в ИК-диапазоне.

Е.2 Форма и размеры образцов

Минимальные размеры образцов определяются диаметром измерительного отверстия средства измерения. Этот диаметр обычно составляет от 10 до 30 мм.

Для образцов меньшего размера необходимо уделять особое внимание при размещении образца в измерительном отверстии. Образцы с вогнутой поверхностью должны иметь радиус не менее 166 мм. Образцы с выпуклой поверхностью должны иметь радиус не менее 12,5 мм.

Образцы, имеющие высокий коэффициент диффузного отражения, должны располагаться не далее 0,2 мм от измерительного отверстия нормально к нему, зеркальные образцы - 0,5 мм. Температура образцов должна лежать в диапазоне от 293 до 303 К.

Е.3 Средства измерений и подготовка их к работе

На рисунке Е.1 показана схема измерений одной из реализаций данного метода. Источник ИК-излучения с корректирующим покрытием дает излучение с цветовой температурой, которое очень близко совпадает с излучением абсолютно черного тела при 300 K в интервале от 2,5 до 50 мкм. Интенсивность пучка от источника модулируется с помощью дискового прерывателя. После этого модулированный пучок излучения собирается зеркалом, который проецирует источник в центр окна с образцом под углом 15°. Зондирующее излучение, падающее на образец, модулированно и не оказывает влияния на результат определения коэффициента излучения, даже когда выполняются измерения на тонких пленках. Более 99 % отраженной от образца энергии пучка собирается в полусферу с телесным углом 2 стерадиан, а затем повторно проецируется на приемнике излучения. На этот приемник излучения нанесено покрытие, служащее для обеспечения равномерного спектрального поглощения в диапазоне измерений от 2,5 до 35 мкм.

1 - собирающее эллипсоидное зеркало; 2 - измеряемый образец; 3 - входное отверстие; 4 - окно для образца; 5 - приемник излучения; 6 - падающее излучение; 7 - зеркальное отражение; 8 - диффузное отражение; 9 - зеркало; 10 - отраженное излучение

Рисунок Е.1 - Методика выполнения измерений с помощью эллипсоидального коллектора

Погрешность измерений составляет (для зеркальных и диффузных образцов):  3 % от всей шкалы для серых образцов и  5 % от всей шкалы для не серых образцов.

Е.4 Процесс испытаний и измерений

Образец следует расположить таким образом, чтобы отверстие окна для образца оказалось плотно прижатым к измеряемой поверхности. Если измеряют диффузные образцы, то важно размещать их поверхность как можно ближе к измерительному окну, чтобы рассеянный свет не смог покинуть коллектор. Чем большую величину зеркальной компоненты будут иметь образцы, тем меньше будет рассеянного света, и результат измерений станет менее чувствительным к размещению образцов. Фольгу и материал со складками следует расправлять на измерительном окне с помощью поджатия плоской поверхностью.

Отражатель-эталон (полированное зеркало) перемещается и встает на пути луча, отражая его и направляя на приемник излучения. Когда сигнал стабилизируется, снимают несколько показаний от эталона, которые затем усредняют. После этого отражатель убирают, и инфракрасный пучок отражается от образца. Когда сигнал стабилизируется, снимают несколько показаний при отражении от образца, которые затем усредняют. Коэффициент отражения вычисляют как отношение результатов измерения на образце к результатам измерения на эталоне.

С помощью данного метода можно измерять коэффициент отражения образцов, которые непрозрачны в измеряемом диапазоне длин волн. Коэффициент излучения в ИК-диапазоне полупрозрачных образцов определяют из приближенных значений полного коэффициента пропускания и отражения образцов, обратная сторона которых закрыта вспомогательными образцами. Чтобы проверить, не является ли образец частично пропускающим, следует по очереди приложить к его обратной стороне вспомогательный образец с высоким и вспомогательный образец с низким коэффициентами отражения. Если вспомогательный образец пропускающий, то значения коэффициента отражения будут различаться. При работе с эталонными образцами необходимо соблюдать меры предосторожности, так как их можно повредить.

Измерения на образце следует проводить, помещая на обратной его стороне вспомогательный образец с высоким коэффициентом отражения (позолоченный) и вспомогательный образец с низким коэффициентом отражения (черный). Следует также измерить полный коэффициент отражения каждого из вспомогательных образцов. Приближенные значения коэффициента пропускания и коэффициента отражения полупрозрачных образцов рассчитывают по формулам (Е.1) и (Е.2). Далее коэффициент излучения в ИК-диапазоне определяют путем вычитания коэффициентов отражения и пропускания из единицы. Следует отметить, что использование образцов вносит, как ожидается, более значительную погрешность в получаемые данные.

,

(Е.1)

,

(E.2)

где - коэффициент отражения вспомогательного образца с низким коэффициентом отражения (черного);

- коэффициент отражения вспомогательного образца с высоким коэффициентом отражения (позолоченного);

В - коэффициент отражения образца, обратная сторона которого закрыта вспомогательным образцом с низким коэффициентом отражения (черным);

G - коэффициент отражения образца, обратная сторона которого закрыта вспомогательным образцом с высоким коэффициентом отражения (позолоченным).

Е.5 Вычисление нормального коэффициента излучения

В данном методе близкий к нормали полный коэффициент излучения определяют путем измерения близкого к нормали полного пол