基于Pasco的低温热腔辐射实验的探究

    吴夏芝 刘晓伟

    摘 要：Leslie辐射源是PASCO热腔辐射实验中的一个热源装置，它是一个具有四个不同侧面的铝质正方体。本文通过实验研究了Leslie辐射源不同侧面红外辐射量强度的关系，证实了热腔辐射红外光强可以在短距离内聚集的结论。同时对四个侧面的可见光的反射与吸收现象做了研究，得出的实验结果与理论有较好的吻合。并对峰值光强出现的位置和温度的关系做了进一步的探究。使得这些对热腔辐射实验具有一定的参考意义。

    关键词：Leslie辐射源; 辐射光强度; 热腔; 可见光

    中图分类号：O4-33? ? ? ? ? ? ? ? 文献标识码：A? ? 文章编号：1006-3315（2019）05-197-001

    1.引言

    本热腔辐射实验采用的是美国PASCO公司生产的以传感器为数据采集，以电脑软件为数据处理的实验系统。该系统通过计算机控制各种传感器，能够实时采集实验中各种变化的物理量;数据采集处理软件有中英文版本，并且实验数据的显示和处理功能强大;而且不同类型的配件套组可拆卸搭配组合，十分适合开设综合性、创新性、设计性物理实验的需要。

    2.Leslie辐射源的结构

    Leslie辐射源为一个铝质正方体，四面分别为黑面、白面、抛光面、带有热腔的粗糙面，其中铝质正方体中央开了一个约Φ 15mm的柱腔，并且在粗糙面上开了一个5mm×10mm的小孔。正方体下方通过外插电源线和850一号端口连接的热敏电阻相连，控制电脑PASCO软件中的信号发生器模块，使之处于开关打开（或者是自动状态），控制850内自带的直流电压传感器，使之达到电压10V为最大，相应加热温度可达90℃，7V可达70℃，5V可达40℃左右，并使温度一度稳定以便进行测量，热敏电阻可以直接用来测量达到的温度。

    3.实验测量和分析

    3.1加热铝质四方体四个不同侧面的红外辐射情况

    将装有转动传感器的线性运动附件安置在60CM导轨基座的一端，将安装了光阑底架的红外光传感器插于转动传感器上的夹槽中。将热辐射实验装置（Leslie辐射源）安装在导轨上，并使之靠近光阑大约1CM左右的距离，光阑选用4号狭缝。最后，调整红外光传感器的高度，使之与腔体热辐射实验仪上腔体中心高度相匹配。等待15分钟左右，使温度稳定在60.5℃，后旋转铝质四方体，使之四个不同的侧面分别面对红外光传感器，推动转动传感器带动红外光感应器可以沿着线性运动附件方向扫描过立方体的一个侧面，比较不同侧面的红外辐射情况。

    纵坐标表示红外光传感器测量的光强大小（%），由于是在暗室中进行的实验，所以光强为负值，但这并不影响我们观察几个侧面的图像。横坐标表示红外光传感器沿着线性运动附件方向扫描过立方体的一个侧面的相对位置（m），在相同温度下，铝质四方体四个不同侧面的红外光强的比较中，黑面的热辐射量最大，而且覆盖面积较宽，白面次之，抛光铝面最小，其中当扫描过磨砂铝面（带有热腔）时，热辐射在此处快速聚集并达到极大值，可以明显看出，热辐射在有热腔的一个很小的区域内有聚集效应。

    3.2铝质四方体四个不同侧面的可见光反射的情况

    将红外光传感器取下换成可见光传感器，本实验可以在室内开灯时完成。尽管如此，要保证没有窗户或其他的光源正对着可见光传感器，通过比较不同侧面的对可见光的反射情况，扫描可见光谱可以证实小孔吸收可见光，比周围侧面更暗。同时还可以比较不同颜色的表面对可见光的反射强度情况。

    在相同温度下，铝质四方腔体四个不同侧面对可见光的反射强度的比较中，黑面对可见光的反射最弱，大部分可见光都被黑面吸收掉了，可见光强度只占原来的40%左右，而且这部分面积较宽，白面和抛光铝面几乎完全反射可见光，它们的可见光相对光强度是100%，而当扫描过磨砂铝面（带有热腔）时，热腔和黑面性质基本一致，对可见光的反射強度相对较弱，其中在腔体部分更弱，并且呈现出一个短距离内聚集的效应，从而说明热腔部分对可见光的吸收能力也是很强的。

    3.3具体温度下达到峰值光强度和位置关系

    让带有红外传感器的线性扫描装置扫描过热腔，在40℃，70℃和90℃的温度下每升高0.5℃各比较了10次出现最大峰值的红外光强的位置，综合30次的峰值光强出现的位置，可以看出40℃-70℃之间，出现峰值红外光强的位置比较接近，当温度达到90℃以上时，出现峰值光强的位置相距较远，由此推断热腔部分在不同温度下不同的位置热辐射的强度是不一样的。

    4.总结

    通过对热腔辐射实验中加热Leslie辐射源的四个侧面的表面特性、温度、相对位置等主要影响因素的研究，发现在相同温度下，铝四方腔体四个不同侧面在红外光强的比较中，黑面的热辐射量最大而宽，白面次之，抛光铝面最小，其中的洞磨砂铝面的中心有一个小洞（俗称热腔），热辐射在此处聚集并达到极大值;在对可见光的反射实验中可以看出情况正好相反，黑体和热腔几乎具有相似的性质，它们是对可见光完美的吸收体，从而证实了一个完美的吸收体同时也是完美的辐射体的结论。热源呈对称的几何形状时，其扫描过整个热源区域的热辐射曲线也相对其中心位置呈对称分布，并且在温度升高时，出现峰值光强的位置较低温时远。

    参考文献：

    [1]丁林超.低温标准黑体辐射源用热管温度均匀性研究[D]中国科学院研究生院（工程热物理研究所），2016

    [2]陈昱卓，王景辉，张喜和等.氟利昂热管黑体辐射源性能实验研究[J]工业计量，2016（6）：56-59

    [3]赵亿坤，王景辉，原遵东等.低温标准黑体辐射源的性能研究[J]计量学报，2017，38（5）