热辐射基础实验

利用PASCO热辐射实验装置，进行了辐射体辐射出射度、反平方定律、斯特藩-玻尔兹曼辐射定律等基本实验的研究，并对测量结果进行了数据拟合，实验结果和理论模拟符合得很好。     

低温热辐射实验设计及教学方法

随着低温热辐射(红外辐射)应用的发展和普及,作为(可见光区)高温热辐射教学实验的补充,有必要将热辐射教学实验拓展到低温区.重新设计了热辐射教学实验及其实验系统,该系统包括直立导轨、热辐射单元、安装在导轨上的热辐射传感器和数字多用表及程控电源等通用仪器.在教学中引入热电堆型热辐射传感器,向学生呈现出从辐射源的热辐射到探测器热吸收后信号输出的完整物理过程,学生可以更好地理解实验原理和实验方案,同时缩短了实验时间.     

红外热辐射光源配光特性的快速测量及仿真

红外热辐射光源在光声光谱检测等领域具有重要的应用价值,明确其配光特性是后续光学系统设计的基础。根据水冷散热下红外热辐射光源辐射通量的变化规律,提出快速获取高功率红外热辐射光源配光特性的方法并对其进行相关验证。实验结果表明,光源辐射通量的最大值在80°的角度处,两侧的辐射通量缓慢减小,能量分散在0°~130°的角度范围内,其中54.5%的能量集中在50°~110°的角度范围内。在长时间稳定的辐射状态下对配光特性进行对比实验,验证快速测量方法的准确性和有效性。在ZEMAX软件中突破光源角度的限制,使用测得的数据建立模型并模拟实验流程进行验证。在缺少高功率红外热辐射光源配光曲线的情况下,所提方法可以简单快速地获取配光特性,为光学设计提供初始条件。     

红外光学系统内部构件热辐射分析

红外光学系统的内部构件由于呈现于光路之中,其表面热辐射将会通过光学系统到达探测像面而引起背景辐射噪声。本文利用LightTools分析软件对一套折反式红外光学系统内部机械构件的主要表面的热辐射进行了分析,得到了探测像面接收到的热辐射的量级。分析了三种不同的表面反射率的情况,能够用于指导如何进行表面处理和结构设计的改善。     

纳米光学辐射传热:从热辐射增强理论到辐射制冷应用

热辐射作为一种无处不在的物理现象,对于科学研究和工程应用都具有重要意义.传统上对热辐射的理解主要是基于普朗克定律,它描述了物体通过辐射交换能量的能力.而近年来的研究表明,由于微纳光学材料在尺寸上远小于热辐射峰值波长,它们的热辐射性质往往很大程度上有别于传统黑体辐射理论所描述的宏观物体.更重要的是,微纳光学材料的热辐射性质可以通过改变它们的几何尺寸和微观构型进行定量的优化设计与精确调控.纳米光学材料与辐射制冷效应的结合,给热辐射效应在能源和环境等相关领域的应用提供了极具前景的应用价值.本文首先从热辐射的基本原理和规律出发,介绍纳米结构热辐射增强的发展进程和最新进展,包括二维材料间的近场热辐射机理以及尺寸效应导致的远场热辐射增强;其次,介绍了近年来纳米光学材料在辐射制冷应用中的重大进展,包括可以实现高效日间辐射制冷的各种纳米光学材料设计;最后,进一步介绍了日间辐射制冷的各种实际应用,包括建筑物制冷、冷凝水收集、舒适衣物与太阳能电池降温等.此外,展望了纳米光学材料的辐射制冷技术在推动荒漠生态环境的治理与改造方面的广阔未来.     

光弹材料载荷过程中红外辐射特征机理的计算分析

基于材料的热力学关系和能量守恒定律,给出弹性体形变过程中红外辐射温度改变量和辐出度变化的物理计算方程.并结合有限元方法进行物理建模,对光弹材料三点弯载荷实验过程中的红外辐射出射度的分布进行数值计算和模拟.结果与实验结果吻合较好,表明模型及其相关理论是合理的,可以用来量化揭示实验中的红外辐射特征.从而得到一种能够利用计算机量化分析固体材料载荷过程中红外辐射特征机理的计算方法.     

雪的热辐射多角度偏振特性研究

针对现今遥感对地面目标自身热辐射偏振特性研究的需要,对雪的热辐射多角度偏振特性进行测量,分析探测天顶角、探测方位角、波段、偏振角四个因子对雪的热辐射特性的影响。结果表明：雪的辐射亮度和亮度温度均随探测天顶角的增大而增大,当探测天顶角＞30°时,增长速度加快,且探测天顶角对雪的亮度温度的影响较辐射亮度更为显著;探测方位角的变化对雪的辐射亮度和亮度温度有一定的影响,且对雪的亮度温度的影响较辐射亮度更为显著;波段的变化对雪的辐射亮度和亮度温度均有显著影响,相比而言,其对辐射亮度的影响更为显著;偏振角的变化对雪的辐射亮度和亮度温度有一定的影响,且对亮度温度的影响较辐射亮度较为显著。该研究成果为应用遥感技术开展雪的热红外定量研究提供了新的思路与方法,具有重要的理论意义和广阔的应用前景。     

热辐射研究综合实验平台的设计

设计了一个测量热辐射多个基本特性的综合实验平台,定量研究了辐射反平方定律、斯特藩-玻尔兹曼辐射定律、兰贝特余弦定律,且得到的数据与理论符合得较好,同时利用该平台还定性研究了基尔霍夫定律,揭示了物体的辐射能力与吸收能力的正相关性.该平台具有功能多、成本低、操作简便等优点,可引入大学物理实验教学中.     

热辐射演示实验的再改进

分析了热辐射实验的原理,提出了使用玻璃密封系统和用电热炉作热源的改进方案.     

气动光学头罩热辐射效应数值仿真研究

气动热环境下高速飞行器的光学头罩由于受气动热效应作用,其温度急剧升高,产生严重的气动热辐射效应。为评估气动热环境下高速飞行器光学头罩热辐射对探测系统性能的影响,采用有限光线代表连续辐射的方法,并引入热瞳概念建立了气动光学头罩热辐射传输计算模型并对气动光学头罩自身干扰辐射光线在光学系统内的传输进行了数值仿真,考察了光学头罩温度场为非均匀分布时其自身干扰辐射在探测器接收面的辐照度分布。研究结果表明:由头罩顶点求得的热瞳是光学头罩热辐射能的公共入口,它可将光线追迹的时间减小至追迹全部光线所需时间的十几分之一;根据探测器接受面干扰辐射随时间的变化趋势可知在飞行数秒后头罩干扰辐射将淹没目标信号,气动光学头罩热辐射效应不容忽视。     

再入飞行器流场热辐射输运解算方法库研究

基于若干热辐射输运求解方法的一维辐射平衡和温度间断算例结果的对比分析,提出了一个由离散坐标法、P_1近似和光学厚度极限近似构建的热辐射输运解算方法库,该方法库可与再入飞行器热化学非平衡流场控制方程实现有效耦合模拟。利用该方法库模拟了60 km高空、马赫数35的球头算例,计算表明热辐射对高温流场具有显著的"冷却"作用;辐射传热与对流传热水平相当,流场非耦合热辐射计算的辐射热流将高出耦合计算值27%,此类飞行条件下的数值模拟研究应当考虑热辐射耦合效应。     

热辐射率对火焰温度测量精度影响的研究

分析了影响热辐射法测量火焰温度精度的主要因素，研究了基于灰体热辐射理论描述火焰介质的热辐射率变量特征的相关参量，构造了燃烧产物的热辐射率函数的理论模型。根据火焰产物的特性采用不同的近似方案，讨论了热辐射率准确性对温度测量精度的影响。结果表明，火焰介质可分为理想、线性和一般灰体，相关的热辐射率函数的表现形式是不同的，多波长辐射法比单波长辐射法测温精度要高。     

双曲超材料近场热辐射穿透深度研究

双曲超材料对近场辐射换热有新的影响模式,能够影响近场热辐射。本文研究了双曲超材料近场热辐射的穿透深度,考察了双曲超材料填充系数和不同类型双曲模式对穿透深度的影响。研究表明双曲超材料能够获得更大的穿透深度。这将为双曲超材料近场热辐射在热光伏和辐射制冷等领域的广泛应用提供理论基础。     

石墨烯增强半导体态二氧化钒近场热辐射

本文基于涨落耗散定理和并矢格林函数求解麦克斯韦方程来研究两个半无限大平板的近场热辐射净热流,提出了两个半无限大块状二氧化钒组成的V/V结构、石墨烯覆盖两个半无限大块状二氧化钒组成的GV/GV结构和石墨烯覆盖VO2薄膜组成的GV0/GV0结构,深入研究了这三种结构中二氧化钒与石墨烯间的近场热辐射,并分析了真空间距、二氧化钒薄膜厚度和石墨烯化学势等物理参量变化对近场热辐射的影响.研究表明:三种结构的近场热辐射均随间距增大而减小;在真空间距为10 nm时,由石墨烯覆盖的GV/GV结构的近场辐射热流比无石墨烯覆盖的V/V结构增强35倍,耦合效果最好的是GV0/GV0结构,该结构的近场辐射热流比GV/GV结构增强8.6倍;在GV0/GV0结构中,当二氧化钒薄膜厚度为30 nm时,石墨烯化学势从0.1 eV增加到0.6 eV辐射热流会减小3.3倍.本文系统研究了二氧化钒与石墨烯间相互耦合的近场热辐射,对相关结构的近场热辐射实验和实际应用具有理论指导意义.     

热辐射演示实验

热辐射在普通物理教学中,学员常常对黑色物体辐射强而白色物体辐射弱的结论难于理解。其原因在于,他们未能区别常温下的物体其黑与白决定于物体反射照明光的弱或强,此时物体的热辐射很弱而不起作用。但当物体的温度较高时,则热辐射很强而照明光较弱,这时物体的亮暗决定于下列两式R=σT~4 (1) I_2/K_1=I_2/K_2=…=R/1=σT~4 (2)式中R为绝对黑体的辐射本领,σ是斯忒藩常数,T为绝对温度,式(1)表示温度越高辐     

Vaidya-Bonner-de Sitter黑洞对狄拉克粒子的热辐射

分析讨论了Vaidya-Bonner-de Sitter黑洞视界附近的狄拉克方程,准确地定出了Vaidya-Bonner-de Sitter黑洞的Hawking温度和辐射谱，同时计算出事件视界方程，所得结果与用零曲面方程得到的结果一致. 关键词： 黑洞 视界 狄拉克方程 热辐射     

热辐射定律实验

量子力学和相对论是近代物理学的两大支柱。而黑体热辐射定律的研究对量子力学的创立起过特殊的作用。为了使学生对黑体辐射规律有直接的认识,我们研制了这套实验仪(暂定名:RF—1型热辐射定律实验仪),让学生方便地进行分组实验。     

近场热光伏和热辐射电池系统中熵的应用

近场辐射换热能够极大地提高热光伏和热辐射电池系统的输出电功率,因此研究近场热光伏和热辐射电池系统的转换效率具有重要意义。本文通过计算近场效应影响下的辐射热流和熵流,给出了近场热光伏和热辐射电池系统的最大理论转换效率,并与实际转换效率对比。结果发现在近场热光伏和热辐射电池系统中,纳米线、纳米孔两种微结构和双曲线材料相比平板和电介质,不仅有更强的辐射热流,而且有更高的理论效率。但是在实际过程中,由于近场热光伏和热辐射电池系统中光谱辐射热流的峰值频率小于电池能带间隙所对应的频率,所以其实际效率低于最大理论效率。本工作为近场热光伏和热辐射电池系统的转换效率提供了一个理论极限。     

关于热辐射基尔霍夫定律及其应用的一些讨论

基尔霍夫定律是有关热辐射的基本定律中的一条,在热辐射的理论和应用中都占有很重要的地位。本文中先对定律本身给出严密的证明,然后结合常见的一些疑难进一步讨论在实际应用中应该注意的一些问题。 一、关于基尔霍夫定律的证明 众所周知物体的热辐射是一种温度辐射,即只依赖于温度的辐射。温度是平衡态的状态参量,因而热辐射是一种平衡辐射。所以首先要强调对热辐射的严格讨论只能是对一个达到平衡态的系统来进行。经常引用的绝热等温空腔就是这样一个系统,腔壁以及腔内各物具有同一温度T。由于这时的能量交换只有热辐射而无热传导和热对…     

热辐射环境下目标红外偏振特性分析

红外偏振成像技术具有提升目标识别率、辨别伪装目标等多重优势,但在复杂环境下目标的红外偏振特性容易受到干扰,从而出现错判和漏判的情况。为研究环境热辐射对目标红外偏振特性的影响,基于偏振双向反射分布函数推导了热源照射下目标表面红外线偏振度的解析模型。经过理论仿真及实验验证得出,环境热辐射会影响目标的红外偏振特性。当环境热辐射强度小于目标自发热辐射强度时,红外线偏振度与环境热辐射强度呈负相关,即环境热辐射强度越大,红外线偏振度越小。当环境热辐射强度大于目标自发热辐射强度时,红外线偏振度与环境热辐射强度呈正相关,即环境热辐射强度越大,红外线偏振度越大。上述结果表明,当目标受到外部热辐射影响时,红外线偏振度会发生规律性变化。