17
Die flächenspezifische Bestrahlung ist die flächenbezogene Strahlungsleistung, die dem Strahlungsfluss je bestrahlte Flächeneinheit entspricht. Manchmal wird auch der Begriff Bestrahlungsstärke hierfür verwendet, was allerdings der räumlichen Definition der Strahlstärke widerspricht.
Gl. 18
Die Bestrahlung ist die flächenbezogen eintreffende Strahlungsenergie, welche sich aus dem Produkt der flächenspezifischen Bestrahlung und der Zeit ergibt.
Gl. 19
Die Strahlstärke beschreibt den von einem Strahler in einen bestimmten Raumwinkel abgegebenen Strahlstrom, also die raumwinkelbezogene Strahlungsleistung.
Gl. 20
Die Strahldichte definiert den von einem Strahler in einen bestimmten Raumwinkel abgegebenen Strahlstrom bezogen auf die zu der betreffenden Richtung senkrechten Projektion der Bezugsfläche.
Bezugsgrößendefinitionen für Strahlstärke und Strahldichte
Gl. 21
Der ebene Kreiswinkel wird definiert durch den Quotienten aus Kreisbogen und Kreisradius.
Gl. 22
Der Raumwinkel ergibt sich aus dem ausgeschnittenen Teil der Kugeloberfläche, geteilt durch den Kreisradius zum Quadrat.
Wichtige strahlungsphysikalische Konstanten
| Boltzmann-Konstante | k | = | 1,380662 · 10-23 J/K |
| Lichtgeschwindigkeit im Vakuum | c0 | = | 2,99792458 · 108 m/s |
| Stefan-Boltzmann-Konstante | σ | = | 5,67032 · 10-8 W/(m2K4) |
| Strahlungskonstanten im Planckschen Strahlungsgesetz | |||
| c1 | = | 3,741832 · 10-16 Wm2 | |
| c2 | = | 1,438786 · 10-2 Km (Kelvin · Meter) | |
1.2. Eigenschaften des idealen Strahlers
1.2.1. Physikalisches Modell des schwarzen Körpers
Reale Körper weisen unterschiedlichste Strahlungseigenschaften auf. Für die Handhabung der Eigenschaften realer Objekte hat sich die Verwendung vereinfachter Beziehungen im Vergleich zum Modell des idealen Strahlers als praktische Lösung bewährt. Der in der Strahlungsphysik genutzte ideale Vergleichskörper (Bezugsnormal) ist der sogenannte „schwarze Körper”. Dieser Körper hat die höchstmögliche Wärmestrahlungsabgabe im Vergleich zu jedem anderen Körper derselben Temperatur. Weiterhin ist für diesen kennzeichnend, dass er über alle Wellenlängen und in allen Raumrichtungen die maximale Strahlungsintensität aufweist. (Der ideale Strahler wird nach dem - später behandelten - Planckschen Strahlungsgesetz auch Planckscher Strahler genannt.)
Die Wärmestrahlungsabgabe von realen Materialien (Körpern) ist stets geringer als die des idealen Strahlers. Die Beziehung zwischen tatsächlicher Strahlungsabgabe und der theoretischen maximalen (also idealen) Emission kann durch eine Verhältniszahl - dem sogenannten Emissionsgrad - beschrieben werden. Eine detaillierte Beschreibung hierzu folgt im Kapitel 1.4.2. „Eigenschaften realer Messobjekte”.
Die idealen Strahlungseigenschaften des Modells „schwarzer Körper” können in der Praxis zwar angenähert, aber zu 100% nie erreicht werden. Ein möglicher Lösungsansatz beruht auf der Tatsache, dass in einem Hohlkörper (dessen Wände alle die gleiche Temperatur haben) sogenannte „schwarze Strahlung” aufritt, welche gleich der der Körpertemperatur entsprechenden maximale Strahlung ist. Wenn in einen solchen hohlen Körper ein Loch mit minimalem Durchmesser gebohrt wird (dessen Abmessung also im Vergleich zur Hohlraumgröße vernachlässigbar ist), wird durch dieses Loch die erwähnte „schwarze Strahlung” emittiert. Diese aus dem kleinen Loch austretende Strahlung entspricht damit der von einem idealen Strahler emittierten Strahlung, das Loch wird zum „schwarzen Strahler”.
Abb. 15: physikalisches Prinzip des Hohlraumstrahlers als „schwarzer Strahler”
Wie die obige Abbildung zeigt, gibt die innere Oberfläche (mit überall gleichmäßiger Temperatur) Wärmestrahlung gemäß ihrem eigenen Emissionsgrad ab (rot), reflektiert aber gleichzeitig die von der gegenüberliegenden Wand abgestrahlte Strahlung aufgrund ihrer Reflexionsfähigkeit (blau). Diese Strahlungen addieren sich jederorts auf, so dass ihr Gesamtwert (durch Mehrfachreflexion und -addition) schließlich 100% erreicht. Ein mögliches technisches Design wird durch die folgenden zwei Abbildungen gezeigt.
Abb. 16: möglicher Aufbau eines Hohlraumstrahlers
Am Ende des Hohlkörpers befindet sich ein Loch mit minimalen Durchmesser. Entsprechend der Temperatur der gleichmäßig erhitzten Körperwände (und damit der Temperatur im Innern des Hohlraumes), tritt „schwarze Strahlung” entsprechend dieser Temperatur aus der Bohrung aus, als ob das Loch ein idealer Strahler wäre. Natürlich muss der Durchmesser der Bohrung in Bezug auf die Größe der Innenfläche des Hohlkörpers vernachlässigbar klein sein, denn nur in diesem Fall kann die Abweichung vom Idealfall „schwarzer Strahler” ignoriert werden.
Abb. 17: Schnittdarstellung des Hochtemperatur-Kalibrierstrahlers BB3200pg (erstellt in Anlehnung an [A7])
Geeignete Beschichtungen mit hoher Emission (hohem Emissionsgrad) können verwendet werden, um Messinstrumente oder Messanordnungen grob zu überprüfen. Es gibt einige Materialien (z.B. Kunststoff - farben), die Emissionswerte von 92 bis 97% in bestimmten Wellenlängenbereichen erreichen. Wenn der mit Farbe geschaffene Emissionsgrad ausreichend genau bekannt ist, können neben diesen Werten auch relativ exakte Kalibrierungen durchgeführt werden. (Einzelheiten zur Größenordnung der zu erwartenden Messfehler sind im Kapitel 4.2 „Quantitative Bewertung der Messfehler” zu finden.)
1.2.2. Plancksches Strahlungsgesetz
Die berührungslose Temperaturmessung basiert auf den elektromagnetischen Wellen (Infrarotstrahlung, Wärmestrahlung), die von dem zu messenden Körper abgestrahlt werden.