mở đầu và kết luận, các nội dung nghiên cứu của luận án đƣợc trình bày trong 4 chƣơng nhƣ sau: Chƣơng 1: Cơ sở lý thuyết về bức xạ vật đen. Chƣơng 2: Các phƣơng pháp xác định đặc trƣng bức xạ của hốc phát xạ vật đen. Chƣơng 3: Nghiên cứu tính toán hệ số phát xạ hƣớng pháp tuyến hiệu dụng của hốc hình trụ - đáy nón lõm. 17 Chƣơng 4: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo và đánh giá đặc trƣng nguồn giả vật đen dựa trên hốc hình trụ - đáy nón lõm cho hiệu chỉnh bất đồng nhất ảnh của camera ảnh nhiệt.
Các nghiên cứu của luận án sử dụng phƣơng pháp tính toán lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm. Những đóng góp chính của luận án về mặt khoa học và thực tiễn là: - Sử dụng kỹ thuật đa thức nội suy bậc 2 để tính hệ số phát xạ hiệu dụng của hốc phát xạ dạng hình trụ - đáy nón lõm trên cơ sở phƣơng trình tích phân mô tả tƣơng tác bức xạ trong hốc khuếch tán hoàn toàn và đẳng nhiệt. Phƣơng pháp tiếp cận này chƣa thấy công bố trong các công trình khoa học liên quan tới tính toán thiết kế và chế tạo các hốc phát xạ vật đen. - Xây dựng giải thuật tính hệ số phát xạ hƣớng pháp tuyến hiệu dụng của hốc dạng hình trụ - đáy nón lõm đẳng nhiệt dựa trên kỹ thuật mô phỏng Monte Carlo cho các quá trình bức xạ.
Mô hình bề mặt phản xạ khuếch tán theo hƣớng trên mặt phẳng hai chiều đƣợc sử dụng trong các phép mô phỏng. Đây là một đóng góp mới trong mô phỏng Monte Carlo để tính toán, thiết kế hệ thống cho các hốc phát xạ vật đen. - Thiết kế và chế tạo đƣợc một thiết bị nguồn giả vật đen dựa trên hốc phát xạ dạng hình trụ - đáy nón lõm cho bức xạ ra ở vùng 8-12 m và đạt các yêu cầu kỹ thuật đề ra. - Kết quả nghiên cứu của luận án là cơ sở để thiết kế, chế tạo các nguồn giả vật đen dạng vật lý, phục vụ các nghiên cứu về kỹ thuật NUC cho camera ảnh nhiệt trong điều kiện phòng thí nghiệm cũng nhƣ trong điều kiện khai thác thực tế của các thiết bị này.
Đây là vấn đề có ý nghĩa thực tiễn và có nhu cẩu rất cao trong nghiên cứu - phát triển, ứng dụng và đảm bảo kỹ thuật cho các camera ảnh nhiệt chuyên dụng ở điều kiện Việt nam. - Các kết quả và nội dung nghiên cứu của luận án còn đƣợc thể hiện ở các công trình đƣợc công bố trong các tạp chí và các hội nghị khoa học chuyên ngành trong nƣớc và quốc tế. 18 CHƢƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ BỨC XẠ VẬT ĐEN Bức xạ nhiệt là hiện tƣợng biến đổi nhiệt năng (hay nội năng của vật) thành năng lƣợng sóng điện từ (dải phổ từ 0,1 đến 1. Mọi vật thể có nhiệt độ lớn hơn 0 độ tuyệt đối đều phát xạ bức xạ nhiệt.
Bức xạ nhiệt phát ra bởi một bề mặt bao gồm một dải bƣớc sóng liên tục, với đặc trƣng cơ bản là năng lƣợng bức xạ phân bố phụ thuộc bƣớc sóng và hƣớng [26,28,43]. Bức xạ nhiệt lan truyền trong không gian và tƣơng tác với các môi trƣờng quang tuân thủ các định luật của quang học. Trong chƣơng này, chúng tôi trình bày tổng lƣợc về các đặc trƣng bức xạ, lý thuyết bức xạ của nguồn vật đen tuyệt đối và nguồn bức xạ giả vật đen. Các đại lƣợng đặc trƣng bức xạ nhiệt 1.
Công suất bức xạ Đại lƣợng công suất bức xạ (radiant power) hay thông lƣợng bức xạ (radiant flux) đặc trƣng cho năng lƣợng bức xạ trên một đơn vị thời gian [44-46]: (1.1) trong đó Q là năng lƣợng bức xạ, (J); t là thời gian, (s). Để mô tả phân bố công suất bức xạ theo bƣớc sóng, ngƣời ta sử dụng đại lƣợng công suất bức xạ phổ (spectral radiant power) hay thông lƣợng phổ (spectral flux), đƣợc định nghĩa là công suất bức xạ tại bƣớc sóng trên một đơn vị phổ d [45]: (1. Độ trƣng bức xạ Để đặc trƣng cho phân bố theo hƣớng của năng lƣợng bức xạ xuất phát từ một bề mặt, đại lƣợng độ trƣng bức xạ (radiance) L đƣợc sử dụng. Độ trƣng bức xạ là thông lƣợng d phát xạ bởi một đơn vị diện tích bề mặt dA vào một đơn vị góc khối d xung quanh hƣớng (Hình 1.
Trong đó, dA có thể là bề mặt vật lý thực hoặc bề mặt ảo nào đó trong không gian. Để đặc trƣng đồng thời tính chất phụ thuộc phổ và hƣớng của năng lƣợng bức xạ, ngƣời ta thƣờng sử dụng đại lƣợng độ trƣng phổ (spectral radiance) [26,43-45,47]: 19 (1.3) với là bƣớc sóng, và là các tọa độ góc trong hệ tọa độ cầu (Hình 1.3), độ trƣng bức xạ L đƣợc tính nhƣ là tích phân của L, theo mọi bƣớc sóng, hay là. Do độ trƣng phổ luôn mang tính chất là đại lƣợng đặc trƣng về hƣớng của bức xạ, nên trong luận án, để thuận tiện, tác giả sử dụng ký hiệu thay vì để biểu diễn độ trƣng bức xạ phổ.1: Độ trƣng bức xạ [47].2: Hệ tọa độ cầu và đơn vị góc khối d [47]. Độ thoát xạ Để đặc trƣng cho bức xạ rời khỏi bề mặt, ngƣời ta sử dụng đại lƣợng độ thoát xạ phổ (spectral exitance), M (W.m-1), đƣợc tính bởi công suất bức xạ phổ thoát khỏi một đơn vị diện tích [26,44]: (1.4) có thể dễ dàng nhận đƣợc bằng cách thay (1.5) với d trong hệ tọa độ cầu (Hình 1.2) đƣợc tính là [26,43,47]: (1.6) Trƣờng hợp phát xạ từ bề mặt không phụ thuộc hƣớng, hay bề mặt phát xạ ấy là khuếch tán, từ phƣơng trình (1.4) chúng ta có: (1.7) Tích phân của độ thoát xạ phổ theo mọi bƣớc sóng, , đƣợc gọi là độ thoát xạ tổng của một bề mặt, đặc trƣng cho quá trình phát xạ (emission) của bề mặt ấy.
Độ thoát xạ thƣờng đƣợc sử dụng để mô tả phát xạ của bề mặt khuếch tán hoàn toàn hay bề mặt của vật đen tuyệt đối. Cƣờng độ bức xạ Đại lƣợng cƣờng độ bức xạ (radiant intensity) I biểu diễn phần thông lƣợng bức xạ trên một đơn vị góc khối, là một đại lƣợng có đặc trƣng hƣớng, cũng rất hay đƣợc sử dụng trong nghiên cứu đo lƣờng quang bức xạ [45,47]: (1. Độ rọi xạ Xem xét trƣờng hợp bức xạ đƣợc chiếu tới một bề mặt, độ trƣng phổ của bức xạ chiếu cũng đƣợc tính tƣơng tự nhƣ (1.9) 21 trong đó ký hiệu i để chỉ bức xạ chiếu (irradiation).9), là độ trƣng phổ của bức xạ có thông lƣợng chiếu tới một đơn vị của bề mặt chặn theo hƣớng xác định bởi tọa độ góc tới , trên góc khối xung quanh hƣớng tới. Để đặc trƣng cho bức xạ chiếu trên bề mặt, đại lƣợng độ rọi phổ (spectral irradiance) E() (W.m-1) đƣợc sử dụng.
Trong hệ tọa độ cầu đại lƣợng này đƣợc xác định tƣơng tự (1.10) Cũng nhƣ vậy, độ rọi xạ tổng (iradiance) (W.m-2) đƣợc tính bằng cách lấy tích phân của độ rọi phổ E() (1.10) trên toàn bộ dải bƣớc sóng. Hấp thụ, phản xạ, truyền qua bức xạ Giả sử một bức xạ bị chặn lại bởi một môi trƣờng quang học (chất rắn hoặc chất lỏng) trên đƣờng lan truyền của nó, bức xạ này có thể bị phản xạ, hấp thụ bởi môi trƣờng hoặc truyền qua môi trƣờng ấy. Ở trạng thái cân bằng bức xạ trong môi trƣờng đang xét, quy luật bảo toàn năng lƣợng phải đƣợc tuân thủ.11) trong đó , , , và là thông lƣợng bức xạ tới, phản xạ, bức xạ bị hấp thụ và bức xạ truyền qua môi trƣờng tƣơng ứng. Chia cả hai vế của (1.12) đƣợc gọi là hệ số phản xạ phổ, hệ số hấp thụ phổ và hệ số truyền qua bức xạ phổ (hay các hệ số bức xạ đơn sắc) của môi trƣờng đang xét, tƣơng ứng.
Các đại lƣợng này cũng có tính chất đặc trƣng theo hƣớng. Để mô tả cho tính chất hay khả năng bức xạ nói chung của vật liệu thì , , đƣợc gọi là độ phản xạ, độ hấp thụ, độ truyền qua của vật liệu ấy nhằm phân biệt với các hệ số kể trên vốn liên quan tới hệ vật lý cụ thể. Bức xạ của vật đen tuyệt đối 1. Năng suất phát xạ đơn sắc Năng suất phát xạ đơn sắc của một vật r,T là năng lƣợng bức xạ từ một đơn vị diện tích của vật trong một đơn vị thời gian trên một khoảng bƣớc sóng d.
Nhƣ vậy, năng suất phát xạ đơn sắc của một bề mặt vật lý chính là độ thoát xạ phổ M,T của bề mặt ấy [44,45,47]. Đối với vật có khả năng hấp thụ và phát bức xạ nhiệt, theo định luật về bức xạ nhiệt cân bằng của Kirchhoff [26,45,48], ta có tỷ số giữa năng suất phát xạ đơn sắc r,T và hệ số hấp thụ đơn sắc của một vật bất kỳ ở trạng thái bức xạ nhiệt cân bằng thì không phụ thuộc vào bản chất của vật đó, mà chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ T của vật và bƣớc sóng bức xạ .13) Hàm là chung cho mọi vật nên đƣợc gọi là hàm phổ biến. Đối với trƣờng hợp vật có hệ số hấp thụ đơn sắc bằng đơn vị ( ), thì hàm phổ biến chính là năng suất phát xạ đơn sắc của nó ( ). Đặc trƣng phổ bức xạ của vật đen tuyệt đối Vật đen tuyệt đối (hay còn gọi là vật đen lý tƣởng) là vật có khả năng hấp thụ hoàn toàn năng lƣợng mọi bức xạ điện từ tới nó ở mọi nhiệt độ, bất kể bƣớc sóng và hƣớng tới [26,43-45,47,50].
Nói cách khác, theo (1.12) thì vật đen là vật ở trạng thái cân bằng nhiệt động, tƣơng ứng với trƣờng hợp , và. Bức xạ vật đen tuyệt đối có những đặc tính: đẳng hƣớng và đồng nhất (bức xạ Lambert); không phân cực, phổ bức xạ liên tục; bức xạ vật đen tại một bƣớc sóng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ. Hai vật đen tuyệt đối bất kỳ bức xạ nhƣ nhau ở cùng một nhiệt độ và vật đen tuyệt đối có bức xạ lớn nhất so với bất kỳ vật thể thực nào ở cùng nhiệt độ. Trƣờng bức xạ bên trong hốc quang học ở trạng thái cân bằng nhiệt động cũng đƣợc coi là bức xạ có đặc tính của vật đen tuyệt đối [26,44,50].
Phổ bức xạ của vật đen tuyệt đối chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của nó, năng lƣợng trong phổ tuân theo quy luật phân bố bức xạ Plank [26,47]: (1.14) 23 trong đó r,T là năng suất phát xạ đơn sắc; h= 6,626 x 10−34(J⋅s) là hằng số Plank; c=2,998x108 (m⋅s−1) là tốc độ ánh sáng trong chân không; là bƣớc sóng bức xạ, (m); k = 1,381×10−23(J.K-1) là hằng số Boltzmann; T là nhiệt độ tuyệt đối.
