جریان تابیدگی: راهنمای جامع
شعاعي جریان اصطلاحی است که مقدار انرژی شعاعی که توسط یک شیء در واحد زمان منتشر، بازتاب داده، منتقل یا دریافت می‌شود را توصیف می‌کند. انرژی شعاعی انرژی حمل شده توسط امواج الکترومغناطیسی مانند نور، امواج رادیویی، مایکروویو، فروسرخ، فرابنفش و پرتوهای ایکس است. شعاعی جریان همچنین به عنوان قدرت شعاعی یا قدرت نوری (در مورد نور) نیز شناخته می‌شود.
شعاعی جریان مفهوم مهمی در رادیومتری است که علم اندازه‌گیری و تحلیل تابش الکترومغناطیسی است. شعاعی جریان می‌تواند برای مشخص کردن عملکرد منابع نور، تشخیص‌دهنده‌ها، اجزای نوری و سیستم‌ها استفاده شود. همچنین می‌تواند برای محاسبه مقادیر رادیومتری دیگر مانند شدت شعاعی، تابش، تابشی بودن، خروجی شعاعی و تابشی بودن استفاده شود.
در این مقاله، ما توضیح خواهیم داد که شعاعی جریان چیست، چگونه اندازه‌گیری و محاسبه می‌شود، چگونه با مقادیر رادیومتری و فوتومتری دیگر مرتبط است و کاربردها و مثال‌های آن چیست.
شعاعی جریان چیست؟
شعاعی جریان به عنوان نرخ تغییر انرژی شعاعی نسبت به زمان تعریف می‌شود. ریاضیاً، می‌توان آن را به صورت زیر بیان کرد:
که در آن:
Φe شعاعی جریان در وات (W) است
Qe انرژی شعاعی در ژول (J) است
t زمان در ثانیه (s) است
انرژی شعاعی مجموع انرژی که توسط امواج الکترومغناطیسی از طریق یک سطح یا در یک حجم انتقال می‌یابد است. می‌تواند توسط یک منبع (مانند یک لامپ)، بازتاب شده توسط یک سطح (مانند آینه)، از طریق یک مedium (مانند هوا یا شیشه) منتقل شود یا توسط یک شیء (مانند پنل خورشیدی) جذب شود.
شعاعی جریان می‌تواند مثبت یا منفی باشد بسته به جهت انتقال انرژی. به عنوان مثال، اگر یک منبع نور 10 وات شعاعی جریان منتشر کند، به معنای این است که هر ثانیه 10 ژول انرژی از دست می‌دهد. از طرف دیگر، اگر یک تشخیص‌دهنده 10 وات شعاعی جریان دریافت کند، به معنای این است که هر ثانیه 10 ژول انرژی به دست می‌آورد.
شعاعی جریان به طول موج یا فرکانس تابش الکترومغناطیسی بستگی دارد. طول‌موج‌های مختلف انرژی‌های مختلفی دارند و با ماده به طرق مختلف تعامل می‌کنند. به عنوان مثال، نور مرئی انرژی بیشتری نسبت به تابش فروسرخ دارد و توسط چشم‌های انسان قابل دیدن است. تابش فرابنفش انرژی بیشتری نسبت به نور مرئی دارد و می‌تواند سوختگی خورشیدی و سرطان پوست ایجاد کند.
شعاعی جریان در واحد طول موج یا فرکانس به عنوان شعاعی جریان طیفی یا قدرت طیفی شناخته می‌شود. می‌توان آن را به صورت Φe(λ) برای طول موج یا Φe(ν) برای فرکانس نشان داد. مجموع شعاعی جریان در یک محدوده طول موج یا فرکانس می‌تواند با انتگرال گیری از شعاعی جریان طیفی به دست آید:
که در آن:
λ طول موج در متر (m) است
ν فرکانس در هرتز (Hz) است
λ1 و λ2 حد پایین و بالای محدوده طول موج هستند
ν1 و ν2 حد پایین و بالای محدوده فرکانس هستند
شعاعی جریان چگونه اندازه‌گیری می‌شود؟
شعاعی جریان می‌تواند با استفاده از انواع مختلفی از دستگاه‌هایی به نام رادیومتر اندازه‌گیری شود. یک رادیومتر شامل یک تشخیص‌دهنده است که تابش الکترومغناطیسی را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند و یک دستگاه نمایش که سیگنال را نمایش می‌دهد یا ضبط می‌کند.
تشخیص‌دهنده می‌تواند بر اساس اصول مختلفی مانند اثرات حرارتی (مانند ترموفیل)، اثرات فتوالکتریک (مانند فوتودیود) یا اثرات کوانتومی (مانند فوتومالتیپلیر تیوب) باشد. تشخیص‌دهنده می‌تواند همچنین ویژگی‌های مختلفی مانند حساسیت، پاسخ‌دهی، خطی بودن، محدوده دینامیکی، سطح نویز، پاسخ طیفی، پاسخ زاویه‌ای و کالیبراسیون داشته باشد.
دستگاه نمایش می‌تواند آنالوگ یا دیجیتال باشد و می‌تواند واحدهای مختلفی از اندازه‌گیری مانند وات، ولت، آمپر یا شمارش را نشان دهد. دستگاه نمایش می‌تواند همچنین ویژگی‌های مختلفی مانند وضوح نمایش، دقت، استقرار، نرخ نمونه‌برداری و ذخیره‌سازی داده داشته باشد.
برخی از نمونه‌های رادیومتر عبارتند از:
پیرانومتر: تابش خورشیدی جهانی (شعاعی جریان در واحد سطح از خورشید و آسمان) را روی یک سطح افقی اندازه‌گیری می‌کند
پیرهلیومتر: تابش خورشیدی مستقیم (شعاعی جریان در واحد سطح از خورشید فقط) را روی یک سطح عمود بر خورشید اندازه‌گیری می‌کند
پیرگئومتر: تابش بلند موج (شعاعی جریان در واحد سطح از تابش فروسرخ) را روی یک سطح افقی اندازه‌گیری می‌کند
رادیومتر: شعاعی جریان از هر منبع یا جهتی را اندازه‌گیری می‌کند
اسپکترورادیومتر: شعاعی جریان طیفی (شعاعی جریان در واحد طول موج یا فرکانس) از هر منبع یا جهتی را اندازه‌گیری می‌کند
فوتومتر: شعاعی جریان نوری (شعاعی جریان وزن‌دهی شده توسط حساسیت چشم انسان) از هر منبع یا جهتی را اندازه‌گیری می‌کند.
شعاعی جریان چگونه محاسبه می‌شود؟
شعاعی جریان می‌تواند با استفاده از فرمول‌ها و مدل‌های مختلفی محاسبه شود بسته به نوع و هندسه منبع، medium و گیرنده. برخی از فرمول‌ها و مدل‌های معمول عبارتند از:
قانون پلانک: شعاعی جریان طیفی یک جسم سیاه (یک شیء ایده‌آل که تمام طول‌موج‌های تابش را جذب و منتشر می‌کند) در یک دما مشخص را محاسبه می‌کند
قانون استفن-بولتزمن: شعاعی جریان کل یک جسم سیاه در یک دما مشخص را محاسبه می‌کند
قانون کوزین لامبرت: شدت شعاعی (شعاعی جریان در واحد زاویه جامد) یک منبع لامبرتی (یک شیء ایده‌آل که تابش را به طور مساوی در همه جهات منتشر یا بازتاب می‌کند) در یک زاویه مشخص را محاسبه می‌کند
قانون مربع معکوس: تابش (شعاعی جریان در واحد سطح) یک منبع نقطه‌ای (یک شیء ایده‌آل که تابش را از یک نقطه منتشر می‌کند) در یک فاصله مشخص را محاسبه می‌کند
قانون بیر-لامبرت: کاهش شعاعی جریان را در حال عبور از یک medium جاذب محاسبه می‌کند
معادلات فرزنهل: بازتاب و انتقال شعاعی جریان را در حال برخورد با یک رابطه بین دو medium با شاخص‌های انکسار مختلف محاسبه می‌کند
قانون سنل: انکسار (خم شدن) شعاعی جریان را در حال عبور از یک medium به یک medium دیگر با شاخص‌های انکسار مختلف محاسبه می‌کند
پراکندگی ریلی: پراکندگی (تغییر جهت) شعاعی جریان توسط ذرات کوچکتر از طول موج تابش را محاسبه می‌کند
پراکندگی می: پراکندگی شعاعی جریان توسط ذرات مشابه یا بزرگتر از طول موج تابش را محاسبه می‌کند
شعاعی جریان چگونه با مقادیر رادیومتری و فوتومتری دیگر مرتبط است؟
شعاعی جریان یکی از مقادیر اساسی رادیومتری است که می‌تواند برای مشتق کردن مقادیر رادیومتری و فوتومتری دیگر استفاده شود. برخی از این مقادیر عبارتند از:
شدت شعاعی: شعاعی جریان در واحد زاویه جامد منتشر شده توسط یک منبع نقطه‌ای در یک جهت مشخص. واحدهای SI وات بر استرادیان (W/sr) است.
تابش: شعاعی جریان در واحد زاویه جامد در واحد سطح تصویر شده منتشر شده توسط یک سطح یا حجم در یک جهت مشخص. واحدهای SI وات بر استرادیان بر متر مربع (W/sr/m2) است.
تابش یا تابشی بودن: شعاعی جریان در واحد سطح وارد شده بر یک سطح یا در یک حجم. واحدهای SI وات بر متر مربع (W/m2) یا ژول بر متر مربع (J/m2) است.
خروجی شعاعی یا انتشار: شعاعی جریان در واحد سطح منتشر شده توسط یک سطح یا در یک حجم. واحدهای SI وات بر متر مربع (W/m2) است.
تابشی بودن: خروجی شعاعی به اضافه تابشی بودن بازتاب شده یک سطح. واحدهای SI وات بر متر مربع (W/m2) است.
مقادیر فوتومتری مشابه مقادیر رادیومتری هستند، اما با توجه به حساسیت چشم انسان به طول‌موج‌های مختلف نور وزن‌دهی می‌شوند. تابع وزن‌دهی به نام کارایی تابشی نورانی نامیده می‌شود و دارای مقدار حداکثر 683 lm/W در 555 nm است. برخی از مقادیر فوتومتری عبارتند از:
