جریان تابیدگی: راهنمای جامع
پرتوی تابشی اصطلاحی است که مقدار انرژی پرتویی که توسط یک شیء در واحد زمان منتشر، بازتاب داده، عبور یا دریافت می‌شود را توصیف می‌کند. انرژی پرتوی انرژی حمل شده توسط امواج الکترومغناطیسی مانند نور، امواج رادیویی، مایکروویو، فروسرخ، فرابنفش و اشعه ایکس است. پرتوی تابشی همچنین به عنوان قدرت پرتویی یا قدرت نوری (در مورد نور) شناخته می‌شود.
پرتوی تابشی مفهوم مهمی در رادیومتری است که علم اندازه‌گیری و تحلیل تابش الکترومغناطیسی است. پرتوی تابشی می‌تواند برای مشخص کردن عملکرد منابع نور، آشکارسازها، اجزای نوری و سیستم‌ها استفاده شود. همچنین می‌تواند برای محاسبه سایر کمیت‌های رادیومتری مانند شدت پرتویی، تابندگی، تابش، خروجی پرتویی و تابشیت استفاده شود.
در این مقاله، ما توضیح خواهیم داد که پرتوی تابشی چیست، چگونه اندازه‌گیری و محاسبه می‌شود، چگونه با سایر کمیت‌های رادیومتری و فوتومتری مرتبط است و کاربردها و مثال‌های آن چیست.
پرتوی تابشی چیست؟
پرتوی تابشی به صورت تغییرات انرژی پرتویی نسبت به زمان تعریف می‌شود. ریاضیاً، می‌توان آن را به صورت زیر بیان کرد:
که در آن:
Φe پرتوی تابشی در وات (W) است
Qe انرژی پرتویی در جول (J) است
t زمان در ثانیه (s) است
انرژی پرتویی مجموع انرژی که توسط امواج الکترومغناطیسی در طول یک سطح یا در داخل یک حجم منتقل می‌شود است. می‌تواند توسط یک منبع (مانند یک چراغ)، بازتاب شود توسط یک سطح (مانند آینه)، از طریق یک مedium (مانند هوا یا شیشه) عبور کند یا توسط یک شیء (مانند یک پنل خورشیدی) جذب شود.
پرتوی تابشی می‌تواند مثبت یا منفی باشد بسته به جهت انتقال انرژی. به عنوان مثال، اگر یک منبع نور ۱۰ وات پرتوی تابشی منتشر کند، به این معناست که هر ثانیه ۱۰ جول انرژی از دست می‌دهد. از طرف دیگر، اگر یک آشکارساز ۱۰ وات پرتوی تابشی دریافت کند، به این معناست که هر ثانیه ۱۰ جول انرژی بدست می‌آورد.
پرتوی تابشی به طول موج یا فرآیند امواج الکترومغناطیسی بستگی دارد. طول‌های موج 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 می‌تواند توسط چشم‌های انسانی دیده شود. تابش فرابنفش حتی انرژی بیشتری نسبت به نور مرئی دارد و می‌تواند سوختگی خورشیدی و سرطان پوست ایجاد کند.
پرتوی تابشی در واحد طول موج یا فرآیند به عنوان پرتوی طیفی یا توان طیفی شناخته می‌شود. می‌توان آن را به صورت Φe(λ) برای طول موج یا Φe(ν) برای فرآیند نمایش داد. مجموع پرتوی تابشی در یک محدوده طول موج یا فرآیند می‌تواند با انتگرال‌گیری از پرتوی طیفی به دست آید:
که در آن:
λ طول موج در متر (m) است
ν فرآیند در هرتز (Hz) است
λ1 و λ2 حداقل و حداکثر محدوده طول موج هستند
ν1 و ν2 حداقل و حداکثر محدوده فرآیند هستند
پرتوی تابشی چگونه اندازه‌گیری می‌شود؟
پرتوی تابشی می‌تواند با استفاده از انواع مختلفی از دستگاه‌هایی به نام رادیومتر اندازه‌گیری شود. یک رادیومتر شامل یک آشکارساز است که تابش الکترومغناطیسی را به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند و یک دستگاه نمایش که سیگنال را نمایش می‌دهد یا ضبط می‌کند.
آشکارساز می‌تواند بر اساس اصول مختلفی مانند اثرات حرارتی (مانند ترمپیل)، اثرات فوتوالکتریک (مانند فوتودیود) یا اثرات کوانتومی (مانند فوتومولتیپلیر) باشد. آشکارساز 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 مختلف اندازه‌گیری مانند وات، ولت، آمپر یا شمارش را نشان دهد. دستگاه نمایش همچنین می‌تواند ویژگی‌های مختلفی مانند وضوح نمایش، دقت، دقیق بودن، پایداری، نرخ نمونه‌برداری و ذخیره‌سازی داده داشته باشد.
برخی از نمونه‌های رادیومترها عبارتند از:
پیرانومتر: اندازه‌گیری تابش خورشیدی جهانی (پرتوی تابشی در واحد سطح از خورشید و آسمان) روی یک سطح عمودی
پیرهلیومتر: اندازه‌گیری تابش خورشیدی مستقیم (پرتوی تابشی در واحد سطح فقط از خورشید) روی یک سطح عمود بر خورشید
پیرگئومتر: اندازه‌گیری تابش طول موج بلند (پرتوی تابشی در واحد سطح از تابش فروسرخ) روی یک سطح عمودی
رادیومتر: اندازه‌گیری پرتوی تابشی از هر منبع یا جهت
طیف‌رادیومتر: اندازه‌گیری پرتوی طیفی (پرتوی تابشی در واحد طول موج یا فرآیند) از هر منبع یا جهت
فوتومتر: اندازه‌گیری جریان نوری (پرتوی تابشی وزن‌دهی شده توسط حساسیت چشم انسان) از هر منبع یا جهت.
پرتوی تابشی چگونه محاسبه می‌شود؟
پرتوی تابشی می‌تواند با استفاده از فرمول‌ها و مدل‌های مختلفی محاسبه شود، بسته به نوع و هندسه منبع، مedium و گیرنده. برخی از فرمول‌ها و مدل‌های رایج عبارتند از:
قانون پلانک: محاسبه پرتوی طیفی یک جسم سیاه (یک شیء ایده‌آل که تمام طول‌موج‌های تابش را جذب و منتشر می‌کند) در یک دمای خاص
قانون استفن-بولتزمن: محاسبه مجموع پرتوی تابشی یک جسم سیاه در یک دمای خاص
قانون لامبرت کسینوس: محاسبه شدت پرتویی (پرتوی تابشی در واحد زاویه جامد) یک منبع لامبرتی (یک شیء ایده‌آل که تابش را به طور مساوی در تمام جهات منتشر یا بازتاب می‌کند) در یک زاویه خاص
قانون معکوس مربع: محاسبه تابش (پرتوی تابشی در واحد سطح) یک منبع نقطه‌ای (یک شیء ایده‌آل که تابش را از یک نقطه منتشر می‌کند) در یک فاصله خاص
قانون بیر-لامبرت: محاسبه تضعیف (کاهش) پرتوی تابشی وقتی از طریق یک مedium جاذب عبور می‌کند
معادلات فرسنل: محاسبه بازتاب و عبور پرتوی تابشی وقتی با یک مرز بین دو مedium با شاخص‌های شکست مختلف مواجه می‌شود
قانون سنل: محاسبه انحراف (خم شدن) پرتوی تابشی وقتی از یک مedium به دیگری با شاخص‌های شکست مختلف عبور می‌کند
پراکندگی ریلی: محاسبه پراکندگی (تغییر مسیر) پرتوی تابشی توسط ذرات کوچکتر از طول موج تابش
پراکندگی می: محاسبه پراکندگی پرتوی تابشی توسط ذرات مقایسه‌پذیر یا بزرگتر از طول موج تابش
پرتوی تابشی چگونه با سایر کمیت‌های رادیومتری و فوتومتری مرتبط است؟
پرتوی تابشی یکی از کمیت‌های اساسی رادیومتری است که می‌تواند برای استخراج سایر کمیت‌های رادیومتری و فوتومتری استفاده شود. برخی از سایر کمیت‌ها عبارتند از:
شدت پرتویی: پرتوی تابشی در واحد زاویه جامد منتشر شده توسط یک منبع نقطه‌ای در یک جهت خاص. واحدهای SI وات بر استرادیان (W/sr) است.
تابندگی: پرتوی تابشی در واحد زاویه جامد در واحد سطح تصویر شده منتشر شده توسط یک سطح یا حجم در یک جهت خاص. واحدهای SI وات بر استرادیان بر متر مربع (W/sr/m2) است.
تابش یا تابش معرض: پرتوی تابشی در واحد سطح وارد شده روی یک سطح یا در داخل یک حجم. واحدهای SI وات بر متر مربع (W/m2) یا جول بر متر مربع (J/m2) است.
خروجی پرتویی یا تابشی: پرتوی تابشی در واحد سطح منتشر شده توسط یک سطح یا در داخل یک حجم. واحدهای SI وات بر متر مربع (W/m2) است.
تابشیت: خروجی پرتویی به اضافه تابش بازتاب شده یک سطح. واحدهای SI وات بر متر مربع (W/m2) است.
کمیت‌های فوتومتری مشابه کمیت‌های رادیومتری هستند، اما آنها با حساسیت چشم انسان به طول‌موج‌های مختلف نور وزن‌دهی می‌شوند. تابع وزن‌دهی به نام کارایی نوری شناخته می‌شود و مقدار بیشینه ۶۸۳ lm/W در ۵۵۵ nm دارد. برخی از کمیت‌های فوتومتری عبارتند از:
جریان نوری: پرتوی تابشی وزن‌دهی شده توسط تابع کارای
