Säteilyvirta: Yleiskatsaus
Säteilyvirta on termi, joka kuvaa säteilevän energian määrää, jota esine saa, heijastaa, välittää tai vastaanottaa yksikköajan kuluessa. Säteilevä energia on energia, jota sähkömagneettiset aallot, kuten valo, radiosaaret, mikroaallot, infrapuna, ultraviolettia ja röntgenaalloja kuljettavat. Säteilyvirtaa kutsutaan myös säteileväksi teholleksi tai optiseksi tehoksi (valon tapauksessa).
Säteilyvirta on tärkeä käsite säteilysuureiden mittauksessa, joka on sähkömagneettisen säteilyn mittauksen ja analysoinnin tieteenala. Säteilyvirtaa voidaan käyttää valolähteiden, havaintolaitekomponenttien, optisten komponenttien ja järjestelmien suorituksen karakterisointiin. Sitä voidaan käyttää myös muiden säteilysuureiden, kuten säteilyvoiman, säteilylähteen, säteilytason, säteilevän ulostulon ja säteilykappaleen, laskemiseen.
Tässä artikkelissa selitetään, mitä säteilyvirta on, miten sitä mitataan ja lasketaan, miten se liittyy muihin säteilysuureisiin ja fotometrisiin suureisiin, sekä mitkä ovat joitakin sen sovelluksia ja esimerkkejä.
Mikä on Säteilyvirta?
Säteilyvirta määritellään säteilevän energian muutoksen nopeudeksi ajan suhteen. Matemaattisesti se voidaan ilmaista:
Missä:
Φe on säteilyvirta vateissa (W)
Qe on säteilevä energia jouleissa (J)
t on aika sekunneissa (s)
Säteilevä energia on kaiken sähkömagneettisen säteilyn kautta siirretty energia pinnan yli tai tilan sisällä. Se voidaan tuottaa lähteeltä (kuten lamppu), heijastaa pinnalla (kuten peili), välittyä keskityksessä (kuten ilmassa tai lasissa) tai absorboida esineellä (kuten aurinkopaneelilla).
Säteilyvirta voi olla positiivinen tai negatiivinen riippuen energiansiirron suunnasta. Esimerkiksi, jos valolähde tuottaa 10 W säteilyvirtaa, se tarkoittaa, että se menettää 10 J energiaa sekunnissa. Toisaalta, jos havaintulaite vastaanottaa 10 W säteilyvirtaa, se tarkoittaa, että se saa 10 J energiaa sekunnissa.
Säteilyvirta riippuu sähkömagneettisen säteilyn aallonpituudesta tai taajuudesta. Eri aallonpituudet omaavat eri energiat ja reagoivat eri tavoin ainetta. Esimerkiksi näkyvä valo on korkeampaa energiaa kuin infrapuna-aalto ja sitä voidaan nähdä ihmisen silmillä. Ultraviolettiaaltoilla on vieläkin korkeampi energia kuin näkyvällä valolla, ja ne voivat aiheuttaa aurinkuyökän ja ihotartunnan.
Säteilyvirta yksikköaallonpituuden tai -taajuuden suhteen kutsutaan spektraalivirtaksi tai spektraaliteholle. Sitä voidaan merkitä Φe(λ) aallonpituudelle tai Φe(ν) taajuudelle. Kokonaissäteilyvirta tietyllä aallonpituus- tai taajuusalueella voidaan saada integroimalla spektraalivirta:
Missä:
λ on aallonpituus metreissä (m)
ν on taajuus hertzeissä (Hz)
λ1 ja λ2 ovat aallonpituusalueen alaraja ja yläraja
ν1 ja ν2 ovat taajuusalueen alaraja ja yläraja
Miten Säteilyvirta Mitanetaan?
Säteilyvirtaa voidaan mitata erilaisilla laitteilla, joita kutsutaan radiometreiksi. Radiometri koostuu havaintulaitteesta, joka muuntaa sähkömagneettisen säteilyn sähköiseksi signaaliksi, ja lukulaitteesta, joka näyttää tai tallentaa signaalin.
Havaintulaitteeseen voidaan perustua eri periaatteita, kuten lämpövaikutukset (esim. termopila), fotoelektriset vaikutukset (esim. fotodiode) tai kvanttivaikutukset (esim. fotomultiplikatoriputki). Havaintulaitteen ominaisuudet voivat vaihdella, kuten herkkyys, responsiivisuus, lineaarisuus, dynaaminen alue, äänitaso, spektraalivaikutus, kulma-vaikutus ja kalibrointi.
Lukulaitteeseen voidaan käyttää analogisia tai digitaalisia yksiköitä, jotka näyttävät eri mittayksiköitä, kuten vateja, voltteja, amperiä tai lukuja. Lukulaitteen ominaisuudet voivat vaihdella, kuten näytön resoluutio, tarkkuus, tarkentuminen, vakaus, näytto-nopeus ja datavarasto.
Joitakin radiometrien esimerkkejä ovat:
Pyranometri: mitataan globaalia aurinkosäteilyä (säteilyvirtaa yksikköpinta-alasta Aurinkosta ja taivaalta) horisontaalisella pinnalla
Pyrhelio-metri: mitataan suoraa aurinkosäteilyä (säteilyvirtaa yksikköpinta-alasta Aurinkosta vain) pinnalla, joka on normaali Aurinkoon nähden
Pyrgeometri: mitataan pitkäaalloista säteilyä (säteilyvirtaa yksikköpinta-alasta infrapuna-aalloilla) horisontaalisella pinnalla
Radiometri: mitataan säteilyvirtaa mistä tahansa lähteestä tai suunnasta
Spektro-radiometri: mitataan spektraalivirtaa (säteilyvirtaa yksikköaallonpituuden tai -taajuuden suhteen) mistä tahansa lähteestä tai suunnasta
Fotometri: mitataan valovirtaa (säteilyvirtaa painotettuna ihmisen silmän herkyydellä) mistä tahansa lähteestä tai suunnasta.
Miten Säteilyvirta Lasketaan?
Säteilyvirtaa voidaan laskea erilaisilla kaavoilla ja malleilla riippuen lähteen tyypistä ja geometriasta, keskityksestä ja vastaanottajasta. Joitakin yleisiä kaavoja ja malleja ovat:
Planckin laki: laskee mustan ruumiin spektraalivirtaa (ideaalista objektia, joka absorboi ja säteilee kaikki aallonpituudet) annetussa lämpötilassa
Stefan-Boltzmannin laki: laskee mustan ruumiin kokonaissäteilyvirtaa annetussa lämpötilassa
Lambertin kosinin laki: laskee lambertilaisten lähteiden (ideaalista objektia, joka säteilee tai heijastaa tasaisesti kaikkiin suuntiin) säteilyvoimaa (säteilyvirtaa yksikkösteradiaanin suhteen) annetussa kulmassa
Käänteinen neliölaki: laskee pistelähteen (ideaalista objektia, joka säteilee yhdestä pisteestä) säteilytason (säteilyvirtaa yksikköpinta-alasta) annetulla etäisyydellä
Beer-Lambertin laki: laskee säteilyvirtan vähennyksen, kun se kulkee absortoivassa keskityksessä
