Strumień promieniowania: Kompleksowy przewodnik

Strumień promieniowania to termin opisujący ilość energii promieniującej emitowanej, odbijanej, przesyłanej lub otrzymywanej przez obiekt w jednostce czasu. Energią promieniującą jest energia przenoszona przez fale elektromagnetyczne, takie jak światło, fale radiowe, mikrofale, podczerwień, ultrafiolet i promieniowanie rentgenowskie. Strumień promieniowania nazywany jest również mocą promieniową lub mocą optyczną (w przypadku światła).

Strumień promieniowania jest ważnym pojęciem w radyometrii, która jest nauką zajmującą się pomiarem i analizą promieniowania elektromagnetycznego. Strumień promieniowania może być używany do charakteryzowania wydajności źródeł światła, detektorów, komponentów optycznych i systemów. Może również być używany do obliczania innych wielkości radyometrycznych, takich jak natężenie promieniowania, jasność, natężenie oświetlenia, strumień wyjściowy promieniowania i natężenie promieniowania.

W tym artykule wyjaśnimy, czym jest strumień promieniowania, jak go mierzyć i obliczać, jak związany jest z innymi wielkościami radyometrycznymi i fotometrycznymi, oraz jakie są niektóre z jego zastosowań i przykładów.

Czym jest strumień promieniowania?

Strumień promieniowania definiowany jest jako tempo zmiany energii promieniującej względem czasu. Matematycznie można to wyrazić jako:

Gdzie:

• Φe to strumień promieniowania w watcie (W)

• Qe to energia promieniująca w dżulach (J)

• t to czas w sekundach (s)

Energia promieniująca to całkowita ilość energii przenoszonej przez fale elektromagnetyczne przez powierzchnię lub wewnątrz objętości. Może być emitowana przez źródło (np. żarówkę), odbijana przez powierzchnię (np. lustro), przesyłana przez medium (np. powietrze lub szkło) lub absorbowana przez obiekt (np. panel słoneczny).

Strumień promieniowania może być dodatni lub ujemny w zależności od kierunku przepływu energii. Na przykład, jeśli źródło światła emituje 10 W strumienia promieniowania, oznacza to, że traci 10 J energii na sekundę. Z drugiej strony, jeśli detektor odbiera 10 W strumienia promieniowania, oznacza to, że zyskuje 10 J energii na sekundę.

Strumień promieniowania zależy od długości fali lub częstotliwości promieniowania elektromagnetycznego. Różne długości fal mają różne energie i różnie oddziałują z materią. Na przykład, widzialne światło ma większą energię niż promieniowanie podczerwone i może być widziane przez ludzkie oczy. Promieniowanie ultrafioletowe ma jeszcze większą energię niż widzialne światło i może powodować oparzenia słoneczne i raka skóry.

Strumień promieniowania na jednostkę długości fali lub częstotliwości nazywany jest strumieniem spektralnym lub mocą spektralną. Można go oznaczyć jako Φe(λ) dla długości fali lub Φe(ν) dla częstotliwości. Całkowity strumień promieniowania w zakresie długości fali lub częstotliwości można uzyskać poprzez całkowanie strumienia spektralnego:

Gdzie:

• λ to długość fali w metrach (m)

• ν to częstotliwość w hercach (Hz)

• λ1 i λ2 to dolne i górne granice zakresu długości fali

• ν1 i ν2 to dolne i górne granice zakresu częstotliwości

Jak mierzy się strumień promieniowania?

Strumień promieniowania można mierzyć za pomocą różnych typów instrumentów zwanych radyometrami. Radyometr składa się z detektora, który przekształca promieniowanie elektromagnetyczne w sygnał elektryczny, oraz urządzenia wyświetlającego, które wyświetla lub rejestruje sygnał.

Detektor może opierać się na różnych zasadach, takich jak efekty termiczne (np. termopila), fotoelektryczne (np. fotodioda) lub kwantowe (np. lampka pomnożnikowa). Detektor może również mieć różne cechy, takie jak czułość, odpowiedniość, liniowość, zakres dynamiczny, poziom szumu, odpowiedź spektralna, odpowiedź kątowa i kalibracja.

Urządzenie wyświetlające może być analogowe lub cyfrowe i może pokazywać różne jednostki miary, takie jak waty, wolty, ampery lub liczniki. Urządzenie wyświetlające może również posiadać różne funkcje, takie jak rozdzielczość wyświetlacza, dokładność, precyzja, stabilność, częstotliwość próbkowania i magazynowanie danych.

Niektóre przykłady radyometrów to:

• Pyrano