広波長域高速ふく射スペクトル測定装置の開発・拡張
若林英信-------------------------------------------------------1. ふく射伝熱評価
2. 広波長域高速ふく射スペクトル測定装置の開発
3. 表面の温度・ミクロ構造の熱ふく射スペクトル診断法
4. 広波長域高速ふく射スペクトル測定装置の拡張
5. Kirchhoffの法則の実験的検証--------------------------------------------------------

広波長域高速ふく射スペクトル測定装置の開発・拡張
若林英信-------------------------------------------------------1. ふく射伝熱評価
2. 広波長域高速ふく射スペクトル測定装置の開発
3. 表面の温度・ミクロ構造の熱ふく射スペクトル診断法
4. 広波長域高速ふく射スペクトル測定装置の拡張
5. Kirchhoffの法則の実験的検証--------------------------------------------------------

表面間のふく射エネルギー交換【ふく射伝熱評価の目的】

なん W ？
なん K ？
安全に所要の機能をはたす？

熱ふく射 thermal radiation
Planck 分布の及ぶ広い波長域 / 可視～赤外
指向性の弱い / 拡散的なふく射…レーザのふく射のように単色ふく射がビーム的に直進するものではなく偏光性は強いものではない

実在表面 real surface
ふく射を不完全に拡散反射する… 鏡面反射的にでもなく 完全拡散反射的にでもなく表面状態は一意的に定義されず / 時々刻々にも変化しうる… 工業的な表面加工プロセスでは積極的に変化させられる

cf. 理想的な表面！ 系におけるふく射の伝搬をとり扱うのは易しくない！ 放射率などの表面のふく射性質の値をその表面の環境に応じてあらかじめ推定するは難しい

ふく射伝熱評価の伝統的な方法【方向特性】完全拡散の仮定(1) 表面が放射するふく射の等方性 …完全拡散放射(2) 表面に入射するふく射の等方性 …半球等強度入射(3) 表面が反射するふく射の等方性 …完全拡散反射【波長特性】灰色体の仮定(4) 表面のふく射性質が波長に依存しない→ 形態係数・温度・全半球放射率(系における表面の配置)(...表面のふく射性質を代表する)(...教科書・資料集にはその値がリストされた)

全半球放射率 (or 全垂直放射率)...教科書・資料集にはその値がリストされた伝統的な方法の問題点… 適切に評価できない / 確かでない
なんＫ？ 温度の有効数字 の １桁め
なんＷ？ ふく射エネルギーの オーダ… ふく射の方向分布と波長分布についての仮定の乱暴さ
完全拡散灰色体

ふく射の方向分布の仮定の乱暴さ … 温度分布・表面の反射の方向特性
完全拡散加熱○(1) 表面が放射するふく射の等方性 …完全拡散放射×(2) 表面に入射するふく射の等方性 …半球等強度入射×(3) 表面が反射するふく射の等方性 …完全拡散反射器

不完全に拡散反射

被加熱面

ふく射の波長分布の仮定の乱暴さ … 系に強い温度分布がある場合に顕著になる

εHt

灰色体

AHt

(全半球放射率)≠(全半球等強度入射吸収率)cf.
Kirchhoffの法則が成立するとすれば(分光指向放射率)＝(分光指向入射吸収率)(AHt =)(=εHt )

黒体の分光放射強度(スペクトル) … Planckの式

IB= IB(λ, T)
=π 5

1 C11
λ exp( C2 ) −1λT

C1 = 3.7415×10− 16 W ⋅ m2
C2 = 0.014388m ⋅ K※縦軸・横軸が対数目盛なので，一見すると98％も占めるようには見えないが...

分光垂直放射率(スペクトル)＝分光垂直入射吸収率(スペクトル)

全半球放射率 0.3≠全半球等強度入射吸収率 0.9↑
われわれの実験試料/われわれが分光測定した
酸化ニッケル被膜つきニッケル表面

分光指向放射率

Iemis(λ,θ ,φ ,T )≡ε (λ, θ, φ, T)IB(λ,T )∞360° 90°∫ ∫∫ 0ε (λ ,θ ,φ ,T ) I B (λ ,T ) cosθ sinθdθdφdλ= λ =0 φ =0∞ θ =360° 90°∫λ =0 ∫φ =0 ∫θ =0 I B (λ ,T ) cosθ sinθdθdφdλ

全半球放射率εΗt(T)分光指向入射吸収率

Iabs(λ,θ ,φ ,T )≡A(λ, θ, φ, T) I (λ,θ ,φ )in∫ ∫∫ 0 A(λ ,θ ,φ ,T ) I in (λ ,θ ,φ ) cosθ sinθdθdφdλ= λ =0 φ =0∞ θ =360° 90°∫λ =0 ∫φ =0 ∫θ =0 Iin (λ ,θ ,φ ) cosθ sinθdθdφdλ∞

全半球等強度入射吸収率

AHt(T)

360° 90°

5800Ｋの黒体ふく射が(半球方向から等強度で)入射するときの全半球等強度入射吸収率≡太陽光吸収率∞

360° 90°∫λ =0 ∫φ =0 ∫θ = 0 A(λ ,θ ,φ ,T ) I B (λ ,Ts = 5800K) cosθ sinθdθdφdλ=∞ 360° 90°s∫λ =0 ∫φ =0 ∫θ =0 I B (λ ,Ts = 5800K) cosθ sinθdθdφdλA

Kirchhoffの法則が成立するとすればε (λ, θ, φ, T) = A(λ, θ, φ, T)εΗt(T) = AHt(T) が成立するには(1)温度 T の黒体ふく射が入射する Iin = IB(λ, T)(2)ε (λ, θ, φ, T) = A(λ, θ, φ, T)が波長によらない(灰色体の仮定)のいずれかを条件とする

(5800 Kの黒体ふく射が入射するときの)全半球等強度入射吸収率(太陽光吸収率)
As
アルミニウム，研摩面
0.09
アルミニウム，アルマイト処理 0.14
レンガ，赤0.63
コンクリート0.60
皮膚0.62
金属，黒コバルトめっき
0.93
金属，黒ニッケルめっき
0.92
金属，黒クロムめっき
0.87
金属，白ペンキ
0.21
金属，黒ペンキ
0.97
ステンレス鋼, as received, dull
0.50

黒ニッケルめっき

全半球放射率εHt(T=300 K)
0.03
0.84
0.93
0.88
0.97
0.30
0.08
0.09 }←理想的な太陽エネルギー波長選択吸収性の表面0.96に近い0.970.21

黒クロムめっき熱工学の問題を改善するにはふく射の【方向分布】と【波長分布】を考慮する… 評価の目的に照らしてある程度 乱暴な方法をとる

研究の方針… ふく射伝熱の評価につながる研究

個々の実在表面の２方向反射率の行列のスペクトルの詳細構造の時間変化を詳細に調べる－適度に厳密に記述する方法－【方向特性】半球反射率の鏡面反射成分と完全拡散反射成分【波長特性】多段の階段状のスペクトルモデル【縦軸】

Ｗ の単位の量【有名なTPRCのデータ集より】 垂直入射垂直反射率スペクトル1

反射率00.1

アルミニウム110

波長 μｍ100広波長域高速ふく射スペクトル測定装置の開発・拡張
若林英信-------------------------------------------------------1. ふく射伝熱評価
2. 広波長域高速ふく射スペクトル測定装置の開発
3. 表面の温度・ミクロ構造の熱ふく射スペクトル診断法
4. 広波長域高速ふく射スペクトル測定装置の拡張
5. Kirchhoffの法則の実験的検証--------------------------------------------------------

【課題】
工業装置の実環境下にあってそのふく射性質が時々刻々にも変化する実在表面の現象を系統的に研究する方法を示すことである．

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------

広波長域高速ふく射スペクトル測定装置(a) 広い波長域
可視～赤外の--- Planck distribution for heat transfer--- order of surface microstructure(b) 推移する現象
くり返し測定サイクル時間：数秒--- transient radiation phenomena--- real-time in-process surface diagnosis(c) 反射と放射反射・放射同時測定--- absorption and emission of radiation--- hemispherical reflection by surface microstructure--------------------------------------------------------------------------------------------------------------

(= １ｰＡＮ)= １ｰεＮ・Kirchhoff’s law
emittance and absorptanceεＮ(λ)＝ＡＮ(λ) …(1)・Energy balance
incidence, reflectance and absorptance
１＝ＲＮＨ(λ)＋ＡＮ(λ)…(2)

・from Eqs.(1) and (2)emittance and reflectanceεＮ(λ)＋ＲＮＨ(λ)＝１ …(3)ＲNN εN

1. tungusten-halogen lamp
2. Si3N4 light source
3. rotationary concave mirror
4. shutter disk
5. specimen
6. K-thermocouple
7. heater
8. concave mirror
9. rotationary plane mirror
10. chopper
11. entrance slit
12. filter disk
13. rotationary plane mirror 1
14. rotationary plane mirror 2
15. collimator
16. diffraction grating
17. camera mirror
18. 35-Si photodiode array
19. 16-Ge photodiode array
20. 32-InSb
photovoltaic array
21. 16-HgCdTe
photoconductive arraywavelength region
light source
diffraction grating
blaze wavelength
number of grooves
higher-order light cut-filter
cut-on wavelength
detector element array

μm

0.30
1.1
tungsten-halogen lamp

μm/mm

5.5
11
silicon nitride light source

1.25
150

3.20
41

6.7912element(Si)siliconphotodiode0.90(Ge)
germanium
photodiodeelement sizemm
element spacingmm
number of elements

W0.9×H4.40.135

W0.8×H1.00.2
161.73.3(InSb)
InSb photovoltaic
detector
W1.0×H1.00.25
32

5.5(HgCdTe)
HgCdTe photoconductive
detector
W1.0×H1.0
0.3
16μm

0.80
200

1.80.30

0.57

Exprimental :high temperature oxidation of a metal surface
microstructure fabrication processes for IC, MEMS, …

ニッケル (初期状態=光学鏡面)

(1) 山谷 … ふく射の干渉 … 被膜の成長(2) 減少 … ふく射の回折 … あらさの増大Exprimental :high temperature oxidation of a metal surface
microstructure fabrication processes for IC, MEMS, …

ニッケル (初期状態=光学鏡面)

広波長域高速ふく射スペクトル測定装置の開発・拡張
若林英信-------------------------------------------------------1. ふく射伝熱評価
2. 広波長域高速ふく射スペクトル測定装置の開発
3. 表面の温度・ミクロ構造の熱ふく射スペクトル診断法
4. 広波長域高速ふく射スペクトル測定装置の拡張
5. Kirchhoffの法則の実験的検証--------------------------------------------------------

(= １ｰＡＮ)= １ｰεＮ・Kirchhoff’s law
emittance and absorptanceεＮ(λ)＝ＡＮ(λ) …(1)・Energy balance
incidence, reflectance and absorptance
１＝ＲＮＨ(λ)＋ＡＮ(λ)…(2)

・from Eqs.(1) and (2)emittance and reflectanceεＮ(λ)＋ＲＮＨ(λ)＝１ …(3)

ＲＨＮ optics(reciprocity relation)
ＲＨＮ＝ＲＮＨ

1. tungusten-halogen lamp
2. Si3N4 light source
3. paraboloidal mirror 1
4. paraboloidal mirror 2
5. specimen
6. heater

simultaneous measurement of spectra ofreflectance ＲＮＨ and emittance εＮ------------------------半球等強度入射垂直反射率

IsR HN ≡I0-----------------------------------------------------I0vsΔΩΔAΘ0vs = αIsΔAcosθ0ΔΩvrΔΩ

I0ΔAΘ0vｒ = αR (θ0)I0ΔAcosθ0ΔΩ

Is vsR HN ≡ = R (θ0 )I 0 vr------------------------------------------------------

small reference blackbody
for measuring εＮ・diameter & length: φ20 mm×50 mm
・diaphragm: φ10 mm・material: SUS304
・sheath heater: φ1 mm… 3 circuits: base,body & neck・thermocouple: K φ0.1 mm… at base,body & neck・calibration temperauters:
1000, 1050 and 1100 K・apparent emittance: 0.99

01. tungusten-halogen lamp
02. Si3N4 light source
03. paraboloidal mirror 1
04. paraboloidal mirror 2
05. specimen
06. heater
C. cam mechanics
07. concave mirror
08. plane mirror
09. rotationary plane mirror
10. chopper
11. entrance slit
12. filter disk
13. rotationary plane mirror
14. collimator
15. diffraction grating
16. camera mirror
17. 35-Si photodiode array
18. 16-Ge photodiode array
19. 32-InSbphotovoltaic array
20. 16-HgCdTe
photoconductive array

Exprimental :high temperature oxidation of a metal surface
microstructure fabrication processes for IC, MEMS, …

ニッケル (初期状態=光学鏡面)

ニッケル (初期状態=光学鏡面)

ニッケル (初期状態=あらい表面)

クロム (初期状態=光学鏡面)

クロム (初期状態=あらい表面)

ニッケル (初期状態=光学鏡面)

ニッケル (初期状態=あらい表面)

クロム (初期状態=光学鏡面)

クロム (初期状態=あらい表面)

パラジウム (初期状態=光学鏡面)※ temperature scanning:
300 K → 1000 K → 1100 K → 1000 K → 300 K｜｜｜｜
1073 K1073 K(=800℃) (=800℃)------→｜←---→｜←------oxidationreduction oxidation

広波長域高速ふく射スペクトル測定装置の開発・拡張
若林英信-------------------------------------------------------1. ふく射伝熱評価
2. 広波長域高速ふく射スペクトル測定装置の開発
3. 表面の温度・ミクロ構造の熱ふく射スペクトル診断法
4. 広波長域高速ふく射スペクトル測定装置の拡張
5. Kirchhoffの法則の実験的検証--------------------------------------------------------