Messen und Berechnen des gerichteten, spektralen Emissionsgrades von festen und mikrostrukturierten Oberflächen

In der heutigen Zeit wird für viele technische Anwendungen ein fundiertes Wissen über die Strahlungseigenschaften von technischen Oberflächen benötigt. Der Strahlungs-energietransport ist sehr wichtig bei Raumfahrtsystemen, Hochtemperaturwärmeübertragern und jeglicher Nutzung von Solarenergie.Der Einfachheit halber wird der Strahlungsenergietransport in den Ingenieurswissenschaften häufig mit hemisphärischen und über alle Wellenlängen integrierten Strahlungseigenschaften der Oberflächen beschrieben. Für eine detaillierte Beschreibung des Strahlungsenergietransports werden jedoch die spektralen und gerichteten Eigenschaftswerte benötigt. Die Entropie eines Strahlungsstroms ist z.B. abhängig von der spektralen Richtungsverteilung der Strahlung. Ein Ziel unserer Arbeit ist es daher gerichtete, spektrale Emissionsgrade von technischen Oberflächen zu messen.

An unserem Institut wird ein Versuchsstand zur Messung von gerichteten, spektralen Emissionsgraden fester Oberflächen bei Temperaturen zwischen 330 K und 500 K aufgebaut. Die Richtungsverteilung der Strahlung kann für Polarwinkel zwischen 0° und 70° und für Azimutwinkel zwischen 0° und 90° untersucht werden. Zur spektralen Detektierung der Strahlungsintensität wird ein FTIR-Spektrometer im Wellenlängenbereich zwischen 4 µm  und 24 µm genutzt. Das System ermöglicht die direkte radiometrische Messung des Emissionsgrades. Der Emissiongrad wird dabei durch Vergleich der Ausstrahlung der Probenoberfläche mit der Ausstrahlung des installierten Schwarzkörperstrahlers bei gleicher Temperatur ermittelt. Die jeweilig betrachtete Ausstrahlung wird wie in der Abbildung dargestellt mit einem Schwenkspiegel zum Detektor geleitet. Die Probenkammer wird evakuiert um konvektive Wärmeübertragung zu verhindern und gekühlt um die Umgebungsstrahlung zu reduzieren.