第四章 結果與討論
4.2 實驗結果
4.2.1 利用傅利葉紅外線光譜儀量測在快速熱製程中加熱光源的放射光譜
表4-1顯示藉由紅外線溫度計和K型熱電偶從900°C到1100°C在每隔50°C時檢查黑體溫 度(MIKRON M330黑體腔)的結果。分別藉由範圍從0.4∼5.5°C和5∼7°COS3709的紅外線溫
度計和K型熱電偶在M330黑體之間設置了溫度和測量的溫度的差異。設置的溫度和測量的 溫度之間最大的差異不到0.75％。因為表面的放射和吸收經常地使用這個波長，在目前的 文章中用波長來表示放射光譜。圖4-16(a)和圖4-16(b)分別顯示在黑體腔輻射熱頻譜量測方 面，量測加熱溫度為1100K、1200K及1300K且在無填充氣體及有填充氣體之黑體輻射頻譜 圖，為求儘可能將所有放射的能量都量測到，所以黑體腔放置的位置離入射孔越近越好，
且高度亦調整到最佳位置。可以由圖4-17(a)和圖4-17(b)比較發現，無填充氣體的黑體輻射 頻譜會有水氣的吸收(在1.38µm、2.7µm、4.3µm、6.3µm及15µm的地方)及二氧化碳的吸收(在 2.0、2.7、4.3及15 µm的地方)，因為在儀器內充入氮氣可以驅離儀器中的水汽及二氧化碳，
因此有填充氣體之黑體輻射頻譜圖之吸收情況會減少。測量結果與Edwards (1976)和Modak
(1979)所實驗水汽及二氧化碳對光譜吸收特性的影響一致，如表3-1所示。從圖4-16(a)和圖 4-16(b)中也可以發現當加熱溫度為1100K時其波長的峯值為4.64µm(波數為2156 cm-1)。這可
以明顯的發現與習慣上所用的威恩位移法
n
λmaxT=2898 µm-K不一致。只是因為Bomen軟體GRAMS/32實驗量測的資料以波數輸出。從基本的蒲郎克定律，藉由一個可穿透的介質
其折射參數為
n
表達對於從一個有界的黑體表面散射的光譜能量分佈(Modest, 1993)[ 1 ]
4-16(b)比較，黑體的實驗量測數據與理論的蒲郎克定律在 14∼20µm 的範圍有些微差異。實驗量測數據在接近 15 µm 處仍然顯示有二氧化碳的吸收特性。
) 0
(Instrument Response Function)為：
其中精確誤差的量測主要是取
N
個重複值來作分析，計算後的特徵誤差以精確參數S
表 4-3 可以發現在 1µm 至 14µm 時所求得的不準度都低於 5 表示這此波段的量測值與理論 值的波形相差不多，而在 2、3µm 及 6、7µm 之間因為有水蒸氣及二氧化碳的吸收，所以不 準度較其他波段來的大，而從 9µm 以後不準度漸增加，超過 16µm 以後不準度超過 5，表
示量測值已經不可信了，而此波段不準的原因應是來自於分光鏡其分光的極限所造成。
圖 4-18(a)和圖 4-19(a)分別顯示兩盞石英鎢鹵素燈燈號為 No. 64573 和 No. 64743 在充 入氮氣的環境下量測在電壓為 30、50 和 70 伏特的放射光譜。能夠從方程式(14)中已知的
α
bb 和α
u(在我們的實驗α
u ≈α
bb)決定這些燈源的絕對能量光譜分佈。就整體來看在 1µm 到 20µm 的波段之間，可發現有類似三個波形重疊的情形產生，第一個出現於 1µm 到 4.5µm 之間，第二個出現在 4µm 到 9µm 之間，第三個出現在 9µm 到 20µm 之間。三個不同的放射材料其放射光譜大概一致。當燈源的電壓增加時系統輸出的增加(放射能量)且尖峰值的位 置會往短波長的方向偏移。圖 4-18(b)和圖 4-19(b)顯示直接關閉燈源的放射光譜。圖 4-18(a) 或圖 4-19(a)光譜曲線最高的峯值消失。儘管位於 4∼9 µm 和 9∼20 µm 那裡存在兩個放射 光譜曲線。燈鎢細絲的放射光譜在圖 4-18(a)或圖 4-19(a)應該在最高的峯值曲線有責任的。
圖 4-18(b)或圖 4-19(b)的兩個放射光譜曲線之一大約在 6 µm 處有一些微小的峯值。根據
SiO2(Modest, 1993)的輻射性質，相信這些能帶是由石英外殼的吸收引起。位於 4∼9 µm 的 光譜曲線應該與熱石英玻璃管的放射相同的。整個燈裝置其餘一部分的放射應該負責位置 範圍為 9∼20µm 的另一個光譜曲線。
圖 4-18(c)和圖 4-19(c)為圖 4-18(a)和圖 4-19(a)與圖 4-18(b)和圖 4-19(b)兩圖結果相減所 得的結果。他們是在不同電壓為 30、50 和 70 伏特唯一的鎢細絲之放射。處於不同電壓下
所量測 No. 64573)和 No. 64743 的峰值位置之數據分別為 2.4 µm (4160 cm-1)、2.15 µm (4650
cm-1)和 2.01 µm (4975 cm-1)與 2.5 µm (4000 cm-1、2.33 µm (4290 cm-1)和 2.17 µm (4610
cm-1)。在不同燈源的電壓 30、50 和 70 伏特，從 1∼4.5 µm 的範圍中放射光譜的峯值位置 大約在 2.25 µm。儘管鎢細絲不是完美地黑體，但是在這個短波範圍中它這仍然是很好的放
射器。可以從方程式(4-13)估計他們從 2000K 到 2600K 相對應的鎢細絲溫度範圍。根據紅 外線溫度計 OS3709 在不同電壓 30、50 和 70 伏特下同時測量 No. 64573 的細絲溫度分別 為 2179K、2486K 和 2656K，No. 64743 的細絲溫度分別為 2138K、2363K 和 2524K。把那 些估計的溫度與這些測量的溫度做比較，顯示他們與蒲朗克定律及威恩位移法大部份都符 合。增加燈源的電壓時將增加燈鎢細絲的溫度和系統輸出，和改變最高的峯值位置到短波 長區域。這些加熱燈源的光譜峯值輸出範圍從 1.9∼2.5 µm(4000−5200 cm-1)。用圖 4-17 結 合儀器反應函數，燈源的絕對單位總放射能量能夠由在放射光譜中之限定的波長能帶的積
分計算。