Чорне тіло, коефіцієнт теплового випромінювання порожнини

Чорним тілом (ЧТ) називають випромінювач, що поглинає все падаюче на нього випромінювання. ЧТ — це еталонне джерело потоку спектральної яскравості або спектральної опроміненості. Таке джерело застосовують для паспортизації різних приймачів випромінювання, для визначення спектрофотометричних характеристик спектральної та фотометричної апаратури, для атестації пірометрів та радіометрів та інших вимірювальних приладів.

Побудова еталонних випромінювачів на основі ЧТ основана на тому, що всі енергетичні спектральні характеристики визначаються для такого джерела на основі законів теплового випромінювання, при заданій температурі Т. Для еталонних джерел їх температура Т підтримується та визначається з точністю ~ 0,01-0,05° К.

Модель ЧТ можна отримати у вигляді замкнутої порожнини з невеликим отвором. Така порожнина покривається зсередини слабо відбиваючим матеріалом і має коефіцієнт поглинання близький до одиниці (за рахунок багаторазових відбивань від стінок порожнини). Тобто випромінюваність (світність) джерела на основі порожнини завжди більше випромінюваності площини, покритої тим же чорним матеріалом. Відмінність випромінюючої здатності порожнини та плоского зразка характеризується ефективним коефіцієнтом теплового випромінювання , і коефіцієнтом почорніння .

У відповідності із законом Кірхгофа запишемо:

, (34)

де — СГЕС покриття (плоского зразка), — СГЕС порожнини (отвору моделі ЧТ), — СГЕС АЧТ, — коефіцієнт теплового випромінювання плоского зразка, замітимо що , СГЕС — спектральна густина енергетичної світності.

Випромінювання довільної порожнини наближено завжди можна спів ставити із випромінюванням сферичної порожнини.

Ефективним коефіцієнтом теплового випромінювання сферичної порожнини визначається за формулою: , (35)

— СГЕС отвору із координатами . — коефіцієнт відбивання матеріалу порожнини, — відносна ефективна площа S сферичної порожнини із отвором . Фактично , де К — коефіцієнт відбивання порожнини.

Вираз (35) отримується на основі теорії інтегруючої сфери .

Рис.1.Коефіцієнт відбивання

інтегруючої сфери

Порожнини виготовляють із добре проводячи тепло матеріалів (мідь, сталь, алюміній).

 

Типові форми моделей ЧТ показані на малюнку:

 

Рис.2. Типові форми моделей ЧТ

Внутрішнє покриття робиться шорстким та оксидованим. Чорні тіла постачаються набором діафрагм різного розміру, які охолоджуються певним чином. Температура ЧТ підтримується із високою точністю. Моделі виготовляють на різні температури. Рідкий азот -кімнатна-2000°К. Високе значення (біля 0,99) отримується для поверхні із кутом ψ=15° та ε > 0,75.

Наближена формула розрахунку значення конусної поверхні така:

 

≈

 

 

 

Лампа розжарення.

Електрична лампа розжарювання (ЕЛР) називають джерело випромінювання, яке отримується в результаті теплового випромінювання твердого тіла, нагрітого до високої температури за рахунок проходження через нього електричного струму. Тіло знаходиться в скляному балоні і заповненому інертним газом. ЕЛН використовуються, як джерела світла так і джерела випромінювання в видимій та ближній ІЧ області спектра.

До переваг ЕЛР слід віднести: зручність експлуатації(період розгортання практично відсутній, лампу можна включати в мережу без додаткових пристроїв),суцільний спектр, відроблену технологію виготовлення ламп у широкому діапазоні потужностей, малу вартість, високу надійність.

Недоліки ЕЛР: низька світло віддача (світловий ККД їх складає 1-3%, тобто це не економічні джерела); спектральний склад ЕЛР істотно відрізняється від сонячного випромінювання.

Нитки розжарення сучасних ЕЛР виготовляють з вольфраму із різними присадками, тому що нитка вольфраму крихка і погано зберігає форму.

Для виготовлення колб застосовують спеціальні марки скла. Скло повинно бути міцним, жаростійким, мати постійний коефіцієнт лінійного розширення і мінімальну електропровідність.

Цокольні лампи накалювання мають певну конфігурацію в залежності від її призначенняю.

Лампи виготовляють у відповідності із стандартами. Заповнення колб інертним газом дозволяє підвищити температуру нитки накалу до 2900°К, що істотно збільшує світловіддачу.

В залежності від призначення лампи маркерують певним чином:

Лампи з плоскою ниткою накалу використовуються, як засоби для вимірювання СГЕЯ.

Галогенні лампи розжарення являють собою колбу, в яку вводять невелику кількість галогену (йод, бром). Розпилений ниткою розжарення вольфрам з’єднується з галогеном утворюючи при температурі 573°К речовину-галогеній вольфраму. При температурі нагрітою вольфрамом галогенід вольфраму розпадається, віддаючи назад вольфрам на спіраль. Це підвищує срок служби ламп і дозволяє підняти температуру нитки розжарювання до 3600°К.

Колби галогенних ламп виготовляють з кварцу, або термостійкого скла, щоб витримувати температури більші за 573°К.

Штифт Нерста, сілітовий випромінювач, трубчаті кварцові випромінювачі.

Для отримання ІЧ-випромінювання використовуються випромінювачі спеціальних конструкцій із метою підвищення ефективності.

Штифт Нерста являє собою циліндр діаметром 1-3мм., і довжиною до 30мм., виконаний з оксидно керамічної маси, яка складається із оксидів цирконію і ітрію. На кінці циліндра наносяться електроди з платинових дротів. Живиться штифт електричним струмом, але для розігріву використовуються додаткова спіраль, так як в холодному стані штифт є діелектриком із малою провідністю (високий опір). Електрична схема живлення показана на малюнку:

1) Спіраль для підігріву

2) Додатковий опір

3) Штифт

 

Рис.1.Схема живлення штифта Рис.2.Спектр випромінювання штифта

Нерста при Т=2000°К.

 

Сілітовий випромінювач (глобар) являє собою стержень з карбіду кремнію, який нагрівається електричним струмом. Діаметр гробара 4-8мм, довжина до 250мм. Робоча температура глобара 1200-1300°К. Інколи глобами прикривають захисним шаром двоокису торія, що підвищує робочу температуру до 2273°К. При температурі 1700°К і вище глобар випромінює, як чорне тіло.

Коефіцієнт теплового випромінювання εт глобаря зображена на малюнку:

Рис.3. Коефіцієнт теплового випромінювання εт глобаря

Трубчаті випромінювачі являють собою електричну спіраль, розташовану трубчатій кварцовій оболонці. Використовують, як у побуті джерела ІЧ випромінювання.

 

2.1.2. Люмінесцентні та газорозрядні джерела.

Люмінесценцією називають випромінювання речовини, що перевершує теплове випромінюваннявпродовж часу більше ніж 10 с. за рахунок збурення атомів, молекул енергією в тій чи іншій формі.При цьому відбуваються певні переходи збуджених атомів в не збуджені стани, із виділенням квантів світла.

Рис.4. Відносні спектри поглинання люмінесценції.

1-спектр поглинання

2-спектр люмінесценції

Правило Стокса: спектр люмінесценції зсунутий в сторону більших довжин хвиль

Правило Стокса-Люмеля: спектр випромінювання люмінесценції в цілому і його максимум зсунуті в порівнянні зі спектром поглинання в сторону більших довжин хвиль , де А — енергія передана об’єкту.

Наявність антистоксової області обумовлена тим, що до енергії оптичного збудження добавляється енергія теплового збудження.

В залежності від способу збудження розрізняють такі типи люмінесценції:

Фотолюмінісценція при якій атом збуджується квантами поглинутого випромінювання оптичного діапазону (діє при цьому закон Стокса-Люмена). Цей вид свічення широко застосовується в джерелах світла, в яких ультрафіолетові потоки випромінювання за допомогою люмінора перетворюється у випромінювання в видимій частині спектру.

Ренгенолюмінісценція - збудження світла за рахунок поглинання рентгенівських променів.

Катодолюмінісценція – збудження за рахунок бомбардування люмінофору електронами, або збудження молекул газів.

Електролюмінісценція –збудження люмінофору за рахунок змінного електричного поля.

Особливе значення електролюмінісценція стала відігравати із відкриттям н/п провідників та виготовлення р-n переходів.

Хемілюмінесценція – це збудження із виділенням оптичних квантів за рахунок хімічної енергії.

Біолюмінесценція – збудження за рахунок біологічної енергії (енергія живих організмів).

Із всіх типів люмінесценція практичне застосування має фотолюмінісценція та електролюмінісценція в н/п (світловоди), катодолюмінісценція (кінескопи телевізійні). На даних типах ґрунтується виготовлення спеціальних джерел для ОЄП.

Газорозрядні джерела випромінювання – це прилади в, яких випромінювання оптичного діапазону спектра виникає в результаті електричного розряду в атмосфері інертних газів, парів металів та їх сумішей.

Переваги газорозрядних ламп перед лампами розжарення:

- більший ККД (лампи розжарення мають світловіддачу 7-20лм/Вт, газорозрядні -45-100лм/Вт)

- більший термін служби (в 2-4 рази)

- яскравість деяких газорозрядних ламп значно перевищує яскравість ламп розжарення.

- газорозрядні джерела можна моделювати з частотою до 10 Гц (за рахунок системи живлення)

- газорозрядні джерела можуть бути виготовлені для роботи в імпульсному режимі

із τ~1-10 с.

Недоліки газорозрядних ламп:

- лінійчатий спектр може спотворювати кольоропередачу

- при живленні газорозрядних ламп змінним струмом промислової частоти виникають пульсації, що погіршує умови спостереження об’єктів

- для них більш складна схема живлення, що пов’язана із вольт-амперною характеристикою і високою напругою підпалу.

- деякі лампи мають довгий період розгортання.

- експлуатація ламп високого та зверх високого тиску досить складна.

Газорозрядні лампи, як правило виготовляють у вигляді скляних, або кварцових колб, в які вкладають два (інколи три) електроди – анод і катод. Колбу заповнюють певним газом при певних тисках, якщо між електродами прикладають напругу, вільні іони газу починають рухатися до катоду, а вільні електрони — до аноду. При цьому іони створюють просторовий заряд поблизу катода, а електрони поблизу анода. Так як швидкість іонів значно менша швидкості електронів, то просторовий заряд і спад напруги поблизу катода більший ніж у анода. За рахунок значної різниці потенціалів поблизу катоду іони різко збільшують швидкість і при зіткненні із катодом вибивають з нього електрони. Останні рухаються до аноду, іонізуючи при цьому газ і таким чином неперервно підтримуючи процес розряду. Такий розряд носить назву тліючого. Для такого розряду тиск газу в колбі

Розподіл яскравості свічення, потенціалу та напруженості поля при тліючому розряді ілюструються малюнками:

Рис. 5. Розподіл яскравості, потенціалу та напруженості поля при тліючому розряді.

Якщо катод розігрівається за рахунок бомбардування його іонами (при збільшенні напруги джерела) або за рахунок зовнішніх джерел, то виникає термоемісія в наслідок якої число електронів, що вилітає з катода збільшується. такий розряд називається дуговим. При цьому зменшується потенціал поблизу катода і збільшується струм лампи (і якщо немає обмежень по струму, то він наростає лавинно).

 

Розподіл яскравостей та потенціалу у випадку дугового розряду зображено на малюнку.

 

Рис.6. Розподіл яскравості, потенціалу та напруженості поля у випадку дугового розряду

Електромагнітний спектр газового розряду визначається родом газу і пару, тиском і температурою газу. При низьких тисках і температурах спектр газу лінійчатий. Із збільшенням тиску та температури лінії розширюються.

Яскравість ламп тліючого розряду мала, так само як і густина струму. При цьому характерним буде лінійчатий спектр. При високих тисках та температурах буде спостерігатися дуговий розряд, а спектр буде мати істотну компоненту теплового випромінювання.

 

Люмінесцентні лампи

Освітлювальні люмінесцентні лампи є ртутні лампи низького тиску. Вони виготовляються у вигляді трубки діаметром 15-20мм і довжиною 15-80см. У трубку кладуть декілька міліграмів ртуті і заповнюють її аргоном при тиску ~ 200-300Па. На кінцях трубки впаяні оксидні вольфрамові електроди. Внутрішня поверхня трубки покривається тонким шаром люмінофора.

При включенні лампи в електричну мережу (сіть) вмикається підігрів електродів, виникає термоемісія, яка приводить до іонізації аргону, випаровування ртуті, її іонізації та виникненню розряду. Після виникнення розряду нагрів електродів відбувається за рахунок самого розряду і живлення накалу відключається.

Випромінювання розряду в парах ртуті зосереджено головним чином на двох лініях з . Люмінофор перетворює УФ-випрормінювання і видиме, що дає можливість отримувати світлові віддачу до 80лм/вт. Яскравість люмінесцентних памп не більше 7000 кд/м², час роботи ~ 12000 год. У якості люмінофорів використовують суміш у різних пропорціях: вольфрамата кальція та магнія; силікати цинку, кадмію; фосфати кальцію, цинку та інші, що дозволяє створювати відповідні світлові відтінки.

Спектр випромінювання люмінофора як правило являє собою неперервну смугу та не залежить від збуджуючого випромінювання, яке може бути і монохроматичним.

Розподіл енергії у спектрі люмінісценсії не залежить від довжини хвилі збуджуючшгш випромінювання.

Коефіцієнт корисної дії люмінофора, як джерела світла визначають світловим, енергетичним та квантовими виходами.

Світловий вихід — це відношення повного світлового потоку люмінесценції до потоку випромінювання (вт), яке поглинуто люмінофором.

Енергетичний вихід — це відношення енергії люмінесценції до енергії, поглинутої люмінофором.

Квантовий вихід — це відношення числа фотонів люмінесценції до числа фотонів, які поглинуті люмінофором.

Спектральною чутливістю люмінофора називають розділ спектру енергетичного виходу при збудженні люмінофора певною довжиною хвилі.

 

 

Спектри випромінювання та поглинання типових порошкоподібних люмінофорів показані на малюнках:

 

 

 

На малюнку показана схема включення люмінесцентної лампи із спеціальним пусковим пристроєм:

1- люмінесцентна лампа

2- пускач

3- дросель

4- конденсатор

5- перемикач

У стартері в момент включення виникає розряд, який нагріває біметалічну пластину і електроди замикають ланцюг накалу лампи, після чого виникає її світіння. Коли лампа засвітиться, спад напруги на пускачу зменшиться, розряд в ньому зникає і контакти розмикаються.

Дросель 3 застосовують для стабілізації струму. Люмінофор має невелике після свічення (0,1 до 0,01с), потоку виникає модуляція свічення лампи. Її глибина досягає 40%, частота — 100Гц (обидва на півперіоди діють). Це дещо негативно діє на око.

Схеми включення двох ламп із зсувом по фазі зменшують модуляцію.

Люмінесцентні лампи виготовляють різних потужностей 3-80Вт.

Від 30-80Вт працюють від напруги 220В.

 

Типові газорозрядні джерела

 

а) Ртутні лампи

Існує три типи ртутних ламп: низького (1,3-130Па), високого (300-3000Па) та надвисокого (1-10МПа).

Ртутні лампи низького тиску діляться на бактерицидні та високовольтні. Бактерицидні лампи по своїй будові аналогічні люмінесцентним. Різниця заклечається в тому, що їх колба виготовляється із спеціального увіолевого скла, яке прозоре для УФ випромінювання, а внутрішня поверхня не покривається люмінофором. Такі лампи використовуються для стерилізації приміщення.

Високовольтні ртутні лампи низького тиску являють собою кварцові колби у вигляді трубок довжиною 10-100см. Трубки не мають підігрівних електродів, замість них застосовують масивні вольфрамові електроди із оксидним шаром на основі лужноземельних металів. Тому робочі напруги їх досить високі. Так для 50см лампи U ~ 280В, струм — 50мА. Основна енергія випромінювання зосереджена в інтервалі 185-254нм.

Ртутні лампи високого та надвисокого тисків розділяють на лампи високого тиску (ВТ), трубчаті лампи надвисокого тиску (НВТ), капілярні лампи із водяним охолодженням (СВТВ), лампи в шарових колбах із малою віддаллю між електродами (СВТШ). У лампах цих типів так само, як і у люмінесцентних джерелах випромінювання, свічення формується лінійчатим спектром випромінювання. Для отримання високого тиску в колбу лампи вводять метал (Hg) тиск парів якого визначається робочою температурою лампи. Пари металу не повинні вступати в хімічну реакцію з матеріалом із колби, і давати значним тиск при досить низьких температурах. Такими властивостями володіє краще псюго ртуть.

Для полегшення підпалу в колбу вводять інертний газ (частіше всього аргон ~ 300Па).

Типовими лампами високого тиску є прямі ртутно-кварцові лампи (ПРК).

На малюнку представлена схема включення ПРК:

 

Рис.7. Схема включення ПРК.

Конденсатор С₁=300-500пф, разом із дроселем утворює високочастотний контур. Якщо лампа при вмиканні в мережу не загорається, то для її підпалу служить ключ К, який замикає конденсатор С₂=2-3мкф. При розмиканні утворюється імпульс високої напруги, який запалює лампу. Її розгорання відбувається 10-15хв.

Ртутно-кварцові лампи надвисокого тиску (НВТ) трубчатої форми із природнім охолодженням являють собою кварцові газорозрядні тркбки (кварцовий пальник), які розміщують в середині скляної колби заповненої інертним газом (для охолодження). Тиск парів ртуті 0,5-1,5МПа в кварцовому пальнику, тому його роблять із товстими стінками. Схема лампи НВТ показана на малюнку:

 

 

Рис.8. Схема лампи НВТ.

1- зовнішня колба

2- інертний газ

3- вольфрамові електроди

4- електроди підпалу

5- кварцовий пальник

6- електроди живлення

7- обмежуючий опори

8- цоколь.

Внутрішню поверхню колби 1 покривають шаром люмінофору, який перетворює УФ-випромінювання у видиме.

Лампа вибухо небезпечна. Лампа має високу світловіддачу ~ 55 лм/вт. Потужність 0,1-1КВт. Включається в електромережу через спеціальні дроселі, або трансформатори (аналогічно РПК).

Ртутно-шарові лампи надвисокого тиску (НВШТ) виготовляють у вигляді товстих кварцових колб шарової форми, в які на малих віддалях впаяні два вольфрамові активовані електроди конусної форми, що забезпечує фіксацію розряду. Для полегшення підпалу часто вводять додаткових електрод. Частина лампи, що світиться має малі розміри (0,5-1мм), та високу яскравість. Лампи випромінюють у видимій та УФ-областях спектру. Розподіл енергії являє собою набір розширених ртутних ліній на фоні суцільного спектру.

Спектр лампи СВДШ-500

Рис.9. Спектр лампи СВДШ-500.

Такі лампи використовують в оптичних приладах для отримання вузьконаправлених та яскравих пучків, тиск парів ртуті всередині лампи складає 1-7МПа. Малі віддалі між електродами дозволяють працювати лампі від напруги 127, 200В. потужність ламп 0,05-2КВт. Яскравість досягає (1,5-5)*10⁸ Кд/м².

Лампи тліючого розряду виготовляють у вигляді скляних колб різної форми з двома електродами з вольфраму на малій віддалі. Колбу заповнюють розрідженим інертним газом (2-3КПа). Частіше всього це неон із домішкою гелію, або аргоном (можлива добавка ртуті).

Лампи тліючого розряду мають малу потужність: 0,01-10Вт, і робочу напруга 50-200В (і більше). По своєму призначенню вони діляться на сигнальні мініатюрні неонові, неонові панельні, неонові індикатори високої напруги та інші. Неон дає оранжево червоне свічення, ртуть — синьоватобіле, аргон — плідно блакитне. Випромінювання ламп добре модулюється із частотою до 10⁴ Гц.

Натрієві лампи виготовляють у вигляді скляної газорозрядної трубки, що заповнена неоном, або гелієм при низькому тиску та невеликій кількості натрію, який при розряді випаровується. Тиск парів натрію в робочому режимі складає ~ 1Па. Такий тиск відповідає температурі 553-573К. Лампа випромінює дві резонансні лінії , . Використовується для калібровки спектральної апаратури. Певним аналогом натрієвої лампи е цезієві та цирконієві лампи.

В газових лампах високого тиску та надвисокого тиску використовується дуговий розряд в тяжких інертних газах (аргон, криптон, ксенон). Спектр випромінювання ламп неперервний із яскраво виділеними смугами. Тепловий спектр відповідає температурі 5273-6273К.

Конструктивно ксеноні лампи аналогічні ртутним лампам НВТШ

Потужність ксенонових ламп досягає 1КВт, яскравість ~ 2000 МКд/м².

Використання ксенонових ламп в кіноапаратурі значно спрощує роботу апаратури в порівнянні із використанням звичайних дугових джерел.

Схема включення ксенонових ламп зображена на малюнку:

 

Рис.10. Схема включення ксенонових ламп.

1 – підвищуючий трансформатор для підпалу іскрового проміжку 5

2 – балансний резистор

3 – імпульсний транзистор

4 – ксенонова лампа