Основные законы теплового излучения

ИСТОЧНИКИ И ПРИЕМНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Часть I

ИСТОЧНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ

Содержание

I. Общие вопросы

II. Спектральные характеристики

III. Основные законы теплового излучения

IV. Некогерентные источники излучения:

1.Лампы накалывания

2. Глобары

3. Газоразрядные ИИ

4. Полупроводниковые ИИ

5. Естественные ИИ

V. Источники когерентного излучения:

1. Принцип работы лазера

2. Газовые лазеры

3. Твердотельные лазеры

4. Жидкостные лазеры

5. Полупроводниковые лазеры

6. Режимы работы лазеров

7. Применение лазеров.

1.Общие вопросы.

Волновая теория

E_o – амплитуда

ω – частота

φ - фаза

λмкм 10^-8 10^-5 10^-3 10^-1 1 10³ 10⁵

υ Гц 10²³ 10²¹ 10¹⁹ 10¹⁷ 10¹⁶ 10¹⁵ 10¹³ 10¹¹ 10⁹

Квантовая теория – порция энергии

Е=hυ =hс/λ

Основные энергетические и световые единицы.

энергетические световые

излучения поток

Излучения энергия

излучения света

А₁ – площадь излучателя

А₂ – площадь облучаемая

К_m= 680 лм/Вт ( при λ=0,555)

V_λ – относительная спектральная световая эффективность

Кд – сила света, излучаемая 1/60 см² черного тела при температуре затвердевания платины (2047 К). Свеча=1,005 кд.

Лм – световой поток источника в 1 кд в телесном угле 1 ср.

Кривая видности человеческого глаза (относительная спектральная световая эффективность)

0,4

0,8

0,5

Монохроматическому потоку dФ_e, λ соответствует световой поток dФ_v, λ.

Полный световой поток (интегральный)

10⁵ ÷10^-6 лк

10^-17 ÷10^-5 Вт

Спектральные характеристики излучателей.

λ λ λ

Основные законы теплового излучения

Тело, полностью поглощающее весь падающий поток, независимо от направления, спектрального состава и поляризации, называется черным телочерное тело. ε_l.т= 1 (при любых l и т).

ε_l.т < 1 – серое тело (a =0 идеальное зерк.)

Излучение черных тел подчиняется ряду законов, которые с поправками на коэффициент теплового излучения применяются для серых.

а) Закон Кирхгофа.(1859г.)

Отношение лучеиспускательной способности тела к его поглощательной способности одинаково для всех тел и является универсальной функцией только частоты и температуры ε_l.т.

Т.е. коэффициент излучения равен коэффициенту поглощения для противоположно-направленного излучения (при любой температуре и любой l)

Или: отношение спектральной плотности энергетической светимости к спектральному коэффициенту поглощения есть величина постоянная.

Для черного тела a_l,т=1

Поэтому для любого тела:

Модель черного тела

			При a = 5 e = 0,7 эффективный коэффициент излучения ≥ 0,99

Рис. 3.

б) Закон Стефана-Больцмана (1879).

(полная энергетическая светимость)

s - постоянная Стефана –Больцмана (5,6×10^-12вт/см²×град^-4)

т.к. черное тело одновременно поглощает падающую энергию от окружающей среды:

Доказывается теоретически применением цикла Карно для черного излучения.

в) Закон смещения Вина (1894) Второй закон Вина

l_max×Т=2898 [мкм×К]

на практике:

г)Закон Планка (1900)

h – постоянная Планка

k – постоянная Больцмана

с – скорость света

Чаще не через v, а через l.

С₁ = 2phc²

C² = hc/k

k- постоянная Больцмана.

С₁ = 3,74×10^-16Вт×м², С₂ = 1,44×10^-2м.К.

Рис. 4.

Закон Вина (смещения) можно получить, продифференцировав формулу Планка по l и приравняв ее к нулю. Закон Стефана-Больцмана может быть получен интегрированием формулы Планка по l от 0 до ∞.

Если в формулу Планка подставить l_max от М_е^ч.т. (l_max) = С¢т⁵ - второй закон Вина.

Пользоваться формулой Планка для расчетов не очень удобно. Чаще пользуются приведенной формулой Планка (в относительных единицах)

x = l/l_max

y = M_e,l/ M_e,l_max

д) Тепловые излучения реальных тел.

У реальных тел a_l,т <1 (коэффициент излучения)

- Тела с селективным излучением (газы, металлы)

- Тела с серым излучением (графит, сажа, железо и др.)

e_т - интегральный коэффициент излучения.

e_l,т – спектральный коэффициент излучения.

;

Закон Кирхгофа e = aт e_l,т = a_lт

Закон Стефана-Больцмана для реальных тел. M_e = e_т×s Т⁴

Эквивалентная температура - температура черного тела, при которой одна из характеристик его излучения совпадает с соответствующей характеристикой излучения реального тела при той же Т.

- радиационная (энергетическая ) температура (Тм) это температура черного тела, при которой суммарная энергетическая яркость совпадает с яркостью исследуемого тела.

(из закона Стефана-Больцмана) Т_м всегда < Т

- Яркостная температура (Т_L):

Температура черного тела, при которой яркость в пределах узкого участка спектра равна яркости исследуемого тела. Обычно определяемой вблизи

l = 0,655

Т_L также < Т

- цветовая (Т_с)

температуру черного тела, при которой в видимой области спектра относительное распределение спектральной плотности энергетической светимости черного тела и реального тела при данной Т максимально близки.

Т_с может быть и меньше и больше Т.

Для большинства излучений Т_с ближе к Т чем к Т_L и Т_м.

Обычно определяют Т_с по l₁ = 0,655 и l₂ = 0,467

IV. Некогерентные источники излучения.

1.Лампы накаливания.

Лодыгин. 1872 – лампа накалывания угольной нитью. Эдисон. 1879 вольфрамовая нить. Яблочков. 1876 – дуговая лампа.

Источники видимого света и в ближней ИК- -области. Спектр – сплошной. Простота включения. Характеристики определяются температурой тела накала. Больше греют чем светят.

ИК – 70-80%, видимое - 7-15%

Нить накала – вольфрам с присадками.

Бывают вакуумные и газонаполненные. Заполнение инертным газом, позволяет поднять температуру нити до 3000 К.

Вольфрамовая нить постепенно испаряется и осаждается на колбе. Потемнение и перегорание. Галогенные лампы: вводится небольшое количество галогена (йод или бром). При температуре 300-1000°С пары галогена соединяются с испарившимся вольфрамом, образуя галогениды. При температуре > 1400°С галогениды распадаются вблизи нити накала и вольфрам оседает на нить. Возвратный цикл. Удлиняется срок службы и можно поднять температуру накала до 3400 К. Колбы из кварца или тугоплавкого стекла.

Преимущества: малая стоимость, простота включения, большой срок службы.

Недостатки: малая световая отдача, большая инерционность нити накала.

2. Глобары. (силиты).

Стержни из проводящих малоокисляемых материалов. Карбид кремния (карборунд), графит, токопроводящие керамики, силиты. Температура стержня - 1000°С. С защитным слоем до 2000°С (окись тория). Используются: для аттестации ПИ в ближних ИК областях, как нагреватели (камины, шашлычницы и т.п.)

При включении стержня его сопротивление сначала падает при нагреве (до температуры - 400-300°С), затем снова повышается. Чтобы концы не перегревались, их делают либо толще, вводят в стержень примеси железа. (понижение R). Концы должны иметь температуру - 200-300°С.

Излучатель Нернста (штифт Нернста) стержень, спрессованный из двуокиси циркония (ZrO₂) и окиси иттрия (Y₂O₂) и спеченный при высокой температуре. В холодном состоянии – изолятор. При разогреве до 1100 К начинает проводить ток. При Т = 1700 К – 2 максимума: l₁ = 1,5мкм, l₂ = 5,5мкм. При Т = 2000 К 2-ой максимум исчезает. e - достигает - 0,5.

3. Газоразрядные ИИ.

Электрический разряд в атмосфере инертных газов, паров металлов и их смесей.

Рис.6.

1. – тихий

2. – тлеющий U_a - 50÷400B

3. – аномальный тлеющий

4. - дуговой

При низких давлениях и температуре спектр линейчатый.

а) Люминесцентные лампы

Рис.7

1 Па = 0,1 мм вод.ст. = 7,5×10^{-3 мм рт.ст. Дуговой разряд в парах ртути заполняется аргоном + несколько мг ртути. Давление нескольких сот ПА (неск. мм рт.ст.)}

Излучение УФ: l₁ = 0,25 l₂ = 0,18 мкм

Порошкообразный люминофор – вольфраматы, силикаты, фосфаты кальция, цинка и др. металлы. В пускателе – биметалл.

Пускатель (стартер): реле тлеющего разряда – загорается и замыкает контакты биметалла из-за нагрева. Остывает, снова загорается. Когда лампа загорится, напряжение на ней падает и реле гаснет.

Спектр смешанный

Рис. 8.

Р = 3¸80 Вт, светоотдача – 80 лм/Вт, яркость до 7000 кд/м², срок службы до 12000ч.

Очень чувствительны к температуре и влажности.

Бактерицидные лампы без люминофора, из увиолевого стекла.

U

t

Рис. 9.

Излучает 100 Гц. Включают по 2 лампы со сдвигом по фазе.

б.) Ртутные лампы высокого (1 Па – 10^-2мм рт.ст. – 1000 Па) и сверхвысокого

(1 – 10 Мпа) давления

Они заполняются аргоном с ртутью. В лампе есть поджигающий электрод (вблизи от одного из основных). Вначале возникает разряд в аргоне между поджигающим и основным электродами (вольфрамовыми катодами). В момент зажигания - лампа низкого давления. В процессе разогрева катодов и испарения ртути давление повышается. При давлениях - 3¸10⁷ Па – спектр сплошной со слабо выраженными полосами. Дуговой разряд имеет форму шнура. Изготовляются из цилиндрической трубки тугоплавкого стекла. Катоды из вольфрама. Есть в виде толстостенного шара из кварца (с малым расстоянием между катодами).

Время разогрева 2¸5 мин.

Яркость до 2×10⁷ кд/м², световая отдача до 60 лм/Вт

Используются в качестве яркого источника излучения или УФ.

Типы: СВДШ – спектр полосовой (УФ и видимое)

ДРТ – излучение УФ.

Для повышения светоотдачи используются метало - галогенные лампы. Помимо ксенона, аргона и ртути вводится: йодиды ртути, натрия, лития, индия и йода. В зоне разряда (до 6000 К) йодиды распадаются на металлы и йод. У стенок (где Т – 1000 К) йод с металлами соединяется снова в йодиды. Активное участие принимают свободные атомы металлов и йода. Устанавливается галогенный цикл. Светоотдача при этом до 90 лм/Вт.

в) Газовые лампы высокого и сверхвысокого давления.

Используется дуговой разряд в тяжелых инертных газах (аргон, криптон, ксенон). Давление 1¸50 атм. Давление меняется мало. Разгораются быстро. Спектр очень близок к солнечному. Ксеноновые лампы чаще питают постоянным током. Рабочее положение вертикальное. Анод массивный и сверху.

Шаровые ксеноновые лампы с естественным охлаждением – ДКСШ, с водяным – ДКСР.

Колбы из кварца. Лампы большой мощности только два электрода с малым расстоянием.

Поиск по сайту: