|
Главная
|
Каталог
|
Библиотека
|
Отзывы
|
Новости
|
Порталы
|
Рекомендовано редакцией
|
|
|
PDF (размер: 1206.1 КБ)
Преобразование в текст выполняется в автоматическом режиме, поэтому результат может сильно отличаться от оригинального документа. Изображения (картинки, формулы, графики) в документе игнорируются.
53 согнутой в виде буквы «П». Такие лампы получили в спектроскопии название «банд-лампы». Специальная конфигурация тела накала в ленточной лампе позволяет добиться постоянной яркости ленты по всему видимому полю, а также при освещении щелевых спектральных приборов максимально использовать световой поток, испускаемый лампой [5]. Ленточные вольфрамовые лампы выпускают с колбами из обычного стекла, а также с окнами из увиолевого стекла и из кварца. Такие лампы позволяют использовать их в приборах, работающих в ультрафиолетовой области. Ленточные вольфрамовые лампы широко используются в различных фотометрических и светотехнических измерениях как эталоны силы света, яркости и температуры. Этого вопроса мы коснемся в главе, посвященной метрологическим аспектам светотехники. Сейчас лишь отметим, что световые характеристики ленточных ламп накаливания хорошо воспроизводятся и могут быть по этой причине аттестованы как носители фотометрических или температурных единиц. Для сохранения характеристик банд-ламп их используют при температурах ниже 1600°С, в то время как у газополных ламп накаливания температура обычно составляет 2850°С. Лампы накаливания имеют световой КПД от 7 до 13% в зависимости от конструкции. Под этим понятием подразумевается отношение световой энергии, испускаемой лампой в единицу времени, к полной энергии, потребляемой лампой. Самые большие потери мощности связаны с излучением в инфракрасном диапазоне (от 68 до 86%). Потери на арматуре лампы составляют несколько процентов, и от 10 до 20% мощности теряется в газополных лампах на нагревание газа. В качестве последнего используется либо аргон, либо криптон, либо ксенон. Наилучшие результаты по светоотдаче получаются при изготовлении тела накала в виде биспирали и при наполнении колбы криптоном и ксеноном. Однако оба фактора приводят к увеличению стоимости лампы, и по этой причине фирмы-производители ламп не всегда стремятся улучшить светотехнические параметры своей продукции. Наполнение колбы лампы инертным газом дает возможность 54 повысить температуру тела накала до 2900 К, что существенно увеличивает светоотдачу. Еще больший световой КПД от лампы накаливания можно получить, если в колбе лампы организовать так называемый галогенный цикл. Такие лампы накаливания в обиходе известны как галогенные. В колбу лампы вводится небольшое количество галогена, обычно брома или йода. Наличие галогена в колбе приводит к соединению галогена с парами вольфрама, которые образуются при нагревании нити накала. В результате образуется газообразное вещество - галогенид вольфрама. Эта реакция наиболее эффективно идет при температуре около 300° С, близкой к тем- пературе колбы. При диффузии галогенида вольфрама к нити накала, име- ющей значительно более высокую температуру, происходит диссоциация молекул с образованием свободного галогена и восстановленного вольфрама. В результате возвращения распыленного вольфрама на нить накаливания, последняя как бы постоянно обновляется. В итоге колба лампы вольфрамом не запыляется, нить накала не перегорает, а температуру нити можно повышать до 3400 К, что всего на 200 К ниже температуры плавления вольфрама. Поскольку отдаваемая нагретым телом световая энергия растет как Т4, то световые характеристики галогенной лампы в сравнении с обычной лампой накаливания, работающей при температуре около 2850 К, оказываются в два раза выше. Кроме того, увеличивается срок службы лампы, и повышается временная стабильность ее излучения [5]. Поскольку повышение температуры тела накала лампы не только увеличивает светоотдачу, но и сдвигает спектр излучения в коротковолновую область, появилась возможность создавать на основе галогенных ламп излучатели, имеющие спектр, близкий к солнечному. Колбы галогенных ламп обычно изготавливают из кварца, выдерживающего нагревание до температур в несколько сот градусов и пропускающих излучение в ульт- рафиолетовой области до 220-190 нм. 55 Для работы в инфракрасной области спектра используются специфические температурные излучатели: штифт Нернста, глобар, темные излучатели и трубчатые кварцевые излучатели. Штифт Нернста представляет собой циллиндр, диаметром 1-3 мм и длиной до 3 см, из оксидно-керамической массы, состоящей из окислов циркония и иттрия. К концам циллиндра припаиваются платиновые элект- роды. Штифт нагревается проходящим через него постоянным электричес- ким током. Поскольку штифт Нернста при комнатной температуре является диэлектриком, его перед включением необходимо разогреть. Обычно это делается при помощи отдельной спирали, включаемой только на время разогрева. Штифт Нернста работает обычно при токах до 1 А и при на- пряжении питания 100-220 В. Глобар является стержнем из карбида кремния, нагреваемым элект- рическим током. Обычно диаметр глобара составляет 6-8 мм, а длина — около 250 мм. Иногда глобар изготавливают значительно больших размеров — диаметром 25-30 мм и длиной до 1 метра. Рабочая температура глобара равна 1200-1300 К. В ряде случаев поверхность глобара покрывается окисью тория, что позволяет повысить рабочую температуру до 2000 К. При температурах, больших 1500 К, глобар излучает как серое тело. Спектральная область, в которой работают глобары,— от 1 мкм до 50 мкм в шкале длин волн, или от 200 см-1 до 1000 см-1 в шкале волновых чисел. Температурными источниками излучения для ИК-области являются и так называемые темные излучатели. Они представляют из себя металли- ческие трубки из хромоникелевой стали, обладающей коэффициентом излучения ε = 0,95. Трубка заполняется керамикой, внутри которой поме- щается нагреватель в виде спирали. Рабочая температура темного излучателя — около 1000 К. Средняя мощность излучения — около 1 кВт на метр длины трубы. Еще одной разновидностью температурного излучателя для ИК- области являются трубчатые кварцевые излучатели. На тонкой кварцевый 56 стержень навивается спираль из хромоникелевой стали. Снаружи надевается еще одна кварцевая трубка, которая нагревается спиралью до 1400 К. Иногда пространство, в котором находится спираль, заполняется инертным газом, а спираль выполняется из вольфрама. При этом температуру можно повысить до 2400 К. Срок службы такой лампы достигает 5000 часов. Источником сплошного спектра для ультрафиолетовой области является газоразрядная лампа, называемая спектроскопистами водородной лампой. Механизм излучения сплошного спектра водородной лампы су- щественно отличается от механизмов температурного излучения [6]. Сплош- ной спектр в этом случае возникает при переходах возбужденных молекул 3 ∑ + водорода из связанного устойчивого состояния, обозначаемого как g ,в 3 ∑ + неустойчивое нижнее состояние u . Излучение наблюдается как эмис- сионный континуум, тянущийся от 500 до 185 нм. От 185 нм до 110 нм в эмиссионном водородном спектре наблюдается многолинейчатый спектр (рис. 5.1). Рис. 5.1. Спектр излучения газоразрядной водородной лампы Существует довольно большое количество промышленно выпускаемых типов водородных ламп. Среди них существуют лампы с высоковольтным питанием, с низковольтным питанием и с оксидированным катодом. Лампы выпускаются миниатюрные, например, ВЛФ - 0,25, и 57 мощные, с разрядным током до 3 А. Колбы лампы изготавливаются из увиолевого стекла, из кварца. Существуют конструкции с окнами из фтористого магния. Эти лампы работают в области спектра до 110-115 нм. Для повышения яркости сплошного спектра водорода наполнение лампы дейтерируют, т. е. добавляют в водород дейтерий. Давление водорода в лампах составляет несколько мм рт. ст., плотность тока составляет десятки А/см2. Низковольтные водородные лампы могут питаться постоянным или переменным током, напряжением 220 В через балластное сопротивление. В области ближнего вакуумного ультрафиолета источники сплошного спектра выполняются в виде безэлектродных газоразрядных трубок, наполненных инертными газами до давлений в несколько сотен мм рт. ст. Спектры возбуждаются от СВЧ-генератора, обычно имеющего длину волны либо 10 см, либо 3 см. Механизм образования сплошного спектра в таких источниках определяется образованием в неравновесной плазме СВЧ- разряда эксимерных молекул инертных газов [5]. Под эксимерной молекулой понимается двухатомная молекула, один из атомов которой находится в воз- бужденном состоянии. Известно, что инертные газы в невозбужденном состоянии молекул не образуют, а вот молекулы, например, Хе * Хе или Аr * Аr, могут существовать в плазме. Диссоциация таких молекул по схеме Хе * Хе -> Хе+Хе+hν (5.1) приводит к появлению в спектре достаточно протяженных эмиссионных континуумов. Примеры таких спектров, полученные в инертных газах с СВЧ- возбуждением с длиной волны, представлены на рис. 5.2. 58 Рис. 5.2. Эмиссионные континуумы инертных газов Закончить рассмотрение источников сплошного спектра можно импульсными источниками. Для получения сплошного спектра во всей видимой области наиболее исследованным является конденсированный электрический разряд через капилляр из какого-либо диэлектрика. Свечение возникает за счет большого числа линий, уширенных до такой степени, что образуется практически сплошной спектр. На такой многолинейчатый спектр накладывается тормозной спектр электронов и термическое излучение час- тиц, испаряющихся со стенок капилляра [6]. Время вспышки импульсного источника может регулироваться подбором емкости и индуктивности цепи питания разряда. Исследования показали, что излучение импульсного раз- ряда соответствует температуре излучения черного тела в 40 000 К. Аналогичные импульсные источники созданы и для работы в ультрафиолетовой и в вакуумной ультрафиолетовой областях. В этом случае самой сложной проблемой является вывод вакуумного ультрафиолетового излучения из зоны разряда. Дело в том, что продукты испарения электродов и капилляры в холодных участках источника света поглощают излучение. В оптике это хорошо известные явления самопоглощения излучения. В вакуумном ультрафиолете поглощают еще и компоненты атмосферы, что в итоге делает задачу создания источника сплошного спектра для ультра- фиолетовой и вакуумной ультрафиолетовой области весьма труднораз- решимой проблемой. 59 5.3 Дуговые и искровые источники линейчатого излучения Источники линейчатого излучения в большинстве своем представляют собой различные типы газового разряда. Реже применяются источники с оптическим возбуждением (резонансные лампы и твердотельные лазеры) или с возбуждением за счет химических реакций (пламена, хемилюминесцентные источники). Прежде чем начать рассмотрение особенностей конструкции реаль- ных источников линейчатого излучения, сформулируем основные понятия, используемые при описании процессов в газовом разряде. Газовый разряд представляет собой специфическое агрегатное состояние вещества — плазму, которая состоит из различных заряженных и нейтральных частиц. Все частицы характеризуются энергией, которая однозначно связана с температурой. Вводится понятие термодинамического равновесия - ситуации, когда температура всех компонентов (электронов, атомов и ионов) одинакова [6]. Существует еще понятие локального термодинамического равновесия, когда равенство электронной, атомной и ионной температур выполняется только в малом элементе объема плазмы. Состояние термодинамического равновесия, в том числе локального, означает, что можно все компоненты плазмы охарактеризовать единой температурой. Один из законов определяет соотношение между числом нейтральных атомов в основном состоянии и в возбужденном - это закон Больцмана: − En N n = Ne 0 kT (5.2) где Еn - энергия уровня с индексом n, к - постоянная Больцмана, No - общее число атомов, Nn - число возбужденных атомов на уровне п. Второй закон, следующий из теоретических рассмотрений термодинамического равновесия 60 в плазме, задается уравнением Саха, связывающим число нейтральных атомов Na, число ионов этого атома Ni. и число электронов Ne: 3 N ⎛ 2πmk ⎞ g 2 E 3 ⎜ 2 ⎟ T e i − N = a i 2 kt (5.3) i N ⎝ h ⎠ g e a Здесь ga и gi - статистические веса уровней атома и иона π, m, k, n - константы, Е: - потенциал ионизации атома и Т - температура. Формула Саха получена для случая, когда рассматриваются только процессы однократной ионизации атомов одного сорта. Такое рассмотрение, безусловно, является приближением, но оно дает возможность оценить близость ситуации в реальной плазме к состоянию термодинамического равновесия. Формулы Больцмана (5.2) и Саха (5.3) дают возможность рассчитать интенсивность линейчатого излучения атомов или молекул. Для этого нужно вероятность спонтанного перехода Anm (см. глава IV) домножить на число атомов в возбужденном состоянии Nn и на энергию фотона на частоте υnm: g E hν e nm − I nm = A N g nm 0 n nm kT (5.4) 0 Здесь мы не учитываем индуцированные переходы Bnm, поскольку в газоразрядных источниках они значительно менее интенсивны, чем спон- танные переходы. В лазерах ситуация обратная - индуцированные переходы значительно интенсивнее спонтанных. При наблюдении линейчатого излучения от газоразрядных источни- ков важно знать не только интенсивность излучения спектральной линии каким-либо участком плазмы, но и степень поглощения уже испущенного излучения той средой, через которое оно проходит. Как правило, периферические зоны газового разряда содержат большое число «холодных», 61 т. е. невозбужденных, атомов, поглощающих излучение именно на тех часто- тах, которые соответствуют излучательным переходам. Это приводит к тому, что наблюдается так называемое самопоглощение или самообращение спектральных линий. Рис. 5.3 поясняет ситуацию. Рис. 5.3. Самопоглощение и самообращение спектральных линий Если холодные участки плазмы не ослабляют существенно интенсивность линий, такая плазма называется оптически прозрачной, а поглощающие слои - оптически тонкими. При заметном поглощении спектральная линия сначала уменьшается по интенсивности, а при дальнейшем увеличении поглощения вблизи максимума линии наблюдается провал, и линия как бы раздваивается. Эта особенность эмиссионных линий очень важна в светотехнике. В самом деле, увеличивая электрическую мощность, подводимую к источнику света, мы можем столкнуться не с увеличением яркости линии, но и ограничением и даже с уменьшением! Рассмотрим теперь наиболее характерные типы разрядов в газах, которые реализуются в источниках линейчатого излучения. Дуговой разряд. Электрической дугой называется форма газового разряда, характеризуемая большой плотностью тока и малым падением потенциала вдоль столба разряда. Стационарный разряд поддерживается благодаря термоэлектронной эмиссии катода. Наряду с положительным столбом разряда, который излучает основное количество световой энергии, несколько отличный по спектральному составу свет испускается 62 приэлектродными областями. В дуговых источниках света чаще всего реали- зуется дуга высокого давления. Ее легко получить между твердыми тугоплавкими электродами, к которым приложено напряжение не менее 50- 100 В. При повышении напряжения питания можно получить дугу и при меньших токах. Дуговой разряд отличается от других типов газового разряда тем, что в дуге возбуждаются в основном спектральные линии атомов материала электродов и окружающей электроды среды. В отпаянных дуговых лампах это, в соответствии с законами Больцмана (5.2) и Саха (5.3), означает, что температура светящегося участка дуги соответствует нескольким тысячам градусов Цельсия. Температура центральных осевых зон дугового разряда выше, чем у внешних зон, по этой причине линии в спектрах дуги высокого и сверхвысокого давления наблюдаются часто самопоглощенными и самообращенными. Температуру дуги чаще всего оценивают по относи- тельной интенсивности пар линий, имеющих общий верхний уровень. В этом случае температура определяется в соответствии с законом Больцмана (5.2). Температура большинства дуговых разрядов не достаточно велика, чтобы возбуждались линии ионов (5.3). Поэтому в теории линейчатого излучения спектры атомов называют дуговыми, в отличие от искровых спектров, в которых наблюдают свечение ионов. Температура искрового разряда составляет десятки тысяч и более градусов Цельсия [5]. Дуговые лампы изготавливают с различным давлением газа- наполнителя в колбе. Вакуумная ртутная дуга является очень распространенным источником света. Дуговой разряд в парах ртути используется не только как самостоятельный источник света, но и как источник возбуждения в люминесцентных лампах. Иногда к ртути в лампах добавляют металлы, образующие с ней амальгамы, например, кадмий или цинк. Колбы ртутных вакуумных ламп делают из стекла или из кварца. Последний материал используют, если есть необходимость работы в ультрафиолетовой области. Ртуть имеет две мощные линии с длинами волн
| Поставщики ресурсов | Авторам | Контакты | Обратная связь | Вопросы и ответы |
Предыдущая
