МЕХАНИЗМ И СПЕКТР ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

ИСТОЧНИКИ СВЕТА, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ОГНЯХ СВЕТОСИГНАЛЬНЫХ СИСТЕМ

Оптическое излучение возникает в результате возбуждения (термического, электронного, оптического) атомов и молекул вещества. Любое нагретое тело излучает энергию в окружающее пространство, создавая в нем электромагнитное поле, характеризуемое направлением и интенсивностью переноса лучистой энергии. Следует отметить, что все тела при температуре выше абсолютного нуля испускают и поглощают электромагнитную энергию, только степень и характер поглощения меняются с изменением температуры тела.

Всякое тело поглощает преимущественно те лучи, которые оно само в наибольшей степени способно излучать. В наибольшей степени поглощает и испускает так называемое абсолютно черное тело. Оно поглощает весь поток лучистой энергии, а излучает больше, чем другие тепловые источники для данной длины волны и температуры. Модель черного тела - шар с малым отверстием в стенке.

В 1900 г. М.Планк получил зависимость между спектральной интенсивностью лучистого потока, длиной волны и абсолютной температурой черного тела:

R_λT - спектральная интенсивность лучистого потока;[Вт·см^-2 · мкм-¹];

λ - длина волны [мкм];

Т - абсолютная температура, [°К];

C₁= 3,739·10^-12 Вт·см²

C₂ = 1,438 см·град;Постоянные Планка

е = 2,71

Из уравнения Планка следует закон смещения Вина:

λ_max·T =C₃

λ_max - длина волны, соответствующая максимуму кривой спектральной интенсивности лучистого потока

С₃ =2896;

λ – [мкм].

Длина волны, соответствующая максимальному монохроматическому излучению абсолютно черного тела, обратно пропорциональна его абсолютной температуре.

Из закона Вина следует закон Стефана-Больцмана:

P_T = C₄·T⁴

P_T - суммарный лучистый поток абсолютно черного тела с единицы поверхности в Вт/см²;

C₄, = 5,662 10^-12 Вт·см^-2 град^-4.

Суммарный лучистый поток абсолютно черного тела пропорционален четверной степени его абсолютной температуры.

Видимое излучение в спектре абсолютно черного тела появляется при его нагревании до 800° К. Световой к.п.д. для абсолютно черного тела достигает максимального значения при температуре около 6500°К, а современные лампы накаливания дают температуру около 3600° К.

В связи с этим их к.п.д. ниже и не превышает 2-3%.

ЛАМПЫ НАКАЛИВАНИЯ

Лампы накаливания изобрели в начале прошлого столетия. Использовалась платиновая нить, т. к. она не окислялась на воздухе. Светоотдача была небольшой. Затем применили уголь. Сгорание угля при высоких температурах устранено помещением его в вакуумную колбу. Первую лампу с вольфрамовой нитью изготовил А.Н. Лодыгин в 1900 г. Вольфрам остался в лампах до настоящего времени, т. к. обладает целым набором полезных свойств (высокая температура плавления, большая механическая прочность, селективность излучения в области видимого спектра, относительно небольшая испаряемость).

В лампе накаливания вольфрамовая нить натянута зигзагообразно на подвесках. Колбы вакуумные или заполненные инертным газом. Испарение вольфрама в вакуумных лампах больше, чем в газовых, зато в газонаполненных большие потери энергии на конвекцию. Тепловые потери в газе обратно пропорциональны диаметру накала. Отсюда следует, что при одинаковой температуре светоотдача нитей накала больших диаметров выше. На высокие напряжения сделать нить толстой нельзя, поэтому тонкую нить свивают в спираль, или делают двойную спираль. При этом достигается уменьшение потерь на охлаждение газом.

Конструкция лампы состоит из стеклянной колбы, нити накала и цоколя. Цоколи бывают резьбовые и штифтовые. Нить завита в спираль. Лампы на 15, 25, 50 Вт изготавливают на напряжение 110, 127 В, а на 25, 40, 60 Вт- на 220 В (вакуумные). Более мощные лампы -газонаполненные. Обычное наполнение колб - смесь 86% аргона и 14%азота, лучшее наполнение - криптоно-ксеноновое.

Световой отдачей лампы накаливания называются отношение излучаемого потока к потребляемой электрической мощности.

η = F/P

η- световая отдача, [Лм/Вт];

F - световой поток, [Лм];

Р - мощность, [Вт].

Световая отдача характеризует экономичность лампы накаливания. Т.к. лампы с большим диаметром нити допускают большую температуру нагрева, то их светоотдача выше, но напряжение питания пониженное.

Срок службы ламп - продолжительность горения до потери 20% ее первоначального светового потока. В процессе работы нить испаряется (утоньшается), затемняется металлом колба. Чем больше светоотдача, тем меньше срок службы лампы.

В 50-х годах в развитии ламп накаливания был осуществлен качественный скачек - осуществлена серия галогенного цикла в рабочем объеме лампы и создан образец галогенной лампы накаливания (ГЛН). Это привело к увеличению светоотдачи в 2 раза и уменьшению объема лампы в 150÷200 раз. В ГЛН суммируются и умножаются положительные эффекты от использования тяжеломолекулярных газов (фтор, хлор, бром, йод) с повышением температуры и давления в колбе.

Колба представляет собой, как правило, стеклянный цилиндр диаметром 6÷10 мм, по оси которого натянута вольфрамовая спираль. При испарении вольфрама он диффундирует на стенку колбы, температура которой достигает более 250° С. При этой температуре вольфрам вступает в химическое соединение. Это молекулярное соединение вольфрама с галогенами испаряется со стенки колбы и вблизи нити при высокой температуре разлагается снова на вольфрам и галогены. Вольфрам оседает на нить, восстанавливая ее. Весь этот цикл называется галогенным. Эти лампы нашли применение для прожекторов, кино - фотосъёмок, автомобилей и др. В светотехнической системе посадки применяются в огнях утопленного типа и освещения мест стоянок самолетов.

Для колб ГЛН необходимо кварцевое стекло или стекло типа "Вайкор".

НЕОНОВЫЕ ЛАМПЫ

Эти лампы имеют преимущество по сравнению с лампами накаливания в том, что излучение сосредоточено в видимом диапазоне спектра и нет бесполезного инфракрасного и ультрафиолетового излучения.

Принцип действия основан на свечении неона при электрическом разряде. Тип разряда соответствует тлеющему разряду.

Лампа представляет собой трубку, наполненную неоном, на концах которой помещены катоды (рис.?).

Рис.? Общий вид неоновой лампы.

Катоды покрыты активной массой (ВаО), что способствует хорошей термоэмиссии электронов. Катоды неоновых ламп НД-2 на 500 Вт нагреваются от отдельного трансформатора на 26 В. Лампы меньшей мощности запускаются с помощью стартера СНД-2 или же от пусковой катушки КП-4716.

Схема включения неоновой лампы показана на схеме (рис.?).

Рис.? Схема включения неоновой лампы: a) c ламповым стартером, б)с пусковой катушкой.

Стартер представляет собой биметаллическое реле напряжения, выполненное в виде лампы тлеющего разряда.

Напряжение зажигания лампового стартера колеблется в пределах 180÷230 В. При подключении схемы (рис.? а) к сети переменного тока напряжением 220 Вв ламповом стартере, подключенном параллельно к неоновой лампе, возникает тлеющий разряд. Он нагревает биметаллическую пластинку, которая по этой причине изгибается и электрически соединяется со вторым электродом. При этом электроды лампового стартера замыкаются, тлеющий разряд в нем прекращается и электрический ток проходит через включенные последовательно дроссель, нити накала неоновой лампы и два замкнутых между собой электрода лампового стартера. Сила тока в этой последовательной цепи у используемых в настоящее время ламп составляет 6÷7 А.. При такой силе тока нити накала неоновой лампы интенсивно нагреваются и создают термоэлектронную эмиссию. Биметаллический электрод имеет большую площадь поперечного сечения и при соприкосновении со вторым электродом лампового стартера не вызывает его нагрева. В это время ламповый стартер остывает и биметаллическая пластинка разрывает цепь.

Время размыкания цепи ламповым стартером очень мало. Электромагнитная энергия, накопленная в дросселе, в виде импульса высокого напряжения (напряжение самоиндукции) подается к электродам неоновой лампы. Если термоэлектронная эмиссия нагретых электродов и импульс высокого напряжения достаточны для пробоя межэлектродного пространства и образования дугового разряда, неоновая лампа зажжется; если нет, то процесс зажигания повторяется до тех пор, пока неоновая лампа не включится.

Когда лампа загорится к ней приложится напряжение 65÷90 В, но этого напряжения недостаточно для зажигания стартера. Емкость С предназначена для искрогашения в момент размыкания стартера.

В схеме, показанной на рис.?.б, зажигание неоновой лампы осуществляется при помощи высоковольтной катушки. Высокое напряжение от этой катушки создает электрическое поле, которое ионизирует межэлектродное пространство и тем самым уменьшает его сопротивление.

Из схемы видно, что, кроме лампы, дросселя и высоковольтной катушки, в схеме предусмотрен трансформатор, вторичные обмотки которого служат для питания нитей накала лампы и первичной обмотки высоковольтной катушки. При подключении схемы к электрической сети напряжение на первичной обмотке трансформатора почти равно напряжению сети, так как падение напряжения в дросселе при негорящей лампе незначительно.

Катоды лампы нагреваются проходящим через них током и создают термоэлектронную эмиссию. Высоковольтная катушка ионизирует газ. При наличии мощной термоэлектронной эмиссии с катодов и ионизированного газа напряжение сети оказывается достаточным для образования дугового разряда.

После того как в неоновой лампе возник дуговой разряд, характеризующийся резким увеличением тока, проходящего через лампу, на дросселе получается большое падение напряжения, что вызывает уменьшение напряжения на первичной обмотке трансформатора. Высоковольтная катушка прекращает ионизацию, так как напряжение на низковольтной обмотке уже недостаточно для нормальной работы катушки. Электроды лампы оказываются под пониженным напряжением и нагреваются, главным образом, за счет энергии, выделяемой разрядом.

Схема включения неоновой лампы при помощи трансформатора и высоковольтной катушки позволяет в процессе работы осуществить практически мгновенное повторное зажигание после кратковременного выключения лампы и поэтому находит применение в кодовых неоновых светомаяках.

На неоновых лампах изготовлена система посадки ОСП-Н, кодовый неоновый маяк типа KHM-I.

ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ ЛАМПЫ

Люминесценция представляет собой неравновесное излучение света телами, избыточное над тепловым излучением этих тел. Люминесценция вызывается переходом излучающих частиц в возбужденное состояние под действием какого-либо возбудителя (света, ультрафиолета, потоков электронов, электрического поля и т.д.).

Люминесцентная лампа по конструкции напоминает неоновую, только стеклянная трубка изнутри покрыта люминофором. Тлеющий или дуговой разряд происходит в атмосфере инертного газа (аргона, ксенона) с парами ртути при низком давлении.

При разряде в парах ртути возникает ультрафиолетовое излучение, которое возбуждает люминофор. Люминофор начинает испускать световое излучение в видимой части спектра. Обозначение ламп: ЛБ, ЛТБ, ЛХБ, ЛД, ЛДЦ, где Л - люминесцентная, Б - белая, Д - дневного света, ТД - тепло-белая, ХБ - холодно белая, Ц - повышенного качества цветопередачи. Основными недостатками люминесцентных ртутных ламп низкого давления являются относительно малая мощность, большие габаритные размеры и зависимость их характеристик от температуры окружающей среды.

НАТРИЕВЫЕ ЛАМПЫ

Натриевая лампа представляет собой газоразрядную трубку, в которой помещаются металлический натрий и газ неон. Неон добавляется для облегчения зажигания лампы и удлинения пути электронов от катода к аноду, что способствует значительному повышению количества возбужденных электронов атомов натрия.

Номинальное напряжение, на которое рассчитывается натриевая лампа, недостаточно, чтобы зажечь ее в холодном состоянии. Первоначально электрический разряд начинается в неоне, с присущим ему излучением красного цвета, и продолжается до тех пор, пока лампа не нагреется до необходимой температуры. Выделяемая при электрическом разряде в неоне тепловая энергия вызывает испарение металлического натрия, и спустя 10÷15 мин. после включения лампы начинается электрический разряд в парах натрия, что сопровождается желтым свечением. В дальнейшем электрический разряд в неоне прекращается и происходит только в парах натрия, образовавшихся благодаря указанному повышению температуры.

Необходимое давление паров натрия (0,05 ммрт. ст.) создается при температуре около 250°С.. Для сохранения этого температурного режима газоразрядную трубку помещают в специальный стеклянный сосуд, откуда выкачан воздух. Сама газоразрядная трубка изготовляется из специального боросиликатного стекла, не поддающегося действию паров натрия, так как обычное стекло разъедается парами натрия.

Излучение натриевой лампы сосредоточено в очень узкой области видимого спектра, поэтому световая отдача натриевых ламп очень высока. Промышленные образцы натриевых ламп имеют световую отдачу 40÷70 лм/вт.

Натриевые лампы отличаются одна от другой устройством для зажигания. Схема включения одной из ламп показана на рис.?.

Рис.? Схема натриевой лампы с зажиганием от трансформатора.

Разрядная трубка имеет U-образную форму и запаяна в колбе, из которой выкачан воздух. Зажигается лампа при помощи высоковольтного трансформатора с большим магнитным рассеянием. При высоком напряжении (450—500 В) зажигание лампы происходит при холодных электродах.

РТУТНЫЕ ЛАМПЫ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

Ртутные лампы высокого давления представляют собой трубки из тугоплавкого стекла или кварца, в которые впаяны основные и вспомогательные электроды, и содержат пары ртути давлением от 1 до 1,5 атм. (см. рис.?).

Трубка помещается в стеклянном кожухе цилиндрической формы. Для облегчения зажигания в лампу добавляют некоторое количество аргона. Разряд сначала происходит в аргоне между основным (1) и вспомогательным (3) электродами, а затем между основными (1 и 2)электродами и переходит далее в дуговой разряд в парах ртути.

Рис.? Схема включения аргоново- ртутной лампы высокого давления типа ИГАР

Лампа разгорается (достигает полного светового потока) в течение 4÷5 мин. Ртутные лампы высокого давления излучают желто-зеленый свет; их световая отдача достигает 40 лм/вт. Изготовляются они мощностью 250÷500 Втна напряжение 120÷220 В.

РТУТНЫЕ ЛАМПЫ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ИСПРАВЛЕННОЙ ЦВЕТНОСТИ

В спектре излучения ртутных ламп высокого давления отсутствуют оранжево-красные лучи, вследствие чего при освещении этими лампами предметов нарушается правильное восприятие их цвета. Люминесцентные ртутные лампы, свободны от этого недостатка. Для его устранения на внутреннюю поверхность внешней колбы наносится слой люминофора, который под действием ультрафиолетовых лучей лампы излучает преимущественно оранжево-красные лучи. Таким образом, спектр ртутной лампы высокого давления значительно исправляется и приближается по цветности к спектру дневного света.

Для осветительных приборов стоянок, дорог, применяется люминесцентные лампы высокого давления, получившие название ДРЛ (дуговые, ртутные, люминесцентные). Конструкция лампы типа ДРЛ показана на рис.?.

Рис.? Лампа типа ДРЛ (дуговая ртутная люминесцентная).

Внутри лампы имеется кварцевый цилиндр (1) со спиралью. Колба (3) лампы покрыта люминофором (2), а пространство заполнено парами ртути.

Включение лампы ДРЛ в сеть производится по схеме, показанной на рис.?.

Рис.? Схема включения лампы типа ДРЛ.

После включения конденсатор С заряжается через селеновый выпрямитель V и ограничивающее сопротивление R.Затем он разряжается через разрядник Р на дополнительную обмотку дросселя L, в результате чего на концах основной обмотки индуктируется импульс высокого напряжения, зажигающий лампу ДРЛ. При горении лампы повторных разрядов конденсатора не происходит, так как напряжение на лампе, а следовательно, и на конденсаторе, ниже пробивного напряжения разрядника.

Световой к.п.д. этих ламп в 2,5 раза выше, чем у обычных ламп накаливания. Срок службы (6000÷12000 час) также больше в 2 раза. Время зажигания ламп при t =25°С составляет 1 мин., а при t = -40°С - 5 мин. Мощность ламп 80 ÷ 1000 Вт.

РТУТНЫЕ ЛАМПЫ СВЕРХВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

Ртутные лампы сверхвысокого давленияизготовляются с естественным и жидкостным охлаждением. Давление паров ртути в этих лампах достигает 200 атм.

Ртутные лампы сверхвысокого давления с естественным охлаждением по форме бывают капиллярные и шарообразные. Капиллярная лампа представляет собой кварцевую трубку диаметром 1÷2 мми длиной 10÷ 12 мм. Эти лампы изготовляются мощностью 500÷ 800 Втна напряжение 400÷800 В. В шаровых лампах, изготовляющихся на напряжение 120, 127 и 220 В,дуговой разряд происходит внутри кварцевого шарика диаметром 20÷ 45 мм. Давление достигает 50 атм. Срок службы ламп обоих типов составляет около 100 часов. На рис.? показан общий вид лампы СВДШ-250.

Рис.? Общий вид лампы СВДШ-250

ИМПУЛЬСНЫЕ ИСТОЧНИКИ СВЕТА

Импульсные источники света - это также газоразрядные лампы, использующие искровой газовый разряд. Импульсная лампа представляет собой U - образную трубку, наполненную ксеноном, криптоном или их смесью под давлением 50÷70 мм рт. ст. На концах впаяны электроды, пусковой электрод представляет собой несколько витков, обвитых вокруг трубки. Широко используется лампа типа ИФК-2000.

Схема поджига лампы приведена на рис.?

Рис.? Схема поджига лампы ИФК-2000.

При максимальном токе в обмотке W₂ электромагнит притягивается к сердечнику и разрывается цепь. В момент обрыва тока индуцируется напряжение 10÷15 кВ. Это напряжение ионизирует газ в трубке, а т.к. к электродам приложено напряжение, то произойдет газовый разряд с выделением интенсивного света.

ДУГОВЫЕ ИСТОЧНИКИ СВЕТА

Дуговые лампы относятся к числу источников света дугового, разряда, происходящего в атмосфере воздуха. Они используются в прожекторных станциях. Основными элементами являются угли высокой интенсивности, закрепленные в держателях, механизмы для автоматического регулирования работы лампы и для сближения углей по мере их сгорания, механизм вращения положительного угля (рис.?).

Рис.? Схема дуговой лампы.

Световая отдача дуговых ламп составляет 30÷35 Лм/Вт.

ЛАЗЕРНЫЕ ИСТОЧНИКИ СВЕТА

Слово лазер - аббревиатура слов английского выражения «Light amplification by stimulated emission of Radiation» - усилитель света с вынужденным излучением. Первый лазер создан Мейманом (США) в I960 году. Он представлял собой рубиновый стержень, отполированный с торцов и покрытых серебром, один торец был частично прозрачен (до 5 %). Стержень охвачен газоразрядной лампой (рис.?)

Рис.? Схема рубинового лазера.

При разряде конденсатора на лампу она вспыхивает и возбуждает ионы хрома (окись Al +0,05% хрома). При переходе из возбужденного состояния ионов излучается свет, этот обычный свет многократно отражается от зеркал и заставляет остальные возбужденные ионы отдавать свет. Причем, новые фотоны направлены в ту же сторону и находятся в фазе возбуждающего фотона. Таким образом, происходит лавинное возрастание фотонов света и через небольшое время до 0,5 мс, пучок когерентного, узконаправленного, монохроматического излучения темно-красного света выйдет через полупрозрачное зеркало.

Таким образом, в лазер входит активное вещество, способное излучать фотоны при переходе из возбужденного в нормальное состояние, система возбуждения, т.н. "накачки", и оптический резонатор.

Активное вещество бывает твердое, жидкое, газовое. Накачка может производиться светом, электронами, СВЧ-полем, γ -квантами, тепловая (к которой относятся химические и ядерные источники). По принципу действия накачка бывает импульсной или непрерывной.

Поиск по сайту: