Источники оптического излучения

ИСТОЧНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1983 .

(источники света) — приборы и устройства, а также природные и космич. объекты, в к-рых разл. виды энергии преобразуются в энергию оптич. излучения в диапазоне длин волн l@10 нм4l мм. Космич. и природные излучающие объекты — Солнце, звёзды, атм. разряды и др.- являются естественными И. о. и. Искусственные И. о. и. в зависимости от вида преобладающего элементарного процесса испускания — вынужденного или спонтанного — разделяются на когерентные (см. Когерентность )и некогерентные. Когерентные И. о. и. (лазеры) генерируют излучение с чрезвычайно большой спектральной интенсивностью и высокой степенью направленности и монохроматичности. Излучение большинства И. о. и. некогерентно и представляет собой суперпозицию эл.-магн. волн, спонтанно испускаемых совокупностью независимых элементарных излучателей. е,v ,силой света I v ,яркостью L e,v ,светимостью М е,v , а его распределение по спектру описывается их спектральной плотностью. Многие И. о. и., преим. со сплошным спектром, удобно аттестовать по их яркостной Т B или цветовой Т C темп-ре. В ряде применений существенно знать освещённость Е е,v , создаваемую И. о. и., или для их характеристики используются нестандартные величины, напр, поток фотонов Ф N . Импульсные И. о. и. характеризуются длительностью т и формой импульса излучения, к-рое описывается пиковыми значениями и интегралами по времени фотометрич. величин (см. Фотометрия импульсная). Эффективность преобразования вводимой в И. о. и. энергии в световую определяется энергетич. (спектральным) кпд или световой отдачейh v .В число техн. характеристик И. о. и. входят также вводимая мощность Р или энергия W, размер светящегося тела S, пространственное распределение и стабильность излучения, срок службы и т. п. Наиб, важные для конкретных И. о. и. показатели определяются их назначением. Самыми распространёнными являются выпускаемые промышленностью осветительные лампы и И. о. и., используемые в серийных приборах и техн. устройствах. В научных исследованиях наряду с серийными используются также спец. лаб. И. о. и., наиболее соответствующие требованиям эксперимента. e и М е и спектральные плотности этих величин, а их максимум смещается в коротковолновую область. В пределе e(l)=1 достигается излучение абсолютно чёрного тела, что близко выполняется, напр., для Солнца (T B =6.10 3 К, L v ,=2.10 8 кд/м 2 , E e =1,37 кВт/м 2 — вне атмосферы), излучение к-рого используется в теплофиз. и энергетич. гелиоустановках, а также может применяться для накачки лазеров. В искусств, тепловых И. о. и. излучающее тело нагревается электрич. током или в результате выделения энергии в хим. реакциях горения. B до 3000 К, образованный раскалёнными твёрдыми микрочастицами. В отсутствие таких частиц наблюдается полосатый и линейчатый спектр излучения, создаваемый газообразными продуктами горения или хим. элементами, специально вводимыми в пламя, напр, для спектрального анализа методом пламенной фотометрии или атомно-абсорбционным. В пиротехн. осветительных и сигнальных средствах (ракеты, фейерверки и др.), излучение к-рых имеет I v =10-300 ккд и длительность t=5-200 с, используются спрессованные пламенные составы, содержащие горючее вещество (порошок Mg или А1, их смеси и сплавы или органич. вещества) и окислитель (богатые кислородом соли Na, К или Ва). Аналогичные составы для освещения при фотографировании обеспечивают большую скорость горения (t

10 7 кд/м 2 . Фотогр. лампы-вспышки одноразового действия дают импульс излучения с t

10 -2 с и L v до 10 8 кд/м 2 при сгорании Mg- или Zr- фольги в наполненной О 2 колбе. 1 мкм)=0,4-0,1, e(l>0,25 мкм)=0,5-0,4], вследствие большой хим. активности при рабочих темп-pax T=1800-3200 К могут использоваться только в вакууме или инертной газовой среде (за исключением Pt). Перечисленные источники ИК-излучения применяются в теплофиз. исследованиях и для промышл. термообработки материалов. 2 , Y 2 O 3 , ThO 2 ), проводящий при T>1000 К. Разогреваемый током до T=1700 К, он излучает как серое тело при l>7 мкм. Глобар — проводящий силитовый (SiC) стержень размером Ж (0,6-2,5)3(6-40) см при рабочей Т=1400 К имеет М е

80 кВт/м 2 и немонотонную зависимость e(l)в области l=2-200 мкм; нанесение покрытия из ThO 2 позволяет повысить T до 2200 К. 0,99. Модели чёрного тела представляют собой сферич., конич., клиновидные, цилиндрич. полости с малым отношением диаметра выходного отверстия (Жх3 см) к глубине полости, изготовляемой из графита, стеклоуглерода, металлов или их карбидов, нагреваемых до Tх3000 К (Р=0,1-25 кВт).Электрич. вольфрамовые лампы накаливания (ЛН) являются самыми распространёнными тепловыми И. о. и., применяемыми для общего и спец. освещения, сигнализации, в кинопроекц. аппаратуре, прожекторах, в качестве эталонов в пирометрии и фотометрии(светоизмерит. лампы). Номенклатура серийных ЛН составляет ок. 600 типоразмеров — от сверхминиатюрных (Р=0,01 Вт, Ж 0,2 см) до мощных прожекторных (Р=10 кВт, 030 см). Тело накала изготовляется из W в виде нити, спирали или ленты и помещается в вакуумируемую или наполняемую инертным газом стеклянную колбу, обычно каплеобразной формы. Световые характеристики и срок службы ЛН, ограничиваемый потемнением колбы из-за распыления W нити и её перегоранием, сильно зависят от Тнакала: при T=2400-3300 К, L v =10 6 3.10 7 кд/м 2 , h v =828 лм/Вт срок службы от 1000 до 5 ч соответственно. 2 или летучих хим. соединений Вr, обеспечивающими обратный перенос испарившегося W со стенки колбы на нить в замкнутом хим. цикле. Благодаря этому они служат до 2000 ч при T с =3200 К и h v =28 лм/Вт, Р= (15-2).10 4 Вт. Для осуществления галогенного цикла оболочка должна иметь Т

Каждый электрик должен знать:  Выбор пусковых реостатов для асинхронных электродвигателей

500 К, поэтому колбой ГЛН служит узкая кварцевая трубка Ж (0,8-3,6)3(3,6-90) см, вдоль оси к-рой располагается вольфрамовая спираль или кварцевый цилиндр, близко прилегающий к компактному телу накала. ГЛН применяются в тех же областях, что и обычные ЛН, а также для дакачки непрерывных лазеров, в ксерографии и термографии. v

3.10 8 кд/м 2 , используются в прожекторах, установках радиац. нагрева, в качестве стандарта яркости в спектроскопии и точечного эталонного источника в фотометрии. Излучателем в них служит анодный кратер или ограниченная раскалённая зона катода (Ж0,07-1 см) дугового разряда в воздухе (угольные электроды, Рдо 30 кВт) или в наполненной Аr лампе (вольфрамовые электроды, Р мин до 2 Вт). Для улучшения световых характеристик в электродах делают спец. вставки из ZrO 2 , Ce 2 O 3 и др. На сплошной спектр теплового излучения электрода накладываются линии и полосы спектра дуговой плазмы. Плазменные И. о. и. имеют энергетич. характеристики и вид спектра излучения, определяемые темп-рой Т и давлением р плазмы, образующейся в них при электрич. разряде или иным способом, и изменяющиеся в широких пределах в зависимости от хим. состава рабочего вещества и вводимой уд. мощности. При низких Т к р спектр излучения в основном представляет собой узкие атомные резонансные линии и молекулярные полосы. С увеличением вводимой уд. мощности и повышением Т в спектре излучения плазмы начинают преобладать линии возбуждённых атомов и ионов и появляется сплошной фон, обусловленный тормозным и рекомбинац. излучениями, возникающими при столкновениях электронов и ионов. При повышении давления линии уширяются, интенсивность континуума возрастает и сначала в линейчатом, а затем и в сплошном спектре, начиная с длинноволновой его части, достигается насыщение до интенсивности излучения абсолютно черного тела при Т плазмы. Предельные параметры, ограничиваемые технически осуществимой скоростью ввода энергии и стойкостью материалов конструкции, в импульсных плазменных И. о. и. намного выше, чем в непрерывных. н , определяемого темп-рой колбы. Особенно широко используется Hg, имеющая относительно высокое р н при низких Т и химически не взаимодействующаясо стеклом. Разрядные трубки ламп со щелочными и др. металлами изготовляются из термо и химически стойких прозрачных материалов (спец. сорта стекла, поликор и др.) и обычно помещаются во внеш. стеклянную оболочку для поддержания необходимого теплового режима, к-рый устанавливается только через неск. минут после включения. Ртутные и ксеноновые лампы высокого (до 2 МПа) и сверхвысокого (до 20 МПа) давления имеют колбы из кварцевого стекла, сохраняющего прочность при рабочих темп-рах 700-1200 К. В лаб. источниках используются камеры спец. конструкций, напр, с продувом газа, с дифференциальной откачкой для получения вакуумного УФ-излучения и др. Спектральный диапазон излучения, выходящего из газоразрядных И. о. и., определяется областью пропускания материала колбы лампы — силикатных (0,29-4 мкм) и кварцевых (0,16-4,5 мкм) стёкол или окошек из этих и др. оптических материалов (сапфир, флюорит, MgF, LiF).Газоразрядные И. о. и. низкого давления (рх20 кПа) в зависимости от плотности тока на катоде j к работают в режиме тлеющего или дугового разряда. В индикаторных лампах и панелях, обычно наполняемых смесью Ne с Не и Аr, используется тлеющее свечение, локализованное вблизи катода (L v =10 2 -10 4 кд/м 2 ). Трубчатые лампы с парами Hg (р н

0,2 Па) в положительном столбе разряда излучают в резонансных линиях Hg (l=253,7; 184,9 нм) и Na (l=589,0;589,6 нм) до 80% вводимой мощности, благодаря чему достигаются большие кпд и h v .Вследствие малых токов их мощность Рх80 и 500 Вт соответственно, а срок службы доходит до 15000 ч. Натриевые лампы имеют самую высокую h v (до 170 лм/Вт), но из-за плохой цветопередачи применяются только для наружного освещения и сигнализации. Ртутные люминесцентные лампы широко используются для внутреннего и декоративного освещения. На внутр. поверхность их стеклянной трубки Ж(1,7-4)3(13-150) см наносится слой люминофора, преобразующий резонансное излучение Hg в видимую область со спектральным составом излучения, близким к дневному свету ( Т с =2700-6000 К, L v до 80 ккд/м 2 , h v до 90 лм/Вт) или определённой цветности. Эритемные (люминесцентные с l=280-400 нм) и бактерицидные лампы, излучающие с l=253,7 нм через стенку колбы из увиолевого стекла, используются в медицине и биологии. е , используются в спектрофотометрии, эмиссионном, атомно-абсорбционном и атомно-флуорес-центном анализе, спектроскопии сверхвысокого разрешения, оптич. магнитометрии, рефрактометрии, в качестве эталонов длин волн и спектральной плотности при градуировке спектральных приборов и приёмников излучения. Спектральные дуговые лампы с парами металлов (Hg, Cd, Zn, Tl, Na, К, Rb, Cs) излучают линейчатые спектры с яркими (L v =2,5-1000 ккд/м 2 ) резонансными линиями металлов в видимой, ближних УФ- и ИК-областях; лампы с инертными газами излучают линейчатые спектры с резонансными линиями инертных газов в вакуумной УФ-области (Ф e =10 14 -10 16 ф/с). Водородные и дейтериевые лампы излучают рекомбинац. и молекулярный континуум в диапазоне l=500-165 нм и линейчатый спектр до l=90 им. В высокочастотных безэлектродных лампах (серийные — со сферич. стеклянной колбой Ж 2 см) спектры этих и нек-рых др. легколетучих элементов возбуждаются эл.-магн. полем с частотой 1-10 4 МГц, благодаря чему устраняются электродные загрязнения, уменьшаются самопоглощение и уширение резонансных линий, а их интенсивность значительно возрастает. Спектральные лампы с полым катодом излучают линейчатыеспектры элементов, в т. ч. труднолетучих, распыляемых с катода ионной бомбардировкой. Спектральные лампы всех типов позволяют получать линейчатые спектры ок. 70 хим. элементов. В спектроскопии используются также разл. лаб. модификации газоразрядных И. о. и. низкого давления: лампы с инертными газами, излучающие молекулярные континуумы в диапазоне l=60-200 нм; метрологич. лампы с чётными изотопами, имеющими особо узкие линии без сверхтонкой структуры (Dv=0,01 см -1 ) при охлаждении области разряда до криогенных темп-р, и др. источники. к >100 А/см 2 ) и дают излучение высокой яркости с широко варьируемым спектром. Свободно горящая дуга, используемая в эмиссионном спектральном анализе, имеет неустойчивый канал, в к-рый поступают испускающие линейчатый спектр пары материала электродов или спец. вставки в нём. В лаб. источниках, применяемых в спектроскопии плазмы, дуга стабилизируется устраняющей загрязнения вытяжкой газа через электроды или охлаждаемыми водой медными шайбами (при наблюдении канала длиной неск. см и Ж0,2-1 см вдоль оси). Такaя стабилизированная каскадная дуга используется и как эталонный источник (в континууме Аr при р=0,1-1 МПа, Т B до 1,2.10 4 К; в вакуумных УФ-линиях Н Т B до2,2.10 4 К). Мощная дуга с вихревой стабилизацией канала Ж 0,2-1 см и длиной неск. см, обычно в Аr при р до 7 МПа и Р до 150 кВт, даёт сплошное излучение с Т B

Каждый электрик должен знать:  Содержание и требования к оформлению пояснительной записки

6000 К и применяется для имитации солнечного излучения, в фотохимии и установках радиац. нагрева. 100 мкм Т B

1000-4000 К. Специально стабилизированная лампа такого типа с хорошо воспроизводимым распределением спектральной плотности Ф е в УФ-спектре служит эталонным источником. Лампы ДРТ применяются в люминесцентном анализе, фотохимии, ИК-спектроскопии, для возбуждения спектров комбинац. рассеяния, в медицине и биологии, для светокопирования и фотолитографии. Для освещения используются ртутные лампы, в к-рых разрядная трубка помещается в стеклянную оболочку, покрытую люминофором, усиливающим красную часть спектра ( Р=80-2000 Вт, h v до 50 лм/Вт); для УФ-облучения разрядная трубка помещается в непрозрачную для видимого света оболочку. v =60-100 лм/Вт), имеющие спектр, близкий к солнечному (T B =4200-6000 К), используют для имитации его излучения, цветных фото-, кино- и телевизионных съёмок, в полиграфии, проекц. аппаратуре и прожекторах. В шаровых лампах сверхвысокого давления — дуговых ртутных (ДРШ) и ксеноновых (ДКсШ) — для уменьшения тепловой нагрузки стенка удалена от канала разряда, и он сохраняет устойчивость только при малом межэлектродном промежутке (0,03-1 см). Лампы ДРШ ( Р=0,1-10 кВт, L v =10 8 -2,5.10 9 кд/м 2 ),имеющие спектр, обрезанный при l v =35-58 лм/Вт, L v =10 8 -6.10 9 кд/м 2 ), используемые в кинопроекц. аппаратуре, в установках радиац. нагрева и сварки светом, для имитации излучения Солнца, имеют в видимой области непрерывный спектр, близкий к солнечному, с группой сильных линий в диапазоне l=0,8-1 мкм. Их излучение можно модулировать с частотой до неск. десятков кГц. Ксеноновые трубчатые лампы высокого давления Ж (0,4-3,8)3(5-210) см, Р=2-50 кВт, h v =20-45 лм/Вт, L v =3.10 7 кд/м 2 ), имеющие аналогичный спектр, но с большим числом линий, применяются для наружного освещения и для накачки лазеров непрерывного действия. Для накачки Nd лазеров небольшой мощности более эффективны криптоновые лампы с менее насыщенным спектром, в к-ром фон слабее и доминируют уширенные линии, а также лампы с парами щелочных металлов (особенно К-Rb), т. к. их спектры лучше согласуются с полосами накачки. Лампы с парами щелочных металлов при давлении

1 атм в трубках Ж (0,5-1,2)3(3,5-12) см из сапфира или поликора селективно излучают в видимой и нижней ИК-областях ( Р=0,25- 1 кВт, Т B до 4500 К). Натриевые лампы высокого давления с разрядной трубкой, содержащей также Хе и Hg во внеш. колбе, применяются для освещения ( Т с =2100К).Импульсные плазменные И. о. и. имеют высокую яркость, достигаемую за счёт кратковрем. ввода очень большой уд. мощности при электрич. разряде, обычно питаемом от батареи конденсаторов, а также при лазерном нагреве или ударном сжатии газа. Импульсные трубчатые или шаровые лампы, как правило, наполняемые Хе при давлении 10-100 кПа, рассчитаны на определ. энергию разряда W или ср. мощность Р ср в частотном режиме, в пределах к-рых могут варьироваться длительность и яркость одиночной вспышки. В спектре их излучения наблюдаются уширенные атомные и ионные линии, особенно яркие в диапазоне l=0,8-1 мкм, и сплошной фон, насыщаемый в зависимости от режима разряда до уровня, близкого к излучению абсолютно черного тела. Трубчатые лампы делятся на три осн. типа: для накачки лазеров — Ж (0,5-1,6)3(3,6-100) см, W=50-4.10 4 Дж, Р ср =0,01-10 кВт, t=0,1-1,5 мс; светосигнальные и фотоосветительные с прямой, спиральной и др. трубками — W=15-2.10 4 Дж, Р ср =2-5500 Вт, t=0,06-40 мс, L v до 8.10 9 кд/м 2 ; стробоскопические (капиллярные) — Ж (0,05-0,5)3(1-7) см, W=0,05-25 Дж, Р ср =4-1600 Вт, t=2-300 мкс, L v до 1,2.10 10 кд/м 2 с частотой импульсов до 5 кГц. В шаровых лампах (W=0,002-160 Дж, Р ср =2-500 Вт, t=0,35-50 мкс), используемых в стробоскопах, фотолитографии, для сверхскоростной фотосъёмки, достигаются L v до 10 11 кд/м 2 (T B

Каждый электрик должен знать:  При включении стабилизатора выбивает вводной автомат - причина

3.10 4 К). Искровой разряд с наименьшими длительностями t@нс реализуется при мин. индуктивности разрядного контура в лаб. источниках для импульсного фотолиза или для сверхскоростной фотосъёмки. Разновидностями искрового разряда, применяемыми в эмиссионной спектроскопии, является вакуумная искра, в к-рой возбуждаются спектры многозарядных ионов, и скользящий разряд, развивающийся по поверхности подложки из термостойкого диэлектрика различной формы, размерами несколько см. Лазерная плазма, образующаяся при фокусировке мощного импульса лазерного излучения в плотном газе (лазерная искра, T B =(2-4,5).10 4 К) или на твёрдой мишени (T B =3.10 4 -1,8.10 5 К, S=10 -3 -10 -1 см 2 ), позволяет получить яркую вспышку (t==10 -8 -10 -7 с) и используется в абсорбционной и эмиссионной спектроскопии. 4 К в области l=4,5 мкм- 75 нм через открытый торец пластмассовых капилляров Ж 0,45-0,2 см (t=3.10 -6 -4.10 -4 с), а принцип его действия использован в мощной лампе для УФ-области с газовой защитой кварцевой трубки Ж 3320 см продуктами испарения спец. пластмассовой вставки внутри неё (W=200 кДж, T B =2,2.10 4 К, t=2.10 -4 с). В магнитоприжатых разрядах (МПР) плазма прижимается внеш. магн. полем к плоской 44240 см 2 или цилиндрич. Ж 14375 см 2 поверхности разл. диэлектриков ( Т B =(1-2,5).10 4 К, t=10 -4 -2,5.10 -2 с). Плазменный фокус Ж 0,63(5-15) см 2 магнитоплазменного компрессора излучает сильный континуум, создаваемый рекомбинирующими ионами, в вакуумной УФ-области до l@4 нм (W=9,4 кДж, Т B =(2,5-6).10 4 К, t=20 мкс). Мощные стендовые И. о. и. такого типа используются для накачки лазеров, имитации высокотемпературных радиационно-газодинамич. явлений; лаб. источники КРИС и МПР — в спектроскопии плазмы. B =(1,5-5).10 4 К. Литиевая плазма оптически прозрачна при l 2 с T B =(1,5-3).10 4 К при W до 250 кДж (т. н. слойный импульсный разряд). Взрывом проволочки инициируются протяжённые (до 1 м) сильноточные (до 500 кА) самосжатые разряды в газах (Z=пинч, Т-(2-4).10 4 К). Такого типа И. о. и. применяются для накачки лазеров и импульсного фотолиза (стендовые установки), а также для освещения в фотографии и сверхскоростной съёмке (лаб. источники). Импульсная сильноточная дуга в Аr излучает в вакуумной УФ-области до l=110 нм (W=1-10 кДж, Т B до 3.10 4 К) и используется для импульсного фотолиза и фотоионизации газа в фотоионизац. лазерах. В таких разрядах расширяющийся канал диам. 5 К, наблюдается в сильных ударных волнах, образующихся при выходе детонационной волны из кумулятивного канала заряда взрывчатого вещества в газ (воздух, инертный газ) при давлении

1 атм. Эти т. н. взрывные И. о. и. с Т B =(2,4-6).10 4 К, Ж 3-8 см и t=5-30 мкс используются для высокоскоростной фотографии, световых испытаний материалов и в качестве стандартов яркости. Люминесцирующие И. о. и. В источниках света этого типа излучают холодные твёрдые и жидкие люминофоры и газы, возбуждаемые потоком фотонов, электронов и др. частиц или электрич. полем. Их световые характеристики и спектр излучения определяются свойствами люминофоров, а также плотностью потока и энергией возбуждающих частиц или напряжённостью электрич. поля. 5 -10 6 эВ, используется для получения коротких вспышек излучения с t@10 -9 -10 -6 с; при этом в инертных газах излучаются молекулярные континуумы с М е до 10 4 МВт/м 2 . В газоструйном источнике непрерывного действия струя Аr при криогенных темп-pax возбуждается электронным пучком (E

2 кэВ) и излучает молекулярный континуум в области l=50-150 нм со спектральным распределением, близким к солнечному. Такие же континуумы излучения при энергии электронов в пучке E

500 эВ наблюдаются в крнокристаллах инертных газов (Ф N /10 16 ф/с). Источники с атомным пучком, возбуждаемым потоком электронов, используются для получения очень узких спектральных линий с Dv до 0,002 см -1 . В источнике «пучок-фольга» при прохождении пучка ионов из ускорителя через тонкую фольгу возбуждаются спектры атомов и многозарядных ионов. Такой источник используется для определения вероятности энергетич. переходов. Катодолюминесцентными И. о. и. являются покрытые люминофорами экраны электроннолучевых трубок и электронно-оптич. преобразователей (L v до 3.10 4 кд/м 2 ), возбуждаемые пучком электронов с E

10′ эВ, а также низковольтные катодолюминесцентные индикаторы (E

10-30 эВ, L v до 1500 кд/м 2 ).Электролюминесценция газов возникает в сильном электрич. поле при существенно неравновесных условиях их возбуждения, напр, в источнике с самостоятельным поперечным разрядом наносекундной длительности, излучающем в молекулярных полосах N 2 при атм. давлении поток фотонов Ф N до 10 24 фотон/с. На основе инжекционной электролюминесценции в полупроводниковых кристаллах работают светоизлучающие диоды (L v до 1000 кд/м 2 ), изготовляемые в виде дискретных (S

10 -6 см 2 ) а интегральных устройств, служащих осн. элементом оптоэлектроники, применяемых также для индикации и сигнализации и в качестве калибровочных источников. В электролюминесцентных индикаторных панелях (L v до 300 кд/м 2 ) используется предпробойное свечение порошкообразных активированных кристаллофосфоров, помещаемых между обкладками конденсатора, на к-рый подаётся перем. напряжение. N до 10 12 ф/с. 2 ) или видимое излучение в светосоставах постоянного действия (L v

0,2 кд/м 2 ). Световые вспышки, возникающие в сцинтилляторах под действием ионизирующих частиц, а также излучение Черенкова — Вавилова и переходное излучение используются для регистрации релятивистских заряж. частиц. N при l=10 нм до 7.10 15 фотон/с. N при l=100 нм до 3.10 14 фотон/с.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .

Добавить комментарий