2.6. Эталонные источники излучения

Идеальным тепловым излучателем можно считать черное тело, поэтому модели черного тела и легли в основу эталонных источников излучения. В качестве эталонных источников излучения обычно используются модели ЧТ, нагретые до различных температур, измерительные лампы накаливания, специальные излучатели. Рассмотрим некоторые модели ЧТ.

Штифт Нернста представляет собой цилиндрический стержень молочно–белого цвета диаметром 1 – 3 мм и длиной 20 – 30 мм, спрессованный из двуокиси циркония (ZrО₂) и окиси иттрия (Y₂O₃). Разогретый до 673К, штифт становится проводником электричества, затем, будучи включенным в электросеть, он накаляется до 2000К. Применяется в спектроскопии в области от 2 до 14 мкм.

Глобар представляет собой цилиндрический стержень длиной 50 – 250 мм, диаметром 6 – 8 мм из карбида кремния. Концы стержня закреплены в алюминиевых электродах. Глобар в отличие от штифта Нернста не требует предварительного подогрева и разогревается до 750 K. Стержень имеет защитный слой из двуокиси тория, нанесенного на поверхности, что позволяет довести температуру до 1400 – 1500 К. Коэффициент излучения меняется от длины волны и примерно равен 0,8 для диапазона длин волн от 2 до 15 мкм.

На рис. 2.5. представлены типовая конструкция модели ЧТ.

Рис. 2.5. Типовая конструкция имитатора, модели черного тела: 1 – к регулятору температуры, 2 – латунный экран, 3 – платиновый термометр, 4 –полости, заполненные асбестом, 5 – электронагревательная обмотка, 6 –сердечник с полостью, 7 – корпус, 8 – диафрагма, 9 – рабочее отверстие.

2.7. Лампы накаливания

Лампы накаливания (ЛН) относятся к тепловым источникам света, и только они одни из тепловых источников используются и в настоящее время для целей освещения. Лампы накаливания классифицируются по областям их применения и разбиваются на многочисленные типы. По особенностям устройства и принципа действия ламп накаливания, применяемых для целей освещения, их можно разбить на две большие группы:

• лампы накаливания общего назначения, которые используются для освещения бытовых, административных и производственных помещений;

• лампы специального назначения, которые можно разделить на автомобильные, железнодорожные, судовые, прожекторные и многие другие.

Каждый тип ламп включает лампы, работающие при разных на­пряжениях, для каждого напряжения выпускается ряд ламп различной мощности. Конструкция лампы общего назначения в основном осталась такой же, как ее предложил Эдисон, и показана на рис.2.6.

Рис. 2.6. Конструкция лампы накаливания общего назначения: 1 –стеклянная колба; 2 – вольфрамовое тело накала; 3 – молибденовые крючки; 4 – электроды; 5 – стеклянный стержень; 6 – линза; 7 – полый стеклянный цилиндр; 8 – лопатка (верхняя часть цилиндра); 9 – откачная трубка; 10 – отверстие в лопатке, через которое производится откачка лампы; 11 – металлический стакан цоколя, к которому припаян один из электродов; 12 –латунная контактная шайба, к которой припаивается второй электрод; 13 – стекломасса, с помощью которой скрепляется шайба со стаканом лампы; 14 – мастика, с помощью которой цоколь соединяется с колбой лампы.

Лампы накаливания общего назначения различных типов отличаются друг от друга своими электрическими, светотехническими, эксплуатационными и экономическими параметрами.

Основные параметры ламп накаливания этого типа следующие:

1. Электрические.

а). Номинальное напряжение U_н – напряжение на лампе в вольтах, которое обеспечивает ее работу. Лампы общего назначения выпускаются на номинальные (расчетные) напряжения 127 ÷ 135 и 220 ÷ 235 В. Большинство зарубежных ламп накаливания, рассчитанных на сетевое напряжение 230 В, взаимозаменяемо с лампами, выпускаемыми в России на напряжение 220 В.

б). Электрическая мощность – Р, измеряется в Вт. Лампы выпускаются на мощность от 15 до 1000 Вт. Наиболее употребляемые лампы на 40, 60, 75 и 100 Вт. Для эталонных (рабочих) ламп указывается номинальное напряжение и номинальный ток, но для большинства типов ламп значение номинального тока не задается.

2. Светотехнические.

Номинальный световой поток лампы Ф в лм, который излучает лампа, работающая при расчетном напряжении. Выпускаемые заводом лампы могут иметь разброс в значениях светового потока на 5 – 10 % от номинального.

В процессе горения происходит непрерывное распыление тела накала и потемнение колбы лампы, что приводит к постепенному уменьшению светового потока и мощности лампы. Допускается отношение светового потока каждой лампы, измеренного после 750 ч горения. Ф₇₅₀ при расчетном напряжении к начальному световому потоку Ф не менее (72 ­– 85) % в зависимости от мощности ламп.

3. Экономические и эксплуатационные.

а). Световая отдача лампы – отношение номинального светового потока к номинальной мощности лампы в лм/Bт. Лампы накаливания имеют низкую световую отдачу. Оценку осветительных способностей источника можно вести и по световой эффективности излучения в лм/Вт, где и Ф_е – световой поток и энергетический поток излучения. Лампы имеют невысокую световую отдачу от 7 до 17 лм/Вт. Световая отдача растет с увеличением мощности лампы.

б). Срок службы – это один из важнейших эксплуатационных параметров, он определяет время горения лампы до ее выхода из строя или до того, как она считается не соответствующей нормам, установленным техническими правилами (продолжительность горения при расчетном напряжении). Срок службы лампы обычно определяется в часах. Для определенного типа ламп вводится номинальный срок службы, который определяет установленное значение для срока службы ламп, принятое на основании результатов испытаний на срок службы ламп данного типа. Полезный срок службы – это время, в течение которого световой поток изменяется не более чем на 20% своего номинального значения.

Электрические и световые характеристики ламп, а также их срок службы очень сильно зависят от питающего напряжения. В сети, питающей лампы накаливания, всегда имеют место определенные отклонения напряжения от его номинального значения. Кроме того, при работе ламп в осветительных установках неизбежно большее или меньшее падение напряжения в проводах распределительной сети. Поэтому очень важно знать, как изменяются электрические и светотехнические характеристики ламп с изменением питающего напряжения. С ростом напряжения на лампе быстро растут световой поток, световая отдача и резко уменьшается срок службы. Для инженерных расчетов при небольших изменениях напряжения, лежащих в пределах U ± 0,1 U_н В, изменение любой характеристики лампы (Б) можно определить с точностью до (1 – 2 %), пользуясь уравнением

В таблице 8.2 приведены коэффициенты т_б для основных эксплуатационных характеристик лампы накаливания.

Таблица 8.2.

Характеристики лампы	численное значение т
Сила света илн световой поток	3,6
Электрическая мощность	1,6
Световая отдача	2,0
Срок службы	13–14

Лампы очень чувствительны к колебаниям напряжения в сети, и, как видно на рис.2.7, при перенапряжении резко снижается срок службы, а недостаточное напряжение ведет к большой потере светового потока (хотя срок службы при этом возрастает). Нормальная работа ламп обеспечивается при колебаниях напряжения не более чем на 5%.

Основной частью лампы накаливания, определяющей ее экономичность и срок службы, является тело накала. Благодаря высокой температуре плавления (3650 ± 50К), малой скорости испарения, пластичности, позволяющей получить путем протяжки через калиброванные отверстия нити различных диаметров, и большой формоустойчивости вольфрамовых спиралей вольфрам является до настоящего времени непревзойденным материалом для изготовления тела накала. Большинство металлов, в том числе и вольфрам, излучают селективно. Это значит, что кривые спектральной плотности энергетической светимости излучения вольфрама и черного тела при одной и той же температуре не являются подобными (рис.2.8).

Рис. 2.7. Изменение характеристик лампы в зависимости от изменения номинального напряжения питания, где Р_л – мощность, – световая отдача, t – срок службы, Ф_л – световой поток.

Рис. 2.8. Спектральная плотность энергетической светимости излучения черного тела и вольфрама

Для металлов, в том числе и для вольфрама, нет аналитических зависимостей между температурой и спектральной плотностью энергетической светимости, температурой и энергетической светимостью излучения. Поэтому при определении величин, характеризующих излучение вольфрама, пользуются законами излучения черного тела и коэффициентами излучения: спектрального и интегрального .

Спектральные коэффициенты излучения вольфрама зависят от его температуры и длины волны. Интегральный коэффициент поглощения металла в зависимости от температуры приближенно можно записать: , где коэффициент для вольфрама  = 1,47х10⁴ .

Вольфрам в общем случае излучатель неравнояркий. Если измерять яркость под различными углами к поверхности вольфрама, отсчитывая углы наблюдения от нормали к его поверхности, то получим кривую , но изменение яркости невелико и лежит в пределах небольшой области углов. Поэтому в большинстве случаев считают вольфрам равноярким излучателем, имеющим среднюю яркость L_cp = 1.04L₀ , где L₀ – яркость в направлении, перпендикулярном поверхности. Часто для упрощения расчетов пользуются понятием идеальной вольфрамовой нити. Под идеальной вольфрамовой нитью понимается цилиндрическая нить, отвечающая следующим требованиям:

1. диаметр нити – постоянный по всей длине;

2. ось нити – прямая линия;

3. нить должна быть изготовлена из химически чистого металла, не имеет неоднородностей в своей структуре, удельное сопротивление ее постоянно по всей длине; неоднородности поверхности по размерам значительно меньше длин волн излучаемых однородных потоков;

4. нить подвергнута рекристаллизации путем термической обработки в высоком вакууме (нагревание в течение 24 ч до 2400К или в течение 1 ч до 2600К, или в течение 15 мин до 2800К);

5. температура постоянна по всей поверхности нити (нить закрепляется в держателях, имеющих температуру, одинаковую с температурой нити);

6. нить работает в высоком вакууме в колбе с известным и постоянным коэффициентом пропускания.

При температурах от 3800 до 7600 К максимум спектральной плотности энергетической светимости изучения ЧТ приходится на видимую часть спектра и с ростом температуры перемещается от красной к фиолетовой части. Поэтому, при температурах, которыми обладают реальные тела, находясь в твердом состоянии, максимум функции приходится на инфракрасную область спектра. У вольфрама максимум кривой спектральной плотности энергетической светимости его излучения сдвинут в сторону коротких длин волн по сравнению с аналогичной кривой для черного тела (рис.2.8).

Рис. 2.9. Зависимости световой эффективности излучения черного тела, Мо, Та, Os, W и С от температуры.

Из этого свойства излучения вольфрама вытекает, что световая эффективность этого излучения выше световой эффективности излучения черного тела, если температуры их одинаковы. Для сравнения с другими материалами на рис.2.9 приведены зависимости световой эффективности излучения тугоплавких металлов, угля и черного тела от абсолютной температуры.

Рассмотрим работу тела накала в атмосфере инертного газа, когда давление газа такое, при котором средняя длина свободного пробега молекулы газа значительно меньше диаметра колбы лампы. У газополной лампы по сравнению с вакуумной появляются дополнительные потери на нагревание газа, находящегося в колбе лампы. Газ, которым наполняется лампа, не вступает в химические соединения с вольфрамом, из которого изготовлено тело накала, материалом электродов и стеклом колбы лампы. При достаточно высоких температурах тела накала небольшая часть энергии тратится на термическую диссоциацию молекул и атомов газа. Давление газа в газополных холодных лампах выбирается несколько меньшим атмосферного, от 75 до 86 кПа. При таких давлениях передача теплоты от раскаленного тела накала к газу осуществляется путем конвекции и теплопроводности. При наличии в колбе раскаленного тела накала происходит циркуляция газа в колбе. Газ, примыкающий к телу накала, нагревается, поднимается вверх, доходя до колбы лампы, нагревает колбу, при этом охлаждается сам и опускается к нижней части колбы, откуда поступает опять к нити накала. С ростом температуры нити тепловые потери на охлаждение нити накала газом растут значительно медленнее, чем поток излучения. Следует указать, что с увеличением давления газа удельные тепловые потери на охлаждение газом несколько увеличиваются. При этом появляется возможность увеличить температуру тела накала при сохранении того же срока службы ламп. Увеличение световой отдачи газополной лампы возможно путем перехода к телу накала с более высокой температурой вольфрамовой нити, а также снижения потерь через газ. Уменьшение потерь в газе возможно при переходе к компактному телу накала (спиральные и биспиральные) и газовой среде с меньшей теплопроводностью. Для газового наполнения ламп накаливания используются азот и инертные газы, а также смеси различных газов. Для уменьшения потерь на нагревание газа выгодно заполнять лампу смесями азота с тяжелыми инертными газами. К таким газам относятся аргон, криптон и ксенон. Все эти газы получают только из воздуха. Для наполнения ЛН применяются смеси криптона с азотом. Содержание криптона в воздухе не превышает 10^-4%. Получение криптона в достаточных количествах освоено, но газ этот дорог, и поэтому при наполнении ламп смесью криптона с азотом приходится подсчитывать экономическую целесообразность наполнения данной лампы этой смесью. В первую очередь следует наполнять криптоном маломощные лампы, у которых такое наполнение дает наибольший экономический эффект. В воздухе в еще меньших количествах (10^-6 %) содержится инертный газ ксенон. Наполнение ламп этим газом еще больше снизило бы тепловые потери. Однако очень высокая стоимость ксенона ограничивает применение его для наполнения ЛН. Применяя ксенон для наполнения ламп накаливания, следует помнить и о низком потенциале зажигания электрической дуги в ксеноне.

Процессы, влияющие на срок службы ЛН, определяют их экономичность. Под сроком службы чаще понимают средний срок службы. При очень большой световой отдаче и очень малом сроке службы (несколько часов) ЛН большинства типов являются непригодными для эксплуатации. Срок службы лампы определяется выходом ее из строя в результате перегорания спирали или снижения светового потока. У работающей лампы происходит непрерывное распыление раскаленного тела накала. Вольфрам, выделяемый раскаленной нитью, частично у газополных или полностью у вакуумных ламп, оседает на колбе лампы, покрывая ее темным налетом, снижающим коэффициент пропускания колбы. В результате распыления вольфрама уменьшается поперечное сечение тела накала, следовательно, растет сопротивление лампы. Поэтому при работе лампы в нормальных условиях, когда напряжение, подаваемое к лампе, остается постоянным, медленно уменьшается мощность, подаваемая к лампе, а следовательно, и поток, излучаемый ею. К процессам, влияющим на срок службы ЛН, в первую очередь, можно отнести испарение вольфрама с поверхности нити накала, которое происходит тем интенсивнее, чем выше температура нити. Уменьшение диаметра более нагретых участков идет быстрее, что приводит к увеличению сопротивления этих участков и последующему повышению их температуры. Перегретый участок нити попадает в неблагоприятные условия, которые с увеличением времени горения лампы непрерывно ухудшаются. Испарение вольфрама с раскаленной поверхности нити и есть основной процесс, определяющий срок службы лампы.