Глава 2. Источники излучения оптического диапазона.

Источниками излучения являются все объекты, которые имеют температуру, отличную от температуры фона. Объекты могут отражать падающее на них излучение, например, солнечное. Максимум излучения Солнца находится у 0.5 мкм. К источникам излучения относятся промышленные здания, автомашины, тело человека, животного и т. д. Простейшей классической моделью излучателя является электрон, колеблющийся около положения равновесия по гармоническому закону.

К естественным источникам излучения относятся Солнце, Луна, Земля, звезды, облака и т.д.

К искусственным источникам излучения относятся источники, параметрами которых можно управлять. Такие источники используются в осветителях оптоэлектронных приборов, в приборах для научных исследований и т.д.

Излучение света происходит в результате переходов атомов, молекул из состояний с большей в состояния с меньшей энергией. Свечение вызывается либо столкновениями между атомами, совершающими тепловое движение, либо электронными ударами.

2. 1. Тепловые источники излучения.

Тепловое излучение отличается от других видов излучения (например, люминесценции) только способом перехода излучающих систем в возбужденные состояния. Это источники электромагнитного излучения, испускаемого нагретым телом за счет повышения его внутренней энергии. Переход в возбужденное состояние при тепловом излучении осуществляется в результате теплового движения атомов и молекул. Тепловое излучение имеет сплошной спектр, положение максимума излучения которого зависит от температуры тела; спектральная зависимость определяется формулой Планка.. К тепловым источникам относятся а.ч.т., различного рода лампы накаливания. Вольфрамовые лампы в стеклянном баллоне дают сплошной, очень широкий спектр от 360 нм до 2400 нм. Эти лампы нестабильны во времени из-за распыления вольфрамовой нити. Лампы накаливания, у которых баллон сделан из кварца, работают в области от 250 нм до 3500 нм. Для увеличения рабочей температуры и срока службы лампы наполняют парами галогенов (йод, соединения брома) – галогенные лампы. Они имеют температуру Т = 2700 – 3000 К.

Тепловыми источниками для инфракрасной области спектра являются глобар (стержень из карбида кремния), штифт Нернста (стержень из порошковой массы циркония и окиси иттрия). Это источники имеют температуру до 2000 К, спектр излучения простирается до 300 мкм.

2. 2. Газосветные источники излучения.

Мощность и яркость этих источников в некоторых случаях достигает значительных величин (электрические дуги). Физические процессы, происходящие в плазме газосветных источников, похожи на процессы, имеющие место в плазме обычной электрической дуги. В первый момент зажигания используется обычный дуговой разряд. Раскаленный катод начинает испускать электроны, которые разгоняются вследствие приложенного напряжения и, сталкиваясь с атомами и молекулами газов, ионизируют их. Обычный дуговой разряд протекает в атмосфере тех или иных газов или паров металлов. В электрической дуге (обычный дуговой разряд) речь идет об «открытом дуговом разряде», в газосветных лампах мы имеем дело с «закрытым дуговым разрядом». Температура дуговой плазмы может достигать больших значений: для дуг с угольными электродами – около 3000°С, для металлических дуг – 5000 - 6000°С.

Газосветные лампы тлеющего разряда имеют малую яркость. Они используются для рекламы. Спектральный состав излучения определяется родом газа, наполняющего трубку. Типичным представителем газосветных трубок тлеющего разряда являются хорошо известные гейслеровские трубки, наполненные аргоном, неоном, водородом, ртутью, гелием и т.д. Включаются они обычно в цепь индукционной катушки.

Газосветные лампы с парами металлов - это лампы с горячими электродами, где используется катод либо с независимым подогревом, либо самокалящийся катод. Из электрода при его разогревании начинают выделяться, наряду с вторичными электронами, также и термоэлектроны. Среди источников рассматриваемого типа особый интерес представляют лампы, наполненные парами металлов: ртутью, натрием, таллием, кадмием, цинком, цезием и др. Для облегчения зажигания газового разряда в лампу обычно добавляется некоторое количество неона с аргоном. В качестве электродов используются металлические спирали, покрытые для увеличения термоэлектронной эмиссии окислом. Для поддержания постоянного давления паров металлов приняты меры для уменьшения тепловых потерь. Для этого внутренняя колба лампы, содержащая излучающую среду, заключена во вторую наружную колбу. Эти лампы имеют линейчатый спектр и применяются в измерительной технике для градуировки спектральных приборов. Например, ртутная лампа имеет яркую зеленую линию – 546,577 нм и линии в УФ – 366 и 313 нм, кадмиевая лампа богата линиями в видимой и УФ областях спектра, натриевая лампа дает дублет – две желтые линии – 589 нм и 589.6 нм, цезиевые лампы работают в ближней ИК области – 860 – 880 нм.

Из газосветных ламп интенсивного разряда особенное применение получили ртутные лампы. Световые характеристики ртутных ламп сильно зависят от давления паров ртути в баллоне лампы. По величине давления паров и характеру свечения ртутные лампы делятся на лампы низкого, высокого и сверхвысокого давления. С повышением давления паров ртути спектральные линии сильно расширяются, появляется непрерывный спектр, на фоне которого некоторые спектральные линии практически исчезают, растет интенсивность длинноволновой области спектра. Излучение ламп от зеленовато-голубоватого переходит к белому, что приближает излучение ртутных ламп к цветности дневного света.