книги из ГПНТБ / Козелкин В.В. Основы инфракрасной техники учебник

Г л а в а II. ИСТОЧНИКИ НЕКОГЕРЕНТНОГО ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

§ 2.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ИСТОЧНИКОВ ИК-ИЗЛУЧЕНИЯ

Как уже указывалось ранее в разд. 1.1, инфракрасное излу­ чение происходит при возбуждении атомов и молекул вещества. Это излучение у большинства источников испускается в виде спектра электромагнитных волн хаотически, колебания не свя­ заны между собой по частоте и по фазе. Такое излучение назы­ вается некогерентным, оно напоминает неупорядоченную работу многих радиостанций, создающих хаос в эфире.

Когерентное, или связанное, излучение (от латинского cohaerentia — сцепление, связь) представляет собой электромагнит­ ные волны одинаковой частоты, колебания в которых отличаются постоянной разностью фаз, не изменяющейся со временем.

Источники излучения в инфракрасной области спектра по физической природе излучения можно условно разделить на пять групп.

1. Источники температурного излучения, генерирующие инф­ ракрасное излучение при нагреве твердых тел или в результате сжигания какого-либо горючего вещества.

2.Электролюминесцентные источники излучения, генерирую­ щие инфракрасное излучение вследствие люминесценции, воз­ никающей при прохождении электрического тока через газ или пары металла. К электролюминесцентным источникам относятся различные газосветные лампы — цезиевая, ртутная, криптоно­ ксеноновая, импульсные лампы с инертным газом и т. д.

3.Источники смешанного излучения, в которых одновременно

происходят электролюминесценция и температурное излучение. К таким источникам относятся, например, ртутные лампы высо­ кого и сверхвысокого давления, электрические дуговые лампы.

4. Электромагнитные радиотехнические источники излучения, генерирующие инфракрасное излучение радиотехническими ме­ тодами и являющиеся излучателями в переходной области спект­ ра от инфракрасного до радиоизлучения. К подобным источни­ кам излучения относятся специальные радиоэлектронные генера­ торы, а также искровые генераторы, использующие принцип

вибратора Герца.

5. Квантовомеханические когерентные источники излучения, в которых используется способность атомов излучать кванты энер­ гии при переходе с высшего энергетического уровня на низший под действием стимулирующего излучения. Такие источники из­ лучения в видимой и инфракрасной областях спектра называют оптическими квантовыми генераторами (ОКГ), за рубежом по­ добные источники излучения называют лазерами.*

* От начальных букв английских слов — light amplification by stimulated emission of radiation — усиление света путем стимулированного излучения электромагнитных колебаний.

40

В отдельную группу могут быть выделены естественные, при­ родные, источники инфракрасного излучения, являющиеся в ос­ новном температурными источниками. К ним относятся Солнце, Луна, Земля, планеты и звезды, поверхность моря и суши, об­ лака и т. д.

Перейдем к рассмотрению некогерентных источников излуче­ ния инфракрасной области спектра (когерентные источники бу­ дут рассмотрены в гл. III).

§2.2. ИСТОЧНИКИ ТЕМПЕРАТУРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

1. Модели абсолютно черного тела

Абсолютно черных тел, как уже указывалось в § 1.3, в природе не существует. Однако можно выполнить различные модели, излучение которых с достаточной для практических це­ лей точностью приближается к излучению абсолютно черного тела. Такие модели абсолютно черного тела используют как стан­ дартные источники излучения. Они могут найти самое различное

Ри. 2.1. Схема трубчатой модели абсолютно чер­ ного тела:

/ —цилиндрическая оболочка; 2— диафрагма; «?—электро­ нагреватель; 4—теплоизоляция; 5—перегородки; б—тер­ мопара

применение, например, для градуировки приемников ИК-излуче- ния, определения чувствительности приборов ИК-техники, граду­ ировки приборов ИК-спектроскопии и т. д.

На практике в качестве моделей абсолютно черного тела ис­ пользуют различные печи, обеспечивающие достаточно равно­ мерный прогрев оболочки полости черного излучателя. Чаще всего применяют трубчатые печи с металлической или огнеупор­ ной керамической оболочкой, на наружной поверхности которой располагают обмотки для электрического обогрева полости. При­ мером трубчатой модели абсолютно черного тела может служить конструкция, показанная на рис. 2.1.

Диафрагмы в оболочке трубчатой модели абсолютно черного тела должны устанавливаться так, чтобы излучение тела исхо­ дило из зоны с наиболее однородной температурой и пучок лу­

41

чей, по которому измеряется излучение тела, на своем пути нигде не пересекал бы диафрагм.

Равномерность температуры излучающей оболочки можно до­ стичь в моделях абсолютно черных тел, выполненных по методу бани. Схемы таких моделей с горизонтальным н вертикальным расположением излучающего отверстия показаны на рис. 2.2.

Греющей средой в подобных моделях являются различные расплавленные соли пли металлы. Так, например, при помощи смеси расплавленных солей азот­ нокислого натрия и азотнокисло­ го калия можно выполнить мо­ дели абсолютно черного тела по методу бани для температур 300—600° С. Если необходимо по­ лучить более высокие темпера-

лютно черного тела со сфери­ ного тела с коническим или клиновид­ ческим излучателем: ным излучателем

2—с вертикально расположенным излучающим отверстием: б—с гори­ зонтально расположенным излуча­ ющим отверстием

туры, применяют расплавленные металлы. Излучающую обо­ лочку изготовляют из тугоплавкого металла, графита или огне­ упорного фарфора.

Приближенной моделью абсолютно черного тела может яв­ ляться коническая или клиновидная полость с полированными стенками (рис. 2.3). Здесь луч 1—7, испускаемый полостью, ха­ рактеризуется излучением не только участка 1, но и всеми точ­ ками, в которых этот луч последовательно отражается. Если лу­ чистость в точке 1 равна В {, то ее значение после первого отра­ жения будет равно (Si+ 5 iq), где q ■— коэффициент отражения поверхности;

после второго отражения

В = В1-\-(В1-\- BlQ) е = .Sj + Blq— jSjO2,

после п-то отражения

42

Если п стремится к бесконечности (условие абсолюно черно­

полости с малым выходным отверстием число отражений зави­ сит от соотношения между площадью этого отверстия и поверх­ ностью полости. Для конуса или клина число отражений зависит

Практически степень черноты излучателя будет ниже, так как формула (2.4) справедлива только для идеально полированной поверхности. Реальный же излучатель при длительном нагреве становится шероховатым и часть лучей в результате диффузного излучения может выходить из полости без предварительного от­ ражения от стенок в пределах угла Q (рис. 2.4).

Степень черноты полости при этом снижается и приближенно может быть подсчитана по формуле

Вблизи внешних краев полости степень черноты может быть значительно меньше единицы.

Простейший излучатель с клиновидной пластинкой, прибли­ зительно воспроизводящей излучение черного тела, показан на рис. 2.5. Пластинка из вольфрама, согнутая под малым углом (около 10°), нагревается электрическим током.

43

Вольфрамовые клиновидные излучатели используются также в лампах накаливания, имитирующих излучение абсолютно чер­ ного тела. При помещении излучателя в стеклянный баллон следует учитывать ослабление излучения при прохождении через окно.

Высокотемпературной моделью абсолютно черного тела могут служить металлические трубки с малым отверстием, нагреваемые

ных измерений. Модели абсолютно черного тела широко и с п о л ь ­

боров ПК-техннки.

Для того чтобы судить, насколько совершенна та пли иная

7

44

модель абсолютно черного тела, следует измерить спектральное распределение интенсивности излучения этой модели и затем сравнить его с расчетными данными, полученными по формуле Планка. Ориентировочную оценку степени черноты модели абсо­ лютно черного тела в узком спектральном участке можно полу­ чить, измерив яркостную или цветовую температуру модели [см. формулы (1.45) и (1.46)] и затем, сравнив ее с истинной темпе­ ратурой модели, абсолютно черного тела, измеренной с по­ мощью термопары.

2. Электрические лампы накаливания

Электрические лампы накаливания, широко используемые как источники света, могут служить также источником излучения в

80% от общего значения излучаемой энергии). На видимую об­ ласть спектра приходится только J — 12% лучистой энергии.

Максимум излучения вакуумной электрической лампы нака­ ливания при температуре вольфрамовой нити 7 = 2500 К нахо­ дится в области 7=1,15 мкм, а газополной лампы при темпера­ туре нити 7=2900 К — в области Хл: 1 мкм. Спектральное рас­ пределение плотности излучения осветительной лампы мощностью 500 Вт показано на рис. 2.7. Для каждой длины волны даются значения лучистой энергии (в микроваттах), из­ лучаемой в интервале длин волн от 7 до 7+50 А.

Электрические лампы накаливания являются простым и эф­ фективным источником инфракрасного излучения. Некоторым понижением температуры нити по сравнению с осветительными лампами (например, до 2200 К) можно сдвинуть спектральную характеристику в более длинноволновую часть спектра и умень­

45

шить долю видимого излучения. При необходимости оцеиитьизлучение имеющейся электрической лампы накаливания следует определить ее яркостную пли цветовую температуру оптическим пирометром (см. § 1.3 разд. 5).

Недостаток лампы накаливания как источника инфракрасно­

3. Штифтовая лампа Нернста

Штифтовая лампа Нернста или, как ее иногда называют, штифт Нернста, представляет собой цилиндрик пли трубку дли­ ной около 3 см и диаметром от 1 до 3 мм, изготовленную из ок­ сидно-керамической массы, представляющей собой смесь окислов циркония и иттрия. Цилиндрик имеет молочно-белый или желто­ ватый цвет. К концам цилиндрика присоединены платиновые

1 2 3 ч- 5 Б 7 8 ЭР1,ШМ

проволочки — электроды для подвода электрического напря­ жения.

В холодном состоянии штифт является изолятором; для того чтобы сделать его проводящим, штифт разогревают электриче­ ской спиральной или газовой горелкой. Штифт Нернста питается от постоянного или переменного напряжения 120—220 В (потреб­ ляемый ток — до I А, температура нагрева — до 2000 К). Схе­ ма включения штифтовой лампы Нернста приведена на рис. 2.8.

Так как в процессе нагрева сопротивление штифта меняется, температурный коэффициент сопротивления штифта — отрица­ тельный, питание его производится через бареттер. Штифт мо­ жет работать на воздухе, таким образом отпадает необходи­ мость в защитных стеклянных баллонах, ограничивающих про­ пускание инфракрасного излучения. Однако так как излучение

46

штифта зависит от температурных колебании, вызываемых дви­ жением воздуха, желательно, чтобы штифтовая лампа была за­ щищена кожухом или экраном.

Спектральное распределение излучения штифтовой лампы при температуре 1700 К показано на рис. 2.9. Селективность излуче­ ния зависит от состава и технологии изготовления штифта. Если необходимо более длинноволновое инфракрасное излучение, вме­ сто штифтовой лампы применяют снлнтовые излучатели, или глобары.

4. Силитовый излучатель (глобар)

Сплптовый излучатель, называемый сплитом, пли глобаром, представляет собой стержень из карбида кремния, нагреваемый

стержень слоем окиси тория, можно кратковременно поднять рабочую температуру до 2200 К.

Спектральное распределение излучения глобара при 1250 К дано на рис. 2.10.

Как штифтовая лампа Нернста, так и глобар применяются главным, образом в инфракрасной спектроскопии.

5. Темные излучатели и термоизлучатели

Для генерации излучения в невидимой области спектра при­ меняют излучатели с температурой порядка сотен градусов. Так как такие излучатели не излучают видимый свет, их называют темными. Темными излучателями могут быть металлические ленты, спирали и трубки, смонтированные в рефлекторах. Про­ мышленные темные излучатели выпускают двух типов.

Первый тип излучателя представляет собой металлическую трубку из жаропрочной хромоникелевой стали (степень черноты е«0,95). Трубка заполнена керамикой, внутри которой находит­ ся нагреватель (рис. 2.11). Рабочая температура излучающей поверхности трубки может быть от 700 до 1000 К. Средняя мощ­ ность излучения — около 1 кВт на 1 м длины трубки.

В излучателях второго типа источником радиации являются керамические трубки, внутри которых расположена нагреватель­

47

ная спираль. Удельная мощность излучения такого источника выше, чем у излучателей первого типа, однако эти источники боятся перегрева, в то время как излучатель первого типа при работе на открытом воздухе имеет практически неограниченный

срок службы.

Одни или несколько трубчатых темных излучателей обычно монтируют в рефлекторе из полированного алюминия.

Рис. 2.11. Темный трубчатым излучатель

Для инфракрасной сушки и фотографии выпускают специаль­ ные лампы накаливания — термоизлучатели. Наша промышлен­ ность выпускает лампы: ЗС-1, ЗС-2 и ЗС-З мощностью 250 и 500 Вт (рис. 2.12). Колба лампы параболоидной формы алюми­ нирована внутри, так что поток лучистой энергии одновременно концентрируется и отражается в нужном направлении. Лампа ЗС отдает около 50% всей излучаемой мощности в области длин

ной кварцевой колбы к основному излучению лампы добавляется часть энергии с длиной волны 7,>5 мкм.

48