Экспериментальные методы исследования плазмы. Часть 2.
Лекция 5. Эталоны и стандарты.
Спектроскопия линейчатого излучения.
И.А.Иванов - 2010
Эталоны и стандарты - 1
Определения физических единиц:
- 1 метр - это длина, равная расстоянию, проходимому светом за 1/с долю секунды в вакууме (действует с 1983 г.)
- 1 секунда – это время, за которое совершается 9 192 631 770 периодов излучения, возникающего при переходе между уровнями сверхтонкой структуры [F=4; mF=0] -> [F=3; mF=0] основного состояния 2S1/2 атома 133Cs, находящегося в покое при температуре 0 К в системе отсчёта, привязанной к вращающемуся геоиду (не возмущенного внешними полями).
- скорость света с = 299 792 458 м/с точно (по определению).
Проблема: эталон секунды определён для СВЧ диапазона !
Стандарты длин волн:
•Первичный стандарт (бывший эталон длины с 1960 по 1983 г.)
-переход 2p10-5d5 в атоме 86Kr с = 605.780210 нм
-капилляр Ø2-4 мм с 1 торр 86Kr при температуре жидкого азота
Эталоны и стандарты - 2
Стандарты длин волн: |
1 Å = 0.1 нм = 10-10 м |
•Вторичные стандарты (класс А)
-линии 86Kr, 198Hg, 114Cd
•Лабораторные источники: точность калибровки: достижима ~10-3 нм
-ртутная лампа
-линии железа в разряде с полым катодом
-лазеры (таблица ниже показывает 5 лазеров, входящих в состав эталона)
Стандарты интенсивности:
• Излучение абсолютно чёрного тела
Характеристики светового потока
|
|
|
|
|
Характеристики излучателей |
|
|
нормаль |
|
|
||||||||
• Светимость – мощность излучения с единицы площади |
|
dP0 |
|
|
|
|
d |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
R Вт |
dP0 |
|
r dR |
|
Вт |
|
- спектральная светимость |
ds |
|
|
|
|
||||||
r d |
|
|
|
|
||||||||||||||
|
2 |
|
|
|
d |
|
см |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
см |
|
|
ds |
0 |
|
|
Гц |
|
|
dP |
|
|
Вт |
|
|
|||
• Яркость – мощность излучения в единицу телесного угла |
B |
|
|
|||||||||||||||
cos ds d |
|
ср см |
2 |
|
||||||||||||||
|
|
|
|
с единицы площади |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
• Спектральная яркость |
b |
dB |
|
Вт |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
2 |
|
||||
|
|
d |
|
ср см |
|
Гц |
|
Характеристики излучения
• Интенсивность – поток излучения через единицу площади |
I |
|
Вт |
|
|
в единицу телесного угла |
|
|
|
|
|
ср см |
2 |
||||
|
|
|
|
• Плотность потока |
F I cos d |
|
|
Вт |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
см |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
• Спектральная плотность потока |
|
|
|
|
|
|
|
|
F |
|
dF |
|
Вт |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
d |
|
см |
2 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
1 |
|
Дж |
|
|
|
|
|
Гц |
||||||
• Плотность излучения |
|
I d |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
c |
|
см |
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
d |
|
Дж |
|
||||
• Спектральная плотность излучения |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
d |
см |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Гц |
|||
Светотехнические единицы
Ф( ) 680 K( ) F( ) d
[Лм] |
[Вт] |
•световой поток – люмен [Лм]
•освещённость – люкс [Лк]=[Лм/м2]
Кривая видности
555 нм
Излучение абсолютно чёрного тела
Формула Планка
h max 2.7 T [эВ]
|
4 |
|
|
5 |
|
4 |
|
Вт |
|
|
R T |
|
1.08 |
10 |
|
T |
|
|
|
|
, эВ |
|
|
|
см |
2 |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Яркость эталонного источника
BЭ ( ,T ) ( ,T ) b( ,T )
коэффициент черноты яркость абсолютно чёрного тела
Понятие яркостной температуры Тя
BЭ ( ,T ) b( ,TЯ )
яркостная температура указывается в паспорте лампы, точность ~10%
Солнце как абсолютно чёрное тело
•Формально поверхность Солнца излучает как абсолютно чёрное тело с T ≈ 6000 K
•До поверхности эта энергия доходит не полностью (аэрозоли и некоторые газы)
•На поверхности спектр освещения формируют также облака, небо, здания…
Тепловые источники
• Эталон силы света (см. рис.) – 1 кандела равна силе света чернотельного излучателя площадью 1/60 см2, находящегося при температуре затвердевания платины (устаревш.).
Типы источников
• полостной, ε ≈ 0.9÷0.99
< 10º
•лампы накаливания с ленточным излучателем
~0.2÷8 мкм, T – до 3000 К
•кратер угольной дуги, I ≤ Iшипения T ≈ Tсублимации ≈ 4000 К яркость соответствует 2045 К
Определение температуры источника излучения
•конструктивное решение: стабилизация температуры на фазовом переходе
•для вольфрама: использование оптического пирометра (метод сравнения), ±20 К
Газоразрядные источники
•Спектральные лампы (дуговые)
-инертный газ + металлы (Na, Zr, Cd, Tl, Hg…)
-газы или смесь газов (H, D, He, Ne, Ar, Xe…)
•Лампы низкого давления: спектральные линии
•Лампы высокого давления (больше 10 атм): широкие спектральные линии плюс континуум
•УФ диапазон: лампы низкого давления (0.1 атм) с разрядом в инертных газах, континуум
•Импульсные лампы: Xe, ~0.4 атм
Hg |
|
Ar |
|
|
|
|
|
Xe
