50

Министерство образования Республики Беларусь

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное учреждение высшего

профессионального образования

БЕЛОРУССКО-РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра “Физические методы контроля”

Источники и приемники излучениЙ

Методические указания для самостоятельной работы

студентов по специальности 1-54 01 02

«методы и приборы контроля качества

и диагностики состояния объектов»

часть1

Могилев 2005

УДК 535.2

ББК 34.9

авт. знак

И89

Рекомендовано к опубликованию

учебно-методическим управлением

ГУПВО «Белорусско-Российский университет»

Одобрено кафедрой «Физические методы контроля «_09_»_06_ 2005 г., протокол №_9_

Составитель д. ф.-м. н., доцент Борисов В.И.

Рецензент к. т. н., доцент Н.П.Бусел

В указаниях приведены основные параметры и характеристики, описывающие источники и приемники излучения, применяемые в оптическом неразрушающем контроле. Приведены основные способы расчета энергетических характеристик оптических приборов.

Учебное издание

Источники и приемники излучений

Ответственный за выпуск С.С.Сергеев

Технический редактор А.А.Подошевко

Компьютерная верстка Н.П.Полевничая

Подписано в печать . Формат 60х84/16. Бумага офсетная. Гарнитура Таймс.

Печать трафаретная. Усл. печ. л. . Уч.-изд. л. . Тираж 90 экз. Заказ № .

Издатель и полиграфическое исполнение:

Государственное учреждение высшего профессионального образования

«Белорусско-Российский университет»

Ли № 02330/375 от 29.06.2004 г

212005, Г.Могилев, пр-т Мира, 43

 ГУ ВПО «Белорусско-Российский университет», 2005

Содержание

Введение…………………………………………..………………………...4

1 Фотометрические единицы…………………………………….………..5

2 Источники оптического излучения………….…………………….……10

2.1 Лампы накаливания……………………………………………….……10

2.2 Газоразрядные лампы…………………...……………………….…….13

2.3 Лазерные источники света………………..…………………………..17

2.4 Светодиоды…………………………………………………………….22

2.5 Пространственные характеристики источников излучения………...23

3 Классификация. Основные параметры и характеристики

приемников излучения (фотоприемников)…………....………………………….26

3.1 Физические принципы работы приемников излучения……………..26

3.2 Параметры приемников излучения……………………………………28

3.3 Характеристики приемников излучения……………………………...32

4 спектральное согласование источников и фотоприемников………….34

5 Пересчет параметров фотоприемников………..………………………..35

6 приемники излучения на основе внешнего фотоэффекта……..……...38

6.1 Принцип действия и устройство вакуумных фотоэлементов…...…..38

4.2 Фотоэлектронные умножители……………………………………….41

Список литературы.………………………………………………………..47

Введение

Создание высококачественной технической продукции, во многом, определяется применением неразрушающего контроля изготовленных изделий, так и параметров технологических процессов их изготовления. На современном этапе промышленного производства такой контроль невозможен без применения оптико-электронных приборов, использующих электромагнитное излучение ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областей оптического диапазона.

Дисциплина «Источники и приемники излучений» предполагает обучить студентов теоретическим основам физических явлений, на которых основано построение различных приемников и источников излучений, применяемых в неразрушающем контроле, контроле окружающей среды и технической диагностике; принципам расчета характеристик преобразователей физических полей.

В результате изучения дисциплины студенты должны знать принцип действия, основные характеристики и типовые конструкции источников и приемников излучений, а также стандартные методы измерения их параметров. Уметь рассчитывать и измерять характеристики источников и приемников физических излучений, иметь представление о перспективах развития методов и средств излучения и приема источников физических полей, используемых в приборах неразрушающего контроля материалов и изделий, контроля окружающей среды и технической диагностики.

1 Фотометрические единицы

Фотометрические приборы служат для исследования и измерения энергетических параметров потоков излучения как сложного спектрального состава, так и монохроматических. Задачи, решаемые с помощью этих приборов, сводятся к измерению энергии, приносимой волной оптического диапазона или к измерению фотометрических величин, связанных с этой энергетической характеристикой.

Оптическим диапазоном называют спектральную область 10 нм – 1мм, а оптическим излучением – электромагнитное излучение с длинами волн, расположенными в оптическом диапазоне. Оптическое излучение по длинам волн подразделяется на три поддиапазона: ультрафиолетовое (10нм-380нм), видимое (380нм – 780нм), инфракрасное (780нм – 1мм).

Светом называют излучение, оцениваемое по реакции человеческого глаза или какого-нибудь прибора с той же спектральной чувствительностью, что и у глаза.

Система фотометрических величин обеспечивает возможность числовой характеристики параметров излучения в оптическом диапазоне. Эта система, охватывающая величины и единицы, выработанные применительно к регистрации видимого излучения с помощью человеческого глаза, получила название системы световых фотометрических единиц. (Эти единицы при написании снабжаются индексом v (visual) или индекс не пишется). Величины и единицы, выработанные для энергетических измерений с помощью объективных (физических) фотоприемников, называются энергетическими фотометрическими единицами (при написании снабжаются индексом e (energetic)).

В качестве основной единицы, к которой привязывают энергетические и световые единицы, является единица мощности - ватт (Вт).

Поток излучения () – средняя мощность, переносимая оптическим излучением за время, значительно большее периода электромагнитных колебаний. Поток излучения измеряется в ваттах. Это основная величина, необходимая для оценки количества энергии, проникающей в наши приборы.

В световых фотометрических единицах потоку излучения соответствует световой поток.

Световой поток () оценивает мощность светового излучения в световых единицах. Он измеряется в люменах (лм).

Поток излучения и световой поток характеризуются распределением во времени, по спектру и по пространству.

По спектральному составу потоки излучения и световые потоки бывают монохроматическими (линейчатыми), полосатыми и со сплошным (непрерывным) спектром. К примеру, на рисунке 1 приведено графическое изображение таких потоков излучения и световых потоков.

Линейчатый спектр характерен для излучения одноатомных газов, газовых и твердотельных лазеров. Полосатые потоки характерны для излучения молекул, паросветных ламп высокого давления, полупроводниковых лазеров и лазеров на красителях. Поток излучения и световой поток с непрерывным спектром характерен для излучения нагретых тел.

а – линейчатый поток излучения и световой поток;

б – полосатый поток излучения и световой поток;

в – поток излучения и световой поток с непрерывным спектром

Рисунок 1 – Графическое изображение потоков излучения и световых потоков

Полные потоки для монохроматического излучения равны сумме потоков для каждой длины волны соответственно

,. (1)

Полный поток излучения и световой поток равны сумме потоков для каждой полосы соответственно

,. (2)

Поток со сплошным спектром можно представить в виде отдельных монохроматических потоков, примыкающих непосредственно друг к другу.

, (3)

Величины (формула (3)) называют спектральной плотностью потока излучения и спектральной плотностью светового потока соответственно.

Единицей измерения спектральной плотности потока излучения и светового потока в системе СИ будет ,и,соответственно, но для удобства, пользуются внесистемными единицами,и,, так как длина волны оптического излучения сравнима с микрометром.

Зная спектральную плотность потока излучения и спектральную плотность светового потока, можно определить значение соответствующих потоков в заданном интервале длин волн

, . (4)

если необходимо определить полный поток излучения и световой поток, то интегрирование необходимо провести по всему диапазону длин волн от нуля до бесконечности.

При расчете потоков излучения или световых потоков от источников с различной мощностью, но с одинаковым спектральным составом удобно использовать распределение по длинам волн потока излучения в относительных единицах, когда спектральная плотность потока излучения или светового потока нормируется на максимальное значение

. (5)

Зная спектральную плотность потока излучения и полный поток излучения (мощность) источника с непрерывным спектром, можно определить поток излучения и световой поток соответственно в заданном спектральном диапазоне следующим образом:

(6)

Так как аналитическое выражение для спектральной плотности потока излучения в большинстве случаев неизвестно, а это распределение задается в виде графиков или таблиц, то расчеты интегралов в выражениях (9)…(15) можно проводить графическим интегрированием, суть которого заключается в том, что вся спектральная область разбивается на полоски шириной (рис.2). Тогда интеграл можно заменить суммой:

, (7)

где– значение спектральной плотности потока излучения на разных полосках.

Для уменьшения погрешности расчета интеграла это значение лучше всего выбирать посредине полоски.

Рисунок 2 – Схема графического расчета интеграла

Таким же графическим способом можно считать любые интегралы от функций, заданных графическим способом.

Световые фотометрические единицы связаны с особенностью человеческого глаза, как приемника лучистой энергии, так как при наблюдении глазом интерес представляет не просто восприятие энергии, а световое ощущение энергии. Поэтому световой поток является эффективным потоком излучения.

Чувствительность глаза к излучению различной длины волны можно характеризовать спектральной характеристикой чувствительности . Абсциссами этой кривой служат длины волн, а ординатами –.представляют собой чувствительности к монохроматическому свету, т.е. величины обратно пропорциональные мощностям монохроматического излучения, дающим одинаковые зрительные ощущения. Обычно принято рассматривать спектральную чувствительность человеческого глаза в относительных единицах. Она получается путем нормирования на максимальное значение

, (8)

где – максимальная спектральная чувствительность глаза.

Эта спектральная чувствительность человеческого глаза в относительных единицах называется кривой видности.

Наряду со стандартным фотометрическим наблюдателем в качестве фотоприемника может использоваться фотоэлемент, спектральная чувствительность которого с помощью светофильтров приведена по форме к кривой видности. Такая эквивалентная замена глаза физическим приемником позволяет непосредственно измерять световые потоки по величине силы тока фотоприемника.

В таблице А.1 приведены значения функции видности для разных длин волн света.

Для практических расчетов важно установить соотношение между единицей светового потока люменом и единицей потока излучения ваттом. По многочисленным измерениям установлено, что максимальная чувствительность усредненного человеческого глаза

. (9)

Эта величина показывает, что монохроматическое излучение с длиной волны 555 нм и мощностью 1 Вт создает световой поток 683 лм.

Величина, обратная , называетсямеханическим эквивалентом света , который равен 0,00146 Вт/лм.

Из этого следует, что поток излучения и световой поток связаны между собой кривой видности. Очевидно, что для монохроматического излучения между спектральной плотностью светового потока и спектральной плотностью потока излучения справедливо следующее выражение:

. (10)

тогда полный световой поток источника с непрерывным спектром будет равен:

. (11)

Здесь пределы интеграла выбираются от 0,38 до 0,78 мкм, так как значения функции видности для длин волн, больших 0,78 мкм и меньших 0,38 мкм, равны нулю. Но можно формально писать этот интеграл в пределах от нуля до бесконечности, так как все слагаемые в интеграле в области длин волн, где функция видности равна нулю, также будут равны нулю.

Если функция видности и распределение спектрального потока излучения заданы в виде графиков, то можно проводить вычисления интегралов (11) графическим методом, проводя разбиение этих кривых на полоски шириной .

В случае, когда спектральная плотность потока излучения задана в относительных единицах и известна мощность источника (полный поток излучения), световой поток в определенном диапазоне длин волн можно определить по следующей формуле:

(12)

Распределение потока излучения и светового потока по телесным (пространственным) углам характеризуется силой излучения , и силой света , кд соответственно. Здесь – телесный угол, измеряемый в стерадианах (ср). Сила излучения измеряется в ваттах на стерадиан, сила света – в канделах (кд).Кандела – основная световая единица в системе СИ.

Распределение потока излучения и светового потока по освещаемой площадке определяется энергетической освещенностью , и освещенностью , лк соответственно. (1 лк = 1 ).

Распределение потока излучения и светового потока по поверхности источника определяется энергетической светимостью , и светимостью , соответственно.

Энергетическая яркость

,

определяет распределение силы излучения в определенном направлении, определяемом углом  с площадки площадью . Аналогично определяетсяяркость

, .

Для импульсных источников имеет значение энергия от источника, падающая на освещаемую поверхность, определяемая энергетической экспозицией , и световой экспозицией , лк·с соответственно.