1.4. Тепловые источники излучения

1.4.1. Технические черные тела

В оптической метрологии и в практике оптико-физических исследований реализуются разнообразные модели АЧТ, называемые техническими черными телами, которые отличаются рабочими температурами, формой и размерами полости и отверстия, материалом, из которого выполнена полость, уровнем изотермичности внутренних стенок, характером их отражения (зеркальный или диффузный), способами подведения энергии для нагревания и стабилизации температуры и др. Представление о влиянии указанных факторов на такие важные параметры технического черного тела как коэффициент излучения и мощность излучения можно получить из имеющейся литературы [1.4].

Особый интерес могут представлять технические черные тела, отличающиеся тем или иным уникальным свойством, например:

• очень высокой температурой (до 3000 К) для решения задач оптической метрологии или очень низкой температурой ( от комнатной до азотной) для применения в спектроскопии отрицательных потоков излучения;

• очень большой апертурой (диаметром до 0,5 м), для исследования распространения излучения в атмосфере [1.5Буз] или очень малой апертурой (до 1 мм) для экспериментального исследования спектральной излучательной способности высокотемпературных материалов [1.6Вольфр];

• высоковакуумное (до 10^-6 мм рт. ст.) АЧТ в температурном интервале 240…320 К для испытания и калибровки приемников солнечного излучения в условиях верхних слоев атмосферы[1.7Фарап].

1.4.2. Лампы накаливания

Лампы накаливания (ЛН) являются первым (~ с 1890 г.) электрическим тепловым источником излучения с металлическим телом накала. Применение в качестве тела накала ЛН тугоплавких металлов (платины, иридия, молибдена, тантала, вольфрама) стало возможным благодаря изобретению высоковакуумного ртутного насоса и разработке технологии создания герметичных спаев стекла с металлом; это позволило предотвратить быстрое разрушение накаленного металлического тела накала из-за окисления и увеличить срок его службы.

К началу 20 в. исследования показали, что наилучшим материалом для тела накала является вольфрам: однако его состав, технология получения из него тонкой, прочной и однородной проволоки необходимого диаметра и спиральной формы оставались предметом исследований и инженерных разработок в течение еще трех десятилетий.

Для примера рассчитаем диаметр и длину прямолинейной вольфрамовой нити накала, работающей при температуре ≈2800 К в высоком вакууме и обеспечивающей мощность излучения ≈100 Вт при напряжении питания ≈220 В. Используем уравнение баланса подводимой и излучаемой мощности в виде , в котором Вт/см² - полусферическая интегральная излучательность вольфрама при К [1.7], - излучающая поверхность нити накала, - электрическое сопротивление нити накала при указанной температуре, выраженное через удельное сопротивление вольфрама Ом∙см [1.7], А - ток через тело накала при указанной температуре. Выразим диаметр нити формулой и, подставив в нее численные значения величин, получим см = мкм. Для расчета длины нити накала преобразуем уравнение баланса мощности, запишем длину нити накала в виде и, подставив численные значения соответствующих величин, получим длину нити накала см.

Легко видеть, что тело накала таких размеров непригодно на практике не только из-за большой длины, но и вследствие его малой жесткости, сложности крепления в баллоне, неизбежной деформации в накаленном состоянии, а также большой неравномерности температуры по его длине и малого срока службы из-за испарения вольфрама.

К тем основным процессам и решениям, которые в результате многолетних исследований и разработок большого числа ученых и инженеров позволили преодолеть указанные недостатки и придать лампам накаливания их современное состояние, можно отнести:

1. Использование тела накала в виде спирали (а в ЛН большой мощности – биспирали или даже триспирали) вместо прямолинейной вольфрамовой нити;

2. Расположение спирального тела накала в баллоне, наполненном инертным газом при давлении, близком к атмосферному, вместо высоковакуумного баллона;

3. Разработка и использование таких физико-химических процессов в баллоне ЛН, которые позволяют предотвратить осаждение испаряющихся атомов вольфрама на внутренней поверхности баллона (в галогенных ЛН).

Рассмотрим эти процессы последовательно.

Переход от прямолинейной нити накала к спирали преследовал цель, во-первых, уменьшить длину тела накала до приемлемых на практике значений, и, во-вторых, уменьшить скорость испарения вольфрама со спирального тела накала вследствие перехвата самой спиралью атомов вольфрама, испарившихся с внутренней поверхности ее витков. Экспериментально было доказано, что благодаря перехвату и последующему осаждению испарившихся атомов на самой спирали потеря массы спирального тела накала может снижаться до ~20 % по сравнению с прямолинейной накаленной нитью.

Расположение спирального тела накала в газонаполненном баллоне также направлено на снижение скорости испарения тела накала, но уже посредством уменьшения длины свободного пробега испаряющихся атомов при их движении в условиях многократных столкновений с атомами газа. Нагретое тело в газе теряет тепло в основном конвекцией и теплопроводностью. Применительно к спиральному телу накала роль этих видов теплопередачи изменяется вследствие образования в газе так называемого «застойного слоя» (И. Ленгмюр, 1912 г.). В застойном слое вблизи от поверхности накаленного тела молекулы (атомы) газа двигаются преимущественно хаотически. Поэтому конвекция в этом слое практической роли не играет и теплопередача от накаленного тела к холодным слоям газа должна определяться в основном теплопроводностью. Роль конвекции ограничивается теплоотводом от внешней границы застойного слоя.

Естественно, что помещение тела накала в газовую среду неизбежно должно вызывать дополнительный расход подводимой мощности на нагревание газа. В ЛН этот недостаток существенно ослабляется благодаря значительному сокращению (~ на порядок) длины спирали по сравнению с длиной нити и соответствующим этому сокращению пропорциональным снижением кондуктивных (т.е., теплопроводных) потерь мощности спиралью. Таким образом, наполнение баллона лампы газом при достаточно большом давлении позволяет реализовать малую среднюю длину свободного пробега испаряющихся атомов и заметно снизить скорость испарения вольфрама.

Для расчетной оценки потерь мощности телом накала используют следующие экспериментальные закономерности:

• потери мощности через газ пропорциональны длине нити или длине спирали;

• потери мощности телом накала через застойный слой слабо (по логарифмическому закону) зависят от диаметра нити или диаметра спирали благодаря тому, что сама толщина застойного слоя в свою очередь слабо зависит от указанных размеров;

• поскольку при правильно выбранном шаге навивки спирали застойные слои, образованные вокруг отдельных ее витков, как правило, перекрываются, то при расчете потерь мощности прямую спираль можно рассматривать как цилиндр с общим застойным слоем;

• мощность тепловых кондуктивных потерь тела накала на нагрев газа изменяется пропорционально коэффициенту теплопроводности газа и для типичных инертных газов-наполнителей (например, при температуре тела накала 2500 К) характеризуется по отношению к азоту значениями [1.7], приведенными в табл. 1.1:

• при повышении температуры тела накала излучательность растет быстрее, чем потери мощности на нагрев газа.

Таблица 1.1

ГГаз-наполнитель	N2	Ar	Ar+0,16 N2	Kr	Xe
Потери мощности, отн. ед.	1,0	0,57	0,63	0,3	0,2
Напряжение зажигания разряда, В	700	130	400	130	-

В завершение укажем, что в широкой практике при разработке газонаполненных ЛН принято руководствоваться положением о том, что наполнение ЛН газом целесообразно в тех случаях, когда газовое наполнение позволяет повысить температуру тела накала при условиях снижения скорости испарения вольфрама, увеличения светоотдачи и по крайней мере сохранения неизменным срока службы лампы.

Важным этапом развития ЛН является разработка, исследование и использование (~ с 1958 г.) ЛН с вольфрам-галогенным циклом (ВГЦ), под которым понимается комплекс физико-химических процессов в баллоне лампы, в результате которых атомы вольфрама и его окислы WO, WO₂, WO₃, испарившиеся с раскаленного тела накала и оседающие на менее нагретых поверхностях лампы (главным образом, на внутренней поверхности баллона), переносятся посредством атомов галогенов (в общем случае J, Br, Cl, F) в область более высоких температур (возможно, что частью и на тело накала).

Первоначально осуществление W-J цикла преследовало две цели:

• предотвращение затемнения баллона испарившимися атомами W, WO, WO₂, WO₃;

• возвращение атомов вольфрама на тело накала, т.е его регенерацию.

В настоящее время признано, что первая из них успешно достигнута, а вторая – практически нет.

Вольфрам-галогенный цикл в общем виде представляется реакциями вида , в которых Н – атом галогена, - галогенид, стрелка вправо указывает реакцию в области низких температур (вблизи от стенки баллона), стрелка влево – реакцию в области высоких температур (вблизи от тела накала).

Приведенное уравнение ВГЦ не раскрывает всей совокупности процессов в галогенной лампе накаливания (ГЛН), в упрощенном изложении которой обычно указывают два важнейших процесса в ГЛН и температурные интервалы их протекания:

• образование летучих галогенидов вида вблизи или на внутренней поверхности кварцевого баллона при температурах стенки в интервале 500 - 1400 К и их диффузию в область больших температур вблизи или на самом теле накала при температурах 2900 - 3100 К;

• диссоциация летучих галогенидов в высокотемпературной области на атомарный вольфрам и галоген вблизи или на самом теле накала при температурах 2900 - 3100 К и диффузию атомов галогенов в низкотемпературную область вблизи стенки баллона.

В соответствии с изложенным укажем следующие особенности ГЛН по сравнению обычными ЛН:

• очевидные конструктивные различия ГЛН в сравнении с обычными ЛН – это отсутствие привычного резьбового цоколя, трубчатая форма баллона, малые габариты (особенно у низковольтных ламп), малое расстояние от тела накала до стенки баллона;

• малое расстояние от тела накала до стенки баллона, вызванное необходимостью иметь высокую температуру стенки (обеспечивающей реакцию синтеза летучих галогенидов), в свою очередь требует применять в качестве материала баллона кварцевое стекло (температура размягчения ~ 1550 К) вместо обычных стекол, температура размягчения которых ~ 750…950 К;

• вакуумно-плотные электрические вводы в кварцевый баллон, как правило, в виде ленточных (фольговых) вводов из таких металлов как платина, тантал, вольфрам, а чаще других молибден. Спаи этих металлов с плавленым кварцем вследствие большого различия их температурных коэффициентов линейного расширения (ТКР) являются несогласованными (например, ТКР плавленого кварца ~ К^-1, а ТКР молибдена ~ К^-1). Из-за высокой объемной плотности подводимой и преобразуемой мощности для ГЛН характерны высокие температуры баллона, места спаев (ножки) и металлических вводов; высокая температура вызывает большие термические напряжения, увеличивает скорость окисления в воздухе наружной части ввода и повышает вероятность выхода ввода из строя вследствие образования трещин, обрыва ленточного ввода или его перегорания. Из-за высокой температуры баллона ГЛН при работе прикасаться к нему опасно! Заметим здесь, что напряженный температурный режим электрических вводов является одной их основных причин, ограничивающих срок службы галогенных ламп.

• полагая, что в качестве материала тела накала в ГЛН (как и в обычных ЛН) служит вольфрам марки ВА (~0,5 % Al), приведем его свойства в интервале температур 2800…3200 К [1.8]. Как видно из табл. 1.2, при переходе от температуры ~2800 К в обычной ЛН к температуре ~3200 К в ГЛН обнаруживается существенное преимущество галогенной лампы сравнительно с обычной: излучательность возрастает в 1,8 раза, светоотдача – в 1,7 раза, но наряду с этим появляется и значительный недостаток – скорость испарения W в высоком вакууме увеличивается более, чем в 100 раз.

Таблица 1.2

Истинная температура, К	Яркостная темпе-ратура (665 нм), К	Излучательность вольфрама, Вт/см2	Светоотдача, лм/Вт	Скорость испарения в вакууме, 10 -9 г/см2с
2800	2516	112,5	20,5	63,4
3000	2673	154.5	27,2	710
3200	2827	203,0	34,7	6670

В связи с этим обратим внимание на то, что в ГЛН имеется и другая особенность работы тела накала – высокое давление наполняющего газа, которое при работе может достигать 1 МПа и более (~ 10 атм). Оценка, проведенная в предположении существования в этих условиях равновесия испаряющихся атомов вольфрама и атомов газа-наполнителя (например, «технического аргона» (смесь 86 % Ar +14 % N₂)), показывает, что при таком давлении средняя длина свободного пробега атомов должна составлять ~10^-6см, при котором пересчет скорости испарения вольфрама по отношению к атмосферному давлению (~ 10⁵ Па) [1.8] дает снижение скорости испарения ~ в 150 раз. Обратившись к данным табл. 1.2 убедимся в том, что в результате скорость испарения вольфрама при большом давлении газовой среды и большой температуре по крайней мере не возрастает.

• воспользуемся данными табл. 1.1 и рассмотрим факторы, определяющие выбор газа-наполнителя ГЛН: как видно, азот, будучи самым дешевым по сравнению с другими газами и имея самый высокий потенциал зажигания самостоятельного разряда между концами тела накала, однако характеризуется большими потерями мощности телом накала; широкому применению криптона и ксенона, обеспечивающих существенно меньшие потери мощности, мешает их большая стоимость; использование чистого аргона невозможно из-за малого потенциала зажигания разряда (130 В), поэтому в широкой практике применяют так называемый «технический аргон» - смесь (по объему) 0,86 Ar+0,14 N₂ , который удовлетворителен как по потерям мощности и потенциалу зажигания, так и по стоимости.

• для иллюстрации некоторых особенностей обычных ЛН и ГЛН сравним их энергетические и габаритные параметры (табл. 1.3) при одинаковой электрической мощности [1.7], [1.8]:

Таблица 1.3

Тип лампы	Напряжение, В	Мощность, Вт	Габариты		Средн. продолж. горен, ч
			Диаметр баллона, мм	Длина лампы, мм
Б220-100 [1.7]	220	100	66	129	1000
КГМ12-100 [1.8]	12	100	12	45	300