Оптические спектральные приборы - Скоков И.В.
Скачать (прямая ссылка):
Тепло&ые излучатели* Под тепловым излучением понимается электромагнитное излучение, испускаемое телом, вещество которого находится в состояний термодинамического равновесия н характеризуется определенной температурой. Качественными xapaKtepn* стиками излучения нагретых тел являются спектральная плотнбсть энергетической светимости или спектральная плотность излучатель-ности т. е. количество энергии определенной длины волны, излучаемое с единицы поверхности тела в единицу времени при температуре 7\ и спектральная поглощательная способность аь т, е. величина, показывающая, какая часть упавшего на поверхность тела монохроматического потока поглощается им при температуре тела Т.
Соотношение величин н ау устанавливается законом Кирхгофа, согласно которому отношение спектральной излучательной способности тела И его спектральной поглощательной способности ак при определенной температуре и длине волны в заданном
45
v|i' "I'TT!!'!!'!!1'|ii
H Г|Г|!! 'jlT! Г ’I!!П| 'I 11 Ц1П l| |!Щ1 |"l
направлении для выбранной точки тела есть величина постоянная и не зависящая от природы тела:
м
Xi
М,
М
п
а
Xi
а,
а.
const.
vn
М
м
к
а
а¦
ак
'ЧТ
п
Излучение ЧТ описывается следующими законами.
Закон Стефана—Больцмана определяет энергетическую светимость (излучательность) ЧТ как величину, пропорциональную четвертой степени температуры, т. е.
Ме = аТ4,
где а = 5,67-10~8 Вт/(м2-К4) — постоянная Стефаиа—Больцмана.
Закон Планка описывает спектральное распределение поверхностной плотности потока излучения непрерывной от 0 до оо функцией вида
Мх = сД-
ехр
С-2
( IT
1
где Ci и с2 — постоянные величины.
Закон Вина устанавливает связь между температурой излучателя в градусах Кельвина и длиной волны Ягаах в микрометрах, соответствующей максимальному значению спектральной интенсивности поверхностной плотности излучения, в виде Я,,„ах = 2898/Т.
Подавляющее большинство тепловых излучателей имеют а% < 1, т. е. они являются нечерными. Различают тела с серым и селективным излучением.
Для серого излучателя спектральная характеристика излучения подобна спектральной характеристике ЧТ с той же температурой, но интенсивость излучения для каждой длины волны всегда меньше, чем у ЧТ.
Селективные излучатели излучают энергию в определенных узких участках или полосах спектра. Их коэффициент излучения зависит не только от температуры, но и от длины волны.
Для серого излучателя
оо
Ме =— J Ме,
О
для селективного излучателя
оо
\ме%
о
где <?т и e,?tk — коэффициенты теплового излучения серого и селективного излучателей.
46
При а= 1 тело называется полным излучателем или черным телом (ЧТ). Для такого излучателя
мх
= Мк
*ЛШНЩШ7ПТП7ПТПТПТЩШТШТТ1П Л1ЛI ц IUI
'iliili
Реальные тепловые излучатели в сравнительно узких спектральных диапазонах можно рассматривать как черные излучатели или излучатели, имеющие определенную температуру и некоторый коэффициент излучения. Эта температура, называемая цветовой Тц, соответствует температуре такого ЧТ, у которого относительное спектральное распределение излучения в видимой части спектра подобно спектральному распределению данного реального излучателя. Для всех металлов цветовая температура Тп больше истинной
температуры тела Т.
Черное тело удобно использовать для энергетических измерений в спектре, однако на практике удается создавать лишь приближенные модели ЧТ. Простейшей моделью ЧТ является замкнутая полость, внутренняя поверхность которой имеет высокий коэффициент поглощения. В полости есть отверстие, малое по сравнению с ее линейными размерами. Внутренняя поверхность источника .может не только поглощать падающую внутрь энергию, но при нагреве и излучать ее подобно ЧТ. На практике из тепловых излучателей наибольшее распространение получили электрические лампы накаливания с вольфрамовыми телами накала. Лампы накаливания, используемые для количественных исследований по распределению энергии в спектре, специально градуируются — определяется их
цветовая температура.
Энергетическая яркость ламп ограничивается рабочей температурой вольфрамового тела накала (до 3000 °С). Рабочая температура ламп, предназначенных для фотометрических измерений, не превышает 1600 °С. Вольфрамовые лампы удобны, надежны, просты в эксплуатации. Обычно применяются лампы небольшой мощности с телом накала, размер которого обеспечивает заполнение щели сектральнош прибора. Недостаток вольфрамовых ламп — уменьшение яркости со временем под влиянием испаряющегося вольфрама. Лампы накаливания с йодным наполнением свободны от этого недостатка.
За счет высокого давления в колбе уменьшается скорость испарения вольфрама, увеличивается температура тела накала и повышается светоотдача (отношение светового потока ко всей потребляемой источником мощности). При этом йодное наполнение фактически не изменяет спектрального состава излучения, а повышенная яркость и стабильность излучения в течение всего срока службы позволяют применять эти лампы в качестве надежных эталонных излучателей. В спектральных приборах используются лампы накаливания с йодным заполнением типа ЛНИ-2, ЛНИ-8, КИМ9-75, КИМ 10-90, КИМ12-100-2 [3, 8].
