Курсовая работа: Джерела випромінювання в оптичній спектроскопії

Найбільш практичного значення мають штучні джерела випромінювання, які можна розділити на технічні та зразкові (модель чорного тіла, порожнисті випромінювачі, імітатори випромінювання). До основних технічних джерел відносяться теплові (температурні), люмінесцентні, змішуваного випромінювання світлодіоди і лазери.

1.1 Природні джерела випромінювання, теплове випромінювання нагрітих тіл

Природне випромінювання може бути прямим і відбивним. Практично всю візуальну інформацію про навколишній світ ми отримуємо за рахунок відбивного випромінювання від об’єктів, що нас оточують.

Під тепловим випромінюванням розуміють випромінювання, яке виникає внаслідок теплового збудження атомів і молекул. Воно випромінюється всіма тілами при температурах, відмінних від абсолютного нуля, і характеризується температурою тіла. Теплове випромінювання твердих і рідких тіл має неперервний спектр.

1. Штифт Нернста

Штифт Нернста виготовляють у вигляді циліндра діаметром від 1 до 3 мм і довжиною до 30 мм з оксидно-керамічної маси, що складається з оксидів цирконію і ітрію. До кінців циліндра припаюють електроди з платинових дротів. Штифт нагрівається при проходженні через нього струмом. Оскільки штифт Нернста в холодному стані є діелектриком, то його попередньо розігрівають за допомогою спеціальної спіралі. Штифт споживає струм до 1 А при напрузі живлення 130-220 В.

Для зменшення втрат штифт, як правило, поміщають в кожух, в якому монтується вікно з матеріалу, прозорого для заданої області випромінювання. Температура нагріву штифта досягає 2000 К.

Штифт Нернста є чудовим джерелом для досліджень і дослідів в області інфрачервоних променів до 15 мкм. Для нього характерні: стабільність роботи, відсутність продуктів згоряння, здатних псувати апаратуру, простота використання та інтенсивне випромінювання у розглянутій області. Штифт Нернста, як відомо, являє собою тонкий стрижень з різних металевих оксидів, розжарюваним за допомогою електричного струму. Використовуючи для живлення штифта акумулятори, можна досягти чудового постійного випромінювання. До складу стрижня входять оксиди, що володіють значним виборчим інфрачервоним випромінюванням, наприклад окису церію, торію, цирконію та ін.

На (рис. 1.1).зображені криві випромінювання для одного і того ж тіла розжарення при різних споживаних потужностях.

Рис. 1.1 Випромінювання лампи Нернста

Споживана потужність (Вт): 1 - 2; 2 - 3; 3 - 4,2; 4 - 6,2; 5 - 7,1; 6 - 10,6; 7 - 19,6; 8 – 102;

На малюнку праворуч видно, що при потужностях, відповідних нормальному режиму роботи лампи, при 2 мкм має місце різко виборче випромінювання, а другий максимум при 6 мкм, що був раніше зникає. Очевидно, що зі збільшенням потужності інтенсивність смуг 1,5–2 мкм зростає швидше, ніж інтенсивність смуги 6 мкм. У разі ще більш значного споживання енергії максимум при 6 мкм майже зовсім зникає.

Ця обставина пояснює, чому застосування штифта Нернста має сенс практично тільки для отримання випромінювань з довжиною хвилі не більшою 14–15 мкм.

2. Лампи розжарювання

Електричною лампою розжарювання (рис. 2) називається джерело випромінювання, яке одержують у результаті теплового випромінювання твердого тіла, нагрітого до високої температури, через яке пропускають електричний струм, при цьому тверде тіло поміщено в скляний балон, заповнений газом. Дані лампи широко застосовують як джерела випромінювання в ближній ІЧ-області. Лампи розжарювання - теплове джерело світла, спектр якого відрізняється від денного світла переважанням жовтого та червоного випромінювання і повною відсутністю ультрафіолету.

Застосовуються такі лампи, як правило, в побутовому і декоративному освітленні, а також там, де до висвітлення не пред'являють особливих вимог, а споживання та термін служби ламп не є визначальними факторами.

Рис. 1.2. Лампа розжарювання.

На думку більшості експертів, лампи розжарювання застаріли і є "вчорашнім днем". Коефіцієнт корисної дії в них становить лише 6-8%, і вони більшою мірою нагрівають, ніж висвітлюють (дають 95% тепла і лише 5% - світла). До того ж, такі лампи мають короткий термін служби (не більше 1000 годин) і малу світловіддачу, тобто світловий потік, який припадає на одиницю потужності (7-17 лм / Вт).

3. Галогенні лампи

Галогенна лампа розжарювання (рис. 1.3) являє собою лампу, в колбу якої вводиться невелика кількість галогену, зазвичай йоду або брому. Розпилена нитка вольфраму з'єднується з галогеном, в результаті чого утворюється газоподібна речовина - галогенід вольфраму. Ця реакція приєднання відбувається при температурі 573 K, близької до температури колби. При температурі, близької до температури нагрітої нитки лампи, галогенід вольфраму розпадається на галоген і відновлений вольфрам, який частково осідає на спіралі. Таке повернення розпиленого вольфраму на спіраль лампи усуває його напилювання на стінки колби і подовжує термін служби лампи.

Рис. 1.3. Галогенні лампи

Лампи розжарювання з галогенним циклом мають термін служби в два-три рази більший, ніж звичайні лампи, а при однаковому терміну служби мають більш високу світлову віддачу і менші розміри тіла розжарювання. Температуру нитки можна довести до 3400 K.

В даний час створені і газорозрядні лампи з галогенним циклом, де використання останнього дозволило поряд зі збільшенням світловіддачі лампи значно поліпшити спектральну характеристику випромінюваного світла. Досліджується можливість застосування фтору, що дозволить наблизити температуру спіралі до температури плавлення вольфраму і збільшити світлову віддачу на 50%. Широко використовуються також галогенні лампи зі скляним відбивачем і кольоровим захисним склом. Кольорове скло додає світловому пучку певний відтінок. Призначені для декоративного освітлення. Галогенні лампи з параболічним скляним відбивачем, покритим металевим алюмінієвим шаром, призначені для створення світлових акцентів. Злегка рифлена поверхня переднього скла добре підкреслює ефект "іскристого" світла і захищає пальник від забруднення і пилу, а також від зіткнення з руками людини. Застосовується в акцентному освітленні, у висвітленні суспільних і житлових приміщень, вуличного підсвічування (при використанні на вулиці лампа повинна бути захищена від попадання вологи).

Галогенні лампи з подвійною колбою (рис. 1.4) працюють від напруги, мають різьбовий цоколь. Лампи характеризуються стабільною світловіддачею і відмінною передачею кольору. Лампи можуть працювати з регулятором яскравості. Застосовуються для освітлення житлових і громадських приміщень.