Файл: Козелкин В.В. Основы инфракрасной техники учебник.pdf

парах ртути концентрируется между концами электродов, а яр­ кость разрядного промежутка достигает очень больших вели­

чин.

Наша промышленность выпускает ртутно-кварцевые лампы сверхвысокого давления ДРШ-100, ДРШ-250, ДРШ-500 н

Рис. 2.14. Ртутно-кварцевая лампа сверхвысоко­ го давления ДРШ

ДРШ-1000 (Д — вид разряда, дуговой; Р — наполнение лампы ртутью, Ш — шаровая, число — мощность лампы в ваттах). Эти лампы рассчитаны па включение в сеть переменного тока последовательно с соответствующим балластным споротивленнем (дросселем). Для возникновения разряда боковой электрод лампы кратковременно присоединяется к выводному контакту высокочастотного индуктора.

Спектр излучения ртутной лампы ДРШ-250 показан на рис. 2.15.

Г а з о с в е т н ы е д у г о в ы е л а м п ы с в е р х в ы с о к о г о

лению к излучению абсо­ лютно черного тела при температуре 5200—5700 К. В инфракрас­

ной части спектра наблюдаются отдельные резко выступающие линии (максимумы излучения), которые перемещаются в длин­ новолновую область спектра по мере увеличения атомного веса газа. Так, например, максимумы длинноволнового излучения равны:

51

для аргона Х — 0,76, 0,80, 0,84 мкм;

для криптона А, = 0,76, 0,82, 0,90 мкм; для ксенона Л, = 0,84, 0,9, 1,0 мкм.

Наша промышленность выпускает ксеноновые дуговые лампы сверхвысокого давления ДКсШ-130, ДКсШ-1000 н ДКсШ-3000 (Д — дуговой, Кс — ксенон, число — мощность в ваттах). Лам­ пы изготовляют в шаровых баллонах из кварцевого стекла, по внешнему виду они похожи на лампы ДРШ (см. рис. 2.16). толь­ ко лампы ДКсШ мощностью 1000 и 3000 Вт выполняют без вспо­ могательного электрода и прибор зажигания включают последо­

Рис. 2.16. Спектр излучения ксеноновой лампы. Пунктир­ ная кривая — спектр излучения Солнца

Спектр излучения ламп близок по составу к спектру излуче­ ния солнечного света (рис. 2.16) при малых размерах излучате­ ля и очень большой яркости. Благодаря этому свойству лампы ДКсШ используются в кинопроекционной аппаратуре, прожекто­ рах, а также могут быть рекомендованы для имитации солнечно­ го излучения.

2. Электродосветные дуговые источники излучения

Электродосветными источниками излучения называют источ­ ники, использующие температурное излучение твердых электро­ дов, нагреваемых за счет энергии, выделяющейся в процессе ду­ гового газового разряда.

52

Э л е к т р и ч е с к и е д у г и в с р е д е а т м о с ф е р н о г о в о з д у х а применяются там, где требуется получить большую силу излучения.

Простая электрическая дуга образуется между двумя уголь­ ными или графитовыдш электродами (рис. 2.17). Катод 5, раска­ ляясь при включении дуги, испускает поток электронов, которые бомбардируют анод 1, накаляя его до белого свечения. Элект­ роны, ударяясь о поверхность анода, разрушают его, образуя уг­ лубление (кратер) с температурой около 4000 К. Излучение дуги определяется главным образом температурой кратера, который излучает около 85% энергии, в то время как на излучение катода приходится 10%, а на излучение пламени — 5% от общей энер­ гии излучения.

Яркость простых дуг достигает 180—200 млн. нт при питании постоянным током и около 12 млн. нт при питании переменным током. Максимум излучения простой дуги находится в пределах

0,7—0,8 мкм (см. рис. 2.17).

Яркость излучения дуги может быть повышена, если объем полости кратера заполнить раскаленными частицами вещества,, добавляющими к чисто тепловому излучению кратера электролюмннесцентное излучение частиц, возникающее при термическом возбуждении атомов и молекул. На рис. 2.18 показана схема вы­ сокоинтенсивной дуги. Электроды дуги высокой интенсивности состоят из твердо спрессованной графитовой оболочки и фитиля. Фитиль может быть набивной и вставной. Фитиль анода состоит из 30—60% смеси фтористых солей редкоземельных металлов (церия, лантана или самария), смешанных с сажей или графи­ том. Фитиль катода состоит из мелкого угля, назначение этого фитиля — центрировать дугу на конце электрода. В процессе ра­ боты анод вращается вокруг оси со скоростью 16—20 об/мин и одновременно перемещается по оси по мере сгорания.

Кратер анода при горении дуги заполняется парами редкозе­ мельных металлов, входящих в состав фитиля анода, и к тепло­ вому излучению кратера добавляется люминесцентное излучение

53

этих паров. Благодаря этому яркость дуги высокой интенсивно­ сти может достигать 800 млн. нт. Температура кратера (около 5000 К) выше, чем у простои дуги, вследствие чего максимум из­ лучения высокоиитенспвной дуги сдвинут в область более корот­ ких волн (см. рис. 2.18). Поэтому в инфракрасной области спект­ ра дуга высокой интенсивности по распределению излучаемой энергии не имеет заметных преимуществ по сравнению с про­ стои дугой.

п=1В of/мин

Рис. 2.18. Схема высокоиитепсивпон дуги и спектр

ееизлучения:

/—анод; 2—твердый фитиль; 3—кратер; 4— пламя; 5—мягкий

Дуги высокой интенсивности обычно используются в прожек­ торах дальнего действия. Как для простой, так и для высоко­ интенсивной дуги необходимы специальные механизмы, автома­ тически поддерживающие постоянное расстояние между элект­ родами по мере их сгорания.

§2.4. ЕСТЕСТВЕННЫЕ ИСТОЧНИКИ ИК-ИЗЛУЧЕНИЯ

Естественными источниками инфракрасного излучения явля­ ются Солнце, Луна, звезды, планеты, поверхность Земли, облака. Солнце в ряде экспериментальных работ может быть удобным источником интенсивного инфракрасного излучения. Солнце, Земля, планеты, являясь в космическом пространстве точечными источниками инфракрасного излучения, могут служить для ори­ ентации космических кораблей; инфракрасное излучение Солнца и Земли определяет температуру нагрева поверхности искусст­ венных спутников Земли. В некоторых случаях излучение есте­ ственных источников создает помехи в работе приборов инфра­ красной техники. Для того чтобы избавиться от этих помех, на­ до знать интенсивность и спектральный состав мешающих излучений.

54

1. Солнце

Интегральная плотность излучения Солнца на среднем рас­ стоянии от Земли* равна 0,14 Вт/см2±2% . Зная радиус Солнца и его расстояние до Земли, можно по формуле (1.31), выведен­ ной из закона Стефана — Больцмана, определить среднюю тем­ пературу излучения солнечного диска. Эта температура равна 5800 К. Расчет дает среднее значение, относящееся ко всему сол­ нечному диску; в действительности температура различных уча-

300 К.

На рис. 2.19 приводится спектр распределения энергии излу­ чения Солнца за пределами земной атмосферы. Спектр излуче­ ния Солнца, особенно в инфракрасной области, как это видно из рисунка, примерно совпадает с излучением абсолютно черно­ го тела при 6000 К-

Около половины солнечной энергии излучается в инфракрас­ ной области спектра, 40% — в видимой области (от 0,4 до 0,7мкм) и 10% — в ультрафиолетовой и рентгеновской областях спектра (см. табл. 2.1).

До поверхности Земли от Солнца доходит излучение с длина­ ми волн от 0,3 до 3 мкм. Более длинно- и коротковолновое излу­ чение поглощается атмосферой Земли. С увеличением зенитного

* Среднее расстояние от Солнца до Земли называют астрономической единицей (а.е.), 1 а.е.«15010е км.

55

расстояния Солнца возрастает относительное содержание инфра­ красного излучения, доходящего до земной поверхности (см. табл. 2.2). Это объясняется тем, что по закону Рэлея (1.53) рас­ сеяние излучения атмосферой уменьшается с увеличением длины волны.

Таблица 2.1

Состав спектра солнечного излучения за пределами атмосферы Земли

На поверхности Земли солнечное излучение из-за поглощения и рассеяния в атмосфере имеет меньшие уровни энергии, чем указано в табл. 2.1, и меньшую цветовую температуру. Для наб­ людения с Земли через атмосферу излучение Солнца может при­ ближенно рассматриваться как излучение абсолютно черного тела с температурой Т = 5600 К.

56

2 .Земля и облака

Инфракрасное излучение Земли состоит из двух составляю­ щих: собственного теплового и отраженного солнечного излуче­ ния. Собственное излучение земной поверхности можно рассчи­

Рис. 2.20. Спектр инфракрасного излучения Земли за пределами атмосферы. Кривая абсолютно черного тела при 288 К дает приближенный характер излучения зем­ ной поверхности, а при 218К — приближенно харак­ теризует излучение атмосферы в той спектральной об­

ласти, где атмосфера непрозрачна

значение температуры поверхности Земли и считают, что излу­ чение подчиняется закону Ламберта. При расчете излучения конкретных естественных поверхностей надо учитывать каждый раз свойства данной поверхности (Т°, г \ ) , так как излучение пашни, например, будет отличаться от излучения луга, а излуче­ ние луга от излучения шоссе или дороги.

Если рассматривать инфракрасное излучение Земли в косми­ ческое пространство (рис. 2.20), то здесь приходится иметь дело с излучением системы «атмосфера — Земля», так как большая часть земной поверхности почти всегда закрыта облаками. Ин­ тегральная плотность излучения Земли в области длин волн 5—20 мкм равна — 0,02 Вт/см2 с максимумом излучения в обла­ сти 8—12 мкм.

Спектр относительного распределения отраженного Землей солнечного излучения при различной облачности показан на рис. 2.21. Величина, характеризующая отражательную способ­ ность поверхности, называется альбедо. Альбедо выражается от­ ношением количества отраженной энергии ко всей падающей

57