Джерела випромінювання в оптичній спектроскопії

Міністерство освіти і науки України

Львівський національний університет імені Івана Франка

факультет електроніки

кафедра нелінійної оптики

КУРСОВА РОБОТА

на тему:

“Джерела випромінювання в оптичній спектроскопії”

Виконала:

студентка групи ФЕП–31

Саковська Анастасія

Науковий керівник:

асист. Рихлюк С. В.

Львів – 2010

Зміст

Вступ

1. Джерела випромінювання

1.1 Природні джерела випромінювання, теплове випромінювання нагрітих тіл

1.2 Люмінесцентна лампа

1.3 Газорозрядні лампи високого тиску

1.4 Напівпровідникові світлодіоди

2. Переваги і недоліки різних джерел випромінювання

3. Стандартні джерела випромінювання та контролю кольору

4. Джерела випромінювання для калібрування та спектроскопії

4.1 Характеристика лампи ДРШ-100-2

4.2 Лампа ДНАС-18

Висновки

Список використаної літератури

Додатки

Вступ

Спектроскопія - розділ фізики та аналітичної хімії, присвячений вивченню спектрів електромагнітного випромінювання

Пряма задача спектроскопії - прогнозування виду спектру даної речовини виходячи зі знань про її будову, склад та інше.

Зворотне завдання оптичної спектроскопії - визначення характеристик речовини (що не являється безпосередньо спостережуваною величиною) за властивостями її спектрів (які спостерігаються безпосередньо і прямо залежать як від обумовлених характеристик, так і від зовнішніх факторів).

Особливість оптичної спектроскопії в порівнянні з іншими видами спектроскопії полягає в тому, що більшість структурно організованих матерій (крупніших атомів) резонансно взаємодіє з електромагнітним полем саме в оптичному діапазоні частот. Тому саме оптична спектроскопія використовується в даний час дуже широко для отримання інформації про речовину і служить для обґрунтування вибору принципових схем спектральних приладів та оптимізації методів розрахунку. Вона є актуальною у виборі джерела світла.

Надзвичайно важливим та невід’ємним елементом спектроскопії є джерела випромінювання та калібрування. До них належать: лампи розжарювання, галогенні , люмінесцентні, газорозрядні лампи, та світлодіоди.

Метою даної курсової роботи було розглянути основні характеристики та електронні схеми ввімкнення лампи ДРШ-100-2 та лампи ДНАС-18, що використовуються у спектрометрі СФ-26.

1. Джерела випромінювання

Однією із форм енергії являється оптичне випромінювання, виникнення якого пов’язане зі змінами енергетичних станів електронів в атомі, а також із хвильовим чи обертальним рухом молекул, що входять в склад випромінювального тіла. З фізичної точки зору будь яке тіло, яке здатне випромінювати енергію в навколишнє середовище, можна назвати джерелом випромінювання. Всі існуючі джерела випромінювання можна розділити на дві групи: штучні і природні, які в свою чергу класифікуються чи по фізичній природі випромінювання, чи по призначенню.

До природних джерел випромінювання відносяться Сонце, Місяць, Планети, зорі, поверхня Землі, хмари, атмосфера. Природні джерела, випромінювання які неможливо регулювати, як правило, використовуються в системах пасивного типу чи для наукових досліджень. Крім того, їх випромінювання являється фоном, що створює завади при роботі оптико-електронних приладів.

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.

Лампи розжарювання з часом втрачають яскравість. Сучасні галогенні лампи не мають цього недоліку завдяки додаванню в газ-наповнювач галогенних елементів. Галогенні лампи мають яскраве насичене і рівне світло, спектральний склад якого значно відрізняється від спектрального складу світла звичайної лампи розжарювання і наближений до спектру сонячного світла (див. додаток 1, рис. 6). Завдяки цьому чудово передаються кольори меблів та інтер'єру в теплій і нейтральній гамі, а також колір обличчя людини.

Рис. 1.4. Галогенна лампа з подвійною колбою

1.2 Люмінесцентна лампа

Люмінесцентна лампа - газорозрядне джерело світла низького тиску. Його світловий потік визначається свіченням люмінофора під впливом ультрафіолетового випромінювання, яке виникає внаслідок електричного розряду.

З середини стінка колби покрита сумішшю люмінесцентних порошків, яка називається люмінофор. Лампи з трьох-смуговим люмінофором більш економічні, оскільки світлова віддача у них становить (до 104 Лм / Вт), але володіють найгіршою передачею кольору (Ra = 80), а лампи з п'яти-полісним люмінофором мають відмінну передачу кольору (Ra = 90-98) при меншій світловий віддачі (до 88 Лм / Вт).

Існує два способи запалювання люмінесцентних ламп - електромагнітним та електронним баластом. Тип баласту впливає на запалювання ламп, а також на мерехтіння в роботі і термін служби паливних електродів. При підпалі люмінесцентних ламп з електромагнітним баластом відбувається до 30% втрат електроенергії. Основною відмінністю люмінесцентного світильника з електронним баластом від такого ж світильника з електромагнітним баластом, крім енергозбереження, ваги та об'єму, є частота мерехтіння: Лампи з електронним баластом працюють з високою частотою мерехтіння близько 42000 Гц в секунду, тоді як лампи з електромагнітним баластом працюють з частотою 100 Гц в секунду, що при тривалому використанні викликає втому очей.

Рис. 1.5. Прямі трубчасті люмінесцентні лампи

Прямі трубчасті люмінесцентні лампи (рис. 1.5) - це газорозрядні лампи низького тиску. Складаються зі скляного балона, двох цоколів з вивідними контактами на обох кінцях балона, двох підігрівних катодів з вольфрамової нитки або сталевої трубки. Балон наповнений парами ртуті і інертним газом (аргоном). Довжина трубки безпосередньо пов'язана зі світловіддачею лампи. Застосовуються в житлових і громадських приміщеннях.

Люмінесцентні лампи у вигляді кільця (рис. 1.6), завдяки своїй формі застосовуються в широкому діапазоні освітлювальних приладів. Через малі габарити трубки цю лампу використовувати можна в максимально плоских світильниках. Вона застосовується для освітлення громадських та житлових приміщень.

Рис. 1.6. Люмінесцентні лампи у вигляді кільця

1.3 Газорозрядні лампи високого тиску

Особливостями газорозрядних ламп (рис. 1.7) , за словами фахівців, є їх висока світловіддача і тривалий термін служби в широкому діапазоні температур навколишнього середовища. У нашому кліматичному поясі для архітектурного (зовнішнього) освітлення краще використовувати саме газорозрядні лампи, оскільки вони відмінно працюють при мінусовій температурі.

Застосування газорозрядних ламп рекомендується тільки з захисним склом, якісним комплектуючим та кваліфікованим складанням схеми, інакше вони небезпечні для домашнього використання. Так, наприклад, вибух лампи або коротке замикання в ланцюзі може призвести до пожежі. Також слід зазначити, що газорозрядні лампи світять на повну силу не відразу, а після закінчення 2 - 7 хвилин.

До групи газорозрядних ламп входять металогалогенні, натрієві та ртутні лампи.

Рис.1.7. Газорозрядні лампи високого тиску

1. Металогалогенні лампи - це ртутні лампи високого тиску, в яких використовуються добавки із йодидів металів, у тому числі рідкоземельних, а також складні з'єднання цезію та галогеніди олова. Всі ці добавки значно покращують світлову віддачу і характеристики передачі кольору ламп при ртутному розряді.

Всі металогалогенні лампи дають біле світло з різною колірною температурою. Їхня особливість полягає в хорошому рівні перенесення кольорів. Будь-які предмети та рослини під ними виглядають абсолютно природно.

Металогалогенні лампи широко використовуються у висвітленні об'єктів комерційної нерухомості, а також виставок, службових приміщень, готелів і ресторанів, для підсвічування рекламних щитів і вітрин, освітлення спортивних споруд та стадіонів, для архітектурного підсвічування будівель і споруд.

2. Натрієві лампи належать до числа найбільш ефективних джерел видимого випромінювання: вони мають найвищу світлову віддачу серед газорозрядних ламп, економні та мають тривалий термін служби. Зазвичай лампи випромінюють характерний жовтий колір, але якщо до складу запалюваної речовини входить ксенон, вони дають яскраве біле світло.

У ксенонової газорозрядної лампи немає нитки розжарювання, світло створюється в маленькій сфері, яка наповнена сумішшю хлоридів деяких металів та інертними газами (один з них - ксенон, звідси і назва - ксенонове світло). Електрична енергія у лампі перетворюється в світлову при горінні електричного дугового розряду, створеного між двома електродами в атмосфері ксенону, світло такої лампи легко сформувати в точний світловий пучок. Характерною особливістю цих ламп є безперервний спектр випромінювання, близький до сонячного, тобто випромінювання ксеноновою лампою є чітким білим світлом подібним до денного світла.

Для роботи ксенонової лампи обов'язково необхідний додатковий електронно пускорегулюючий блок, здатний спочатку "розпалити" лампу (напругою 25 000 Вольт), а потім підтримувати стійку електричну дугу (при цьому на неї подається вже близько 100 Вольт).

Основні переваги ксенонових ламп в порівнянні з традиційними галогенними: висока світловіддача, світловий потік, випромінюваний ксеноновим лампою (більше 3000 люмен) майже в 2 рази інтенсивніший за порівняно зі звичайною галогенною лампою розжарювання потужністю 55 Вт (1550 люмен). А величина повного світлового потоку, що випускається ксеноновою лампою перевищує той же галогенний показник майже в 3 рази.

Спектральну характеристику ксенонової лампи можна розглянути на прикладі лампи XE-2000 (додаток 1, рис. 1).

Газорозрядні натрієві лампи застосовуються для освітлення вулиць, а також промислових приміщень, де основними умовами є економність і яскравість, а вимоги до передачі світла несуттєві.

Страницы: 1, 2