Тепловые источники оптического излучения

2. Тепловые источники оптического излучения. 2.2 Современная конструкция и современные этапы её совершенствования. Тепловые источники света выполняют в виде различных ламп накаливания (ЛН). Несмотря на многообразие ламп накаливания, все они работают по единому физическому принципу преобразования электрической энергии в оптическое излучение путем нагрева электрическим током вольфрамовой нити до температуры 2200...2800°С, а также имеют сходные основные конструктивные элементы (рис. 2.2). Главными недостатками ЛН являются сравнительно низкая световая отдача (8-20лм/Вт для ЛН общего назначения), обычно невысокая продолжительность горения (не более 2000ч), не всегда приемлемая цветопередача и недостаточная механическая прочность ряда типов специальных ламп. Однако, уровень качества ЛН непрерывно повышаются и имеются еще неиспользованные резервы для дальнейшего роста. Главной частью ЛН является тело накала 1(рис.2.2). Оно может представлять собой нить, спираль, биспираль, триспираль, иметь разнообразны размеры и форму (рис. 2.3). Рис.2.2 Схематическое изображение электрической лампы накаливания. Рис. 2.3 Наиболее распространенные формы тел накала: а – сплошные (прямолинейная; 2 – дуговая; 3- в виде зигзага); б – секционные (1 – под углом; 2 - дужкой); в – многосекционные, формованные в двух плоскостях («биплан»); д – плоские, изготавливаемые на керне в виде пластины. Тело накала изготавливается из вольфрамовой проволоки. Вольфрам имеет высокую температуру плавления (3650К) и малую скорость испарения, формоустойчив при высокой температуре. Устойчив к механическим нагрузкам, обладает высокой пластичностью в горячем состоянии, что позволяет получать из него нити весьма малых диаметров путем протяжки проволоки через калиброванные отверстия. Вольфрам является селективным излучателем, максимум излучения его сдвинут по сравнению с черным телом в сторону более коротких волн при одинаковой температуре излучателей. Из рис. 2.4 видно, что спектральный коэффициент теплового излучения вольфрама увеличивается с уменьшением длины волны. Рис. 2.4 Спектральная плотность энергетической светимости вольфрама (1) при Т=2600К и спектральный коэффициент теплового излучения вольфрама (2) при той же температуре. Поэтому световой КПД излучения и световая отдача вольфрама больше, чем у черного тела при той же температуре. Наибольшая световая отдача, которая может быть получена при температуре плавления вольфрама, равна примерно 50лм/Вт. Тело накала фиксируют в пространстве с помощью внутренних звеньев токовых вводом (электродов) 2 и держателей 3. В зависимости от типа ламп вводы могут быть одно-, двух- и трехзвенными. Вводы и держатели являются частью так называемой ножки. Это стеклянные конструктивный узел лампы, который кроме вводов и держателей включает в себя стеклянный цельный или пустотелый штабик 6 с линзой 7, стеклянный пустотелый штенгель 8 и стеклянную трубку-тарелку 9, развернутую в нижней части, соединенные в единую конструкцию расплавлением и заштамповкой стеклянных элементов в зоне лопатки 11. Ножка служит опорой для тела накала лампы и вместе с колбой 12 обеспечивает герметизацию лампы. Для защиты от окисления тело накала лампы, выполненное в виде вольфрамовой нити, помещают в стеклянную колбу, из которой удаляют воздух и которую для газонаполненных ламп заполняют инертным газом (аргоном, криптоном, азотом или их смесью). Для включения лампы в электрическую цепь её снабжают цоколем, который для различных условий эксплуатации может быть резьбовым, штифтовым, цилиндрическим фиксирующимся и т. д. Наряду с прозрачными стеклянными колбами для снижения яркости лампы применяют матированные, опаловые или "молочные" колбы. Однако в таких колбах теряется до 20% светового потока лампы. В отдельных случаях цокольная часть внутренней поверхности колбы имеет отражатель, выполненный в виде зеркального напыления. Для обеспечения нормальной работы раскаленного вольфрамового тела накала необходимо изолировать его от кислорода воздуха. Для этого тело накала нужно разместить либо в безвоздушной среде (такие лампы называются вакуумными), либо в среде так называемых инертных газон или их смесей, не реагирующих с материалом тела накала (газополные лампы). Конструктивно эта задача решается следующим образом: ножку с телом накала помешают в стеклянную колбу 12, горло колбы 13 герметично впаивают с разверткой тарелки, через штепсель и откачное отверстие 14 из пространства внутри колбы откачивают воздух (в случае газополной лампы затем вводят инертный газ), запаивают штенгель, обеспечивая полную герметичную изоляцию внутреннего пространства лампы от окружающей среды. Для удобства эксплуатации на горле лампы 15 с помощью цоколевочной мастики укрепляют цоколь, к корпусу 16 и контактной пластине 17 которого припаивают или приваривают выводы электродов. В зависимости от назначения ламп применяют разные типы цоколей. Примеры конструктивного исполнения цоколей даны на рис. 3.9. Отдельные узды и детали, приведенные на рис. 3.4, в некоторых типах ЛН упрошены или отсутствуют. Например, y миниатюрных ЛH ножка представляет собой стеклянную бусинку с впаянными в нее двумя платиновыми электродами, y сверхминиатюрных ножка отсутствует. Однако главные функции отдельных узлов и деталей для всех электрических ЛН остаются неизменными. Рис. 2.5 Основные типы цоколей для ЛН: E – резьбовой, В – штифтовый, ВА – штифтовый для автомобилей; Р – фокусирующий; S – цилиндрический. Конструирование ЛН разных типов состоит из решений одних и тех же задач: рассчитать и сконструировать тело накала, закрепить его в пространстве, выбрать оптимальный состав среды, окружающей тело накала, изолировать герметично тело накала и окружающую его среду от внешнего пространства, обеспечивать удобное и безопасное присоединение лампы (тела накала) к электрической сети. Маркировка отечественных ЛН содержит следующие элементы: первый элемент — характеризует лампу по важнейшим физическим и конструктивным особенностям (B — вакуумная моноспиральная, Г— газополная аргоновая моноспиральная, 6— аргоновая биспиральнаи, БK — биспиральная криптоновая); ряд ламп, особенно специальных, первого элемента в обозначении не имеют; второй элемент — буквенное изображение из одной-четырех букв — определяет назначение ламп (А — aвтомобильная, Ж — железнодорожная, KM — коммутаторная, ПЖ — прожекторная, CM — самолетная и т.,л.); третий элемент — цифровое выражение— определяет номинальное напряжение в вольтах и через дефис (в зависимости от принятой маркировки данного тида ламп) — номинальную мощность в ваттах либо силу света в канделлах, ток в амперах или световой поток в люменах: для двухспиральных ламп после номинального напряжения указываются параметры (например, мощность, сила света) первой и второй спиралей, соединненных знаком «+»; четвертый элемент — отделенная дефисом от третьего элемента цифра — указывает порядковый номер доpaботки; для ламп разработанных впервые, четвертый элемент отсутствует. Некоторые специфические особенности маркировки указаны в соответствующих стандартах и технических условиях. Параметры Л11 имеют широкий диапазон номинальных значений. Например, ряд напряжений простиpaетcя от единиц до 380В. ряд мощностей — от долей ватта до 20 кВт, световой поток — от долей люмена до сотен тысяч люменов, сила света — от долей канделлы до десятков тысяч кандел, диаметр колбы - от 1 до 200 мм и более. У ламп с зсркализованными колбами и встроенными экранами нормиpуются КCC, сила света в направлении оптической оси лампы, световой поток, излучаемый в нижнюю полусферу или какую-нибудь другую зону. У большинства зеркальных ламп КПД равен 0.75-0.80, а коэффициент усиления (см. разн. 6) лежит в пределах от 3 (широкое светораспределение) до 20 (концентрированное светораспределение). Спектральные и цветовые параметры. Лампы накаливания имеют сплошной (непрерывный) спектр излучения. Из-за относительно невысоких рабочих температур тела накала (2400-2600K) в видимом излучении ЛН преобладают оранжево-красные лучи. Поэтому при освещении такими лампами усиливаются теплые цветовые тона (красные, оранжевые, коричневые) и ослабляются «холодные» (зеленые, голубые, фиолетовые), что не позволяет обеспечить высокое качество цветопередачи. Механические и климатические параметры: вибростойкость и вибропрочность, ударо­прочность, прочность крепления цоколя к колбе, стойкость к внешнему давлению и разрежению, устойчи­вость к тем температуре окружающей среды, стойкость против воздействия влаги и химически агрессивных сред. Численные значения этих параметров указывают­ся в стандартных и технических условиях на лампы. Большинство ЛН эксплуатируются в нормальных климатических условиях: наружная температура +25±10°С, атмосферное давление 950-1030 гПа (720­-788 мм рт. ст.), относительная влажность воздуха 65±15%с при 25°С. Однако к ряду ламп (для тропиче­ского климата, для самолетов и судов, для глубоковод­ного погружения, герметизированных арматур и др.) предъявляются особые климатические требования, которые фиксируются в технических условиях. Параметры долговечности ЛН. Срок службы лампы - суммарное время ее горения в часах от момента первого включения до прекращения функционирования. Обычно нормируется средний срок службы — среднеарифметическое значение срока службы всех ламп, входящих в партию. На рис. 2.6 показана типичная кривая выхода ЛН из строя. За средний срок службы принимается время, в течение которого вышло из строя 50% ламп из партии. Закон распределения ЛН по сроку службы - нормальный. Коэффициент стабильности светового потока – это отношение среднего за срок службы светового потока ламп к его номинальному значению. Этот показатель у ЛН довольно высок: для вакуумных – 0.87-0.9, для газополных -0.91-0.95. Экономичность ЛН. характеризуется световой отдачей, т.е. отношением светового потока, излучае­мого лампой, к ее электрической мощности:  = Ф / Р. Относительно невысокая световая отдача ЛН объясняется их физической природой; световой КПД ва­куумных ламп ранен 1.5, а газопольных 2-4%. Рис. 2.6 Распределение ламп по среднему сроку службы. При эксплуатации ЛН важно соблюдаться следующее: • использование ламп в соответствии с назначением. т.е. в тех светильниках, для которых они предназначены, поэтому на каждом светильнике или в паспорте па него указываются максимально допустимая мощность лампы, ее тип и другие данные; • обеспечение соответствия напряжения, указанно­го на лампе, напряжению сети; • соответствие климатических факторов, предусмотренных техническими условиями на лампы. Например, ЛН нормального исполнения рассчитаны для работы при относительной влажности не более 98%. • обращение с лампами как с хрупкими, электро- и пожароопасными изделиями; • соблюдение рекомендованного рабочего положе­ния лампы в пространстве. При эксплуатации следует учитывать, что лампа имеет высокую температуру па цоколе и в некоторых зонах поверхности колбы (2.7), Температурное поле колб заметно зависит от рода и давления наполняющего лампу газа (рис. 2.8), формы колбы (рис. 2.9) и времени горения лампы. Рис.2.7 Распределение температуры по колбе ЛН мощностью 1000Вт при положении лампы цоколем вверх и вниз. Резервы совершенствования ЛН Для повышения качества ЛН необходимо увеличе­ние критических потерь массы тела наката (в современных ЛН они весьма малы: у аргоновых мопоспи­ральных 8-12, у биспиральных 4-8%), уменьшение дисперсии ЛН по сроку службы, сокращение разрыва между технически возможным и имеющимся уровня­ми электролампового производства, повышения каче­ства электрической энергии в осветительных сетях (стабильность напряжения). Для реализации указанных резервов необходимо сосредоточить внимание на сле­дующих конкретных направлениях работ: улучшение условий функционирования вольфрамового тела нака­ла в JIM: создание новых, оптимальных для ЛН марок и режимов производства вольфрама: разработка и совершенствование методов и приборов контроля проволок. Галогенные лампы накаливания. Галогенные лампы накаливания (ГЛН) представля­ют собой самостоятельный класс источников света, по своим харак­теристикам занимающим промежуточное положение между ЛН общего назначения и РJIВД (НД). Принцип действия ГЛН заключаются в образовании па стенке колбы летучих соединений - галогенидов вольфрама, которые испаряются со стенки, разлагают­ся на теле накала и возвращают ему, таким образом. испарившиеся атомы вольфрама. Галогенные ЛН по сравнению с обычными лампами имеют более стабильный по времени световой ноток и, следовательно, повышеный полезный срок службы, а также значительно меньшие размеры, более высокие термостойкость и механическую прочность благодаря применению кварцевой колбы. Малые размеры и проч­ная оболочка позволяют наполнять лампы ксеноном до высоких давлений и получать на этой основе более вы­сокую яркость и повышенную световую отдачу (либо увеличенный физический срок службы). Галогенная добавка в ЛН с вольфрамовым телом наката вызывает замкнутый химический цикл. Пример такого цикла показан схематично на рис. 2.10 для йода. При 300-1200°С пары йода соединяются на стенке колбы с частицами вольфрама, образуя йодистый вольфрам WI2, который испаряется при температуре свыше 250-300°С. вблизи тела наказа при 1400-1600°с молекулы WI2, распадаются, и атомы вольфрама оседают на теле накала и других деталях, имеющих температуру выше 1600°С. Освободившиеся атомы йода диффундируют в объеме лампы и соединяются на стенках колбы с вольфрамом, вновь образуя WI2. Для йодо-вольфрамового цикла требуются следующие усло­вия; 1) температура внутренней стенки колбы повсюду должна быть не ниже 250 и не выше 1200°С; наиболее предпочтительна температура 500-600°С, поэтому кол­бу изготавливают из кварца и придают ей необходимую форму, для обеспечения лучшей равномерности темпе­ратуры; 2) мин минимальная температура тела накала должна быть выше1600°С; 3) йод не должен образовы­вать на стенке лампы какие-либо другие химические соединении, кроме WI2, поэтому в ГЛН недопустимо применение никеля и молибдена, алюминиевого, цир­кониевого и фосфорного газопоглотителей, с которы­ми йод активно взаимодействует; 4) количество Йода дозировано, излишек йода для компенсации потерь не допускается, так как нары йода заметно поглощают ви­димое излучение, особенно в области 500-520 нм. 3. Газоразрядные источники оптического излучения. 3.1 Принцип действия. Разрядной лампой называют лампу, в которой ОИ возникает в результате электрического разряда в газах, парах или их смесях. Принцип действия РЛ основан на излучении электрического разряда между двумя электродами, запаянную в прозрачную для ОИ колбу ой или иной формы Иногда для облегчения зажигания впаивают дополнительные электроды. Внутреннее пространство колбы после удаления воздуха и тщательного обезгаживания лампы (удаления сорбированных в материале колбы и электродах паров воды и других газов при помощи на­грева под откачкой) наполняется определенным газом (чаще всего инертным) до заданного давления или инертным газом и небольшим количеством металла с высокой упругостью паров, например, ртути, натрия и др. Начиная с середины 60-х голом широкое распространение получи РЛ, в которые, кроме инертного газа и ртyти, вводят галогениды различных металлов. Существуют категории РЛ с электродами, работающи­ми в открытой атмосфере, с разрядом в воздухе и парах вещества электродов. Это угольные дуги. Часть их откры­тия принадлежит русскому академику В. В. Петрову. Собственно, с этот открытия начинается история РЛ. 3.1 Тлеющий разряд. Тлеющий разряд (TР) - электрический разряд в газе, характеризующийся термодинамической неравновесностью и квазинейтральностью возникающей плазмы. Эффективная температурара электронов в TР существенно выше температуры газа и электродов, термоэмиссия с которых отсутствует TР делятся на 2 класса: самостоятельный и несамостоятельный (с внешним ионизатором). Каждый из этих разрядов подразделяется на виды в зависимости от рода источника электрического питания: импульсный, стационарный, переменного тока. Каждый вид TР может гореть в покоящемся газе и в потоке газа. Самостоятельные разряды отличаются геометрией: плоской и цилиндрической. Наиболее подробно изучен TР, горящий в стеклянных трубках, который широко применяется в технике: лампы дневного света, различные осветительные приборы, газовые лазеры малой и средней мощности TР, горящий между плоскими электродами, используется в тиратроне и импульсных лазерах и т.д. Общие свойства. TР получил своё название из-за наличия на одном из электродов (катоде) т.н. тлеющего свечения (TC, рис. 1). Это свечение обусловлено большим падением потенциала в узком слое объёмного заряда вблизи катода. Вблизи анода также имеется тонкий слой объёмного заряда, называемым анодным слоем (AC). Остальная часть межэлектродного промежутка занята квазинейтральной плазмой. К зоне TC примыкает область Фарадеева тёмного пространства (ФТП), переходящая в положительный столб (ПС), который является самостоятельной частью разряда, не зависящей от др. слоев разряда. Рис. 3.1. Внешний вид и распределение напряжённости электрического поля в тлеющем разряде в трубке: 1 - катодный слой;2-тлеющее свечение; 3-фарадеево тёмное пространство; 4 - положительный столб; 5 - анодный слой. Толщина катодного слоя (КС) и его характерные времена весьма малы, поэтому он наиболее автономен и его свойства являются общими для большинства видов ТР. Наличие большого скачка потенциала на КС стационарного TР (200-400 В) обусловлено тем, что поле в КС должно обеспечивать интенсивную ионизацию и усиление ионного и электронного токов. Ширина КС d равна нескольким длинам ионизации электроном атомов или молекул газа. Если средняя плотность тока на катоде меньше величины нормальной плотности тока jн, то TC покрывает лишь часть катода. При увеличении тока площадь, занятая током, увеличивается пропорционально току, а напряжение на КС постоянно и равно нормальному катодному падению. Это важное свойство TР, называемое законом нормальной плотности тока. Гидродинамическая модель (Энгеля - Штеенбека) однородного вдоль катода КС постулирует, что величины Uн и jн равны минимальному напряжению и соответствующей ему плотности тока теоретической вольтамперной характеристики (BAX). Эта модель правильно описывает подобия законы, наблюдаемые экспериментально: jн/p2, pdн, Uн зависят только от рода газа и материала катода. Однако количеств. совпадение теории с экспериментом носит скорее случайный характер. Постулат Энгеля - Штеенбека и закон нормальной плотности тока нашли подтверждение в рамках двумерных нестационарных гидродинамич. уравнений, решённых численными методами (рис.3. 2). Рис. 3.2. Распределение плотности тока на катоде в тлеющем разряде в азоте (расчёт) при давлении р = 5 тор, межэлектродном расстоянии 1 см; а - при токе I=0,75 mА, б - при I=1,5 mA.  Аналогичные явления имеют место на аноде ТР. Электроны, выходящие из плазмы ПС, ускоряются на скачке потенциала AC и также, как и вблизи катода, производят ионизацию газа. Однако здесь ионизация не столь сильна, но она необходима, т. к. эмиссия ионов с холодного анода отсутствует. В стационарном TР закон нормальной плотности тока проявляется в покоящемся газе, при отсутствии потока газа. Свойства других областей TР (TC, ФТП и ПС) довольно сильно зависят от вида разряда.