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.

3. Ртутна лампа високого тиску РЛВТ

Робота ртутної лампи ґрунтується на використанні випромінювання електричного розряду в парах ртуті. Лампи даного типу відрізняються високою світловіддачею при порівняно невеликих габаритах, вони мають тривалий термін служби. 40% випромінювання припадає на ультрафіолетову область спектру. Для збільшення світловіддачі ультрафіолетове випромінювання перетворюється у видиме світло за допомогою люмінофора, яким покрита колба лампи.

Ці лампи дозволяють значно знижувати витрати при установці, експлуатації та технічному обслуговуванні в наступних областях застосування: дорожнє освітлення, освітлення ландшафтів. 

Ртутна лампа високого тиску містить пари ртуті, парціальний тиск яких під час роботи досягає 105 Па. Такі лампи мають високу надійність, гарну передачею кольору, дозволяють знизити витрати на встановлення та технічне обслуговування. Застосовуються для внутрішнього і зовнішнього освітлення комерційних і виробничих об'єктів, для декоративного і охоронного освітлення.

Ртутно-вольфрамова лампа (рис. 1.8) - лампа, всередині якої в одній і тій же колбі знаходяться розрядна трубка ртутної лампи високого тиску і спіраль лампи розжарювання, з'єднані послідовно. Колба може бути покрита люмінофором. Вольфрамова спіраль служить додатковим джерелом світла в червоній області спектру й одночасно виконує функцію баластового тиску для ртутного пальника. Завдяки цьому пристрою поліпшується передача кольору і відпадає необхідність використання додаткового дроселя.

 

Рис. 1.8. Ртутно-вольфрамова лампа



1.4 Напівпровідникові світлодіоди



На думку більшості фахівців, майбутнє освітлення - за лампами і світильниками на світлодіодах (рис. 1.9). На даний момент вони ще не так затребувані на ринку, як люмінесцентні лампи або лампи розжарювання, і в основному застосовуються в архітектурному, ландшафтному і декоративному освітленні. Особливу увагу хотілося приділити світлодіодам, які продукують великий світловий потік, як правило, ці світлодіоди з потужністю від 1 Вт до

15 Вт. Дані джерела світла мають достатньо велику світловіддачу, що наближається вже до значення світловіддачі газорозрядних ламп, великий термін служби, компактні розміри і досить велика яскравість. Всі ці властивості відкривають нові можливості застосування світлодіодів, як для загального, так і для прожекторного освітлення.

Завдяки відсутності тіла розжарювання світлодіоди відрізняються високим ККД і великим терміном служби (80 000 - 100 000 годин). Нове джерело світла випромінює світло червоного, жовтого, білого, блакитного або зеленого кольору (додаток 1, рис. 5).

Світлодіоди випускають випромінювання з вузьким спектром, довжина хвилі якого залежить від напівпровідникового матеріалу і від способу його легування. Яскравість випромінювання більшості світлодіодів знаходиться на рівні 103-105 кд/м2. ККД видимого випромінювання світлодіода становить від 0,01% до кількох відсотків. Іноді для поліпшення світлотехнічних характеристик світлодіодів для кристалів вибирають напівсферичну форму і забезпечують випромінювач параболічним або конічним відбивачем. Такі світлодіоди мають ККД до 40%.

В промисловості випускаються дискретні та інтегральні (багатоелементні) світлодіоди. Дискретні світлодіоди використовують в якості сигнальних індикаторів. Інтегральні світлодіоди - цифро-знакові або багатобарвні панелі - застосовують у різноманітних системах відображення інформації. Світлодіоди широко застосовуються в оптичній локації (ІЧ- світлодіоди), в оптичному зв'язку. У ряді областей застосування світлодіоди конкурують з напівпровідниковими лазерами, які генерують когерентне випромінювання.





Рис. 1.9. Світлодіоди




2. Переваги і недоліки різних джерел випромінювання



Лампи розжарювання. До переваг ламп розжарювання слід віднести: зручність експлуатації, суцільний спектр, що забезпечує в багатьох випадках прийнятне перенесення кольорів; відпрацьовану технологію виготовлення ламп в широкому діапазоні потужностей; малу вартість; достатньо високу надійність.

Недоліками ламп розжарювання є низька світлова віддача (світловий ККД освітлювальних ламп становить 1-3%, тобто лампи розжарення є малоекономічними джерелами світла); дають лише 5% світла і 95% тепла; спектральний склад істотно відрізняється від спектрального складу сонячного випромінювання.

Галогенні лампи. Перевагами галогенних ламп є висока світловіддача; стабільно яскраве світло протягом терміну служби; довгий термін служби; мініатюрна конструкція; можливість регулювання світлового потоку; високий рівень безпеки, особливо в умовах підвищеної вологості (низьковольтні лампи).

Недоліки галогенів в тому, що вони потребують бережного ставлення. До скляної поверхні лампи краще не торкатися голими руками, тому що на ній залишаються жирні плями, що може привести до оплавлення в цьому місці скла колби. Галогенні лампи дуже чутливі до скачок напруги мережі, тому їх слід включати через стабілізатор напруги, а низьковольтні - через трансформатор. Температура колби може досягати 500 ° С, тому при установці ламп слід дотримуватися норм протипожежної безпеки (наприклад, забезпечити достатню відстань між поверхнею перекриття і підвісною стелею). 

Люмінесцентні лампи. Переваги люмінесцентних ламп: широкий діапазон кольоровості; у порівнянні з лампами розжарювання забезпечує такий же світловий потік, але споживають в 4-5 разів менше енергії; мають низьку температуру колби; підвищений термін служби;

Недоліки люмінесцентних ламп: знижується світловий потік при підвищених температурах; вміст ртуті (хоча і в дуже малих кількостях, 40-60 мг). Ця доза нешкідлива, проте постійна схильність пагубному впливу може завдати шкоди здоров'ю; люмінесцентні лампи не пристосовані до роботи при температурі повітря нижче 15-20 ° С. 

Енергозберігаюча люмінесцентна лампа. Переваги компактних ламп порівняно з лампами розжарювання: до 80% менше споживання струму при тій же кількості світла; термін служби в 6-15 разів більший в порівнянні зі звичайними лампами розжарювання і складає, відповідно, 6000-15000 годин в залежності від типу; менші втрати на обслуговування за рахунок тривалого часу служби люмінесцентних ламп: можливість вибору кольору світіння. Компактні люмінесцентні лампи мають універсальне застосування та використовуються у всіх сегментах нерухомості. Більш того, вони заощаджують більше, ніж коштують самі.

Газорозрядні лампи високого тиску. 

До переваг металогалогенних ламп відносяться: висока світлова віддача (60 - 110 лм / Вт); великий термін служби (до 15000 годин); компактні розміри. Недоліки цих ламп: не підходять для плавного регулювання; довге запалювання і перезапалювання.

Позитивні характеристики натрієвих ламп: високий рівень світловіддачі (до 150 лм / Вт); тривалий термін служби (до 32 000 годин); енергетична економічність. Недоліки натрієвих ламп: погана передача кольору (Ra = 20); довге запалювання і перезапалювання (до 10 хвилин).

Переваги ртутних газорозрядних ламп: широкий діапазон потужностей; достатній рівень світлової віддачі (30-60 лм / Вт); великий термін служби (до 12 000 годин); ртутно-вольфрамові лампи не вимагають регулюючих апаратів запуску; компактні розміри.

Недоліки ртутних газорозрядних ламп: погана передача кольору; довге запалювання і перезапалювання (до 5 хвилин). 

Світлодіоди. 

Світлодіоди економлять електроенергію. Вони довговічні і надійні. Термін служби світлодіода досягає 100 тис. годин - 10 років безперервної роботи. У 100 разів більше, ніж у лампи розжарювання і 8-10 разів більше, ніж у люмінесцентної лампи. Ці лампи надійніше за лампу розжарювання через повну несприйнятливість до вібрацій і ударів. Мала тепловіддача і низька напруга визначають високий рівень безпеки. Екологічний продукт. Світлодіоди не шкодять екології, оскільки в їх склад не входить ртуть, і вони майже не нагріваються в процесі роботи. Світлодіодне освітлення володіє високим ККД. Електрична енергія перетворюється у випромінювання найбільш безпосереднім чином з всіх існуючих, що дозволяє добитися найбільшої світлової віддачі на сьогоднішній момент. ККД світлодіода – до 100%, люмінесцентна лампа – до 25%, лампа розжарювання – до 5% ( 95% йде на нагрів вольфрамової спіралі)




3. Стандартні джерела випромінювання та контроль кольору



Одним із факторів, що визначають оцінку кольору, являється спектральна характеристика джерела випромінювання, яка емалюється в контрольно-вимірювальному обладнанні. Детальніше розглянемо, які джерела стандартизовані Міжнародною комісією по освітленні та чим керуватися при виборі джерела для контролю кольору.



3.1 Розподіл світлової енергії по спектру



Найбільш повним описом світлового випромінювання в колориметрії являється графік розподілу енергії по спектру. На (рис. 3.1) представлена спектральна крива стандартизованого джерела D65, що імітує денне сонячне світло. З графіка видно, що в спектрі D65 домінує синє випромінювання, тому освітлена їм ахроматична поверхня має синюватий відтінок. 





Рис. 3.1. Спектральна характеристика стандартного джерела D65



Кожне джерело світла характеризується унікальним спектральним розподілом енергії, від якого залежить сприйнятий спостерігачем колір, освітлений цим джерелом поверхні.



3.2 Стандартні джерела світла



Міжнародна комісія по освітленню в різний час стандартизувала джерела випромінювання A, B, C, D і F. Такі джерела характеризуються колірною температурою і графіками розподілу енергії по спектру. Колірна температура, що вимірюється в градусах Кельвіна – це температура абсолютно чорного тіла, при якій воно випромінює світло з необхідними спектральними характеристиками. В сучасних спектрофотометрах, призначених для поліграфії, як правило, емалюються наступні стандартні джерела випромінювання: A, C, D50, D55, D65, D75, F2, F7, F11 і F12.



3.3 Стандартне джерело випромінювання A





Рис. 3.2. Спектральна характеристика стандартного джерела A



Джерело освітлення A (рис. 3.2) було стандартизоване в 1931 році і моделює штучні джерела освітлення з колірною температурою 2856 K, до яких відносяться, наприклад, лампи розжарювання.




3.4 Стандартні джерела випромінювання B и C



Джерела освітлення B і С також були стандартизовані в 1931 році і моделюють денне світло. Стандартне джерело B зкорельовано. колірною температурою біля 4870 K моделює денне освітлення розсіяним і прямим сонячним світлом. Джерело С (рис. 3.3) з колірною температурою 6770 K моделює усереднене денне освітлення. Суттєвим недоліком стандартних джерел освітлення B и С являється значне розходження їх спектральних характеристик с реальним спектром денного освітлення в УФ зоні. Тому стандартні джерела B і С неможливо використовувати для оцінки флуоресцентних барвників і вводяться в запечатувані матеріали оптичних відбілювачів. В даний час замість них використовують стандартні джерела D.





Рис. 3.3. Спектральна характеристика стандартного джерела C



3.5 Стандартні джерела випромінювання D



Джерела освітлення D були стандартизовані в 1964 році з метою більш точного моделювання сонячного освітлення, ніж це дозволяли зробити джерела C і B. У результаті усереднення вимірювань природного освітлення в різний час доби в різних погодних умовах і в самих різних широтах була визначена спектральна характеристика джерела освітлення D65, що має колірну температуру 6500 K. На основі цієї характеристики також були розраховані спектральні характеристики для стандартних джерел D з іншими колірними температурами. У поліграфії, крім D65, знайшли застосування стандартного джерела D50 (рис. 3.4), D55 і D75 з колірними температурами 5000, 5500 і 7500 К відповідно. Перші два мають в порівнянні з D65 жовтуватий відтінок, D75 - блакитний.





Рис. 3.4. Спектральна характеристика стандартного джерела D50



Недоліком джерел D є складність їх емуляції за допомогою штучних джерел світла. В даний час для цього застосовуються галогенні лампи розжарювання з блакитним скляним фільтром, ксенонові лампи з фільтром, а також люмінесцентні лампи.



3.6 Стандартні джерела випромінювання F



Стандартні джерела випромінювання F застосовуються для моделювання люмінесцентних ламп з різними спектральними характеристиками. У спектрофотометра емулюються стандартні джерела, що моделюють холодне біле світло (F2 - рис. 3.5), лампи денного світла з широким діапазоном 

(F7 - рис. 3.6) і лампи з вузьким діапазоном (F11 - рис. 3.7).





Рис. 3.5. Спектральна характеристика стандартного джерела F2





Рис. 3.6. Спектральна характеристика стандартного джерела F7






Рис. 3.7. Спектральна характеристика стандартного джерела F11



3.7 Індекс передачі кольору



Для оцінки відповідності спектральних характеристик реальних джерел випромінювання характеристикам стандартизованих джерел служить індекс передачі кольору IRC (Color Rendering Index). Значення цього індексу лежить в діапазоні від 1 до 100 одиниць: 1 означає повну невідповідність характеристик джерел, 100 - їх ідентичність. При виборі джерела світла для офісних і виробничих приміщень, не призначених для оцінки якості відтворення кольору, можна використовувати освітлювач з індексом IRC близько 60 одиниць; для приміщень, в яких технологічно необхідно виконувати візуальну оцінку відтворення кольору, слід вибирати джерело світла з індексом IRC не менше 90 одиниць.


4. Джерела випромінювання для калібрування та спектроскопії



4.1 Характеристика лампи ДРШ-100-2



Лампа ДРШ 100-2 – дугова ртутна шарова ультрафіолетова лампа надвисокого тиску з природним охолодженням.

Ртутно-кварцова лампа ДРШ 100-2 працює в безперервному режимі на постійному струмі і призначена для експлуатації в світло промінних осцилографах, оптичних приладах, для лабораторних робіт, а також в якості запасних частин для різного лабораторного і медичного устаткування.



Таблиця 4.1. Характеристика лампи Дрш-100-2

Напруга запалювання не більше (В)

53,5

Допустима напруга на лампі (В)

16–25

Яскравість не менше (Мкд·м−2)

850

Номінальна потужність (Вт)

100

Напрацювання не менше (год.)

200

Допустимий пусковий струм (А) 

6-8

Довжина не більше (мм) 

85

Діаметр колби не більше (мм) 

15

Маса не більше (г) 

10

Робоче положення 

± 10 °, анод донизу



При включенні лампи ДРШ 100-2 необхідно дотримуватись полярності електродів - виведення зі знаком «+» (анод) підключається до позитивного полюса джерела живлення.

Примусове охолодження лампи ДРШ 100-2 при її роботі не допускається і в усталеному режимі в закритому об'ємі гранична температура повітря на відстані 50 мм від скла колби у напрямку, перпендикулярному поздовжньої осі лампи не повинна перевищувати 250 ° C. 

Повторне запалювання лампи ДРШ 100-2 можливо протягом 5 хвилин з моменту її виключення. 

Через не менше 7 хвилин після запалювання лампа ДРШ 100-2 досягає вихідних параметрів, зазначених у (табл. 1) при номінальній потужності 

100 Вт. Допускається використання джерела живлення постійного струму з напругою холостого ходу 60-120 В. У цьому випадку послідовно з лампою ДРШ 100-2 включається баластний опір, що обмежує струм лампи 6-8 А. Запалювання лампи при цьому здійснюється шляхом подачі напруги на електроди лампи. Потім до колби лампи необхідно підвести електрод індуктора і включити останній на час не більше 30 с. Довжина іскри індуктора повинна бути 10-15 мм. Після виникнення самостійного розряду в лампі індуктор вимикається. 

Кварцове скло колби лампи ДРШ 100-2 легко втрачає свою прозорість при забрудненні його поверхні, наприклад, від дотику руками, від попадання вологи і т. д. Тому перед включенням лампи необхідно протерти колбу марлею, зволоженою спиртом. 

При користуванні лампою ДРШ 100-2 повинні бути вжиті заходи для захисту персоналу від дії ультрафіолетового випромінювання.

Загалом лампи типу ДРШ застосовуються в різних освітлювальних і оптичних приладах для одержання вузького пучка світла великої інтенсивності. Лампи мають лінійний спектр, частка червоного світла у видимому випромінюванні при розряді сягає 6-10%. Включаються в мережу послідовно з баластними опором. На (рис. 4.1) видно, що в УФ - діапазоні лампа випромінює всього 1% світла із загального випромінювання.




Рис. 4.1. Спектральні лінії ртутної лампи з розрахованими площами кожного піку.



4.2 Лампа ДНаС 18



Лампа ДНаС 18 є дуговою натрієвою спектральною розрядною лампою низького тиску. Лампа ДНаС 18 має колбу з скла СЛ 97-1, всередині якої знаходиться трубка з натрієво-стійкого скла - випромінювач, який наповнений строго дозованою кількістю металевого натрію і аргону. Дуговий розряд відбувається в парах натрію. Лампа ДНаС 18 є джерелом, що випромінює жовте світло в діапазоні спектра з довжинами хвиль 589 і 589,6 нм і застосовується в спектроскопії, рефрактометрії, поляриметрії, хімії, світлотехніці, а також в медичній техніці і лабораторному обладнанні.


Таблиця 4.2. Характеристика лампи ДНаС 18

Номінальна напруженість (В)

220

Номінальна потужність (Вт)

18

Номінальна напруженість на лампі (В)

19

Номінальна яскравість (кд/м²)

100·10³

Тип цоколя

E27/30

Робоче положення при експлуатації 

Вертикальне, цоколем вниз

Напруженість на дроселі (В)

215

Струм через дросель (А)

1,05

Час запалювання лампи з моменту подачі напруженості не менше 210 В, не більше (хв.)

1

Пауза до повторного запалювання не менше (хв.)

15

Час виходу на граничні характеристики (час розпалювання) не більше (хв.)

15

Середня тривалість горіння не менше (год.)

200

Мінімальна тривалість горіння не менше (год.)

100

Габаритна довжина не більше (мм)

165

Діаметр колби не більше (мм)

33

Маса лампи не більше (кг)

0,08



Лампа ДНаС 18 застосовується в якості еталонної лампи в поляриметрах, спектрофотометрах.

Лампа ДНаС 18 має включатися в мережу послідовно з баластними дроселем. Натрій - хімічно активний метал. При попаданні на металевий натрій вологи відбувається його займання, що може викликати опіки, тому при заміні ламп слід дотримуватися обережності і не допускати її розбивання. Установку і заміну, а також підключення ламп ДНаС 18 необхідно робити тільки в сухих рукавичках при відключенні приладу від мережі живлення.




Рис. 4.2. Спектральна залежність довжини хвилі натрієвої лампи від потужності


Висновки



В даній курсовій роботі було висвітлено загальні характеристики різних джерел випромінювання в оптичній спектроскопії (ультрафіолетова, видима, інфрачервона область спектру). 

За характером випромінюваного спектру джерела світла можна розділити на джерела суцільного спектру і на джерела лінійного спектру.

Суцільний спектр - континуум - випромінюють нагріті тіла: штифт Нернста, лампи розжарення, газорозрядні джерела на вільних зв’язаних переходах в молекулах. Лінійний спектр - випромінюють всі джерела, в яких порушуються атоми і молекули, що входять до складу навколишнього простору або до складу електродів, між якими здійснюється розряд – газорозрядні металогалогенні, ртутні, натрієві лампи. 

Натрієва лампа низького тиску типу ДНаС-18 (Дугова Натрієва Спектральна), що генерує спектр атомарного натрію, а також газорозрядна ртутна кварцова лампа надвисокого тиску з природним охолодженням ДРШ 100-2 (Дугова Ртутна шарова), застосовуються для отримання спектру ртуті і додаткового калібрування монохроматора спектрофотометра СФ-26.

Ці лампи цікаві тим, що їх відрізняє висока інтенсивність спектральних ліній і висока чистота спектру, тобто відсутність ліній домішок або ліній іонів, що дає можливість досліджувати якісний спектр.

Попереднє ознайомлення з даними лампами являється основою у подальшому їх вивченні на практиці. 

	
Список використаної літератури



1. Бобчук Л.Г. Прикладная оптика: Учеб. пособие для приборостроительных спеціальностей вузов / Л.Г. Бебчук, Ю.В. Богачев, Н.П. Заказнов. – Москва. – 1988. – С. 36 – 42. 

2. Тарасов К.И. Спектральные прибори. 2-е издание, дополнительное и переработаное «Машиностроение» / К.И. Тарасов. – Ленинград. – 1977. – С. 239 – 254. 

3. Панков С.Е. Производственное Объединение учебной техники «ТулаНаучПрибор», Изучение спектра атома натрия. Изучение тонкой структуры енергетических уровней сложных атомов на примере атома натрия / С.Е. Панков. – Россия, г. Тула. -2008. - web-страница: http://www.physexperiment.narod.ru. 

4. Майорова О.В. Учебное пособие «Светотехника» / О.В. Майорова, Е.Е Майоров, Б.А. Туркбоев. - Санкт-Петербург. – 2005. –С. 31 -76. 

5. Близнюк В.В. Квантовые источники излучения. / В.В. Близнюк, С.М. Гвоздев. – Москва. – 2006. – С. 55 – 223. 

6. Козлов М.Г.. Светотехнические измерения. изд. «Петербургский ин-т печати» / М.Г. Козлов, К.А. Томский. - Санкт-Петербург. – 2004. – С. 320.

7. Ишанин Г.Г. Основы светотехники. / Г.Г. Ишанин, М.Г. Козлов, К.А. Томский. - СПб.: Береста. - 2004. – С. 292.




Додаток 1. Спектральні характеристики джерел випромінювання



	

Рис. 1. Вихідний спектр ксенонової лампи XE-2000 





Рис. 2. Вихідний спектр джерела світла – DHc (Compact Deuterium Halogen Light Source)




Рис. 3. Вихідний спектр джерела світла – DH-S (Deuterium-Halogen Light Source)





Рис. 4. Вихідний спектр каліброваних джерел світла DHS-Cal і HAL-Cal




Рис. 5. Вихідний спектр для різних флуоресцентних світлодіодів





Рис. 6. Вихідний спектр HAL-вольфрам-галогенне джерело світла




Рис. 7. Спектральний розподіл різних світлових джерел





Рис. 8. Спектральні лінії ртуті та аргону, випромінювані джерелом світла CAL-Spectral calibration source


Таблиця. 1. Сила світла (кд) для деяких джерел випромінювання

Найменування джерела

Сила світла, кд

Керосинова лампа

5

Електрична лампа розжарювання освітлювальна 100 Вт

120

Електрична лампа дзеркальна 500 Вт 5000

5000

Електрична лампа прожекторна 1000 Вт 2200

2200

Люмінесцентна лампа типу ЛД 15 Вт 45

45

Зенітний дугового прожектор діаметром 1,5 м 1,5 ⋅ 109

1,5⋅109