Оптичні випромінюючі прилади (стр. 1 из 5)

Курсова робота

Оптичні випромінюючі прилади

2008р.

1. Загальні положення

Спектр електромагнітних хвиль

Спектр електромагнітних хвиль можна поділити на декілька діапазонів, що об’єднують випромінювання з досить близькими властивостями (рис.1).

Рис.1.Спектр електромагнітних хвиль

Гама-випромінювання виробляється збудженими ядрами атомів, а також в результаті взаємоперетворень деяких елементарних частить. Особливість гама-випромінювання – яскраво виражені корпускулярні властивості.

Радіохвилі – генеруються при коливаннях вільних електричних зарядів і мають основні особливості класичних хвиль.

Оптичне випромінювання у різних умовах має як хвильові, так і корпускулярні властивості. Усередині оптичного діапазону виділяють чотири зони: рентгенівську, ультрафіолетову, видиму та інфрачервону.

Рентгенівське випромінювання відкрите у 1895 р. К. Рентгеном, виникає при гальмування швидких електронів у речовині. Головна особливість такого випромінювання – його висока проникна здатність.

Ультрафіолетове випромінювання відкрите у 1801 р. Й. Ріттером проявляє інтенсивну фотохімічну, біологічну та фотоелектричну дію та викликає світіння деяких кристалів.

Видиме випромінювання безпосередньо приймається людським оком та має фотохімічну, біологічну та фотоелектричну дію. До цієї частини спектру використовується термін „світло”.

Інфрачервоне випромінювання відкрите у 1800 р. В. Гершелем. Для нього найбільш характерна теплова дія, хоча при взаємодії з речовиною мають місце також фотоелектричні та інші ефекти.

Теплове випромінювання

Теплове випромінювання є джерелом випромінювання різних типів в залежності від абсолютної температури тіла. Спектр та інтенсивність теплового випромінювання визначаються двома законами.

Закон Стефана-Больцмана визначає інтенсивність випромінювання в залежності від абсолютної температури абсолютно чорного тіла. Він має вигляд:

I = σT⁴,

де I – інтенсивність випромінювання, Т – абсолютна температура, σ – постійна Стефана-Больцмана, її значення дорівнює 5,67·10^-8 Вт/м²К⁴.

Закон зміщення Віна визначає довжину хвилі, на якій має місце найбільш інтенсивне випромінювання. він має вигляд:

λмакс = b/T,

де λмакс – довжина хвилі найбільш інтенсивного випромінювання, b – постійна Віна, що дорівнює b = 2898 мкм·К, Т – абсолютна температура.

Обидва закони ілюструються графіками спектрів теплового випромінювання абсолютно чорного тіла рис.2, де 1 – при температурі 6000°К, 2 – при температурі 4000°К, 3 – при температурі 2000°К, 4 – при температурі 1000°К, 5 – при температурі 600°К, 6 – при температурі 300°К, 7 пряма, що ілюструє закон зміщення Віна.

Рис.2. Спектри теплового випромінювання

На рис.2 двома тонкими вертикальними лініями виділена зона видимого випромінювання, яке бачить людське око. Як бачимо, випадки 5 та 6 дають випромінювання. яке людина не бачить. У випадку 4 невелику частину випромінювання людина вже бачить (розігрітий до 700°С, або 1000°К метал вже світить червоним світлом). У випадку 3 світіння вже стає більш рівномірним, людина його бачить як жовте. Але найбільш рівномірне світіння у діапазоні людського зору у випадку 1. Це температура поверхні Сонця, до якого пристосований людський зір. Таке світіння людина бачить як біле. Велика частина випромінювання Сонця заходить в ультрафіолетову зону.

У якості джерел видимого та інфрачервоного випромінювання часто використовують лампи розжарення. Для виготовлення ниток розжарення звичайно використовують вольфрам з різними присадками. Температуру нитки можна довести до 3000°С (між кривими 2 та 3 на рис.2). В процесі роботи вольфрам випаровується з нитки. Щоб запобігти цьому у колбу лампи вводять деяку кількість галогену (йод або бром). Галогенні лампи мають більше випромінювання, більший строк роботи та менші розміри.

На рис.3 наведений баланс енергії лампи розжарення.

З нього видно, що лампа розжарення перетворює у випромінювання 86% енергії, але у видиме світло перетворюється тільки 12% енергії. Інші 74% перетворюються в інфрачервоне світло. Це означає, що така лампа – ідеальне джерело тепла, тому її застосовують для сушіння пофарбованих виробів. 14% - втрати у цоколі та виводах лампи.

Рис.3. Баланс енергії лампи розжарення

Види люмінесценції

Термін «люмінесценція» введений у 1889 р. Е. Відеманом для позначення випромінювання тіла, що є надмірним над його температурним випромінюванням. Але це дуже широке визначення, під нього підпадають такі види випромінювання як комбінаційне розсіяння та ін.

Для власне люмінесценції С.І. Вавілов запропонував використовувати критерій тривалості. За його визначенням люмінесценція – випромінювання, надмірне над його тепловим випромінюванням при даній температурі, що продовжується після припинення збудження на протязі часу, що перевищує період світлових коливань.

Люмінесценція виникає при спонтанних переходах атомів, молекул або іонів та електронів твердого тіла зі збудженого стану у нормальний (не збуджений). По тривалості процесу розрізняють флуоресценцію (короткочасне світіння) та фосфоресценцію (тривале світіння).

Існує декілька видів люмінесценції.

Фотолюмінесценція – світіння речовини під дією зовнішнього оптичного випромінювання, звичайно видимого або ультрафіолетового. Якщо довжина хвилі фотолюмінесценції співпадає з довжиною хвилі збуджуючого світла, то це називається резонансною люмінесценцією. Вона вперше була помічена Р. Вудом у 1904 р.

Катодолюмінісценція – світіння речовини при бомбардуванні його пучком швидких електронів. Цей вид люмінесценції був зареєстрований Ю. Плюккером у 1858 р.

Електролюмінісценція – світіння під дією електричного поля, завжди пов’язана з протіканням через речовину електричного струму. Відкрита О.В. Лосєвим у 1923 р.

Радіолюмінесценція – світіння деяких речовин під дією продуктів радіоактивного розпаду (α-, b- та g- променів) та космічного випромінювання.

Хемілюмінесценція - світіння речовин при екзотермічних хімічних реакціях.

Кристалолюмінесценція – світіння деяких кристалів при механічному стисненні.

Триболюмінесценція – світіння твердих тіл при терті.

Іонолюмінесценція – світіння розчинів деяких речовин при проходженні через них ультразвукових хвиль.

Сонолюмінесценція – світіння речовин при кавітаційній дії звукових хвиль.

Люмінесценція у газах – світіння газу при малих тисках під дією електричного поля.

Інжекційна люмінесценція – світіння напівпровідників при проходженні струму через p-n перехід.

Лазерна люмінесценція – світіння, що виникає при резонансному збудженні в деяких середовищах.

Серед цих видів люмінесценції не усі використовуються у техніці. Для технічних потреб необхідно, щоб вихід світла був якнайбільший на одиницю витраченої потужності. Тому, у подальшому будуть розглянуті лише деякі з видів люмінесценції.

2. Катодолюмінісценція

Це люмінесценція, що виникає при збудженні люмінофору електронним пучком. Початкова назва пучка електронів – катодні промені, звідси термін катодолюмінісценція. Найкращу здатність до катодолюмінісценції мають кристалофосфори, бо вони стійки до дії електронного пучка та дають достатню яскравість світіння.

Для збудження катодолюмінісценції достатньо, щоб енергія збуджуючих електронів в 1,5 разів перевищувала іонізаційний потенціал кристалофосфора. Але застосування таких повільних електронів не дозволяє одержати стійку катодолюмінісценцію, електрони дуже швидко заряджають поверхню люмінофору від’ємно, від чого нові електрони відштовхуються, гальмуються та гублять енергію. При великих енергіях електронів на поверхні люмінофору виникає вторинна електронна емісія, заряд люмінофора уноситься вторинними електронами. Тому на практиці застосовуються пучки електронів з енергією від 100 еВ до 25 кеВ, а в деяких випадках, наприклад в оптичних квантових генераторах – до 1 МеВ.

Електрони, що мають високу енергію, взаємодіючи з атомами гратки люмінофору, іонізують їх, створюючи друге покоління електронів, які, у свою чергу, іонізують інші атоми. цей процес продовжується доти, доки енергія вирваних з атома електронів достатня для іонізації. Електрони гальмуються у тонкому шарі люмінофору (менше за 10^-4 см), тому щільність збудження дуже велика. В результаті іонізації утворюються дірки і електрони мігрують по гратці та можуть захоплюватись центрами освітлення. При рекомбінації на центрах свічення електронів та дірок і виникає катодолюмінісценція. Центри свічення при катодолюмінісценції такі ж, як при фотозбудженні, тому спектр катодолюмінісценції аналогічний спектру фотолюмінесценції. ККД катодолюмінісценції звичайно складає 1-10%, головна частина енергії електронного пучка переходить у тепло.

Кристалофосфори – неорганічні кристалічні люмінофори. Вони світяться під дією світла, потоку електронів, радіації, електричного струму і т.і. Здатність кристалофосфорів світитись обумовлена наявністю забороненої зони в енергетичному спектрі кристалу, тому катодолюмінофорами можуть бути тільки напівпровідники та діелектрики. У склад кристалофосфорів входять у малих концентраціях домішки – активатори. Активатори і дефекти кристалу створюють центри свічення. Тривалість свічення кристалофосфорів коливається у широких границях – від 10^-9 с до декількох годин. В залежності від активатора спектр люмінесценції кристалофосфорів може змінюватись від ультрафіолетового до інфрачервоного.

Основою кристалофосфорів служать сульфіди, селеніди та телуріди Zn, Cd, оксиди Ca, Mn, лужно-галоїдні та деякі інші сполуки. В якості активаторів використовують іони металів (Cu, Co, Mn, Ag, Eu, Tu і т.і.) Синтез кристалофосфорів здійснюють звичайно розжарюванням твердої шихти. Комбінуючи активатори та основи можна синтезувати кристалофосфори для перетворення різних видів енергії у видиме світло потрібного цвіту з високим ККД (до десятків процентів). Наприклад, створені кристалофосфори, що перетворюють інфрачервоне випромінювання у видиме. Порошкоподібні кристалофосфори використовуються у люмінесцентних лампах, екранах телевізорів та осцилографів, електролюмінісцентних панелях тощо. На рис.4 показана схема електронно-променевої трубки, яка є прикладом катодолюмінісценції.