Fényforrások
29.
fejezet
Optikai rendszerek tervezésekor alapos vizsgálat alá kell venni a rendszerben alkalmazott fényforrásokat is, hiszen az optikai rendszer többi elemének tervezése nagymértékbenfügg az alkaImazott elektromágneses sugárzás hullámhosszától és intenzitásától. A fény keletkezését, elektromágneses hullám lévén,várakozásaink szerint az elektromos töltések sebességvá|tozása okozza. A mindennapi életben fellelhető fényforrások nagyobbik részénéltöbb-kevesebb pontossággal alkalmazhatók is az elektronok rezgésére és keringésérevonatkozó elméletek, azonban a fénykibocsátás leírásának pontosabb elméleteinélfigyelembe kell vennünk a fény részecsketermészetét és a kvantummechanika törvényszerűségeit is. A leggyakrabban előfordu|ó fényfonások általában az alábbi két nagy csoport egyikébe sorolhatók, bár a csoportok között nincs éles határvonal: - Termikus fényforrások esetében a fénykibocsátás a magas hőmérséklet eredménye.
- Elekü,omos kisülés gáztéren keresztül, amikor a fénykibocsátás a feszültség hatására létrejövő ionizációk és ütközések eredménye. A fényforrások egy speciális típusával, alézerrel a24. fejezet foglalkozik.
29.1.
A fényforrások hatásfoka
A fényforrásaink jelentős részénéla kistrgárzott energiának csak kis része A fénykibocsátás gazdaságosságának megítélésekorfigyelembe ke1l esik a látható fény tartományába. A nagyobbik tész a vilrágítás szempontjából elvész. így a hatásfok alacsony marad. A fotometriával, illetve ra- venni az emberi szem spektrális érzékenységét is, diometriával foglalkozó, 28. fejezetben megismert összefüggósek alapján a szem legnagyobb érzékenységénekmegfelelő 555 nm-es zöld színnél azt találjuk, hogy a fény teljesítményegyenértéke 680 lumen /watt. Vagyis A valós helyzet ennél sokkal roszennyi lenne az elérhető legnagyobb fényhasznosítás, ha a forrás csak ezen például az egy huIlámhosszon sugározna.
egy 30 wattos izzó fényhasznosítása csak kb. 2o/o. szabb,
638
A világítástechnika fejlődésében a fentiek alapján a nagyobb hatásfok eléréseérdekében egyre nagyobb hőmérsékletű termikus slgárzókat használnak. A hatásfokjavításának másik módja, hogy olyan sugárzókat használjunk, amelyek energiájuk jelentős részétalátható tartományban bocsátják ki. Ezek többnyire gázkisüléseken, illetve lumineszcencián alapulnak. 29.2. Abszolút fekete test a valóságban természetesen nem létezik,
Gyakorlati megvalósításakor, egy a sugárzást át nem eresztő, belül kormozott falú edényen kis lyukat fúrnak. A lyukon át behatoló sugárzás az alacsony reflexiójú falakbn való többszörös diffúz visszaverődések következtében gyakorlatilag abszorbeálódik, mielőtt a lyukból kijutna.
Az abszolút fekete test sugárzása
A
folyamatos spektrális eloszlású fényforrások legáltalánosabb péIdája a magas hőmérsékleten izz6 szilárd test, Tapasztalataink azt mutaüák, hogy a sugárzás erőssége a növekvő hőmérséklettel szintén nő, és a sugárzás intenzitásának maximuma, spektrálisan a hőmérséklet növekedésével a rö-
videbb hullámhosszak felé tolódik el. A termikus fényforrások vizsgálata során általánosan használt modell az abszolűí fekete test, amely minden hullámhosszon minden sugárzást egyformán elnyel. A küIönböző hőmérsékletű abszolút fekete testek sugárzási görbéit a 29.I. ábra mutaíja. A fekete testek sugárzására több törvényszerűséget is taláItak. Az első az ttgynevezett Steían-Boltzmann-törvény, miszerint a teljes sugárzási energia a hőmérséklet negyedik batványával arányos:
Ao
konstans a mérések szerint 5,673 .10-8 J/m2 s Ka, és
Eteljes
=
Í
'^Ol,,
ahol E; a spektrális energiasűrűség,
(z9.L)
A második fontos törvény szeriíség W. Wien nevéhez tőződik, aki l893-
ban elméleti úton kimutatta, hogy az abszolút fekete test maximális E^ t
E^
t
,i (Á)
5000
l0 000
15 000
29.1. óbra.
Különböző
hőmérsékletűabszolút fekete test sugdrzási görbéi
),6)
639
FENYFORRASOK
emissziójához tafioző hrrllámhossz ().,,o*) az abszolút hőmérséklettel fordítottan arányos. vagyis:
iT=
const = 2,89'7 . 10-3m K,
A sugárzás maximuma
(29.2.)
tehát növekvő
hőmérséklet esetén a rövid hullá-
mok irányába tolódik el. Magának az alaptörvénynek a megalkotása Planck nevéhez fűződik: 29,1. ábra)
E,eli=
A
(L
, 'r'r|-!l) ol tte -
Planck féle sugárzási törvény elméleti megalapozásakor érdemes
megemlíteni, hogyan képzelték a termikus fényforrások keletkezését.A molekulák rendezetlen hőmozgásának energiája bizonyos mértékbenaz elektronoknak illetve az atomoknak adódik át. és ezeket rendszertelen rezgésekre gerjeszti. A rezgő töltések elektromágneses hullámokat bocsáta-
nak ki. ami mindenféle frekvenciát tartalmaz. Megfordítva, a beeső sugárzás hatására, a részecskék rezgésbe jönnek, tehát a sugárzásból energiát nyelnek el. amely vagy kibocsátódik. vagy az ütközések miatt hővé alakrrl. A törvény megalkotásakor Planck ana, a klasszikus fizika által megoldatlan, problémára igyekezett váIaszt adni, hogy az adott frekvenciával rezgő e|emi oszcillátorok nem vehetnek fel tetszőleges, folytonosan változó éríékeí,hanem csak egy legkisebb energiakvantumnak, az egész számú többszöröseit.
29.3.
A
A Nap sugárzása
hómérsékleti sugárzók legalapvetó'bb példája központi csillagunk,
a Nap, Sugárzásának döntő többségét felületének egy viszonylag vékony
rétege, a fotoszféra bocsátja
ki.
Sugárzásienergia-eloszlása
a 6000 K
hőmérsékletű feketetest sllgárzásához hasonlít a legjobban. A Nap folytonos spektrális eloszlású színképébendiszkrét helyeken sötét, úgynevezett Fraunhoffer-féle vonalak figyelhetők meg. Ennek oka a Nap légkörében keresendő: a napkorona, vagy kromoszféra lényegesen alacsonyabb hőmérsékletű gázokbó| áll, mint a fotoszféra, és így elnyeli azoknak a hrrllámhosszaknak egy részétamelyek megegyeznek a gázok gerjesztési
energiaszint-különbségeivel. A Föld légköre szintén elnyel a sugárzásból bizonyos hullámhosszakat, és bizonyos tartományokban jelentős szóródást is okoz. Így a Nap sugárzásának spektrális eloszlása jelentős mértékben eltér a Föld felszínén és a légkörön kívül (l. 29.2. ábra).
A
sugárzás maximuma a látható fény tartományát 3800 K-nél éri el. míg az ultraibo|yát 7600 K-nél.
6.6262, l0,34 Js
P]anck-féle állandó. k = 1.3805. 10 23JlK a Boltzmanállandó c = 2,9979. 108 m/s a fény h =
a
sebessége
640 A csillagok színképétaz alábbiak s
zer i nt, o sztá|y
a
W
o
zz ák
:
Úlonnan fellángolt csillagok. szupernóvák
Rendkívül fonó, 50 000 K felszíni hőmérsékletű csi llagok 35 000 K felszíni hőmérsékletű csillagok B 20 000 K felszíni hőmérsékletű ún. héliumcsillagok
B,/ W )
-l
6000-8000 K felszíni hőnrérsékletű csillagok, a színképben egyre több fémvonallal 6000 K hőmérsékletű csillagok
M RN
S
nagyszámú sötét abszorpciós vonallal, ilyen a Nap is A színképeta fénrek sötét abszorpciós vonalai jellemzik. megjelennek a molekulák vonalai is. a hőmérséklet kb, 4500 K 3500 K hőmérsékletű vöröses csillagok, molekulaabszorpciós sávokkal Hidegebb ún. széncsillagok Ritkán elóforduló hideg csillagok színképtípusa
íi ]-\
o,2
0,1
Iit !t
,, lt
Kb, l0 000 K f'elszíni hőmér-
sékletű ún. hidrogéncsillagok, a színképben már megjelennek a fém- és hidrogénvonalak
\ l
í \cm-lmi
0.02
l
ili :l
0 0, 3
,N l .'l'§
llrl n '. llllY
llt r
l
-----.m--2
___--m=1 -tn=O 71\
{
|!
il
., ]
,lr"íl7
,tl
l|;
-
,N
I
!t
i\
0,5
0;7
0.9
-m-3
-_:.§
lí
§
1,1 1,3 1,5 1,7
I,9A(pm)
29.2. ábra.
A Nap sugórzósónak spektrólis elos<,lósa. m = 0 a légkörön kívül: m = l a Föld felszínén, a merőle ges beeséstlél ; m = 2 Nap dllása 60" ; m = 3 Nap áIldsa 7 0'
A Naphoz hasonlóan keletkezik a többi csillag fénye is, így fénykibocsátásuk spektrális eloszlása elsősorban az adotí égitest felületi hőmérsékletétől függ, ami általában a 3500-50 000 K tartományba esik.
29.4.Izzőlámpák A
mesterséges hőmérsékleti sugárzók leggyakoribb típusát a különféle izző|ámpák alkotják. Ezekben villamos árammal 1000-3000 K környékére felmelegített áramyezető izzószáL atomjai világítanak folytonos spektrális eloszlássa]. Az izzószáI áItalában spirál, vagy dupla spirál alakítra húrzott volfrámszál, ameIyet iiveg- vagy kvarcburában helyeznek el. A volfrámszáI méretei (hossz, keresztmetszet) az izzó teljesítményéthaífuozzák meg, míg hőmérséklete és felületének nagysága a kisugárzott energiát, A lámpa élettartamát a volframszálnak a magas hőmérséklet miatti, párolgása határozza meg. A párolgás hatása kettős: egyrészt a száI átmérőjét csökkentve végül is meghibásodáshoz vezet, másrészt a burán lecsapódó anyag a lámpa hatásfokát csökkenti. Ez a fényáramcsökkenés a lámpa é|etíafiamasorán elérheti a 2}Vo-ot is. A párolgás csökkentésére a burát semleges gázzal (pl. nitrogén vagy argon) töltik fel, ez azonban ahővezetés miatt veszteséget is okoz. Ha az izzószálas lámpán a feszültséget növeljük, a fényáram jelentősen növelhetó, viszont az élettartam ugrásszerúíen csökken. Hasonló módon az alulfűtött izzók éIettaríama.ielentősen növelhető.
FÉNYFORRÁSOK
0,50 öo \o
9, o.+s oo
O
{
l600" o,+o
l 800"
# o.zs
2000" 2200" 240U, 2600" 2800,
!
oo \o
a.
\a)
.y
€ €
o
K K K K K K K
o.:o
í o.zs 0,20
0.2 0,3 o,4
0,5
o,0 0,8
1,2
t,0
29.3. óbra. hőmé rs ékl etű voWdm.szóIak kibocsátóképe
KüIönböző
L., R
1,6
2.0
2.63,0
ss ége
1,0
0,8 0,6
W
1r^ 1,1 0,3
-y
o,2 0,1
0,08 0,06
0.04 0,03 0,02 0,01
,/
,/
^"§
,AE>
a6§Y
---7 Á"
,/
#"
0,008 0,006 0.004 0,003 0.002 0,001
o,4
0,5
0,6
0,7
7 @m)
29.4. ábra. KüLön.böz,ő
hőmérsékletű volfrómszólak spektrális .felületi .féttl,síírűsége
641
642
A burában így kialakuló ciklus, jelentősen megnöveli az élettartamot, és a iámpa fényáramcsökkenését is m e gakadályoz za, egy útta| lehetővé
teszi a magasabb izzőszál-hőmérsékletek elérését,és így a nagyobb fényhasznosítást és fényáramot.
Az izzőIámpák egy speciális csoportját alkotják a ha\ogénizzók. Itt az élettartam növelése céljából a |ámpát halogénelem-tartalmú gázzal töltik fel. A halogén anyaggal azelpárolgő volfrámrészecskék reakcióba lépnek, a burára kicsapódó fémhalogénvisszadiffundáI az izzószálba. Az ízzószál az abszolút fekete test sugárzásával szemben ítgynevezett szürke testnek tekinthető. Ennek sugárzási eloszlása alátható tartományban megközelítőleg olyan, mint a hasonló hőmérsékletű fekete testé, de a kisugárzott összes intenzitás kevesebb. A volfrámszál emisszióképességét különböző hőmérsékleteken a 29.3. óbra, míg spektrális energiaeloszlásukat a 29,4. ábra mutaíja.
29.5.
Elektromos kisülés gázokban
Ha egy semleges részecskéket tartalmazó gáztérre feszüItséget kapcsolunk, alaphelyzeíben nem jön létre megfigyelhető változás. Ha azonban a
térben szabad elektronok is jelen vannak, ezek a feszültség hatására felgyorsulva, és az atomokkal illetve molekulákkal ütközve, gerjesztett állapotot hoznak létre, és sugárzást bocsátanak kt.Ez az alapelve a gázklsid,léses lámpáknak. A gázcsíben ahőmozgás és a külső sugárzáshatására létrejövő szabad töltések száma viszonylag kevés, így a szabad elektronok forrása elsósorban a katód, ahonnan az alábbi jelenségek hatására léphetnek ki a töltések: -hőhatására létrejövő emisszió a katód fűtésének segítségével - megfelelően nagy térerő hatására létrejövő emisszió - másodlagos emisszió, amit a katódba becsapódó pozttív ionok hoznak létre.
Ha a gfutérben a feszültség nagyobb, mint az első gerjesztett állapothoz tartoző minimális gerj esztési feszültség, monokromatikus fénykibocsátás jön létre a,l frekvenciával. á a planck féle állandó, és e az elektron töltése.
@:h2neU A feszüItséget növelve magasabb gerjesztési állapotok is létrejönnek,
és
további hullámhosszakon is energia sugiárzódik ki. Amikor a feszültség nagyobb mint az ionizációs potenciál, a részecskékionizálódnak az ütközések következí,ében, és az így keletkező pozitív és negatív töltések az anód és a katód felé gyorsulva tovább növelik az átamot. Alacsony nyomáson az elektronok és az ionok rekombinációjának valószínűsége kicsi, és a katódba csapódó ionok további elektronok kiválását okozzák.
Amikor
ez a másodlagos emisszió elegendően nagy a kisülési áram fenntartásához, parázs kisülésről, vagy más néven glimmkisülésről beszélünk.
643
FENYFORRASOK
A parázskisülést állandó áramsűrűség jellemzi. Ha növekszik az áram, növekszik a kisülési keresztmetszet, míg a feszültség állandó marad. Ha feszültséget tovább növeljük, a glimmkisülés átmegy ívkisüIésbe. ami hirtelen feszültségcsökkenéssel jár, jelezve egy másfajta elektronemissziós jelenség kialakulását. Ívkisülésesetén a katódba csapódó pozitív ionok annyira felhevítik az QlektíódáL hogy a hő hatására kilépő elektronok tartják fenn a folyamatos kisülést. Az energlát egyrészt a nagy hőmérsékletűelektródok, másrészt az ív 4000-8000 K hőmérsékletű plazmája sugározzaki.
29.6. Gázkisülő lámpa
A
gázkisülő lámpák. vagy közismert nevükölr a neoncsövek, alacsony nyomású gázzal tö|tött, hideg elektródás fényfonások. A neontöltésű cső piros, a héliumtöltésű narancsos fénnyel vil^ágít. Higany hozzáadásáva| a neon fénye kékesfehénétehető. Színes üvegcsövet alkalmazva, szinte tetszőleges színű fény hozható létre.
A
csőben a gáz nyomása 0,5 és 10 Hgmm között van. A gyújtási feV kömyékén yan, az üzemi feszültség kb. 1000 V.
szültség 3000
29.7 .
Nagyintenzitású ívlámpák
A folyamatos fényű mesterséges fényforrások közül az ívlámpák tatják a legnagyobb fényteljesítményt. A szén-, és a nagynyomású
szolgáIhiganyés xenonív fénye megközelíti, illetve néha meg is haladhatja a Nap fényességót ( 1 500 cdlmm2).
A nagynyomású higanyívlámpák zárt térbenhozzák létre a kisülést, rendkívül nagy fényerót biztosítva. A nagy teljesítmény miatt folyamatos hűtést igényel nek. További
hátrányuk, hogy robbanásveszélyesek, így csak megfelelő mechanikai foglalással, v éd6hánban használhatóak. Spektrális eloszlásuk erősen vonalas karakterisztikáj ú (I. 29. 7. óbra.)
1000
l200 1600
29.5. ábra. 2, 5 kW te lj e s ítmény ű
hi
g
any - xe
non
ív fé ny
e s s
ég e l o
s
zló sa
644
k
É N
E. {oj
1012.21.7llol4-o
0,300 0,400 0,500 0,600 0,700 0,800 0,900 Hullámhossz (p) 29.6. óbra. Nagynyomás ú hi ganyívlótnpa spektrdlis eloszlósa
A nagy intenzitású ívfénylámpák legrégebben használt típusa szénelektródával működött. Vetítőgépekben, színpad megvilágításnál, légvédelmi reílektorokban alkalmazták. Az ívet szabad térben, levegőn hozták |étre. Az elektródák fogyása miatt a szénrudakat folyamatos előtolással mozgatni kellett, hogy az elektródatávolság állandó maradjon. A higanyív vonalas spektrumának javítására jó eredménnyel használhatók bizonyos semlege§ gázok. Ezek alapján fejlesztették ki a nagynyomású gázívlárnpák családját, amelyek a |átható tartományban egyenletesnek tűnő spektrális eloszlást mutatnak,
