热辐射源23气体放电光源课件

第第2章章 光电检测中光电检测中的常用光源的常用光源第2章 光电检测中的常用光源1第第2章章 光电检测中的常用光源光电检测中的常用光源2.1 光源的特性参数光源的特性参数2.2 热辐射源热辐射源2.3 气体放电光源气体放电光源2.4 固体发光光源固体发光光源2.5 激光器激光器第2章 光电检测中的常用光源2.1 光源的特性参数2一、太阳一、太阳二、黑体模拟器二、黑体模拟器三、白炽灯三、白炽灯2.2 热辐射源热辐射源一、太阳二、黑体模拟器三、白炽灯2.2 热辐射源3太阳太阳直径直径约为约为1.392109m。它到地球的。它到地球的年平均距离年平均距离是是1.4961011m。从地球上观看太阳时，太阳的从地球上观看太阳时，太阳的张角张角只有只有0.533o。太阳太阳光谱能量光谱能量分布相当于分布相当于5900K左右的黑体辐射。左右的黑体辐射。其平均其平均辐亮度辐亮度为为2.01107Wm-2sr-l 平均平均亮度亮度为为1.95109cdm-2。辐射到地球上的阳光，穿过大气层，在光谱空间分布、辐射到地球上的阳光，穿过大气层，在光谱空间分布、能量大小、偏振状态等方面发生变化。大气在不同程度能量大小、偏振状态等方面发生变化。大气在不同程度上吸收太阳辐射上吸收太阳辐射,见下图见下图。在大气层外，太阳对地球的在大气层外，太阳对地球的辐照度值辐照度值在不同的光谱区所在不同的光谱区所占的百分比为占的百分比为 紫外区紫外区(0.78m)47.29 一、太阳一、太阳太阳直径约为1.392109m。它到地球的年平均距离是1.4太阳的光谱能量分布曲线太阳的光谱能量分布曲线太阳的光谱能量分布曲线5v二、黑体模拟器二、黑体模拟器v1、绝对黑体绝对黑体：吸收比等于：吸收比等于1、能发射所有波长的辐射源叫、能发射所有波长的辐射源叫绝对黑体，绝对黑体是一种理想辐射源。绝对黑体，绝对黑体是一种理想辐射源。v2、黑体模拟器黑体模拟器：温度特性和光谱特性酷似理想黑体的特：温度特性和光谱特性酷似理想黑体的特性，这种辐射源常称为黑体模拟器，也称基准辐射源，其性，这种辐射源常称为黑体模拟器，也称基准辐射源，其温度可以很精确地控制在设定值上。如图所示温度可以很精确地控制在设定值上。如图所示二、黑体模拟器63 3、黑体模拟器的结构：、黑体模拟器的结构：、黑体模拟器的结构：、黑体模拟器的结构：如下图所示如下图所示实际应用中，基准辐射源称为实际应用中，基准辐射源称为实际应用中，基准辐射源称为实际应用中，基准辐射源称为黑体炉黑体炉黑体炉黑体炉，由石墨制成，外壁包上较厚一层可长由石墨制成，外壁包上较厚一层可长由石墨制成，外壁包上较厚一层可长由石墨制成，外壁包上较厚一层可长时间承受工作高温的热绝缘材料，以时间承受工作高温的热绝缘材料，以时间承受工作高温的热绝缘材料，以时间承受工作高温的热绝缘材料，以利用保温。利用保温。利用保温。利用保温。采用采用电加热线圈电加热线圈加热，其线圈绕制、加热，其线圈绕制、排列保证均匀加热。此外，腔体内置排列保证均匀加热。此外，腔体内置有高精度的有高精度的热电偶或热电阻热电偶或热电阻，用其检，用其检测辐射器空腔内的温度测辐射器空腔内的温度目前的黑体模拟器目前的黑体模拟器最高工作温度最高工作温度最高工作温度最高工作温度3000k3000k，实际应用，实际应用，实际应用，实际应用2000k2000k3、黑体模拟器的结构：如下图所示7下下图图给给出出了了几几种种工工程程黑黑体体的的典典型型结结构构。由由下下图图可可见见，工工程程黑黑体体的的内内腔腔呈呈简简单单的的几几何何形形状状球球形形、锥锥形形、圆圆柱柱形形，或者是这些形状的组合。或者是这些形状的组合。为为了了使使温温度度均均匀匀稳稳定定，全全辐辐射射器器空空腔腔的的几几何何尺尺寸寸中中l/dl/d1.51.5。内腔的长度为。内腔的长度为L,L,出口直径为出口直径为d d。下图给出了几种工程黑体的典型结构。由下图可见，工程黑体的内腔81、白炽灯白炽灯：光电测量中最常用的光源之一。白炽灯发射的：光电测量中最常用的光源之一。白炽灯发射的是连续光谱。是连续光谱。发光特性稳定、寿命长和量值复现方便发光特性稳定、寿命长和量值复现方便，因，因而也广泛用作各种辐射度量和光度量的标准光源。而也广泛用作各种辐射度量和光度量的标准光源。（1）真空钨丝灯真空钨丝灯：2300-2800k，发光效率，发光效率10lm/w。钨熔。钨熔点点3680k，进一步增加白炽灯的工作温度会导致钨的蒸发率，进一步增加白炽灯的工作温度会导致钨的蒸发率急剧上升从而使寿命骤减。急剧上升从而使寿命骤减。（2）充气钨丝灯充气钨丝灯：氩、氮等惰性气体：氩、氮等惰性气体。钨蒸发原子，惰性。钨蒸发原子，惰性原子与钨原子碰撞，返回一些钨原子，提高工作温度原子与钨原子碰撞，返回一些钨原子，提高工作温度2700-3000k，发光效率，发光效率17lm/w。三、白炽灯三、白炽灯1、白炽灯：光电测量中最常用的光源之一。白炽灯发射的是连续光9（3）卤钨灯卤钨灯：充入卤钨剂。钨和玻璃壳附近的卤素：充入卤钨剂。钨和玻璃壳附近的卤素合成卤钨化合物，扩散到温度较高的钨丝边，分解成合成卤钨化合物，扩散到温度较高的钨丝边，分解成卤素和钨，钨又沉积在灯丝上，而卤素扩散到温度较卤素和钨，钨又沉积在灯丝上，而卤素扩散到温度较低的灯泡壁区域再继续与钨化和。提高效率，色温达低的灯泡壁区域再继续与钨化和。提高效率，色温达到到3200k，发光效率，发光效率30lm/w。（3）卤钨灯：充入卤钨剂。钨和玻璃壳附近的卤素合成卤钨化合物101、定义、定义:也称气体灯，也称气体灯，利用气体放电原理制成的光源称为利用气体放电原理制成的光源称为气体放电光源。气体放电光源。2、气体放电原理：、气体放电原理：在泡壳内的气体在电场的作用下激励出电子在泡壳内的气体在电场的作用下激励出电子和离子，电子和离子从电场中获得能量分别向阴极和阳极运动，它们和离子，电子和离子从电场中获得能量分别向阴极和阳极运动，它们与气体原子或分子碰撞时会激励出新的电子和离子。这一过程中会引与气体原子或分子碰撞时会激励出新的电子和离子。这一过程中会引起原子的激发，受激原子回到低能级时就会发射出辐射。起原子的激发，受激原子回到低能级时就会发射出辐射。2.3 2.3 气体放电光源气体放电光源1、定义:也称气体灯，利用气体放电原理制成的光源称为气体放电11v3、气体放电光源的优点、气体放电光源的优点（1）发光效率高发光效率高。比同瓦数的白炽灯发光效率高。比同瓦数的白炽灯发光效率高210倍。倍。（2）由于不靠灯丝发光，电极可以做得）由于不靠灯丝发光，电极可以做得牢固紧凑耐震、抗冲牢固紧凑耐震、抗冲击击。（3）寿命长寿命长。一般比白炽灯寿命长。一般比白炽灯寿命长210倍。倍。（4）光色适应性强光色适应性强，可在较大范围内选择。，可在较大范围内选择。v 由于上述特点，气体放电光源具有很强的竞争力，在光电测由于上述特点，气体放电光源具有很强的竞争力，在光电测量和照明中得到广泛使用。量和照明中得到广泛使用。v气体放电灯不足之处气体放电灯不足之处：冷态阻抗大，起动后阻抗又急剧变小的特点，冷态阻抗大，起动后阻抗又急剧变小的特点，其特性类似于电弧特性。启动后内阻太小，不得不采用限流措施，即所其特性类似于电弧特性。启动后内阻太小，不得不采用限流措施，即所谓用谓用镇流器镇流器来限制电流，使得灯具的接线较白炽灯麻烦得多。来限制电流，使得灯具的接线较白炽灯麻烦得多。3、气体放电光源的优点 12一、脉冲灯一、脉冲灯(弧光放电）弧光放电）二、原子光谱灯二、原子光谱灯(辉光放电）辉光放电）三、汞灯三、汞灯几种典型的气体放电光源几种典型的气体放电光源一、脉冲灯(弧光放电）几种典型的气体放电光源13脉冲灯脉冲灯2、脉冲灯的脉冲灯的结构和工作电路原理结构和工作电路原理如图所示，脉冲灯的灯管外绕有如图所示，脉冲灯的灯管外绕有触发丝触发丝。工作时在触发。工作时在触发丝上施加高的丝上施加高的脉冲电压脉冲电压，使灯管内产生电离火花线，火，使灯管内产生电离火花线，火花线大大减小了灯的内阻，使灯花线大大减小了灯的内阻，使灯“着火着火”。电容。电容C中储中储存着大量能量可在极短的时间内通过脉冲灯，产生极强存着大量能量可在极短的时间内通过脉冲灯，产生极强的闪光。的闪光。v1、脉冲灯的特点、脉冲灯的特点v在极短的时间内发出很强的光辐射。在极短的时间内发出很强的光辐射。v亮度高为亮度高为10101011 cd/m2,闪光时间为闪光时间为msns，除激光外，除激光外，脉冲灯是最亮的光源。脉冲灯是最亮的光源。脉冲灯2、脉冲灯的结构和工作电路原理1、脉冲灯的特点14氙氙灯灯是是由由充充有有惰惰性性气气体体-氙氙的的石石英英泡泡壳壳内内两两个个钨钨电电极极之之间的高温电弧放电而发出强光的光源。间的高温电弧放电而发出强光的光源。特特点点：（1）氙氙灯灯的的辐辐射射光光谱谱是是连连续续的的，与与日日光光的的光光谱谱能能量分布相接近量分布相接近(见右下图见右下图)，（2）色色温温约约6000K左左右右，显显色色指指数数90以以上上，因因此此有有“小小太阳太阳”之称。之称。氙氙灯灯分分为为长长弧弧氙氙灯灯、短短弧弧氙氙灯灯和和脉脉冲冲氙氙灯灯三三种种。长长弧弧氙氙灯灯的发光效率为的发光效率为2530lmW3、脉冲、脉冲氙灯氙灯氙灯是由充有惰性气体-氙的石英泡壳内两个钨电极之间的高温154、脉冲氘灯、脉冲氘灯氘灯是一种氘灯是一种热阴极弧光放电灯热阴极弧光放电灯氘氘灯灯的的外外形形及及其其紫紫外外光光谱谱分分布布图图。氘氘灯灯的的紫紫外外线线辐辐射射强强度度高高、稳稳定定性性好好、寿命长，因此常用作各种紫外分光光度计的连续紫外光源。寿命长，因此常用作各种紫外分光光度计的连续紫外光源。5、脉冲灯的应用、脉冲灯的应用由于高亮度，可以广泛用作由于高亮度，可以广泛用作(高速高速)摄影摄影光源、光源、激光器的光泵激光器的光泵和和印刷制版印刷制版的光源，的光源，目标显示及测速。目标显示及测速。4、脉冲氘灯氘灯是一种热阴极弧光放电灯5、脉冲灯的应用16原子光谱灯原子光谱灯1、结构、结构原子光谱灯又称原子光谱灯又称空心阴极灯空心阴极灯，其结构如下图所示。阳极和圆筒形，其结构如下图所示。阳极和圆筒形阴极封在玻壳内，玻壳上部有阴极封在玻壳内，玻壳上部有透明石英窗。工作时窗口透射出透明石英窗。工作时窗口透射出放电辉光，其中主要是阴极金属的原子光谱。放电辉光，其中主要是阴极金属的原子光谱。原子光谱灯1、结构172、特点、特点是属于是属于冷阴极低气压冷阴极低气压正常正常辉光辉光放电灯放电灯空心阴极放电的电流密度比正常辉光高出空心阴极放电的电流密度比正常辉光高出100倍以上，电倍以上，电流大，温度不高，因此发光谱线强度大，波长宽度小。流大，温度不高，因此发光谱线强度大，波长宽度小。金属钙的原子光谱波长为金属钙的原子光谱波长为42267nm，带宽，带宽33nm左右，输左右，输出的光稳定。出的光稳定。3、原子光谱灯的应用、原子光谱灯的应用是引出标准谱线的光束，确定标准谱线的分光位置，以及是引出标准谱线的光束，确定标准谱线的分光位置，以及确定吸收光谱中的特征波长等。用于元素，特别是微量元确定吸收光谱中的特征波长等。用于元素，特别是微量元素光谱分析的装置中。素光谱分析的装置中。2、特点18三、汞灯三、汞灯1、汞灯的分类：、汞灯的分类：汞灯分低压汞灯、高压汞灯和超高压汞灯三类汞灯分低压汞灯、高压汞灯和超高压汞灯三类2、汞灯的、汞灯的光谱能量分布光谱能量分布（1）低压汞灯）低压汞灯:汞蒸气压小于汞蒸气压小于0.8Pa，放电时主要，放电时主要辐射线为：辐射线为：185.0 nm和和253.7nm,主要是汞元素原主要是汞元素原子的特征谱线子的特征谱线 三、汞灯1、汞灯的分类：汞灯分低压汞灯、高压汞灯和超高压汞灯19v（2）高压汞灯）高压汞灯:灯内的汞蒸气压约为灯内的汞蒸气压约为15Pa，由于在高，由于在高气压时相邻原子接近，原子之间的相互作用增强，产生气压时相邻原子接近，原子之间的相互作用增强，产生了谱线的压力加宽和多普勒加宽，辐射的光谱中了谱线的压力加宽和多普勒加宽，辐射的光谱中有很强有很强的连续成份的连续成份，紫外辐射明显减弱，而可见辐射增加，紫外辐射明显减弱，而可见辐射增加（2）高压汞灯:灯内的汞蒸气压约为15Pa，由于在高气压20（3）超高压汞灯）超高压汞灯:灯内的汞蒸气体大于灯内的汞蒸气体大于10200Pa热辐射源23气体放电光源课件21