Πηγές οπτικής ακτινοβολίας

Πηγές οπτικής ακτινοβολίας (με άλλα λόγια, πηγές φωτός) είναι πολλά φυσικά αντικείμενα, καθώς και τεχνητά δημιουργημένες συσκευές στις οποίες ορισμένα είδη ενέργειας μετατρέπονται σε ενέργεια ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία με μήκος κύματος από 10 nm έως 1 mm.

Στη φύση, τέτοιες πηγές, που είναι από καιρό γνωστές σε εμάς, είναι: ο ήλιος, τα αστέρια, οι αστραπές κ.λπ. Όσο για τις τεχνητές πηγές, ανάλογα με το ποια διαδικασία οδηγεί στην εμφάνιση της ακτινοβολίας, είτε είναι αναγκαστική είτε αυθόρμητη, είναι δυνατότητα επιλογής συνεκτικών και ασυνάρτητων πηγών οπτικής ακτινοβολίας.

Συνεκτική και ασυνάρτητη ακτινοβολία

Λέιζερ αναφέρονται σε πηγές συνεκτικής οπτικής ακτινοβολίας. Η φασματική τους ένταση είναι πολύ υψηλή, η ακτινοβολία χαρακτηρίζεται από υψηλό βαθμό κατευθυντικότητας, χαρακτηρίζεται από μονοχρωματικότητα, δηλαδή το μήκος κύματος μιας τέτοιας ακτινοβολίας είναι σταθερό.

Η πλειονότητα των πηγών οπτικής ακτινοβολίας είναι ασυνάρτητες πηγές, η ακτινοβολία των οποίων είναι το αποτέλεσμα της υπέρθεσης μεγάλου αριθμού ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων που εκπέμπονται από μια ομάδα πολλών στοιχειωδών εκπομπών.

Οι τεχνητές πηγές οπτικής ασυνάρτητης ακτινοβολίας μπορούν να ταξινομηθούν ανάλογα με τον τύπο της ακτινοβολίας, ανάλογα με τον τύπο ενέργειας που μετατρέπεται σε ακτινοβολία, σύμφωνα με τη μέθοδο μετατροπής αυτής της ενέργειας σε φως, ανάλογα με το σκοπό της πηγής, σύμφωνα με συγκεκριμένο τμήμα του φάσματος (υπέρυθρο, ορατό ή υπεριώδες), ανάλογα με τον τύπο κατασκευής, τον τρόπο χρήσης κ.λπ.

Παράμετροι φωτός

Η οπτική ακτινοβολία έχει τα δικά της χαρακτηριστικά φωτός ή ενέργειας. Τα φωτομετρικά χαρακτηριστικά περιλαμβάνουν: ροή ακτινοβολίας, φωτεινή ροή, ένταση φωτός, φωτεινότητα, φωτεινότητα κ.λπ. Οι πηγές συνεχούς φάσματος διακρίνονται από τη φωτεινότητα ή τη θερμοκρασία χρώματός τους.

Μερικές φορές είναι σημαντικό να γνωρίζετε τον φωτισμό που παράγεται από την πηγή, ή κάποιο μη τυπικό χαρακτηριστικό, για παράδειγμα τη ροή φωτονίων. Οι πηγές παλμών έχουν συγκεκριμένη διάρκεια και σχήμα του εκπεμπόμενου παλμού.

Η φωτεινή απόδοση, ή η φασματική απόδοση, καθορίζει πόσο αποτελεσματικά η ενέργεια που παρέχεται στην πηγή μετατρέπεται σε φως. Τεχνικά χαρακτηριστικά, όπως ισχύς και ενέργεια εισόδου, διαστάσεις του φωτεινού σώματος, αντίσταση ακτινοβολίας, κατανομή φωτός στο χώρο και διάρκεια ζωής, χαρακτηρίζουν τις τεχνητές πηγές οπτικής ακτινοβολίας.

Οι πηγές οπτικής ακτινοβολίας μπορεί να είναι θερμικές με ένα φωτεινό σώμα που θερμαίνεται ισορροπίας σε συμπυκνωμένη κατάσταση, καθώς και φωταύγεια με ένα μη ομοιόμορφα διεγερμένο σώμα σε οποιαδήποτε αθροιστική κατάσταση. Ένας ειδικός τύπος είναι οι πηγές πλάσματος, η φύση της ακτινοβολίας στην οποία εξαρτάται από τις παραμέτρους του πλάσματος και το φασματικό διάστημα, και εδώ η ακτινοβολία μπορεί να είναι είτε θερμική είτε φωταύγεια.

Οι θερμικές πηγές οπτικής ακτινοβολίας διακρίνονται από ένα συνεχές φάσμα, τα ενεργειακά τους χαρακτηριστικά υπακούουν στους νόμους της θερμικής ακτινοβολίας, όπου οι κύριες παράμετροι είναι η θερμοκρασία και η εκπομπή ενός φωτεινού σώματος.

Με συντελεστή 1, η ακτινοβολία είναι ισοδύναμη με την ακτινοβολία ενός απόλυτου μαύρου σώματος κοντά στον Ήλιο με θερμοκρασία 6000 K. Οι τεχνητές πηγές θερμότητας θερμαίνονται με ηλεκτρικό ρεύμα ή από την ενέργεια μιας χημικής αντίδρασης καύσης.

Η φλόγα κατά την καύση μιας αέριας, υγρής ή στερεάς εύφλεκτης ουσίας χαρακτηρίζεται από ένα συνεχές φάσμα ακτινοβολίας με θερμοκρασία που φτάνει τους 3000 K λόγω της παρουσίας μικροσωματιδίων στερεού νήματος. Εάν τέτοια σωματίδια απουσιάζουν, το φάσμα θα είναι λωρίδα ή γραμμικό, τυπικό αέριων προϊόντων καύσης ή χημικών ουσιών που εισάγονται σκόπιμα στη φλόγα για φασματική ανάλυση.

Σχεδιασμός και εφαρμογή πηγών θερμότητας

Τα πυροτεχνήματα σηματοδότησης ή φωτισμού, όπως ρουκέτες, πυροτεχνήματα κ.λπ., περιέχουν συμπιεσμένες συνθέσεις που περιέχουν εύφλεκτες ουσίες με οξειδωτικό. Πηγές υπέρυθρης ακτινοβολίας είναι συνήθως κεραμικά ή μεταλλικά σώματα διαφόρων μεγεθών και σχημάτων που θερμαίνονται με φλόγα ή με καταλυτική καύση αερίου.

Οι ηλεκτρικοί εκπομποί του υπέρυθρου φάσματος έχουν σπείρες βολφραμίου ή νιχρώμιου, που θερμαίνονται με τη διέλευση ρεύματος και τοποθετούνται σε ανθεκτικά στη θερμότητα περιβλήματα ή γίνονται αμέσως με τη μορφή σπειρών, ράβδων, λωρίδων, σωλήνων κ.λπ. — από πυρίμαχα μέταλλα και κράματα ή άλλες συνθέσεις: γραφίτης, οξείδια μετάλλων, πυρίμαχα καρβίδια. Οι εκπομποί αυτού του τύπου χρησιμοποιούνται για θέρμανση χώρων, σε διάφορες μελέτες και σε βιομηχανική θερμική επεξεργασία υλικών.

Για τη φασματοσκοπία υπέρυθρης ακτινοβολίας, χρησιμοποιούνται πομποί αναφοράς με τη μορφή ράβδων, όπως η ακίδα Nernst και η Globar, που χαρακτηρίζονται από μια σταθερή εξάρτηση της εκπομπής από τη θερμοκρασία στο υπέρυθρο τμήμα του φάσματος.

Οι μετρολογικές μετρήσεις περιλαμβάνουν τη μελέτη των εκπομπών από μοντέλα απόλυτου μαύρου σώματος όπου η ισορροπία εκπομπής εξαρτάται από τη θερμοκρασία. Ένα τέτοιο μοντέλο είναι μια κοιλότητα που θερμαίνεται σε θερμοκρασίες έως 3000 K, κατασκευασμένη από πυρίμαχο υλικό συγκεκριμένου σχήματος με μικρή είσοδο.

Οι λαμπτήρες πυρακτώσεως είναι οι πιο δημοφιλείς πηγές θερμότητας ακτινοβολίας στο ορατό φάσμα σήμερα. Χρησιμοποιούνται για σκοπούς φωτισμού, σηματοδότησης, σε προβολείς, προβολείς, επιπλέον λειτουργούν ως πρότυπα στη φωτομετρία και την πυρομετρία.

Υπάρχουν περισσότερα από 500 τυπικά μεγέθη λαμπτήρων πυρακτώσεως στην αγορά σήμερα, που κυμαίνονται από μικροσκοπικούς έως ισχυρούς λαμπτήρες προβολέα. Το σώμα του νήματος κατασκευάζεται συνήθως με τη μορφή νήματος βολφραμίου ή σπείρας και περικλείεται σε μια γυάλινη φιάλη γεμάτη με αδρανές αέριο ή κενό. Η διάρκεια ζωής ενός τέτοιου λαμπτήρα συνήθως τελειώνει όταν καεί το νήμα.

Οι λαμπτήρες πυρακτώσεως είναι αλογόνου και στη συνέχεια ο λαμπτήρας γεμίζει με ξένο με την προσθήκη ιωδίου ή πτητικών ενώσεων βρωμίου, οι οποίες παρέχουν αντίστροφη μεταφορά εξατμισμένου βολφραμίου από τον λαμπτήρα - πίσω στο σώμα του νήματος. Τέτοιοι λαμπτήρες μπορούν να διαρκέσουν έως και 2000 ώρες.

Το νήμα βολφραμίου είναι τοποθετημένο εδώ μέσα σε ένα σωλήνα χαλαζία που θερμαίνεται για να διατηρήσει τον κύκλο αλογόνου. Αυτοί οι λαμπτήρες λειτουργούν στη θερμογραφία και την ξηρογραφία και μπορούν να βρεθούν σχεδόν οπουδήποτε εξυπηρετούν οι συνηθισμένοι λαμπτήρες πυρακτώσεως.

Στους λαμπτήρες ηλεκτρικού φωτός, η πηγή της οπτικής ακτινοβολίας είναι το ηλεκτρόδιο, ή μάλλον, η περιοχή πυρακτώσεως της καθόδου κατά τη διάρκεια μιας εκκένωσης τόξου σε έναν λαμπτήρα λαμπτήρα γεμάτο αργό ή σε εξωτερικούς χώρους.

Πηγές φθορισμού

Στις φωταυγείς πηγές οπτικής ακτινοβολίας, τα αέρια ή οι φώσφοροι διεγείρονται από τη ροή φωτονίων, ηλεκτρονίων ή άλλων σωματιδίων ή από την άμεση δράση ενός ηλεκτρικού πεδίου, που υπό αυτές τις συνθήκες γίνονται πηγές φωτός. Το φάσμα εκπομπής και οι οπτικές παράμετροι καθορίζονται από τις ιδιότητες των φωσφόρων, καθώς και από την ενέργεια διέγερσης, την ένταση του ηλεκτρικού πεδίου κ.λπ.

Ένας από τους πιο συνηθισμένους τύπους φωταύγειας είναι η φωτοφωταύγεια, στην οποία γίνεται ορατό το φάσμα ακτινοβολίας της κύριας πηγής Η υπεριώδης ακτινοβολία της εκκένωσης πέφτει στο στρώμα φωσφόρου και ο φώσφορος υπό αυτές τις συνθήκες εκπέμπει ορατό φως και σχεδόν υπεριώδες φως.

Οι λαμπτήρες εξοικονόμησης ενέργειας είναι απλά συμπαγείς λαμπτήρες φθορισμού που βασίζονται σε αυτό το φαινόμενο. Ένας τέτοιος λαμπτήρας 20 W δίνει μια φωτεινή ροή ίση με τη φωτεινή ροή ενός λαμπτήρα πυρακτώσεως 100 W.

Οι οθόνες καθοδικών σωλήνων είναι καθοδοφωταύγιες πηγές οπτικής ακτινοβολίας. Το πλέγμα με επικάλυψη φωσφόρου διεγείρεται από μια δέσμη ηλεκτρονίων που πετά προς αυτό.

Τα LED χρησιμοποιούν την αρχή της ηλεκτροφωταύγειας έγχυσης σε ημιαγωγούς. Αυτές οι πηγές οπτικής ακτινοβολίας κατασκευάζονται ως διακριτά προϊόντα με οπτικά στοιχεία. Χρησιμοποιούνται για ένδειξη, σηματοδότηση, φωτισμό.

Η οπτική εκπομπή κατά τη διάρκεια της ραδιοφωταύγειας διεγείρεται από τη δράση των ισοτόπων σε διάσπαση.

Χημειοφωταύγεια είναι η μετατροπή σε φως της ενέργειας των χημικών αντιδράσεων (βλ τύπους φωταύγειας).

Οι λάμψεις φωτός σε σπινθηριστές που διεγείρονται από γρήγορα σωματίδια, παροδική ακτινοβολία και ακτινοβολία Vavilov-Cherenkov χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση κινούμενων φορτισμένων σωματιδίων.

Πλάσμα αίματος

Οι πηγές οπτικής ακτινοβολίας πλάσματος διακρίνονται από ένα γραμμικό ή συνεχές φάσμα, καθώς και από ενεργειακά χαρακτηριστικά που εξαρτώνται από τη θερμοκρασία και την πίεση του πλάσματος, που εμφανίζονται σε ηλεκτρική εκκένωση ή σε άλλη μέθοδο παραγωγής πλάσματος.

Οι παράμετροι ακτινοβολίας ποικίλλουν σε μεγάλο εύρος, ανάλογα με την ισχύ εισόδου και τη σύνθεση της ουσίας (βλ. επίσης λαμπτήρες εκκένωσης αερίου, πλάσμα αίματος). Οι παράμετροι περιορίζονται από αυτήν την ισχύ και την αντίσταση υλικού. Οι πηγές παλμικού πλάσματος έχουν υψηλότερες παραμέτρους από τις συνεχείς.