Облучательная техника. Источники излучения, облучательные приборы и установки

                ОБЛУЧАТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА




ИСТОЧНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ, ОБЛУЧАТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И УСТАНОВКИ


Учебное пособие













Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.32:628.9
ББК 22.33
    0-18

Авторы:
Железникова 0. Е., Коваленко 0. Ю., Микаева С. А., Овчукова С. А., Журавлева Ю. А.

Рецензенты:
          профессор кафедры цифровых и аддитивных технологий
Института перспективных технологий и индустриального программирования Российского технологического университета (МИРЭА) д-р техн. наук, проф. П. Н. Шкатов;
заведующий базовой кафедрой источников света Института электроники и светотехники Национального исследовательского Мордовского государственного университета (ФГБОУ ВО «МГУ им. Н. П. Огарева») д-р техн. наук, доц. А. А. Ашрятов


0-18 Облучательная техника. Источники излучения, облучательные приборы и установки : учебное пособие / [Железникова О. Е. и др.]. -Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 144 с. : ил., табл.
          ISBN978-5-9729-1422-7

          Изложены вопросы, связанные с теорией и практикой функционирования облу-чательной техники. Рассмотрены принцип действия, конструкции, технические характеристики источников излучения и облучательных приборов. Приведены основные формулы, диаграммы, графики, таблицы, а также примеры для выполнения расчетов облучательных установок.
          Для студентов вузов, обучающихся по направлению «Электроника и наноэлектроника» направленности «Теоретическая и прикладная светотехника», «Электроэнергетика и электроника» направленности «Электроснабжение», «Промышленные электронные устройства», «Контроль промышленных электронных устройств», а также для студентов других технических вузов.

                                                         УДК 621.32:628.9
                                                         ББК 22.33







ISBN 978-5-9729-1422-7

     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
     © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

        СОДЕРЖАНИЕ


ВВЕДЕНИЕ..................................................4

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ВЕЛИЧИНЫ............................5
1.1. Оптическое излучение.................................5
1.2. Приемники оптического излучения......................7
1.3. Энергетические и эффективные системы величин.........8

2. ИСТОЧНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ...................................17
2.1. Источники теплового излучения. Лампы накаливания....17
2.2. Разрядные лампы.....................................23
    2.2.1. Разрядные лампы низкого давления..............25
    2.2.2. Разрядные лампы высокого давления.............32
2.3. Светодиоды..........................................40

3. ОБЛУЧАТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И УСТАНОВКИ.....................45
3.1. Основы расчета облучательной установки..............45
3.2. Облучательные приборы и установки для профилактического облучения.........................51
3.3. Облучательные приборы и установки ультрафиолетового обеззараживания воздуха.................................65
3.4. Облучательные приборы и установки ультрафиолетового обеззараживания воды....................................79
3.5. Облучательные установки защищенного грунта..........88
3.6. Инфракрасные облучательные установки................96
3.7. Установки комбинированного излучения...............101
3.8. Рециркулятор аэролит...............................103

4. РЕГУЛИРОВАНИЕ ПОТОКА ИЗЛУЧЕНИЯ В ОБЛУЧАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВКАХ..............................117
4.1. Способы регулирования и схемы......................117
4.2. Таймеры и контроллеры..............................120

Список литературы.......................................126
Приложение А ...........................................130
Приложение Б ...........................................133
ПриложениеВ ............................................135
Приложение Г............................................139
Приложение Д ...........................................140

3

        ВВЕДЕНИЕ


      Область спектра оптического излучения включает три части: ультрафиолетовую, видимую и инфракрасную. Область видимого излучения, где приемником является глаз человека, наиболее изучена. Ультрафиолетовое и инфракрасное излучение не воспринимается глазом, но может воздействовать на живые организмы, растения, различные органические и неорганические вещества. Это позволяет широко использовать источники ультрафиолетового и инфракрасного излучения в облучательных установках во многих сферах народного хозяйства. Об-лучательные установки позволяют осуществлять роль технологического фактора в постоянно меняющемся промышленном и сельскохозяйственном производстве, улучшать качество и повышать количество выпускаемой продукции, повышать производительность труда, экономить электроэнергию.
      В учебном пособии изложена эволюция развития облучательных установок, собран аналитический, теоретический материал, даны основные формулы, диаграммы, графики, таблицы. Материал по источникам излучения сопровождается обоснованным объяснением физики происходящих в них процессов. Расчеты облучательных установок изложены лаконично, но в достаточной для определения основных параметров форме, содержат практические примеры.
      Учебное пособие может быть использовано при изучении специальных дисциплин, в курсовом и дипломном проектировании студентами направления «Электроника и наноэлектроника».


4

        1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ВЕЛИЧИНЫ



    1.1. ОПТИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

     Излучение (радиация) является одной из форм существования материи в виде электромагнитного поля. Характерной особенностью излучения является корпускулярно-волновой дуализм.
     Фотон - элементарная частица излучения, энергия которой (квант) а = hv, где h = 6,626-10⁻³⁴ Дж-с - постоянная Планка; v - частота излучения, Гц.
     В вакууме фотоны движутся со скоростью света со = 2,9979-10⁸ м/с - максимальной скоростью, с которой может двигаться элементарная частица материи. Корпускулярные свойства фотона определяются его массой mф = а/со² и импульсом Рф = hv/со. Волновые свойства фотона описываются частотой и длиной волны. Длина волны фотона в вакууме X = co/v.
     Генераторами излучения являются движущиеся молекулы и атомы.
     Монохроматическое излучение - совокупность выделяемых источником излучения фотонов, обладающих практически одинаковой длиной волны.
     Сложное излучение состоит из совокупности монохроматических излучений.
     Оптическое излучение (ОИ) - это электромагнитное излучение с длинами волн примерно от 1 нм до 1 мм, лежащими в области между рентгеновскими лучами и радиоизлучением.
     Оптическая область спектра делится на ультрафиолетовую (УФ), видимую (Вид.) и инфракрасную (ИК), изображенные на рисунке 1.1.


Рис. 1.1 — Диапазон оптического излучения

5

     Ультрафиолетовое излучение (УФИ) — оптическое излучение, длины волн монохроматических составляющих которого лежат в пределах от 100 до 380 нм. МКО предлагает следующее деление УФИ с длинами волн от 100 до 400 нм: УФ-А - от 315 до 400 нм; УФ-В - от 280 до 315 нм; УФ-С - от 100 до 280 нм.
     Видимое излучение (свет) — излучение, которое, попадая на сетчатую оболочку глаза, может вызвать зрительное ощущение (превращение энергии внешнего раздражителя в факт сознания). Видимое излучение имеет длины волн монохроматических составляющих в пределах 380—780 нм.
     Инфракрасное (ИК) излучение имеет длины волн монохроматических составляющих в пределах от 780 нм до 1000 мкм. МКО предлагает следующее деление: ИК области излучений: ИК-А - от 780 до 1400 нм; ИК-В - от 1400 до 3000 нм; ИК-С - от 3000 до 10б нм (от 3 мкм до 1 мм).
     Спектр излучения. - совокупность монохроматических излучений, входящих в состав сложного излучения. Спектр излучения может описываться графической, аналитической или табличной зависимостями.
     Сплошной спектр - монохроматические составляющие которого заполняют без разрывов интервал длин волн, в пределах излучения.
     Полосатый спектр - монохроматические составляющие которого образуют дискретные группы (полосы), состоящие из множества тесно расположенных монохроматических излучений.
     Линейчатый спектр - состоящий из отдельных, не примыкающих друг к другу монохроматических излучений.
     Поток излучения Фе - мощность излучения (для описания потока излучения в дальнейшем будет также использовано обозначение Fₑ) , т. е.

Фе = dQJdt                          (1.1)

Фе(А,аЛ~) = Qₑ(A,dA)/dt,

где Qе, Qₑ (A, dA) - энергии сложного и монохроматического излучений, испускаемые за время dt (в дальнейшем будут также использованы обозначения Wе, We (A, dA); Фе, Фе (Л, dA) - потоки сложного и монохроматического излучений (в дальнейшем будут также использованы обозначения Fₑ,Ле (Л, dA), Вт.

     Монохроматический поток излучения иногда измеряется также числом квантов в единицу времени.
     Для описания распределения потока излучения по спектру пользуются спектральной плотностью потока излучения

ФеЛ = Фе(А^А)^А                       (1.2)

     Во многих случаях размеры источника излучения (ИИ) намного меньше расстояния от него до облучаемого объекта, поэтому правомерно рассматривать условный точечный источник излучения, т. е. такой, размеры которого настолько малы по сравнению с расстоянием до приемника, что ими можно 6

пренебречь при расчетах. Если принять за точечный ИИ равномерно излучающий круг диаметром d, то погрешность при расчетах в зависимости от расстояния l от круга до приемника составляет около 9 % при l/d = 3 и около 4 % при l/d =5.
     Излучение источника распространяется в некотором телесном угле.
     Телесный угол m - часть пространства, ограниченная незамкнутой поверхностью. Часто используются телесные углы, ограниченные разными коническими поверхностями (рис. 1.2). Мерой телесного угла с вершиной в центре сферы является отношение площади сферической поверхности dA, на которую он опирается, к квадрату радиуса сферы г. За единицу телесного угла, стерадиан (ср), принят центральный телесный угол, вырезающий участок сферы, площадь которого равна квадрату ее радиуса.


Рис. 1.2 — К понятию и расчету телесного угла

     Элементарный зональный телесный угол dm ограничен двумя соосными


коническими поверхностями, образующие которых смещены на угол da:


dm = dA/r2= 2ftsin ada.               (1.3)

     Зональный телесный угол, для которого ai — a2 =Aa, равен

Am = 2л Jₐ ² sina da = 2 л (cos aA — cosa₂)    (1.4)
                        ¹

    1.2. ПРИЕМНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

     Приемником энергии излучения является прибор, в котором происходит преобразование оптического излучения. Основная характеристика приемника -чувствительность.


7

     Чувствительность приемника Sn характеризует реакцию приемника на падающий на его приемную поверхность поток излучения:

Sn = саеЦэ,                        (1-5)

где с - коэффициент пропорциональности; ае- коэффициент поглощения приемником потока излучения; рэ - энергетический выход преобразования приемника излучения-

     Спектральная чувствительность приемника Sn х по аналогии с Sn может быть определена так:
Sn х = сахрэх,                     (1-6)

где ах - спектральный коэффициент поглощения приемником монохроматического потока излучения; рэх - энергетический выход преобразования приемника монохроматического излучения.

     Относительная спектральная чувствительность приемника излучения V отношением спектральной чувствительности приемника излучения к максимальной спектральной чувствительности этого же приемника Sx max:

Vl = ⁵k/⁵kmax                      ⁽¹-7⁾

     Для создания систем величин и единиц пользуются образцовыми приемниками, мера реакции которых на облучение должна отвечать следующим требованиям:
     1)       подвергаться непосредственному или косвенному измерению с достаточной степенью точности;
     2)       при облучении монохроматическим излучением относительная спектральная чувствительность Vt должна оставаться постоянной;
     3)       при облучении сложным излучением мера реакции должна однозначно определяться чувствительностью приемника Se.
     Каждая эффективная система величин строится на основании функции относительной спектральной чувствительности Vt и максимальной спектральной чувствительности образцового приемника Si max.



    1.3. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ

    И ЭФФЕКТИВНЫЕ СИСТЕМЫ ВЕЛИЧИН


     Основной энергетической характеристикой излучающих систем является поток излучения (мощность излучения) Фe (Fе), измеряемый в Вт.
     Под потоком излучения Фe (Fе) понимают энергию излучения dQe ((dWe), переносимую потоком фотонов в единицу времени dt:


8

Фе = dQe/dt ИЛИ Fе = dWe/dt,


(1-8)

где Фе (Fs) - мгновенное значения потока излучения.


      Одной из систем эффективных величин является система световых величин. Для этой системы характеристикой образцового приемника является относительная спектральная световая эффективность излучения для стандартного фотометрического наблюдателя МКО для дневного зрения V(X) и ночного зрения V’(X), представленные на рис. 1.3. Зависимость V(X) определена для поля зрения, равного 2°. Кривые V(X) и V(X) сдвинуты относительно друг друга, что объясняется различием

Рис. 1.3 — Кривые функций относительной спектральной световой эффективности монохроматического излучения для дневного V(X) и ночного V'(k) зрения

     Максимум функции дневного зрения V(X) приходится на длину волны X = 555 нм. Максимальная спектральная чувствительность S zmax = 683 лм/Вт.
     Максимум функции ночного зрения V’(X) приходится на X = 507 нм. Максимальная спектральная чувствительность К’тса= 1700 лм/Вт.
     Относительная спектральная световая эффективность излучения для стандартного фотометрического наблюдателя МКО приведена в табл. 1А приложения А.
     Световой поток Ф — это эффективный поток, оцениваемый действием на образцовый приемник (орган зрения) спектральной, спектральная чувствительность которого нормализована функциями относительной спектральной световой эффективности излучения V(l) - для дневного зрения и V'(l) - для ночного. Световой поток характеризует мощность световой энергии.
     Единица светового потока - люмен (лм); 1 лм соответствует световому потоку, излучаемому в единичном телесном угле точечным изотропным источником с силой света 1 кандела.
     Монохроматический световой поток

Ф(Л,^Л) =^тажФе(Л,^Ж = 683 Фе(Л,^М,               (1.9)

где Szmax - максимальная спектральная чувствительность для дневного зрения, Фе (i, di) - монохроматический поток излучения, Vi- относительная спектральная эффективность излучения.

9

      Световой поток сложного излучения источника определяется соотношением:

Ф = 683 )).'Фе, (2)E(2)d2,                   (1.10)

      Фех(Х) - спектральная плотность потока излучения.

      Сила излучения (')нергетическая сила света) Iₑₐp — пространственная плотность потока излучения, численно равная отношению потока излучения с!Фе к телесному углу dm, в пределах которого поток распространяется и равномерно распределяется:


leap = dФₑ/dШ


(1.11)

     Сила излучения определяет пространственную плотность излучения точечного источника, расположенного в вершине телесного угла (рис. 1.4, а). За направление Iₑₐp принимают ось телесного угла dw, ориентированную углами аирв продольной и поперечной плоскостях. Единица измерения силы излучения - Вт/ср.
     Распределение в пространстве потока излучения точечного источника однозначно определяется его фотометрическим телом — частью пространства, ограниченного поверхностью, проведенной через концы радиусов-векторов силы излучения. Сечение фотометрического тела плоскостью, проходящей через начало координат и точечный источник, определяет кривую силы света (КСС) источника для данной плоскости сечения. Если фотометрическое тело имеет ось симметрии, источник излучения характеризуют КСС в продольной плоскости (рис. 1.4, б).

а

б

Рис. 1.4 — К определению силы излучения (а),

кривая силы света в продольной плоскости (б)

     Сила света - характеризует пространственную плотность светового потока в заданном направлении lap и определяется отношением светового потока dФ к телесному углу dm в пределах которого заключен и равномерно распределен этот поток:


10

Iₐp = йФ/d


(1-12)

      Кандела (кд) - единица измерения силы света Кандела - сила света, испускаемого в перпендикулярном направлении с площади в 1/600000 м² поверхности полного излучателя при температуре затвердевания платины Т = 2045 К и давлении 101325 Па.
      Световой поток источника света определяется по КСС, если фотометрическое тело имеет ось симметрии. Если КСС 1(a) задана графиком или таблицей, расчет светового потока источника определяется выражением


Ф _ Si=l Iai Аы/./+1


(1-13)

где Iₐt - среднее значение силы света в зональном телесном угле; 4wPj₊ₗ = = 2л (cosat — cosa.t+1) (см. табл. 1.1).


Таблица 1.1 - Значения зональных телесных углов

              Граница телесного        Граница телесного              
а сред., град    угла, град.    Аы, ср    угла, град.    а сред., град
      5             0-10        0,095  179-180           175          
     15             10-20       0,283  160-170           165          
     25             20-30       0,463  150-160           155          
     35             30-40       0,628  140-150           145          
     45             40-50       0,774  130-140           135          
     55             50-60       0,897  120-130           125          
     65             60-70       0,993  110-120           115          
     75             70-80       1,058  100-110           105          
     85             80-90       1,091       90-100                  95

      Энергетическая, светимость (излучательность) — отношение потока излучения, исходящего из рассматриваемого малого участка поверхности, к площади этого участка:

dMₑ = d<bₑ/dS,Mₑcᵥ = феср/5,                (1.14)

где ЭФ.. и Ф е —потоки излучения, испускаемые участком поверхности dS или поверхностью S.

      Единица измерения энергетической светимости (Вт/м²) - поток излучения, испускаемый с1м² поверхности; эта единица названия не имеет.
      Светимость - отношение светового потока, исходящего от рассматриваемого малого участка поверхности, к площади этого участка:

dMₑ = dФₑ/dSₗ Мср = Ф cₚ/S,                 (1.15)

где ЭФ и Ф — световые потоки, испускаемые участком поверхности dA, или поверхностью S. Светимость измеряется в лм/м²- это световой поток, испускаемый с1м².


11