Основы пиротехники (стр. 30 )

Излучение твердых и жидких тел подчиняется законам излучения абсолютно черного тела (далее АЧТ, см. § 6 в гл. VI). При высоких температурах (500° С и выше) оно аначительно уве -

* Это вычисление является приближенным, так как пламя не имеет правильной геометрической формы и размеры его во время горения изменяются.

личивается — появляется заметное на глаз световое излучение, т. е. тела начинают светиться.

Наличие в пламени осветительного состава накаленных твердых и жидких частичек, безусловно, необходимо, так как горячие пары и газы излучают .малое количество световой энергии.

В соответствии с законом Стефана — Больцмана энергия, излучаемая твердыми телами, быстро увеличивается с повышением их температуры.

Таблица 11.4 Яркость и светоотдача АЧТ при различных температурах

Температура, тысячи К	Яркость, сб	Световая отдача, лм/Вт	^Температура, тысячи К	Яркость. тысячи сб	Световая отдача, лм/Вт
1,6	2	0,2	2,8	1.	5	13,9
2,0	441	1,5	3.0	2.	9	19,2
2,2	130	3.2	3,5	9.	4	34,7
2,4	350	6,6	4,0	23.	4	50.3
2,6	779	9,4	5,0	84.	1	74

В табл. 11.4 показана зависимость яркости и светоотдачи абсолютно черного тела от температуры.

Спектральное распределение энергии излучения АЧТ (при 3000 К), излучения пламени типичного осветительного состава, а также кривая видности глаза показаны на рис. 11 .8.

Рис. 11.8. График распределения энергии по спектру:

1—АЧТ при 3000 К; 2—осветительный состав; 3—кривая видности человеческого глаза

Осветительные составы, имеющие температуру пламени ниже 2000° С, вообще применять нецелесообразно, так как они дают при горении очень мало световой энергии.

Горячие тела, спектральная кривая распределения энергии излучения которых аналогична кривой АЧТ, имеющего ту же температуру, но только с меньшими ординатами, называют серыми излучателями. К числу таких излучателей относят углерод и некоторые черные оксиды. Суммарная излучательная способность графита при температуре 100—1500° С составляет 52% от излучения АЧТ, нагретого до той же температуры.

Спектр излучения белых оксидов (MgO или А1203) является непрерывным; излучательная способность белых оксидов как монохроматическая, так и суммарная несколько меньше, чем у АЧТ (см. табл. 11.5).

Таблица 11.5 Излучательная способность оксидов при высоких температурах

		Излучательная способность оксидов в % от
		излучательной способности АЧТ
Формула	Температура,	Длина волны в мкм
оксидов	К
		0,700	0,600	0,500	0,450
А120з	1600	25	40	81	90
А120з	1900	33	50	89	99
MgO	1500	23	35	65	--
MgO	1900	41	53	65	00 00
ThO2	2000	47	48	49	50
ВеО	1700	08	19	45	--

Оксиды магния и алюминия при высокой температуре особенно интенсивно излучают в области коротких волн, где их излучение становится почти равным излучению АЧТ.

Кроме теплового излучения в лламени осветительных составов во многих случаях наблюдается и излучение люминесцентное.

Причиной его следует считать изменение энергетических свойств (уменьшение запаса энергии) электронов в атомах и молекулах.

Отсутствие или наличие люминесцентного излучения в пиротехнических пламенах может быть установлено в соответствии с критерием Вавилова — Видемана, согласно которому люминесценция четко отделяется от других процессов радиации. Вавилов рассматривает люминесценцию как избыток излучения над тепловым излучением тела в том случае, когда это избыточное излучение обладает конечной длительностью, значительно превышающей период световых колебаний.

Наличие в спектрах пламен осветительных составов отдельных линий и полос нельзя считать безусловным доказательством люминесцентного излучения, так как в данном случае линии и полосы могут быть обязаны своим происхождением и тепловому возбуждению атомов и молекул.

Я. вления люминесценции в пламени осветительных составов еще недостаточно изучены, ,и влияние м. нотих «пламенных» добавок на световые показатели пламени остается еще часто невыясненным.

§ 5. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ОСВЕТИТЕЛНЫМ СОСТАВАМ; ДВОЙНЫЕ СМЕСИ

При сгорании весовой единицы состава должно выделяться максимальное количество световой энергии, причем желательно, чтобы основная часть ее выделялась в спектральной области, к которой наиболее чувствителен человеческий глаз.

Достаточное количество лучистой энергии получается только при сгорании пламенных составов, выделяющих не менее 1,5 ккал/г (6,3 кДж/г). Эта цифра служит критерием для проверки правильности подбора компонентов осветительного состава.

Числовое значение светового к. п.д. определяется многими факторами: излучательной способностью продуктов горения, спектральным составом излучения, размерами и оптическими свойствами пламени, скоростью горения составов и др.

Для получения наибольших значений светового к. п.д. следует путем подбора рецепта состава и конструкции изделия стремиться к тому, чтобы образующееся при горении составов пламя имело максимальную температуру, содержало в. себе достаточное количество твердых или жидких частичек, хорошо излучающих свет в накаленном состоянии, имело наибольшую поверхность излучения.

Отметим, что количество световой энергии, излучаемой пламенем iB единицу времени, определяется средней яркостью пламени в нитах (стильбах) и поверхностью 'излучения в м2 (см2).

F лм=пB нит(cб) S м2 (ом2) *.

Все сказанное относится также и к мощности лучистого потока в спектральных пределах, более широких, чем область чувствительности человеческого глаза.

Одним из важнейших факторов, определяющих силу света, является температура пламени. Температура пламени, в свою очередь, тем выше, чем больше калорийность состава. Продукты горения должны быть устойчивыми при высоких температурах, с тем чтобы не затрачивалось большое количество тепла на их диссоциацию.

* Это справедливо лишь в первом приближении, так как свечение пламени является не плоскостным, а объемным; однако при достаточно больших размерах пламени и при большом коэффициенте поглощения собственного излучения пламена осветительных составов можно считать источниками поверхностного излучения, так как значительная часть излучения внутренних зон поглощается внешними слоями пламени.

Основой каждого состава является двойная смесь горючее — окислитель. Суммарное количество других компонентов в осветительных составах редко превышает 10—15%; поэтому качество состава в основном определяется выбором горючего и окислителя и установлением наивыгоднейшего соотношения между ними.

Выбор горючего. При рассмотрении горючих принима-ется во внимание не только количество тепла, выделяющееся при их сгорании, но и другие свойства как самого горючего, так и продуктов его окисления.

В качестве горючих для осветительных составов выбирают простые вещества (элементы), теплота образования 1 г оксида (Qa) которых составляет не менее 2,0 ккал (8,4 кДж).

Из табл. 3.1 видно, что к числу таких горючих относятся следующие вещества:

металлы Be, Mg, Al, Ca, Ti, Zr и неметаллы Н, С, В, Si; P.

При выборе горючего необходимо учитывать, что значительная часть продуктов их окисления должна плавиться при высокой температуре, не испаряться и не диссоциировать пр'и температуре горения, чтобы в пламени находилось значительное количество твердых и жидких. частиц.

Следовательно, продукты окисления горючего должны быть высокоплавятцимися и труднолетучимн веществами.

Водород, углерод и фосфор не удовлетворяют этому требованию и потому не могут быть применены в качестве основных горючих. Следует также заметить, что температура горения фосфора на воздухе не превышает 1500° С. Источники света, основанные на использовании горения органических веществ, 'имекп очень малую световую отдачу (не более 1 лм/Вт). Элементарный углерод при сгорании в кислороде дает световую отдачу всего 1,9 лм/Вт.

На практике едва ли могут быть использованы в качестве горючих в осветительных составах бериллий и цирконий. По количеству энергии, выделяющейся при сгорании, представляет интерес только бериллий.

Опыты по фотометрнрованию состава из 49% Zr и 51% Ва(МОз)2 .показали, что удельная светосумма для него получается равной Lo=7400 ев-с/г, т. е. даже еще меньшей, чем это можно было бы предполагать.

Бериллий в качестве горючего в осветительных составах тоже пока не дал положительных результатов.

Наибольшее количество тепла получается при сгорании в осветительных составах магния или алюминия. Оксиды этих металлов обладают, кроме того, хорошей излучательной способностью. Все это вместе взятое является достаточным основанием для применения в осветительных составах главным образом алюминия или магния, а также их сплавов или смесей.