Практическое занятие Экранирование потоков света и излучений

К Г Э У

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Практическое занятие

Экранирование потоков света и излучений

Практическое занятие № 3

Экранирование потоков света и излучений

Продолжительность практического занятия – 2 часа.

Цель практического занятия – Ознакомление с принципами экранирования электромагнитных излучений оптического диапазона и защиты от энергетических и световых загрязнений.

1. Естественный фон оптического излучения

В окружающей природной среде имеются источники оптического излучения, создающие шумовой, электростатический и электромагнитный естественный фон Земли. К основным источникам, создающим электромагнитный и шумовой фон, относится Солнце, магнитосфера и атмосферное электричество.

Среди главных естественных источников, создающих электромагнитный фон, основным является Солнце, играющее огромное значение для поддержания жизни на Земле. Солнце является центральным телом нашей планетной системы и ее основным источником энергии, которая возникает вследствие термоядерной реакции, протекающей в его ядре. Возможность протекания этой реакции обеспечивается чрезвычайно высокими давлениями (примерно 250 млрд. атмосфер) и температурами (примерно 1,5×108 К), возникающими вследствие собственной гравитации из-за гигантской массы Солнца, примерно равной 2×1030 кг, что составляет 99,87% всей массы Солнечной системы. Эффективная температура поверхности Солнца (фотосфера) составляет 5770 °С.

В результате реакции термоядерного синтеза, происходящей в ядре Солнца, возникает излучение очень высоких частот, которое за счет рассеяния, поглощения и других процессов по мере продвижения к периферийным областям Солнца испускается в виде квантов ультрафиолетового, видимого и инфракрасного диапазонов.

Ультрафиолетовое (УФ) излучение – электромагнитные волны с длиной волны 380-10 нм. Из всего спектра УФ излучения Солнца только небольшая длинноволновая часть достигает земной поверхности (l > 290 нм). Остальная часть всего УФ спектра, в особенности, коротковолновая, поглощается атмосферой. Основными поглотителями УФ излучения являются озон (высоты – 20-40 км), кислород, азот, водород и другие компоненты атмосферы (высоты – 30-200 км). Источниками УФ излучения также являются звезды и другие космические объекты.

Инфракрасное (ИК) излучение – излучение с длиной волны 700-1500 нм. Верхняя граница ИК диапазона определяется чувствительностью глаза. Нижняя граница условна и простирается до субмиллиметровых и миллиметровых волн. ИК излучение не воспринимается человеческим глазом, но ощущается кожей. Часто ИК излучение называют тепловым излучением.

Главным естественным источником ИК излучения является Солнце. При температуре внешней поверхности Солнца » 6000 К примерно 50 % энергии излучения приходится на ИК диапазон. К числу естественных источников ИК излучения также относятся действующие вулканы, термальные воды, процессы тепломассопереноса в атмосфере, все нагретые тела, лесные пожары и т. п.

2. Экранирование

Экранирование – способ снижения (подавления и ослабления) влияния внешних электромагнитных излучений.

В зависимости от необходимой степени экранирования применяют различные экраны. В ряде случаев роль экрана выполняет кожух устройства. Для сложных и громоздких установок часто применяют общее помещений (камер), внутри которых они находятся.

Часто в качестве экранов применяются ослабители (поглотители) света.

Ослабитель света – это оптическое устройство, предназначенное для ослабления светового потока или, в общем случае, потока излучения. Ослабители света изготовляются в виде сеток, диафрагм, рассеивающих пластин, вращающихся дисков с вырезами, твёрдых, жидких или газообразных поглощающих (абсорбционных) светофильтров, интерференционных светофильтров, фотометрических клиньев и т. д.

Ослабители света, не изменяющие относительного спектрального распределения проходящего через них света, называются нейтральными (неселективными), в противном случае – селективными. Последние служат для исправления спектрального состава или цветности излучения, в частности для выделения широких или узких участков спектра либо наоборот – их исключения из пропускаемого (реже – отражаемого) света.

Ослабители света широко применяются при световых измерениях и в спектрометрии (например, для уравнивания интенсивностей световых пучков или изменения спектральной чувствительности приёмников), а также в практических целях в светотехнике, в полиграфии, кинофототехнике и пр.

3. Выбор материалов для экранирования

Оптические свойства веществ (прозрачность, коэффициент отражения, коэффициент преломления) в инфракрасной области спектра, как правило, значительно отличаются от оптических свойств в видимой и ультрафиолетовой областях.

Многие вещества, прозрачные в видимой области, оказываются непрозрачными в некоторых областях инфракрасного излучения и наоборот. Например, слой воды толщиной в несколько см непрозрачен для инфракрасного излучения с l > 1 мкм (поэтому вода часто используется как теплозащитный фильтр). Пластинки германия и кремния, непрозрачные в видимой области, прозрачны в инфракрасной (германий для с l > 1, 8 мкм, кремний для l > 1,0 мкм). Чёрная бумага прозрачна в далёкой инфракрасной области.

Вещества, прозрачные для инфракрасного излучения и непрозрачные в видимой области, используются в качестве экранов или светофильтров для выделения инфракрасного излучения.

Ряд веществ даже в толстых слоях (несколько см) прозрачен в достаточно больших участках инфракрасного спектра. Из таких веществ изготовляются различные оптические детали (призмы, линзы, окна и пр.) инфракрасных приборов. Например, стекло прозрачно до 2,7 мкм, кварц – до 4,0 мкм и от 100 мкм до 1000 мкм, каменная соль – до 15 мкм, йодистый цезий – до 55 мкм. Полиэтилен, парафин, тефлон, алмаз прозрачны для l > 100 мкм.

4. Экранизированные лампы с арматурой

Экранизированные лампы с арматурой (рис. 1) представляют собой светильники и применяются в облучающих установках. Защитным углом q светильника считается угол между горизонтальной линией и пограничной линией.

Рис. 1. Схема к определению защитного угла q светильника

Защитный угол q светильника определяется из выражения:

, (2)

где h – расстояние от тела накала лампы до уровня выходного отверстия светильника;

R – радиус выходного отверстия светильника.

При этом размерами радиуса r кольца тела накала можно пренебречь.

Задача 1. Определить защитный угол светильника по заданию преподавателя. Предполагается замер реальных размеров экранизированной лампы.

Контрольные вопросы

1. Чем определяется естественный фон оптического излучения?

2. Охарактеризуйте Солнце в качестве естественного источника оптического излучения.

3. Охарактеризуйте оптический диапазон длин волн, излучаемых Солнцем.

4. Назовите искусственные источники оптического излучения.

5. Что называется экранированием?

6. Для чего применяются ослабители света?

7. Исходя из каких параметров, выбираются материалы для экранирования?

8. Как определяется защитный угол светильника?

Домашнее задание

1. Самостоятельно изучить тему «Ослепленность».

Литература

1. Куклев экология / Учеб. пособие, 2е изд., исправ. – М.: Высшая школа, 2003. – 357 с.

2. Потапов . – М.: Высшая школа, 2000. – 446 с.