Метод измерения и описание аппаратуры. Схема измерения температуры с помощью радиационного пирометра показана на рис

Схема измерения температуры с помощью радиационного пирометра показана на рис. 1. Здесь 1– нагретое тело, 2 – линза объектива, 3 – термоприемник, 4– милливольтметр.

Лучистый поток, испускаемый нагретым телом, фокусируется линзой объектива на термоприемник, который преобразует энергию излучения в электрическую. В качестве термоприемника в пирометре использована термобатарея, составленная из 10 хромель-никелевых термопар и имеющая вид «звездочки». Рабочие («горячие») спаи имеют вид стрелок и обращены к центру, образуя активный участок, на который проектируется изображение нагретого тела. Для увеличения поглощения лучистой энергии поверхность стрелок термобатареи, обращенная к падающему сфокусированному лучистому потоку, зачернена. Под действием излучения, испускаемого телом, рабочие спаи термобатарей нагреваются и температура их становится выше температуры «холодных» концов. Возникающая при этом термоЭДС измеряется электроизмерительным прибором (милливольтметром). Показания милливольтметра предварительно градуируются на градусы по известной температуре излучения а. ч. т. (градуировочный график приво

Предполагается, что температура «холодных» концов термопар постоянна. На самом деле она зависит от температуры окружающей среды, в частности, от температуры корпуса термоприёмника. Отклонение температуры корпуса от нормальной, при которой производилась градуировка пирометра, вызовет погрешности при измерении температуры объекта. Чтобы свести эту погрешность к минимуму, параллельно термопаре включается сопротивление из медной проволоки, намотанной на корпус термобатареи и меняющей свое сопротивление при колебаниях температуры. Принципиальная блок-схема установки приведена на рис. 2.

Поскольку пирометр измеряет температуру по величине полной испускательной способности, существенным является вопрос о выборе размеров излучателя 1 и расстояния от пирометра (ПИР) до него. Необходимым условием правильных показаний является условие полного перекрытия спая термопары изображением раскаленного тела. Учитывая это обстоятельство, расстояние от ис

Порядок выполнения работы

1. Навести пирометр (ПИР) на источник излучения так, чтобы центры термобатареи и изображения излучателя совпадали (смотреть через отверстие в торце пирометра).

2. Установить необходимое значение падения напряжения на лампе, регулируя выходное напряжение источника питания (И.П.). Записать показания вольтметра V и амперметра A в таблицу. Замеры записывать после установления стационарного режима в цепи лампы, т. е. через некоторое время после установления напряжения.

Таблица

3. Для каждого значения напряжения и силы тока, протекающего через лампу, записать показание милливольтметра mV пирометра. Измерение силы тока и показаний милливольтметра пирометра провести при увеличении (заполняется верхняя половина столбца таблицы) и уменьшении (заполняется нижняя половина столбца таблицы) напряжения на лампе. По среднему значению показаний пирометра для каждого значения напряжения на лампе найти ее радиационную температуру, пользуясь градуировочным графиком, помещенном на стенде установки.

Зависимость полной испускательной способности вольфрама (материал спирали лампы накаливания) от температуры найдем следующим образом. Связь между радиационной температурой и полной испускательной способностью вольфрама R_Tможно записать в виде, аналогичном соотношению (2)

R_T ~ T_Рⁿ, (4)

где n – константа, n » 4.

Поскольку при высокой температуре подводимая к исследуемой спирали лампы мощность N пропорциональна ее полной испускательной способности, то N ~ R_T ~ T_Рⁿ, иначе:

N = C R_T = C'T_Pⁿ, (5)

где С, С', – некие коэффициенты пропорциональности.

Чтобы получить искомую зависимость (4), необходимо:

а) рассчитать мощность, потребляемую лампой по формуле

N = I U; (6)

б) построить график зависимости lg N от lg T_P,

в) определить n в уравнении (5):

lgN = lgC' +n lgT_P, (7)

по тангенсу угла наклона полученного графика к оси абсцисс, то есть, как отношение разности значений ординат к разности значений абсцисс двух выбранных точек графика.

Контрольные вопросы

1. Что называется тепловым излучением?

2. Что называется спектральной испускательной способностью и полной испускательной способностью тела?

3. Какие тела называются абсолютно черными телами?

4. Какие законы теплового излучения вы знаете? В чем сущность этих законов?

5. Что понимается под радиационной температурой тела?

6. Нарисуйте блок-схему радиационного пирометра.

7. В чем заключается принцип измерения температуры тела с помощью радиационного пирометра?

Список литературы

1. Савельев И.В. Курс общей физики. – М.: Наука, 2000. – Т. 3. – 320 с.

2. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики: Учеб. пособие для втузов. – М.: Высш. школа, 2002. – 718 с.

3. Трофимова Т.И. Курс физики / М.: Высш. школа, 2000. – 542 с.

Работа 52

ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ОПТИЧЕСКОГО

КВАНТОВОГО ГЕНЕРАТОРА (ЛАЗЕРА)

Цель работы.Ознакомление с устройством и работой лазера, исследование его характеристик.

Введение

Принцип работы оптического квантового генератора как источника когерентного света связан с особым возбужденным состоянием излучающей среды.

Частицы среды (атомы, молекулы, ионы) могут находиться в различных состояниях, которым соответствуют определенные значения энергии. Состояние с наименьшей энергией называют основным состоянием, остальные состояния носят название возбужденных состояний.

Сообщая системе частиц энергию, можно перевести частицы из основного состояния, в котором преимущественно они находятся при нормальных условиях, в возбужденное. Однако, время пребывания частиц в данном возбужденном состоянии (время жизни состояния) ограничено. Переходя в более низкое энергетическое состояние, частицы отдают энергию. В частности, эта энергия может отдаваться в виде квантов света (фотонов). Такой процесс излучения называется спонтанным (самопроизвольным) и он происходит в обычных некогерентных источниках света.

Источником когерентного излучения называется источник, испускающий электромагнитную волну, в которой имеется согласованность между фазами колебаний в различных точках пространства в один и тот же момент времени (пространственная когерентность) или между фазами колебаний в одной и той же точке пространства в различные моменты времени (временная когерентность). Две волны называются когерентными, если их частоты совпадают, и волны имеют постоянную разность фаз во времени.

В обычных источниках света частицы излучают спонтанно, независимо друг от друга. Испускаемые частицами волновые цуги, представляющие собой непрерывную последовательность максимумов и минимумов колебаний, не согласованы друг с другом во времени и имеют длительность порядка t » 10^-8 с. Если рассматривать волны от разных точек такого источника, то они окажутся некогерентными.

Однако, частицы, находящиеся в возбужденных состояниях, могут под действием электромагнитной волны, имеющей частоту, равную частоте спонтанного излучения этих частиц, испускать вторичные волны, частота, поляризация, направление распространения и фаза которых полностью совпадают с характеристиками внешней волны. При этом происходит усиление первичной волны и обеспечивается связь между собой всех волновых цугов, испускаемых частицами: результирующая волна оказывается когерентной во времени и в пространстве. Возникающее излучение называется вынужденным, оно генерируется лазерами. В настоящий момент удалось создать источники вынужденного излучения на основе многих веществ, находящихся в различных агрегатных состояниях.

Таким образом, при прохождении электромагнитной волны через систему частиц, находящихся в возбужденном состоянии, возможно получение вынужденного излучения. Однако, в то же самое время возможен процесс поглощения данной электромагнитной волны частицами, находящимися в основном состоянии. И будет ли система частиц преимущественно испускать свет или поглощать зависит от того, сколько частиц находится в возбужденном и невозбужденном состояниях. Число частиц в единице объема среды, пребывающих в состояниях, которым соответствует определенный энергетический уровень, называется населенностью этого уровня. Для возникновения вынужденного излучения необходимо, чтобы населенность любого возбужденного уровня была больше, чем населенность нижележащего уровня. Подобная система называется системой с инверсией населенности.

Фотон с энергией, равной разности энергий возбужденного и невозбужденного уровней (это может быть и спонтанно испущенный системой фотон), способен вызвать вынужденное излучение какой-либо из возбужденных частиц среды. Возникшее вынужденное излучение управляет дальнейшим процессом испускания света другими возбужденными частицами. Для обеспечения непрерывности процесса необходимо, чтобы часть энергии вынужденного излучения оставалась внутри системы. Это осуществляется с помощью резонатора.

Резонатор представляет собой два зеркала, одно из которых (иногда оба) полупрозрачно. Между зеркалами помещается излучающее вещество. Часть излучения выводится вовне через полупрозрачное зеркало, а часть возвращается обратно и, проходя через вещество, управляет дальнейшим процессом излучения, одновременно усиливаясь. Однако для получения незатухающего излучения необходимо, чтобы усиление за один проход всего резонатора было бы больше, чем потери за счет рассеяния и вывода вовне части излучения через полупрозрачное зеркало. Из этого условия следует, что усиление будет происходить главным образом для пучков, проходящих через всю возбужденную среду, т.е. для пучков, распространяющихся вдоль оси резонатора. Иначе говоря, излучение лазера будет строго направленным.

На рис. 1 представлена схема лазера, в котором излучающим телом является газ в стеклянной трубке-капилляре (газоразрядная трубка) 3 с впаянными электродами 4. Резонатор составлен отражающим 1 и полупрозрачным 5 зеркалами. Выходные окошки 2 трубки расположены под некоторым углом к оси трубки.

Итак, излучение лазера является монохроматическим, направленным, поляризованным и когерентным. Однако надо заметить, что строгой когерентности и монохроматичности достичь не удается. Например, лучшей временной когерентностью (с наибольшей длительностью t цугов волн) обладают газовые лазеры: t » 10^-2 с. Не удается получить и строгой направленности пучка, прежде всего – из-за дифракции на выходном отверстии лазера (равном диаметру выходящего пучка). Кроме того, направленность ухудшается из-за образования сложных типов волн в резонаторе, называемых модами колебаний. Различные моды колебаний имеют разную угловую расходимость.

В заключение надо отметить, что благодаря своим уникальным характеристикам (когерентность, направленность и монохроматичность излучения, возможность получения мощных пучков) лазеры находят широкое применение как в научных исследованиях, так и в таких областях как металлургия, медицина, связь, кибернетика, космонавтика, военная техника и др.