ПРОХОЖДЕНИЕ ИНФРАКРАСНЫХ ЛУЧЕЙ ЧЕРЕЗ ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ГАЗЫ
Инфракрасные лучи при прохождении через различные среды ослабляются. Это ослабление характеризуется уменьшением их мощности и происходит вследствие поглощения и рассеивания. При поглощении энергия инфракрасных лучей преобразуется в другие формы энергии, но главным образом в тепловую. При рассеивании инфракрасные лучи отклоняются в различные стороны, в результате чего.только часть их проходит в первоначальном направлении.
Излучение газов. Сухой и чистый воздух практически прозрачен для теплового излучения. Присутствие многоатомных газов делает газовую среду полупрозрачной. Такова, например, газовая среда в рабочей камере печи. Здесь прозрачность газообразной среды ослабляется из-за наличия в ней водяных паров и углекислоты.
Трех- и многоатомные газы могут поглощать, а при высоких температурах и излучать тепло. Большое практическое значение имеет излучение углекислоты (СО2) и водяного пара (Н2О), содержащихся в продуктах сгорания.
Поглощение и испускание лучистой энергии газами имеет ярко выраженный селективный (избирательный) характер. Так, для углекислого газа (СО2) обычно принимают три полосы поглощения, отвечающие следующим длинам волн: 2,36—3,02; 4,1 —4,8; 12,5—16,5 мк. Для воды также принимают три полосы в следующих пределах длины волн: 2,24—3,27; 4,8—8,5; 12— 25 мк. Селективность спектра газового излучения приводит к тому, что на него не распространяются некоторые законы излучения твердых тел.
Степень черноты газов зависит от их температуры, парциального давления и средней эффективной длины пути луча 5, характеризующей размеры излучающего газового объема. Парциальные давления рСО2 и рН20 обычно известны из расчета горения топлива. Величина S может быть найдена по приближенной формуле А. С. Невского:
В технических расчетах произведение pS (сила поглощения) принимается за один из аргументов при определении степени черноты излучающего газа. Теоретически степень черноты объемов, заполненных газом определенной температуры, в одинаковой мере зависит как от парциального давления излучающих газов, так и от эффективной длины пути луча. Это положение, справедливое для СО2, не соблюдается при излучении Н2О, для которого парциальное давление оказывает большее влияние на степень чёрноты, чем средняя длина пути луча. Для расчета излучения Н2О вводится поправочный коэффициент ?, величина которого зависит от рН2о и определяется по рис. 7. Для получения действительной степени черноты Н2О условную степень черноты, найденную на рис. 9, умножают на коэффициент Е, т. е.
Знак минус показывает, что в положительном направлении оси х величина dl отрицательна. Коэффициент характеризует способность среды ослаблять поток излучения, численно равной доле потока, поглощенного и рассеянного в единичном объеме вещества и зависящей от длины волны падающего потока излучения.
Закон Кирхгофа верен и для твердых тел, излучение которых является поверхностным явлением. Следовательно, чистота, загрязненность и покрытие краской оказывают большое влияние на поглотительные и лучеиспускательные свойства твердых тел.
Оптическая плотность D используется при расчетах пропускания атмосферой и фильтрами потока излучения и является десятичным логарифмом пропускания, взятым с обратным знаком:
Изменение поглощения лучистой энергии одним и тем же материалом в зависимости от длины волны представляет собой сложное явление. В результате изучения такого явления ученые научились подбирать оптические материалы, пропускающие или поглощающие инфракрасные лучи. Такие материалы служат либо окнами, когда необходимо максимальное пропускание, либо фильтрами, когда добиваются выделения нужного участка спектра излучения и поглощения мешающих излучений.
Подбирая тот или иной материал для окон и фильтров, учитывают конкретные? задачи, которые придется выполнять с помощью инфракрасной аппаратуры.
Пропускание атмосферой инфракрасных излучений в значительной мере зависит от количества водяных паров и капель воды в воздухе, а также углекислоты. Ослабление излучений в атмосфере обусловливается процессами рассеяния, которые находятся в зависимости от характера, размеров и статического распределения рассеивающих частиц в атмосфере.
Инфракрасные лучи поглощаются и рассеиваются в атмосфере молекулами атмосферных газов, а также твердыми частицами и каплями воды (туманами). Наиболее сильными полосами поглощения водяного пара являются следующие участки длин волн (цифры указывают центры полос): 0,95; 1,13; 1,38; 1,46; 1,87; 2,66; 3,15; 6,26; 11,7; 12,6; 13,5; 14,3 мк.
Углекислота характеризуется интенсивным поглощением при длинах волн примерно 2—2,6, 4,3 и особенно от 12,8 до 17,3 мк (рис. 11). Поглощающее действие углекислоты в первых двух 1 участках спектра можно не учитывать, так как содержание ее в воздухе по сравнению с содержанием водяного пара невелико.
Кривая на рис. 12 получена для определенной толщины слоя воздуха без пыли и тумана и показывает полосы пропускания излучения. Основная часть полос поглощения характеризуется наличием в атмосфере паров воды и углекислого газа и значительно меньше — наличием озона.
Согласно теоретическим исследованиям, рассеяние лучистой энергии частицами, размеры которых малы по сравнению с длиной ее волны, обратно пропорционально четвертой степени длины волны. Следовательно, с уменьшением волны рассеяние увеличивается. Рассеиваемую такими частицами энергию можно определить через коэффициент рассеяния е, характеризующий степень ослабления радиации в единичной толще атмосферы в результате взаимодействия потока излучения с молекулами среды, вызывающего перераспределение энергии,
Коэффициент рассеяния зависит от угла ф и от свойств среды. Из приведенной формулы следует, что при ф=0 и 180° рассеяние максимально.
Общее ослабление энергии / инфракрасных лучей в слое атмосферы толщиной х, вызываемое рассеянием энергии и поглощением ее, характеризуется коэффициентом ослабления k.
Коэффициент ослабления представляет собой величину, получающуюся в результате сложения коэффициентов рассеяния и поглощения и имеет размерность, обратную длине, например 1м.
Для определения коэффициента ослабления может служить формула
Более подробно свойства инфракрасного излучения освещены в главах III и IV при рассмотрении вопросов практического применения его для различных целей тепловой обработки материалов.
