bài giảng môn học quang điện tử và quang điện, chương 5 doc

1
Chương 5: BỨC XẠ VÀ BỨC XẠ KẾ
1/ Các nguồn bức xạ
-Nguồn đơn sắc: Lasers, LE Ds
-Ngu
ồn phổ liên tục: Đèn nóng sáng
-Ngu
ồn phổ vạch: đèn hồ quang
* Incoherent or noise sources: Đèn nóng sáng; LEDS; Đèn hồ quang.
→ không có quan hệ pha cố định giữa các sóng bức xạ
* Coherent sources: Laser khí hoặc laser bán dẫn.
* Đèn hồ quang: Hồ quang hình thành giữa các điện cực trong khí
hi
ếm khi áp đặt điện thế ban đầu lớn. Khi dòng ion được thiết lập trong hồ
quang, điện áp giả
m mạnh và hồ quang được duy trì. Phổ phát xạ phụ
thuộc loại khí.
-Khi dòng hồ quang đi qua khí, các điện tử trong các ion khí sẽ thay
đổi mức năng lượng và phát xạ photon có bước sóng cho bởi:
λ =
hc/∆E = 1.24 x 10
3
(eV.nm)/
∆
E,
v
ới ∆E là chênh lệch năng lượng giữa các mức được phép, phụ
thuộc vào các nguyên tố Æ bước sóng bức xạ bởi mỗi nguyên tố là cố
định.
*Đèn huỳnh quang: là trường hợp riêng của đèn hồ quang, khi ống đèn
được phủ bột huỳnh quang (chủ yếu là phosphor). Bột huỳnh quang sẽ tái

b
ức xạ trong vùng khả kiến khi bị chiếu xạ bởi năng lượng tại các bước
sóng ngoài vùng kh
ả kiến. Trong đèn huỳnh quang, hồ quang được tạo ra
trong hơi thuỷ ngân. Hơi thuỷ ngân phát xạ photon ở vùng khả kiến và
c
ực tím. Các tia cực tím sẽ tạo ra huỳnh quang.
-Với cùng 1 điện năng cung cấp, đèn huỳnh quang phát xạ năng lượng
cao hơn
2
đèn nóng sáng
*Các vùng bức xạ:
Extreme UV (ultraviolet) 10 – 200
(nm) Far UV 200 -
300
Near UV 300 – 380
Visible 380 - 770
Near IR (infrared) 770 –1500
3
Middle IR 1500 – 6000
Far IR 6000 – 40000
Far- Far IR 40000 – 1000 000
2)
Các khái niệm cơ bản:
- Radiant energy (năng lượng bức xạ): Q
e
Joule (J)
- Radiant Flux (dòng b
ức xạ) Φ
e

= (dQ
e
/dt)|
qua diện dA
Watt (W
- Flux density (m
ật độ dòng quang tới / đvdt) còn gọi là irradiance
(
độ rọi năng lượng): H
e
= d Φ
e
/dA (W/m
2
)
- Radiant Em
ittance (độ trưng năng lượng) là mật độ dòng kích thích
trên b
ề mặt
của nguồn được kiểm tra:
M
e
= d Φ
e
/dA
(W/
m
2
)
- Radiant Intensity (cường độ bức

xạ):
I
e
= d Φ
e
/dω
dω
=
d
A
/
R
2
(W/sr),
Steradian
Chú ý tr
ường hợp nguồn điểm đẳng
hướng: I
e
= Φ
e
/4π = H
e
R
2
.
- Radiance (công su
ất bức xạ trên đơn vị góc đặc và trên đơn vị
diện tích) L
λ

= d Φ
e
/d
ωdAcosθ
(W/sr.m
2
)
- Spectral Radiant Power (công su
ất bức xạ trên đơn vị bước sóng):
Φ
λ
= dQ
e
/dλ (W/nm)
- Spectral Emittance (ph
ổ kích thích, độ rọi phổ)
W
λ
= dM
e
/ dλ (W/m
2
.nm)
- Spectral Radiant Intensity: I
λ
= dI
e
/ dλ (W/sr.nm)
- Spectral Radiance: L
λ

= dL
e
/ dλ (W/sr.m
2
.nm)
3)
Nóng sáng và vật đen (Incandescent and Blackbodies)
- Các ch
ất rắn và chất lỏng bức xạ ánh sáng khả kiến khi nhiệt độ ≥
4
500
o
c
- B
ề mặt hấp thụ toàn bộ năng lượng bức xạ đến một cách lý tưởng gọi
là vật đen
-Vật bức xạ nóng sáng có đặc trưng tương tự như vật đen
-Bản chất bức xạ từ vật đen được nghiên cứu bởi Max Planck: Năng
lượng bức
xạ từ vật đen phân bố trong khoảng tần số rộng, theo dạng toán học xác
định và thay
đổi theo nhiệt độcủa vật đen
11
- Độ trưng năng lượng tổng cộng M
e
≡ diện tích giới hạn bởi đường
phân b
ố
năng lượng theo
bước sóng :

λ
2
∆M
e
=
∫
W
λ
dλ
,
λ
1
v
ới W
λ
= C
1
λ
-5
/(e
C2/λ
- 1), trong đó C
1
= 3.74 x
10
-16
W.m
2
, C
2

= 1.4385 x 10
-2
m.K
-
Độ rọi năng lượng tổng cộng:
∆
M
e
∞
=
∫
W
λ
0
dλ = σT
4
, v
ới σ = 5.672 x 10
-8
(W/m
2
K
4
)
Æ Tính
được bước sóng ứng với độ rọi phổ cực đại
Æ Tính
được độ rọi năng lượng của nguồn có diện tích A
* Nóng sáng c
ủa vật thể thực

- Vật thể thực không bức xạ nhiều công suất như vật đen ở cùng một
nhiệt độ
- Tỷ số giữa độ trưng năng thực trên độ trưng năng của vật đen lý tưởng
gọi là độ
phát xạ (emissivity,
e)
v
ật đen lý tưởng: a.
M
e
=
e σ T
4
, e
= a
≡ Tỷ số công suất hấp thụ của vật với công suất hấp
thụ của
Công suất hấp thụ từ công suất đến:
Φ
e
=
aHA
Ví d
ụ : Xét đèn nóng sáng có vật bức xạ ở nhiệt độ T, đặt trong vỏ
12
được hút chân không, nhiệt độ làm việc ổn định của vỏ là T
1
G
ọi P là công suất cung cấp cho vật bức xạ = công suất bức xạ toàn
ph

ần
φ
e
: công suất phát bởi vật bức xạ
P
a
:Công suất hấp thụ bởi vật bức xạ, do phản xạ năng lượng từ
vỏ đèn
- Khi nhi
ệt độ hoạt động cân bằng đạt được, thì công suất thoát khỏi
vỏ đèn phải bằng công suất cung cấp, từ đó tính được:
P = Ae σ (T
4
– T
4
1
), với σ là hằng số vật lý = 5.672 x 10
-8
WK
-
4
/cm
2
.
* L
ưu ý: Trong thực tế với một vật liệu, ở một nhiệt độ cho trước, hệ số
phát xạ,
e, thay đổi theo bước sóng.
13
độ.

- Với 1 vật liệu cho trước và ở một bước sóng cố định thì e là hàm số
của nhiệt
- Nhiệt độ màu (Color temperature) của 1 nguồn sáng là nhiệt độ tuyệt
đối m
à tại
14
đó một vật đen khi hoạt động sẽ có một cân bằng màu giống như
nguồn sáng
Bài t
ập ví dụ: cho bóng đèn có diện tích dây tóc: 0,1cm
2
; e =
0,35, nhi
ệt độ dây tóc là 2700
o
K, nhiệt độ vỏ đèn là
100
o
C(373
o
K). Tìm công su
ất cần cung cấp.
Đ
S:10,5W