Optikai mérések műszeres analitikusok számára

Az előadások a következő témára: "Optikai mérések műszeres analitikusok számára"— Előadás másolata:

1 Optikai mérések műszeres analitikusok számára
Fényforrások

2 Fényforrások Elsődleges, másodlagos, természetes (?????), mesterséges
Meleg fény, hideg fény A világítás oka: magas hőmérséklet (izzás), hőmérsékleti sugárzás, lumineszcencia. Vulkán, erdőtűz, tűz, fáklya, mécses-gyertya, olajlámpa, petróleumlámpa, petromax lámpa, gázlámpa, karbidlámpa. Elektromos működtetésű: izzó, kis- és nagynyomású gázkisülés, elektróda-mentes: indukciós, mikrohullámú szilárdtest fényforrások: elektro-lumineszcencia, LED lézer (gáz: 51% H2, 35% CH4, 6% CO)

3 Hőmérsékleti sugárzás
Stefan-Boltzmann törvény kimondja, hogy az üreg-sugárzó által kibocsátott összteljesítmény a hőmérséklet negyedik hatványával változik: E  T4, ahol   5,6710-12 Wcm-2K-4 A Wien féle eltolódási törvény a sugárzás színképi maximuma és a hőmérséklet közt ad összefüggést: max T  const  2,9010-1 cmK Ábra: Fényforrások

4 Hőmérsékleti sugárzás 1.
Ábra: Fény- és sugárforrások

5 Hőmérsékleti sugárzás 2.
Ábra: Fény- és sugárforrások alapján

6 Elektromos izzók 1801 Volta a Francia Akadémián Pt-szálas izzó
1802 Humphry Davy Pt-szálas izzó (1810 Humphry Davy szénelektródos ívlámpa) 1840 Warren de la Rue tekercselt Pt-szál vákuumlámpa 1841 Frederick de Moleyn szabadalom Pt-szálas vákuum-izzó 1845 John W. Starr szabadalom szénszálas izzó 1879 Edison (USA), Swan (Anglia) használható izzó 1884 városi villanyvilágítás Temesváron 1897 Nernst kerámia izzó 1902 Siemens tantál lámpa 1903 Juszt és Hanaman wolframszál 1912 gáztöltésű izzó (Langmuir) 1931 Bródy Imre: kripton, xenon töltőgáz 1934 Benbow izzószál feltekerés („spiralizálás”) 1959 halogén lámpa

7 Izzólámpa jellemzők változása
A feszültség növelése növeli a teljesítményt, a fényáramot, a fényhasznosítást, csökkenti az élettartamot Ábra: Fény- és sugárforrások

8 Az izzólámpa felépítése 1.
üvegbura inert gáz (????) izzószál (volfrám) állvány/támasztó (Mo) huzal (vas) dumet huzal (az üvegen át) leszívócső állvány (üveg) biztosíték fej Ha ív képződne, a biztosíték ég ki.

9 Az izzólámpa felépítése 2.
1. üvegbura 2. inert gáz (????) 3. izzószál (volfrám) 4. és 5. árambevezető (vas) 6. állvány/támasztó (Mo) 7. üveg állvány 8. elektromos érintkező (ónf.) 9. menet (E v. B) 10. szigetelés (vitrit? ?) 11. elektromos érintkező (ónf.) Hányféle anyag van benne? Sorolja fel!

10 Az izzólámpák fejlődése - szénszálas
Az eredetileg 60 W-os izzó ma már csak 4 W-tal működik, az eltelt több, mint 110 év alatt kevesebb, mint 20 napig „pihent”. Guiness világrekord, saját honlapja van: ulb.org/ A tűzoltók számára jelkép: örök készenlét Szénszálas dekor izzó 3190 Ft V, E27 fej, 60 W, 240 lm 1901 óta ég ez az izzó Livermore egyik tűzoltó állomásán.

11 Az izzólámpák fejlődése - volfrámszálas
Sima, tekercselt szál, kettős „spirál” Vákuum, gáztöltésű: N2, Ar, Kr, Xe A nemesgázban könnyen keletkezik ív, ezért kell biztosíték. Forma: körte, lapos képű, gyertya Bura: átlátszó, opál, fehér Fej: E14, E27, bajonett  kettős „spirál”  Bródy Imre ( ), a kripton és xenon töltés „atyja” kripton izzó

12 Halogén lámpa Tóth Judit kiselőadása
Értelme: magasabb hőfokra hevíthető, több, fehérebb fény. Mechanizmus: a halogén elem (jód vagy bróm) az elpárol-gott volfrámmal reagál: W + I2 ⇌ WI2 A volfrám-jodid az izzószálon elbomlik, a vékony részen melegebb, az fog vastagodni: WI2 ⇌ W + I2 A bura anyaga: kvarcüveg, a magas hőfok (6-700 °C) miatt. Tényleges kivitelezés: törpe- és kisfeszültségű, gömbölyded és hosszúkás (ceruza), tükrös (hideg). Főbb jellemzői: hosszú élettartam, jó színvisszaadás, lm/W fényhasznosítás. Alkalmazás: reflektor, autólámpa, olvasólámpa.

13 Gázkisülés sematikus áram-feszültség ábrája
Ívlámpa Glimmlámpa Gázkisülés sematikus áram-feszültség ábrája Ábra: Fény- és sugárforrások

14 Gázkisülési lámpák Kisnyomású gázkisülő lámpák Glimmlámpa = parázségő
reklámcsövek (neoncső) Higanygőzlámpa (Hewitt 1901) Fénycsövek Na-lámpák Xe-lámpák Nagynyomású gázkisülő lámpák Higanygőzlámpa (kvarcüveg) Na-lámpa Fémhalogén Elektródnélküli lámpák

15 Parázsfénylámpák Kisnyomású He - Ne eleggyel töltik
A katód körül alakul ki a negatív ködkisülés. Váltófeszültséggel használva a két elektróda felváltva világít. Jellemzők: kis fogyasztás, kis fény, hosszú élettartam. Felhasználás: jelzőfény, kapcsolókban, fáziskereső, fénycsövek gyújtójában. Kép:

16 Reklámcsövek (neoncsövek)
Áltanában kisnyomású nemesgázt tartalmaznak kV feszültséggel működnek. A hélium aranysárga fényt bocsát ki, a kripton halvány ibolyaszínűt, a xenon lilát, a higany kéket, a szén-dioxid fehéret, a neon rózsaszínt, az argon vörösest. A reklámcsövekben működés közben az anyag plazma-állapotban van: nagy sebességű mozgó atomok, ionok és elektronok alkotják. Tévesen a fénycsöveket is nevezik neoncsőnek. Felhasználás: reklám- feliratok készítésére. Kép:

17 A fénycső foszfor ≠ P fénypor Kell-e volfrám a fénycsőhöz?
A gerjesztett Hg atomok 185 és 257,3 nm-en bocsátanak ki UV fényt, a fénypor ezt alakítja láthatóvá.

18 Fénycsövek üzemeltetése
Nem működtethetőek közvetlenül hálózati feszültségről. Fluorescent lamp circuit using an automatic starting switch : A: Fluorescent tube, B: Power (+220 volts), C: Starter, D: Switch (bi-metallic thermostat),  E: Capacitor, F: Filaments, G: Ballast Hogyan működik? (következő dia) Ábra:

19 Gázkisülő lámpák gyújtása
Bekapcsoláskor a tekercs (G) feszültséglökése begyújtja a parázsfénylámpát (D). A parázsfénylámpa melegszik, a bimetall zárja az áramkört Felizzanak az izzószálak (F). A parázsfénylámpa hűlésével az áramkör megszakad. A tekercs feszültséglökése begyújtja a lámpát. Ábra:

20 Fénycsövek működése A „foszfor” nem a foszfor (P) elemet jelenti, hanem a fényport, ami a látható fényt bocsátja ki! Ábra:

21 Fénycsövek fényporai A higanygőz legerősebben 253,6 nm-en világít.
Régi: halofoszfát. Kísérleti: szilikát. Követelmények: hosszú élettartam, jó hatásfok, hosszú (leg-alább néhány ms) utánvilágítás. A leggyakoribb „foszfor” vegyületek: BaMgAl10O17:Eu kék 450 nm (Ce,Tb)MgAl11O19: Ce3+ Tb zöld 545 nm Y2O3:Eu vörös 610 nm A háromféle fényport használó fénycsövek a „háromsávos” fénycsövek. A három fénypor mennyiségének arányával lehet különböző hatást elérni: meleg fehér (warm white) 3000 K, semleges fehér (neutral white) 4000 K, hideg fehér vagy nappali (cool white, daylight) 5000 K.

22 Fluorescent lamp A fluorescent lamp is a gas discharge lamp that uses electricity to excite mercury vapor. The excited mercury atoms produce short-wave ultraviolet light that then causes a phosphor to fluoresce, producing visible light. A fluorescent lamp converts electrical power into useful light much more efficiently than incandescent lamps. The luminous efficacy of a compact fluores-cent light bulb is about 60 lumens per watt, four times the efficacy of a typical incan-descent bulb. The unfiltered ultra-violet glow of a germicidal lamp is produced by a low pressure mercury vapor discharge (iden-tical to that in a fluores-cent lamp) in an un-coated fused quartz envelope

23 Kompakt fénycsövek Közvetlenül izzófoglalatba csavarhatóak, minden be van építve. Usage Homelighting Material Aluminum Dimmable Yes Lumens (lm) 1100 Efficiency  >75 Lifetime(h) 25,000 Color Rendering Index  >80 Power(W) 12 Color(K) 2700 Warranty 3 years Working Temperature Degree

24 Kompakt fénycsövek - a reklám helye
Elég meggyőző? A kompakt fény-cső nagy frekven-cián működik, így villogása nem látszik. Fény-hatásfoka négyszerese az izzólámpáénak.

25 Higanygőzlámpák Elvi működése lényegében a fény-csövekével megegyezik (Ar + Hg). Különbség: a Hg-gőz kisülés egy zárt, belső kvarcüveg burában történik (1000 K falhőmérséklet!), a fénypor a külső üvegbura belső falán van. Ilyen módon biztonságos a nagy nyomású is, hiszen két bura van körülötte. A nagynyomású Hg-gőz lámpa jobb fényhasznosítású. Élettartam: h Fényhasznosítás: lm/W Alkalmazás: közvilágítás, kvarclámpa, nyák égetés, hangulatkeltő UV lámpa (sötét lágyüveg bura nm) Ábra: Fény- és sugárforrások

26 Higanygőz lámpa feszültség-áram diagramja
A higanygőzlámpák a VI. vagy a VII. szakaszban működnek. Ábra: ff6_lumineszcens2_web.pdf

27 A higanygőzlámpák fénye
A nyomás növekedésével a vonalak szélesednek, újak jelennek meg, javul a színvisszaadás.

28 Fémhalogén lámpák A higanygőzlámpa „javított” kiadása: többféle fémet tartalmaz, hogy a színe megfelelőbb legyen. Az erre alkalmas fémek egy része igen agresszív (pl. Na), emiatt a kvarcüveg bura nem alkalmas Így két lehetőség adódik: 1. kerámia bura (pl. Al2O3) → Na lámpák (ld. következő dia) 2. a fémet halogenidként használják → fémhalogén lámpák (a bura lehet kvarcüveg vagy kerámia) Alkalmazás: közvilágítás

29 Nátriumlámpák A kerámia burában neon töltet van és szilárd fémnátrium. Bekapcsoláskor a gyújtó a neon gázkisülést elindítja, a hő hatására a nátrium megolvad, elpárolog és a bemelegedett lámpa már a Na sárga (589 nm) fényével világít. Előnyös, mivel az emberi szem legnagyobb érzékenységű hullámhosszához közel van, de mivel közel monokroma-tikus, a színvisszaadása nagyon rossz. Nagynyomású: Hg és Xe is van benne; >10 kPa nyomáson a Na vonal kiszélesedik, a színvisszaadás kissé jobb. Alkalmazás: közvilágítás (ahol a színhűség nem fontos), polariméter lámpa refraktométer lámpa

30 Különböző lámpák összehasonlítása
napfény (D65) W izzó Hg-gőzlámpa kisnyom. Na-lámpa nagynyom. Na-lámpa fémhalogén (3000 K)

31 Deutérium lámpa D2 gázkisülési cső, nm-ig bocsát ki fényt, 500 nm-ig majdnem egyenletesen. Alkalmazás: UV fényforrásként, háttérként AAS-ban. Bura: kvarcüveg Élettartam: 2000 h Ni doboz, W szál

32 Xenon ívlámpák Rövid ívű: gömbölyded kvarcüveg test, W elektródák, Mo bevezetők (hőtágulás), egyenfeszültségű működés. Folytonos spektrum <200 nm-től az infravörösig. Gyújtás: néhány kV, üzemelés V és A, az üzemi nyomás néhány MPa, hűteni kell. Pontszerű fényforrás, jó színvisszaadással. Hosszú ívű: kisebb nyomású, fénye nem pontszerű, fény-hasznosítása gyenge; ritkán használják. Xenon villanólámpák: azonnal gyújt (s nagyságrend), a feszültség megszűntével kialszik. Magas színhőmérsékletű, jó színvisszaadású. Feltöltött kondenzátorról használják, főképp fényképészeti célra.

33 Ívlámpák régen (közvilágítás)
Az első utcai villamos közvilágítás: New York, Broadway. 1881. Budapesten ideiglenesen 36 ívlámpa a trónörökös pár látogatása alkalmából. Európában 1882-től épültek a villamos ívlámpa világítások. Budapesten csak 1909-ben helyeztek üzembe 38 kísérleti lámpát a mai Rákóczi úton Kis- és Nagykörút között. A lámpák 9 m magasan voltak, 37 V feszültséggel, 16 A áramerősséggel működtek a 110 V egyenfeszültségről hármasával sorba kötve. 8 lux fényt adtak. 1912-ig jelentős bővülés volt, de két különböző rendszer épült, a másik 200 V váltófeszültséget használt, a lámpák is különböztek. A lámpák ki- és bekapcsolását a gázművek lámpakezelői végezték (több mint háromezer lámpa). Forrás:

34 A kénlámpa 1 Mikrohullámú gerjesztésű:
Nagy teljesítménnyel készült csak. Előnye a jó színvissza-adás, közel a napfénnyel megegyező. Az üveg vagy kvarcüvegburában Ar, Xe gáz és kén van. A 2,45 GHz frekvenciájú mikrohullám Ar-Xe plazmát hoz létre, a kén igen gyorsan (<1 s) elpárolog, teljes fényt ad. Az újragyújtási idő is csak néhány másodperc. A kísérleti égőkhöz hűtés kellett, de a végleges modellhez (ld. következő dia) már nem. Mivel elektróda nélküli, az élettartama elvileg korlátlan; a magnetron legalább h élettartamú. A nagy teljesítményű változatot fényvezetékkel alkalmazták.

35 A kénlámpa felépítése Ábra:

36 A kénlámpa és fénye Kép: Ábra:

37 A katódsugárcső (cathode ray tube, CRT)
Nem fényforrás; ezzel működik a „hagyományos” televízió, az oszcilloszkóp és a radar képernyő. Fényporok: ZnS:Ag+(Zn,Cd)S:Ag fekete-fehér, Y2O2S:Eu+Fe2O3 vörös, ZnS:Cu,Al zöld, ZnS:Ag+Co Al2O3-on kék Ábra:

38 Elektro-lumineszcens panel
Elektromos mezőben felgyorsult töltések gerjesztik a fény-kibocsátó anyagot, ami rendszerint cink-szulfid. A kibocsátott fény színe az aktivátor anyagtól függ: a Mn tartalom narancs színt ad, a Cu kék - zöld színt. Működhet hálózati feszültséggel, de nagyfrekvenciás táplálással jobb a hatásfok. Alkalmazás: LCD kijelzők hátsó világítása, kijelzők. A LED-ek Ábra: Fény- és sugárforrások

39 Fénykibocsátó dióda (Light Emitting Diode)
Nyitó irányban működő félvezető dióda. A fényt a rekombinálódó töltéshordozók hozzák létre. hullámhossz, nm szín anyag 700 vörös GaP:Zn-O/GaP 660 GaAl0,3As/GaAs 630 GaAs0,35P0,65:N/GaP 610 narancssárga GaAs0,25P0,75:N/GaP 590 sárga GaAs0,15P0,85:N/GaP 565 zöld GaP:N/GaP 555 GaP/GaP 540 kékeszöld InGaN 450 kék InGaN, GaN Táblázat: Fény- és sugárforrások

40 A LED története, alkalmazása
1961. Bob Biard és Gary Pittman GaAs IR (940 nm) fény 1962. ifj. Nick Holonyak látható fényű LED 1972. Jacques Pankove kék LED (SiC) 1994. Akaszaki Iszamu, Amano Hirosi és Nakamura Sudzsi erős kék LED 2014. fizikai Nobel-díj a kék LED-ért 1999. Philips 1 W-os LED Alkalmazása: hordozható fotométerek, jelző lámpák (készenléti állapot, közlekedés), LED kijelzők, monitorok, televíziók, „kivetítők”; reklámfelületek, világítás (zseblámpa, karácsonyfa, utca),

41 A LED felépítése Epoxi lencse huzalozás félvezető elem tartó oszlop
alaplap Ábra:

42 A LED-ek színképe Ábra: Fény- és sugárforrások

43 Fehér LED-ek színképe

44 A LED-ek fény-hasznosítása
Ábra: Fény- és sugárforrások

45 További fényforrások Az általánosan használt fényforrásokon kívül az egyes speciális területeken használatos fényforrásokról az adott területen lesz szó: atomabszorpciós spektrometria vájtkatódlámpa elektródnélküli kisülési lámpa IR fényforrások Globár-izzó Nernst-izzó lézerek

46 Szakirodalom http://mek.oszk.hu/00500/00572/html/index.htm
Fény- és sugárforrások (oldradio.tesla.hu/szetszedtem/105genura/fenyforrasok.doc)

47 Indukciós lámpák 1. Genura lámpa: a General Electric terméke.
A 2,6 MHz-es nagyfrekvenciás oszcillátor a lámpa fejében van. Onnan a nagyfrekvenciás teljesítményt a gázkisülő-tér közepében lévő tekercsbe csatolják be, az gerjeszti a kripton gázt és Hg-gőzt adó amalgámot tartalmazó kisülő térben a Hg atomokat. A keletkező UV sugárzás a ballon falán lévő, a 3-sávos fénycsöveknél is használatos, ritka-földfém aktivátoros fényporkeveréket gerjeszti. Fény-hasznosítása 48 lm/W. A lámpa soha nem „ég ki”, csak fény-hasznosítása csökken.

48 Indukciós lámpák 2. Genura lámpa Ábra: Fény- és sugárforrások

49 Indukciós lámpák 3. A Philips QL lámpa a nagy-nyomású Hg-lámpa hosszú élettartamú vetélytársa. A kisülő tér és a nagyfrekvenciás generátort külön áll. Ez csökkenti az elektronika termikus terhelését, javítja a megbízhatóságot. A órás hasznos élettar-tamra tervezett lámpák jobb mint 70 lm/W fényhasznosítást adnak. Különböző teljesítményekkel és színhőmérsékletekkel kerülnek forgalomba az 50 W feletti tartományban és az Ra>80-as értékkel. lámpa teljesítmény csatoló nagyfrekven-ciás generátor Ábra: Fény- és sugárforrások

50 Indukciós lámpák 4. P = 85 W U = 180-265 V f = 2,65 MHz
CRI > 80 Φv = 6000 lm fény-hatásfok: 71 lm/W Élettartam: h bemelegedés: 30 s Töltet: Ar-Kr-Ne Hg-amalgám égési helyzet: tetszőleges fej: speciális (mint a bajonett) Forrás: