/
Author: Сарычев Г.С.
Tags: освещение светотехника цвет и его свойства учение о цвете электроэнергетика электротехника инженерия облучение и освещение облучательные установки промышленное освещение
ISBN: 5-283-00682-4
Year: 1992
Text
ЭНЕРГОАТОМ И ЗДАТ
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие........................................................... 3
Глава первая. Оптическое излучение.................................... 5
1.1. Природа и свойства оптического излучения...................... 5
1.2. Величины и единицы оптического излучения.................... 7
1.3. Оптические характеристики тел................................. 11
1.4. Измерение оптического излучения.................'............ 18
Глава вторая. Преобразование оптического излучения, формы преобразо-
вания излучения ..................................................... 26
2.1. Элементарные процессы поглощения и преобразования излучения 26
2.2. Фотофизическое действие излучения . . . .'................... 34
2.3. Фотохимическое действие излучения............................ 38
2.4. Фотобиологическое действие излучения....................... 44
Глава третья. Источники излучения для облучательных установок........ 62
3.1. Источники теплового излучения................................ 62
3.2. Разрядные лампы.............................................. 72
Глава четвертая. Облучательные приборы ............................. 100
4.1. Классификация облучательных приборов........................ 100
4.2. Характеристики облучательных приборов ...................... 104
4.3. Номенклатура и основные параметры ОП......................... ПО
Глава пятая. Облучательные установки (общие положения).............. 132
5.1. Выбор (нормирование) светотехнических параметров ОСУ........ 132
5.2. Светотехнические расчеты облучательных установок............ 161
5.3. Проектирование облучательных установок...................... 176
Глава шестая. Примеры облучательных установок ...................... 181
6.1. Облучательные установки фотофизического действия............ 181
6.2. Облучательные установки фотохимического действия............ 199
6.3. Облучательные установки фотобиологического действия......... 209
Заключение......................................................... 235
Список литературы................................................... 236
ГС. Сарычев
ОБЛУЧАТЕЛЬНЫЕ
СВЕТОТЕХНИЧЕСКИЕ
УСТАНОВКИ
МОСКВА
ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ
1992
Б БК 31.294-5
С 20
УДК 628.94:535.683
Рецензент канд. техн, наук В.И. Фатеев
Сарычев Г.С.
С20 Облучательные светотехнические установки. - М.: Энерго-
атомиздат, 1992. — 240 с.: ил.
ISBN 5-283-00682-4
Описаны фотофизические, фотохимические и фотобиологические
воздействия оптического излучения (ОИ) и его применение в техноло-
гических процессах в промышленности, сельском и коммунальном хо-
зяйстве, медицине и др. Подробно излагаются принцип действия и ха-
рактеристики различных приемников, источников ОИ и облучателей.
Описаны методы нормирования, расчета и проектирования облучатель-
ных установок, а также основные типы облучательных установок.
Для инженерно-технических и научных работников различных сфер
народного хозяйства, а также врачей-гигиенистов, разрабатывающих,
проектирующих и эксплуатирующих облучательные установки.
2202100000-072 _
С 051(01)-92 * *
ББК 31.294-5
Производственно-практическое издание
Сарычев Генрих Сергеевич
ОБЛУЧАТЕЛЬНЫЕ СВЕТОТЕХНИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ
Зав. редакцией М.П. Соколова
Редактор Т.Н. Платова
Художественные редакторы АЛ. Белоус, ВЛ. Гоэак-Хозак
Художник обложки В.Ф. Громов
Технический редактор Т. Н. Тюрина
Корректор М.Г. Гулина
ИБ№2501
Набор выполнен в издательстве. Подписано в печать с оригинала-макета 24.10.91.
Формат 60 х 88 1/16. Бумага офсетная № 2. Печать офсетная. Усл. печ. л. 14,70.
Усл.кр.-отт. 15,18. Уч.-изд.л. 16,29. Тираж 1000 экз. Заказ 3067. С072.
Энергоатомиздат, 113114. Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10
Отпечатано в Московской типографии № 9 НПО "Всесоюзная книжная палата”
Министерства печати и информации Российской Федерации
109033, Москва, Волочаевская ул., 40.
ISBN 5-283-00682-4 © Автор, 1992
Памяти Анны Федоровны Сарычевой
посвящается
ПРЕДИСЛОВИЕ
Излучение оптического диапазона спектра является одним из наибо-
лее тонких и действенных инструментов воздействия на вещество и жи-
вые организмы. Оптическое излучение инфракрасного диапазона уже не
одно десятилетие используется в промышленной технологии. В медицине
получили заметное распространение ультрафиолетовые установки тера-
певтического действия. Большие успехи препаративной фотохимии в зна-
чительной мере связаны с использованием искусственных источников
света. Можно было бы продолжить эти примеры, однако именно в пос-
ледние два — два с половиной десятилетия произошел революционный
скачок в несенсорном применении оптического излучения (ОИ). Это
явилось следствием появления новых, весьма экономичных возможно-
стей генерации ОИ, принципиально новых способов транспорта и пере-
распределения ОИ и углубления наших знаний об объектах облучения -
приемниках ОИ (собственно технологических процессах) .
К настоящему времени в технологических процессах и приборах, ос-
нованных на использовании энергии ОИ, расходуется более 10% всей
энергии, идущей на генерацию ОИ, и имеется тенденция к существенному
ее росту. Примерно в таком же соотношении» находятся затраты на раз-
работки в этой области, число занятых в производстве и эксплуатации
облучательных средств, а также затраты основных материальных ресур-
сов на эти цели.
В зависимости от типа приемника ОИ сейчас можно выделить три
большие группы облучательных светотехнических установок (ОСУ):
фотофизического действия (сушка, нагрев, сварка, имитация солнечно-
го излучения и др.), фотохимического действия (промышленная и пре-
паративная фотохимия, репрография, полиграфия, УФ-полимеризация и
др.) и фотобиологического действия (светокультура растений, облуче-
ние в животноводческих комплексах, рыбоводство в искусственных ус-
ловиях, микробиологические производства с применением искусствен-
ного освещения, терапевтические и гигиенические облучательные уста-
новки для человека и т.п.) .
Каждая из этих групп приемников ОИ и ОСУ в той или иной мере бы-
ла в свое время описана в отечественной и зарубежной литературе1.
1 Мейер и Зейтц. Ультрафиолетовое излучение. Изд-во иностр, лит., 1952; Жи-
линский Ю.М., Кумин В.Д. Электрическое освещение и облучение. М., Колос,
1982; Ультрафиолетовое излучение и гигиена/Под ред. Г.М. Франка, Н.М. Данци-
га, М.В, Соколова. М. Изд-во АМН СССР, 1950, и ряд других.
3
Следует, однако, заметить, что целый ряд этих публикаций устарел и
ни в одной из них не сделана попытка объединить три указанные облас-
ти несенсорного применения ОИ. В отечественной литературе единствен-
ная публикация такого рода - это разд. 17 ’’Облучательные светотехни-
ческие установки” в [6]. Однако ограниченные возможности и специфи-
ка справочной литературы не позволили изложить этот материал в пол-
ном объеме.
В предлагаемой книге с единых позиций представлены научные и ин-
женерные основы ОСУ, использующих энергию ОИ в фотофизических,
фотохимических и фотобиологических процессах. Большое внимание
уделено детальному представлению необходимых для практики проек-
тирования ОСУ характеристик приемников ОИ, источников ОИ и облу-
чателей, а также общим и специфическим методам проектирования ОСУ
и комплексов. На конкретных примерах продемонстрирована практика
исследования, проектирования и эксплуатации ОСУ.
Основу материала книги составляют работы советских инженеров и
исследователей, в том числе работы автора, его учеников и сотрудников
Всесоюзного научно-исследовательского, проектно-конструкторского и
технологического светотехнического института (ВНИСИ), СПО ’’Лисма”,
ПО ”Луйс” и др., а также публикации зарубежных ученых и инженеров,
которые известны автору как председателю Технических комитетов
Международной комиссии по освещению (МКО).
Главы 3 и 6 написаны совместно с канд. техн, наук Г.Н. Гаврилкиной,
гл. 4 - совместно с канд. техн, наук С.Г. Швецовым. Автор выражает
особую благодарность сотрудникам ВНИСИ - ЕИ. Мудраку, Е.И. Розов-
скому, С.Г. Ашуркову, ВТ. Игнатьеву, Ю.С. Семенову, а также АЛ. Вас-
серману за помощь и дружескую поддержку при написании этой книги.
Автор будет весьма признателен за замечания и предложения, кото-
рые следует направлять по адресу: 113114, Москва, М-114, Шлюзовая
наб., 10, Энергоатомиздат.
Автор
Глава первая. ОПТИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
1.1. Природа и свойства оптического излучения
ОСУ основаны на воздействии оптического излучения (ОИ) на различ-
ные объекты - приемники оптического излучения. Поэтому необходи-
мо дать самые общие представления об ОИ, его природе, классифика-
ции, способах измерений и т.п.
Излучение является одной из форм осуществления материи. Оно об-
ладает квантово-волновыми свойствами. Квантовый характер излучения
проявляется в процессах его генерации, поглощения и преобразования,
волновые свойства проявляются при распространении излучения, в яв-
лениях дифракции, интерференции, поляризации.
В рамках волновой теории излучение описывается в виде электромаг-
нитной волны, представляющей собой периодическое колебание напря-
женности электрического и магнитного полей [1]. Распространение
электромагнитной волны в пространстве сопровождается переносом
энергии по направлению движения волны.
В соответствии с фотонной теорией излучение рассматривается как
поток частиц с энергией h и, называемых фотонами (Л - постоянная
Планка, равная 6,626 • 10“3* Дж -с) [2]. Таким образом, излучение име-
ет двойственную природу, эта двойственность присуща не только излу-
чению, но и материи вообще [3].
Анализируя те или иные проявления излучения, принято в одних слу-
чаях представлять излучение как поток частиц, в других - как волны.
Однако следует всегда иметь в виду, что явление само по себе едино и
что при любом процессе, связанном с существованием или возникнове-
нием излучения, проявляются как волновые, так и корпускулярные его
свойства.
Непрерывный спектр электромагнитных излучений распространяется
от 7-лучей с минимальной длиной волны 10~7 мкм до радиоизлучений
с длиной волны Ю10 мкм (рис. 1.1).
Средняя область спектра электромагнитных излучений в пределах
от 10"3 до 103 мкм называется оптической областью спектра, а излуче-
ние этой области спектра носит название оптического излучения. Причи-
на указанного обособления оптического диапазона спектра заключается
в том, что несмотря на большой диапазон длин волн этого участка спект-
ра механизмы генерации, распространения и взаимодействия с вещест-
вом ОИ идентичны.
Оптическую область спектра принято делить на три части: ультрафио-
летовую (УФ), видимую и инфракрасную (ИК).
5
Космическое
излучение
10 22
io20
u~*
io'1
1O'B
10~*
у-излучение
w,B
10№-
Рентгеновское
^'"Класть види-
мого спектра
_ Т 1 6-а4>?г,7мкм)
Превращение вещества
в электромагнитное
излучение ।
f Торможение
Т частиц высоких
энергий
Радиоактив-
ный распад
io’2
sf
U-
I
510е
^Os
§10 7
§
zz7/jL j0 к
УФ-излучение /
Афиолетовое {
I Красное Г
Тепловое
излучение
Дальняя ПК
область -"
\ (26-1000ним)
Бомбардировка
электронами |
I Синхротронное
1 излучение
Ближняя ПК
-область
A~0,7i25 мкм)
Коротко-
волновое
радиовещание
Длинно-
волновое
, радиовещание
Электронные
переходы в
атомах и моле-
кулах, колеба-
тельные и вра-
щательные пе-
реходы моле-
кул и их ядер
Рис. 1.1. Спектр электромагнитного излучения:
а - вид излучения; б - механизм излучения
УФ-излучение — это электромагнитное излучение с длиной волны от
1 нм до 400 ( 380) нм. В спектральной области 100-400 нм Междуна-
родная комиссия по освещению [4] различает излучение: УФ-А (315 —
400 нм); УФ-В (280 - 315 нм); УФ-С (100 - 280 нм). В области длин
волн короче 200 нм излучение сильно поглощается почти всеми телами,
включая тонкие слои воздуха - вакуумный УФ.
УФ-излучение возникает в результате электронных переходов в ато-
мах и молекулах, торможения заряженных частиц (электронов) в си-
ловых полях, колебательных движений молекул, при ассоциации моле-
кул, радикалов в процессе химических реакций и т.п.
Фотоны УФ-излучения имеют наибольшую энергию во всем оптичес-
ком диапазоне (от 5,3 10"19 до 2 -10"’7 Дж) и в силу этого облада-
ют наибольшей вероятностью воздействия на вещество: возможно воз-
6 %
буждение люминесценции (фотолюминесценция), испускание электро-
нов (фотоэффект), разложение вещества, его преобразование (фотохи-
мические эффекты); известны многочисленные воздействия УФ-излу-
чения на живые организмы, клетки (фотобиологические эффекты),
обладающие как благотворным, так и разрушающим действием.
Видимое излучение — это электромагнитное излучение с длинами
волн от 400 ( 380) до 760 (780) нм. Механизмы генерации видимого из-
лучения в основном идентичны механизмам получения УФ-излучения.
Это излучение, как и УФ-излучение, обладает фотохимическим, фото-
биологическим (кроме сенсорного), фотоэлектрическим действием.
Следует отметить особо, что излучение именно этой области спектра в
основном необходимо для протекания такого глобального, жизненно
важного процесса, как фотосинтез.
ИК-излучение занимает наибольшую часть в шкале длин волн ОИ от
760 (780) до 106 нм. МКО различает: ИК-А (780 - 1400 нм); ИК-В
(1400 - 3000 нм) ; ИК-С (4000 - 1000 -103 нм).
Оптическое излучение этого диапазона спектра обладает сравнительно
малыми значениями энергии фотона (от 5,310'22до 2,5-Ю-19 Дж).
К указанным выше механизмам генерации УФ-излучения для ИК-излу-
чения следует прибавить механизм генерации излучения в результате
вращательных движений молекул и их ядер.
ИК-излучение иногда называют тепловым. Однако если тепловые про-
явления этого излучения заметнее, чем УФ и видимого, то это является
следствием того, что ИК-излучение большой мощности может быть соз-
дано сравнительно более простыми средствами. В то же время следует
заметить, что такие эффекты, как фотоэлектрические, фотохимические
и фотобиологические (нетермического свойства) проявляются под дей-
ствием ИК-излучения в существенно меньшей степени, а в некоторых
случаях (например, при многоквантовых фотохимических процессах) —
при специальных условиях.
В гл. 2 мы более подробно опишем различные действия ОИ, которые
так или иначе используются в ОСУ. Теперь же введем основные понятия
и единицы измерения ОИ [4,5].
1.2. Величины и единицы оптического излучения
Любое материальное тело, имеющее температуру выше абсолютного
нуля, излучает в окружающее пространство. Тела обмениваются энергией
излучения, а потоки излучения, пронизывающие окружающее нас прост-
ранство, создают поле оптических излучений.
Если источник излучения за время dt излучает энергию dQe, то по-
ток излучения этого источника
Фе = dQJdt. (1.1)
7
Энергия излучения измеряется в джоулях (Дж). Единицей потока из-
лучения служит ватт (Вт).
Поток излучения характеризуется распределением в пространстве,
по спектру и во времени. Для характеристики распределения потока из-
лучения точечного источника в пространстве служит сила излучения -
пространственная плотность потока излучения в пределах элементарного
телесного угла du:
Д о.
где 1е - сила излучения в направлении а, 0; с/Фе - поток излучения,
распространяющийся в пределах элементарного телесного угла du.
За единицу силы излучения, Вт-ср-1, принята сила излучения такого
источника, у которого в пределах телесного угла 1 ср равномерно рас-
пределяется поток излучения 1 Вт.
Полной характеристикой излучателя в пространстве служит фотомет-
рическое тело - геометрическое место точек концов радиусов-векто-
ров силы излучения по различным направлениям пространства. Фото-
метрические тела бывают симметричными и несимметричными.
Сечение фотометрического тела плоскостью, проходящей через точеч-
ный источник (начало координат), определяет кривую силы излучения
(КСИ) источника для данной плоскости сечения. Для симметричного
фотометрического тела одной КСИ достаточно для характеристики ис-
точника излучения. При несимметричном источнике необходим набор
КСИ.
Наличие данных распределения силы излучения в пространстве позво-
ляет рассчитать полный поток излучателя:
a- it (3 2я
ф< ц'-о О»
Для симметричного излучателя
а - it
Ф = 2я f I sinada.
е а - 0 в
При графическом или табличном представлении
a - я
Ф = 2я S I (cosa, - cosa. + 1).
е а - 0 еа
(1.4)
(1.5)
При расчете потока излучения несимметричных излучателей значение
еа
для каждой зоны пространства принимается чаще всего как среднее
8
значение:
Л + Г + ... + /
(/. ) - —±1-------------. (1,6)
*а ср п
Реальные источники излучения обладают конечными размерами, и в
общем случае различные участки его поверхности, имеющие одинаковую
площадь, излучают различные потоки. Для оценки равномерности излу-
чения по поверхности вводится понятие энергетической светимости,
Вт-м-1:
Mt - d*e/d4H, (1.7)
где dAM - площадь поверхности источника излучения.
В том случае, если отношение силы излучения в разных направлениях
к площади проекции на плоскость, перпендикулярную данному направ-
лению, непостоянно, вводят понятие энергетической яркости, Вт«
х ср-1 • м"’:
Л J<4.cose> 0-8)
*в,0 *а,0 "
где а, 0 - направление, в котором определяют энергетическую яркость.
Для равно яркого источника излучения
а я 7 7
d$e • 2ir£edAH J ашасоаае/а irBdA*. (1.9)
а 0 ,
Из (1.9) и (1.7) следует
- я£е.
а.ю)
Для характеристики распределения потока излучения по спектру
пользуются спектральной плотностью потока излучения
*в. “ е/Фе(Х)/</\, (1.11)
Л
где Фв(Х) - поток сложного излучения, состоящего из совокупности
монохроматических излучений.
Для дальнейших расчетов следует ввести спектральную плотность
энергетической светимости
М = dM (1.12)
е
спектральную плотность энергетической яркости
L = dL W/dX, - (1.13)
X еа ’
Q
а также спектральную плотность силы излучения
Ie = d<t>e(\)/d\.
X _ J л
(1.14)
В этом случае поток излучения, сила излучения, яркость и излучатель-
ность могут быть определены интегрированием по спектру соответству-
ющих функций спектральной плотности:
Ф
J -MX;
О л
I / dX;
О л
(1-15)
М
f М„ dX;
о 'X
L.
= J L dX.
О л
Одной
юших ее
ность (облученность), Вт м"2,
= dO ldAn,
величин оптического излучения, характеризу-
из важнейших
воздействия на приемник, является энергетическая освещен-
(1-16)
где dAn - плошадь приемника излучения.
По аналогии с (1.15)
£е = J £ dX,
О А
(1.17)
где Ее — спектральная плотность энергетической освещенности.
В том случае, когда реакция приемника зависит не только от облу-
ченности, но и от длительности воздействия излучения, используют дру-
гую величину - энергетическую экспозицию, Дж • м-2:
не = f£e(0^. (1.18)
о
Как и в (1.15),
t оо
не = J ! Ее dtd\. (1.19)
оо X
В заключение введем другие энергетические характеристики неста-
ционарного во времени (в частности, импульсного) излучения [6]:
энергию излучения
Ge = ! Фе^- <$₽ Cl) (1-20)
10
энергетическое освечивание
ее = (1.21)
о
интеграл импульса энергетической яркости
Мв(г)Л; (1.22)
о
интеграл импульса энергетической светимости
fMe(t)dt. (123)
о
По аналогии с (1.15) могут быть введены соответствующие величины
спектральной плотности излучения нестационарного во времени излу-
чения.
1.3. Оптические характеристики тел
Все тела непрерывно обмениваются энергией, излучая и поглощая ОИ.
Между исходным процессом - генерацией излучения - и конечным -
поглощением и преобразованием в другие виды энергии - излучение
может претерпеть ряд преобразований, оставаясь, тем не менее, в своем
первозданном виде, т.е. в виде электромагнитного излучения.
Так, при падении излучения на границу раздела двух сред с разными
коэффициентами преломления имеет место отражение излучения. Как
известно, при этом угол падения at равен углу отражения а2. При про-
хождении излучения из оптически более плотной среды с показателем
преломления и, в менее плотную с показателем преломления n2 (п2 >
> и2) и угле падения более некоторого предельного а1пред излучение
не проходит во вторую среду (явление полного внутреннего отражения):
“шоеп = “С8Ш(И2/Л1). (1.24)
1 пред
Коэффициент зеркального отражения от диэлектрика можно опреде-
лить из формулы Френеля:
sin2 (а2 + 3) tg2 (at - 3)
•in2 (a, - 3) tg2 (at + 3)
(1.25)
где 3 ~ угол преломления во второй среде.
11
При падении излучения по нормали к поверхности раздела оптичес-
ких сред
Р я I —!-------- 1 .
СР \ + П2 I
(1.26)
При падении излучения из вакуума на поверхность с коэффициентом
преломления п
f п ~ 1 Y
РсР "( л * 1 /
(1-27)
Эта формула используется в практике при расчетах рср на границе
воздух - диэлектрик, так как показатель преломления воздуха бли-
зок к 1.
Отражение на границе с металлом имеет свои особенности - оно за-
висит от того, какую роль в процессе отражения играют свободные
электроны. В области ИК-излучения отражательная способность метал-
лов определяется в основном свободными электронами и весьма высо-
ка. При отражении видимого и УФ-излучения большую роль играют свя-
занные электроны, имеющие собственные частоты колебаний в этих об-
ластях спектра. Это приближает металлы по свойству пропускать види-
мое и УФ-излучение в тонких пленках к диэлектрикам.
Та часть излучения, которая проникает внутрь вещества, претерпе-
вает изменение направления, т.е. преломление (ах # 0). Соотношение
между и 0 на границе двух сред с коэффициентами преломления
л, и И} можно определить так:
sinaj/ain0 = .Лз/л,. (1.28)
При прохождении излучения из воздуха в диэлектрик
sina/sin0 = п. (1.29)
Рассмотренные случаи отражения и преломления - идеальные частные
случаи. На самом деле из-за микронеровностей на поверхности и опти-
ческих неоднородностей внутри вещества имеет место рассеяние излу-
чения, которое увеличивается с ростом X. Различают три вида отражения
и пропускания: направленное, рассеянное (диффузное) и направленно-
рассеянное.
Для полноты картины взаимодействия излучения с веществом следует
указать на такие явления, как поляризация, дифракция и интерференция
излучения [5]. Все эти явления в той или иной мере имеют место при
прохождении излучения от источника до приемника и используются в
облучательных системах.
В самом же общем виде падающий на какое-либо тело поток можно
представить в виде суммы:
12
ф = ф + ф + ф ,
в еа ег ер
(1.30)
где феа>фет>
излучения.
Ф.
ер
- поглощенный, прошедший и отраженный потоки
Для квазимонохроматического излучения можно записать спектраль-
ные коэффициенты:
«X = ф^М/ф/х);
гх = Фвг(Х)/Фе(Х);
Рх = Фе (Х)/Фе(Х).
(1-31)
Зная спектральные коэффициенты, можно определить интегральные
коэффициенты:
/Ф, (X)a(X)dX
еа
/Фе(Х)</Х
/Фр (X)r(X)dX
I. f
/Фв(Х)с?Х
/Ф„ (X)p(X)dX
Р_________
)Фе(Х)йХ
(1-32)
Обычно такие расчёты проводят для стандартного источника света (ис-
точник А).
Очевидно, что
а(Х) + т(Х) + р(Х) = 1;
а + т + р = 1.
е е *е
(1.33)
В табл. 1.1, 1.2 приведены спектральные коэффициенты отражения и
пропускания наиболее распространенных в технике ОСУ материалов
[7-10]. Далее эти данные будут дополнены, в частности, в параграфах,
описывающих воздействие ОИ на приемники. Однако прежде чем присту-
пить непосредственно к изучению этих воздействий, сделаем небольшой
экскурс в область измерения ОИ и дадим краткий обзор тех приемни-
ков, которые используются как измерительные преобразователи.
13
Таблица 1.1. Спектральные коэффициенты отражения некоторых материалов
Спектральные диапазоны и длина волны ,нм
Вещество (материал) УФ-область Видимая область ИК-область
200 250 300 350 400 450 550 650 750 1000 2000 3000 4000 5000 10000
Металлы
Алюминий (полированный) 0,8 0,83 0,86 0,87 0,87 0,87 0,87 0,87 0,87 0,88 031 032 035 038
Серебро 02 0,34 0,09 0,75 0,85 0,89 0,92 0,93 0,96 037 038 038 0,98 039 039
Цинк 0,22 0,40 0,43 0,49 ОДО 0Д4
Никель 0,38 0,4 0,42 0,47 0,55 0Д9 0,63 0,65 0,68 0,72 0,83 0,88 032 034 035
Хром 0,38 0Д 6 0,66 0,65 0,65 0,72 0 Д6 0Д7 0,68 0,7 0,76 0,81 0,93
Сталь 0,23 0,3 0,4 2 0Д2 ? 0Д7 0,63 0,77 0,83 0,88 039 озз
Медь 0,26 0,25 0,27 0,3 0,35 0,4 0,7 0,89 0,95 0,97 0,98 038 0,98 034
Золото 0,39 0,32 0,28 0,29 02 0,17 0,85 0,97 0,98 038 0,98 0,98 0,99
Вольфрам 0,3 0,4 0,41 0,71
Молибден 0,3 0,38 0,58
Оксиды и другие пигменты
Оксид магния 0,96 037 0,98 0,98 0,98
Диоксид титана 0,9 0,94 0,95 0,96
Алюминат цинка 0,92 033 0Д4 035 035
Барий сернокислый 0,93 034 036 0,96 -037
Материалы строительные
Желтая строительная черепица 0,09 0,13 0,19 0,28 0,48 0,57 0,65
Кирпич 0,05 0,06 0,07 0,08 0,12 0,25 0,35 ^ср^-24
Песчаник 0,1 0,14 0,17 0,21 0Д6 0,25 033
Бетон 0,13 03 033 0,26 0,3 0,3 0,3
Песок 0,15 03 0,32 0,4 0,48 0Д8
Асбоцементная плита 031 033 0,68 0,71 0,73 0,73 0,72
Известковый туф 0,16 031 0,13 0,38 0,54 0,65
Черный гранит 0,02 0,02 0,02 0,025 0,025 0,025
Розовый гранит 0,08 0,08 0,09 0,1 0,13 033
Белый мрамор (полированный) 0,16 0,2 1 0,3 0,38 0Д1 0Д5
Известковая побелка на шту- 0,03 0,03 0,3 0,45 0Д7 р= 0,65-0,72
катурке
Белая эмаль 0,16 0,51 0,65
Оксид цинка 0,03 0,03 0,03 0,4 0,82 0,95 037 037 037 0,96 0 = °>88 О
Облицовочная белая плитка 0,01 0,16 0,49 ср 7
Дерево 2 .
Клен 0,07 0,05 0,09 0 3 2 0,31 0,45 0,6 0,82
Кедр красный 0,12 0,12 0,12 0Д4 0,16 03 0,32 0,35 У4
Фанера 0,06 0,05 0,06 0,07 0,2 0,42 0,85 V
Краски на металле
Белая 0,1 0,1 0,48 0,85 0,85 03 0,75
Желтая 0,06 0,04 0,05 0,07 0Д6 0Д5 0Д5
Оранжевая 0,07 0,06 0,06 0,07 0,15 0Д5 0Д5
Черная 0,07 0,05 0,04 0,04 0,03 0,03 0,04
Алюминиевая 0,49 0,56 0,68 0,72
Краски на дереве
Белая 0,1 033 0Д5 0Д6 0,86 034 0,85
Желтая 0,1 0,08 0,06 0,1 0Д6 0,64 0,73
Оранжевая 0,1 0,08 0,06 0,07 0,15 0,65 0,75 •
Черная 0,1 0,06 0,05 0,05 0,05 0,05 0,04
Таблица 1.2. Спектральные коэффициенты пропускания некоторых материалов
Спектральные диапазоны и длина волны, нм
Вещество (материал) УФ-область, нм Видимая область, нм ИК-область, нм
210 250 300 350 400 500 600 7001000 1300 1600 1900 2200 2500 3000 4000 5000 10 000
Полиэтилен: Д = 0,1 5 15 23 28 31 36 43 49 66 75 82 80 84 70
Д=1Х> 0 1 2 8 15 25 45 56 64 55 60 13
Полипропилен: Д=0,02 0 10 23 29 38 41 42 51 60 64 65 68 60
Д =1,15 3 10 15 18 27 38 47 45 51 20
Поли винилацетат: Д =0,06 0 45 75 85 86 86 89 90 92 98 97 95 92 86
Д = 12 25 65 70 75 78 80 83 87 85 58 56 12
Полистирол: Д = 0,1 47 69 71 74 76 78 86 91 93 93 83 64
Д = 2J0 2 60 66 70 72 73 80 80 80 62 13 9
Полиметилметакрилат, Д =0,1 11 80 90 91 92 95 96 97 99 98 98 95 91
Фторопласт-3 Д = 0,75 0 53 75 85 88 90 90 93 95 96 98 98 98 98
Фторопласт-4: Д =0,1 0 1 2 2 3 4 8 10 20 32 44 52 60 66
Д =0,8 Полиэтилентерефталат, 0 1 2 2 3 2 3 3 2 3 4 7 10 13
Д =0,14 1 56 65 69 71 73 75 79 78 76 71 56
Кварцевое стекло (ле- гированное)
КЛБ-6 (бесцветное), Д =2 60 67 87 90 93 93 93 93 93 91 91 80 60 40
КЛЖ-2 (желтое), Д = 2 КЛСЗ-1 (сине-зеленое), 0 18 60 80 93 93 93 91 91 80 60 40
Д = 2 0 27 58 80 86 84 80 70 37 44 53 57 47
КЛО-1 (оранжевое), Д = 2 Сапфир, Д =1 16 13 10 9 8 12 40 80 91 92 92 90 91 90 90 90 60 90 85 75
Кварцевое стекло КСП (плазменное), - 05 0,6
Д =1 0,86 0,87 05 0,9 0,9 05 05 05 0,9 0,9 05 05 05 0,88 0,85
КСШ (шликерное). 05 038 0,7 0,4
Д =1 0,68 0,87 05 05 0,9 05 05 05 05 0,9 05 05 0,9
КСГ (гидролизное), 0,9 05
Д =1 0,88 050 05 0,9 05 05 05 05 0,9 0,9 05 05 0,90
Стекла
Нонекс (7720), Д=1 0 70 90 90 90 20
Пирекс (7740) , Д = 1 0 35 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 5
Свинцовое, Д = 1 Известково-натриевое, 0 8 83 90 90 90
Д = 1 0 5 80 90 90
СЗС-141 88 86 82 60 3 2 2 5 9 15 3
СЗС-5 >- теплозащит- 80 80 60 27 4 8 14 18 25 25 9
СЗС-16 ные, Д = 2 72 80 66 36 5 15 22 30 35 46 21
Примечание. Д - толщина, мм.
1.4. Измерение оптического излучения
В отличие от световых измерений, целью которых, как известно, яв-
ляется оценка мощности ОИ согласно свойствам глаза и в которых ши-
роко используются визуальные (субъективные) методы, измерение
ОИ в ОСУ базируется в основном на объективных методах.
При объективных измерениях ОИ используются различного рода
приемники, преобразующие энергию излучения в другие виды энергии:
тепловую, фотоэлектрическую, фотохимическую.
Чувствительность приемника излучения определяется отношением
величины, характеризующей его реакцию (ток, напряжение, степень по-
чернения фотоматериала и др.), к величине, вызывающей эту реакцию
(поток излучения). Функциональную зависимость между этими величи-
нами называют характеристикой преобразования (световой кривой).
Динамический диапазон измерительных приемников обычно определя-
ется пределами линейности характеристики преобразования. Чувстви-
тельность приемника к потоку квазимонохроматического излучения на-
зывают спектральной чувствительностью g (X). Зависимость спектраль-
ной чувствительности от X или другой спектральной координаты назы-
вают спектральной характеристикой приемника.
Методы измерения спектральной чувствительности стандартизованы
[6]. Сущность их заключается в сравнении чувствительности изучаемого
и аттестованного приемников ОИ к излучению в узких спектральных ин-
тервалах ДХ. Для выделения ОИ в этих интервалах рекомендуется при-
менять монохроматоры. Стабильные приемники излучения, применя-
емые в качестве образцовых и рабочих средств измерений, аттестуются
по спектральной чувствительности Госстандартом [6].
Примеры относительной спектральной чувствительности приемников
(детекторов) приведены на рис. 1.2. Интегральная чувствительность к
немонохроматическому излучению определяется так:
7 Фе(Х)$(X)dX
е оо
J Фе(Х)^Х
о
Интегральная чувствительность нормируется, как правило, к источ-
нику А.
Для измерения параметров ОИ и ОСУ можно применять приборы,
входящие в государственные поверочные схемы, описанные в [6, 11].
Для световых величин стандартизованы государственный первичный эта-
лон и поверочная схема, в качестве приборов используют люксметры
(типа Ю116, Ю117 и др.).
Для определения облученности в области ФАР часто применяют те же
приборы, но пересчитывают измеряемую освещенность с учетом пере-
18
Рис. 1.2. Относительные спектральные характеристики:
а - приемники с внутренним фотоэффектом; б - электровакуумные фото-
элементы и фотоэлектронные умножители с различными фотокатодами и материа-
лами входных окон (1 — кремниевый фотодиод; 2 - германиевый фотодиод;
3 - селеновый фотоэлемент; 4 - сернисто-серебряный фотоэлемент; 5 - теллу-
ристо-рубидиевый с окном из фтористого магния; 6 - сурьмяно-цезиевый кварц;
7 - кислородно-серебряно-цезиевое стекло; 8 - мультишелочное стекло; 9 - ар-
сенид-галлиевое стекло)
ходных коэффициентов для конкретных (по относительному спектраль-
ному распределению излучения) источников. Переходные коэффициен-
ты нужно определять при дополнительной метрологической аттестации 7
каждого используемого для этой цели люксметра.
Разработаны также и функционируют государственная система обес-
печения единства измерений и государственная поверочная схема для
средств измерений Le , I. и Ее в диапазоне длин волн 0,25—25 мкм
и /е и Ееъ диапазоне длин волн О,-2-25 мкм. Система основана на го-
сударственном первичном эталоне — модели абсолютного черного тела
(АЧТ) . В качестве рабочих эталонов Le , 1е. н Ее используют лен-
«гг. Л X X
точные лампы и модели АЧТ; в качестве рабочих эталонов 1е и Ее -
светоизмерительные лампы, модели АЧТ, а также приемники излучения
(полостные или с плоской приемной площадкой). За образцовые сред-
ства измерений принимают ленточные, галогенные, дейтериевые лампы
и высокотемпературные модели АЧТ. Рабочие средства измерения ана-
логичны, их диапазон измерений 107 - 1012 Вт/(срм3), 102 -
Ю8 Вт/(ср м), 102 - 108 Вт/м3, 10-2000 Вт/м2 и 1—100 Вт/ср. Преде-
лы допускаемых относительных погрешностей рабочих средств, прове-
ряемых рабочими эталонами, укладываются в 7 • 10” 2 -11-10-2 в рас-
сматриваемом диапазоне длин волн.
19
Рис. 1.3. Функциональная схема приборов типов ДАУ-81 и РОИ-82:
1 - первичный преобразователь; 2 - усилитель; 3 - индикатор; 4 - преобра-
зователь напряжение - частота; 5 - счетчик импульсов; 6 - дешифратор; 7 -
индикатор дозы; 8 - узел установки дозы; 9, 10 - генератор и звуковой сигна-
лизатор пороговой дозы
Эта система содержит также эталонные, образцовые и рабочие сред-
ства измерений солнечного излучения. Например, в качестве рабочих
средств используются актинометры (типов М-3 и АП-1) в диапазонах
энергетической освещенности 40-1100 Вт/м2 и длин волн 0,3-4,5 мкм;
пиранометры (типов ПП-1 и М-80М) в диапазонах 10-1600 Вт/м2 и
0,3-2,4 мкм; балансометры (типов БП-1 и М-10М) в диапазонах 10 -
1100 Вт/м2 и 0,3-4,5 мкм; альбедометры (типа М-69) в диапазонах
50—1600 Вт/м2 и 0,3—2,4 мкм. Пределы допускаемых относительных
погрешностей этих средств измерений составляют от 2,5 до 15%.
Для измерения энергетической освещенности и энергетической экспо-
зиции в ограниченных спектральных интервалах (УФ и видимого диапа-
зонов) разработаны радиометр РОИ-82 и дозиметр ДАУ-81. Структурная
схема приборов представлена на рис. 1.3.
Диапазон спектральной чувствительности приборов перекрывает
УФ-А, УФ-В, УФ-С и видимую (фотосинтетически активную — ФАР)
области спектра и разбит на поддиапазоны. Первичными преобразовате-
лями излучения служат вакуумные фотоэлементы типов Ф29, Ф26 и
Ф25, обеспечивающие с соответствующим комплектом абсорбционных
светофильтров выделение заданных спектральных областей. Первичные
преобразователи снабжены косинусной насадкой.
В состав каждого прибора входят измерительный блок и комплект
приемников излучения. Измерительный блок дозиметра типа ДАУ-81
помимо счетчика доз и измерителя облученности имеет шести разрядный
узел установки дозы облучения и устройство автоматического отключе-
ния при превышении заданной дозы облучения.
Предел допускаемого значения основной относительной погрешности
измерения дозы облучения и энергетической освещенности составляет
15%.
Для обеспечения первичной и периодической поверки дозиметров и
радиометров разработана локальная поверочная схема. Образцовым
средством измерения при поверке и градуировке приборов является об-
20
Таблица 1.3. Приборы для измерения параметров ОИ в различных спектральных интервалах
Тип прибора (фирма-из- готовитель, страна) Диапазон измерения облученности Погреш- ность, % Приемник излуче- ния (детектор) Эксплуатационная ха- рактеристика Назначение
ДАУ-81 (СССР) До 500 Вт/м2 (возмож- но измерение дозы в ди- апазоне 10-13 -Ю7 Дж/м2 Не более 15 Вакуумные фото- элементы типов Ф29.Ф26, Ф25 Питание от сети 220 В, 50 Гц или аккумулято- ра, рабочая температура 0-50 °C Измерение облученности в УФ- и видимой обла- стях ОИ
РОИ-82 (СССР) УФ-А: 1-200 Вт/м2; УФ-В+С: 0,05 -25 Вт/м2; ФАР: 1-500 Вт/м2 15 Вакуумные фото- элементы типов Ф25.Ф26.Ф29 Питание от сети 220 В, 50 Гц или аккумулято- ра; рабочая температу- ра 0-50 °C Измерения облученности в УФ- и видимой облас- тях ОИ
Пиранометр Янишевско- го М80 (СССР) 10-1500 Вт/м2 6 Термопара - Измерения облученности в диапазоне Х= 0,3 4- 3 мкм
Радиометр "ФАРИК-Л” (ВНИСИ, СССР) 10-1999 Вт/м2; 1-199,9 Вт/м2 15 Кремниевый фо- тодиод 220 В, 50 Гц X = = 3154-400; 4004-500; 5004-600, 6004-700; 3804-750; 7004-1050 нм Измерение облученности в УФ-. ФАР- и ИК-облас- тях ОИ
Радиометр ’’ФАРИК-Б” (ВНИСИ, СССР) 10-1000 Вт/м2 15 То же X = 380 т-710 нм; X = 1S.+ 1050 нм Измерения облученности в ИК- и ФАР-областях ОИ
ИК-радиометр (ВНИСИ, СССР) 2 10 3 - 200 Вт/м2 (воз- 20 можно измерение экспози- ции 2 • 10’4 - ОД Дж/м2) 0,1 - 10 Вт/м2 (10 2 - 1000 Дж/м2) То же Германиевый фо- тодиод X = 750 -г 1000 нм; X = 700 4-1700 нм X = 380 4-710 нм; X = 750 4-1050 нм Измерения облученности в ИК- и ФАР-областях ОИ
Продолжение табл. 1.3
Тип прибор* (фирма-из- готовитель, страна) Диапазон измерения облученности Погреш- ность, % 'Приемник излуче- ния (детектор) ^Эксплуатационная ха- рактеристика Назначение
Преобразователь инте- гральной облученности ПИО-2 (СССР) 10-1000 Вт/м2 в диапа- зоне 0,4-6 мкм 10 Термоэлемент РТН-2РС Питание от сети 220 В, 50 Гц Входит в состав измери- тельной системы камер искусственного климата
Радиометр Hewlett Packard 30-3 • 103 мВт/м2 (тип 8330, США) 5 Термостолбик Температура рабочая 0-55 °C, питание от се- ти 115/230 В, 50-60 Гц Измерение облученности, потока излучения, энер- гетическрй яркости в УФ-, видимой и ИК-обла- сгях спектра
Радиометр Ushio Electric Inc. (тип Th RR700, Япо- ния) Минимальные сигналы 10’9 Вт/м2 при 20 °C; 10 12 Вт/м2 при -20 °C 0,5 Вакуумные фо- тоэлементы RT171A, RT171C, КТ171Д Питание 95/135 В, 50 - 60 Гц или от акку- муляторов Прецизионные измерения ОИ непрерывных и им- пульсных источников в диапазоне Х= 190 т- 1100 мм
Радиометр Jellow Springs Instrument (тип 65, США) 2,5 -2Д-103 Вт/м2 5 Термисторный бо- лометр Питание от сети 105/220 В, 50 Гц, рабо- чая температура 18-40 °C Измерение световых и энергетических парамет- ров ОИ в УФ-, видимой и ИК-областях спектра
Радиометр Cintra (тип 202, США) 10'3 - 103 Вт/м2 5 Термоэлементы типа 2000, 2040, 2100 Питание 115/230 В, 50 - 60 Гц, рабочая тем- пература 0-50 °C Измерения ОИ в УФ-, видимой и ИК-облас- тях спектра
Зое*
Радиометр-фотометр International Light (тип IL200, США) До 1000 Вт/м2 5 Кремниевый фо- X = 660 т-220 нм; тодиод в фотого- X = 450 т-1000 нм ловках типов (115/230 В, 50-60 Гц) РТ.ЮОСи РТ.100 А Измерение освещенно- сти и облученности в УФ-, видимой и ближ- ней ИК-областях спектра
Радиометр Крохмана (тип 202, Германия) 1-1999 Вт/м2 1 Кремниевый фо- X = 305 -г 2800 нм тоэлемент (220 В, 50- 60 Гц или батарея конденсаторов) Измерение облученности
Радиометр Laser Precision Corporation (тип РК-5000, США) 10"8 - 10® Вт/м2 10 Кремниевый фо- X = 0,25 -г 16 мкм тодиод и три сменных пиро- электрических приемника Измерение в УФ-, види- мой и ИК-областях спектров
Радиометр (квантовый счетчик) (тип LI-190SA, США) До 1017 кВ/(с• м2) 5 Кремниевый фо- Рабочая температура тоэлемент 20 - 60 °C, X = 400 т-700 нм Измерение плотности по- тока фотоактивной ра- диации
Радиометр (квантовый счетчик) (тип LI-191SA, США) До 1017кВ/(см2) 10 То же Размер чувствительной площади 1 м х 12,7 мм, рабочая температура 20-65 °C, X = 400 т-700 нм Измерение усредненной плотности потока фото- активной радиации
Уфиметр uetra Violet Pro- ducts (тип Black-Ray Meter, США) До 60 Вт/м2 10 Вакуумный фото- Модель/-221: элемент X = 300 т-400 нм; Модель /-225; X = 200 т-280 нм Измерение энергетичес- кой освещенности в УФ-области спектра
Люксуфиметр (Лонго, Германия) До 105 лк 5 Селеновый фото- X = 200 -г 400 нм элемент Измерение энергетичес- кой освещенности в УФ-обласги спектра
Продолжение табл. 1J
Тип прибора (фирма-иэ- гоговитель, страна) Диапазон измерения облученности Погреш- ность, % Приемник излуче- Эксплуатационная ха- ния (детектор) рактеристика Назначение
Комплект фотометри- ческих устройств Camma Scientific (тип 820/900, США) 10”* - 103 Вт/м2 0,1-10s лк 5 Термоэлемент X = 300 -г 3000 нм Измерение световых и энергетических харак- теристик ОИ
Пиранометр (тип LI-200SA, США) До 3000 Вт/м2 5 Кремниевый фо- тоэлемент Рабочая температура 20-65 °C, X = 400 т-1100 нм Измерение энергии сол- нечного излучения
Дозиметр для УФ-излу- чсния МДУФ1А (БР) 10"3 - 10 Вт/м2 7 Фотоэлемент Ф-4 Питание 220 В, 50 Гц, рабочая температура 0-45 °C Измерение интенсивно- сти УФ-излучения в А, В и А+В областях
Измеритель облучен- ности ИО-1 (СССР) 0.3 - 40 Вт/м2 2 Термоэлемент РТН X = 0,25 т-1 мкм Измерение облученности биологических объектов
Люксметр Ю-116 (СССР) 5-100 лк (расширенный диапазон 50-1-103 лк) . ю Селеновый фото- элемент Рабочая температура 10-35 °C Измерение освещенности
Люксметр Ю-117 (СССР) 0,1-100 лк (расширенный, 10 диапазон 1,7-1-103 лк) То же Рабочая температура 10-35 °C. То же
Уфиметр УВИ-1 (СССР) До 10 Вт/м2 10 Фоторезистор Х = 230т-330 нм; пита- ние от батарей или от сети 220 В Измерение облученности в УФобласти
Уфиметр УФМ-Б (СССР) До 10 Вт/м2 5 Сурьмяно-цези- свый фотоэле- мент Х = 280 т-375 нм; сеть 220 В или батареи; тем- пература 5-35ЬС Измерение плоской или сферической УФ-облу- ченности в областях А и В
Уфидозиметр УФ Д-73 (СССР) До 10 Вт/м2 5 Фотоэлементы ти- пов Ф-4, Ф-7 Х= 280 + 380 нм; 220 В, 50 Гц; аккумулятор Измерение облученности и УФ-дозы, создаваемой искусственными источ- никами излучения
Эрдозиметр "Позитрон” (тип УФД-1а, СССР) 0Д1 мэр-ч/м2 - 100 эр-ч/м2 03-1000 мэр/м2 Менее 25 Фотоэлемент ти- па Ф27 220 В, 50 Гц Измерение облученности и эритемной дозы
Бактметр (International Light, тип IL-254, США) Диапазон показаний при- бора 0-0,03 мкА, 0-10 мкА; имеется спе- циальная шкала перевода в энергетические вели- чины 3 Сурьмяно-цези- X = 254 нм, температура свый фотоэлемент не более 75 °C Измерение бактерицид- ного излучения ртутных ламп низкого давления
Бактэрметр (Internatio- na] Light, тип IL-540, США) 254 нм - 0,2 мВт/м2 297 нм - 0Д1 мВт/м2 5 Фотоэлемент + + интерференци- онный фильтр Х-254 нм, Х = 297 нм; 115/220 В, 50-60 Гц Измерение УФ-облученно- сти в двух областях спектра - 254 и 297 нм
разцовый радиометр — подчиненное образцовое средство измерения, ат-
тестуемое из числа рабочих радиометров типа РОИ-82.
Кроме стандартизованных на государственном уровне разрабатывают-
ся и изготовляются радиометры и фотометры конкретного назначения
на ведомственном уровне, например ФАР-метры.
В табл. 1.3 приведены сведения по некоторым отечественным и зару-
бежным приборам для измерения ОИ.
При выборе того или иного фотометра (радиометра) для выполнения
измерений необходимо кроме диапазона измерений обращать внимание
на интервал его спектральной чувствительности, зависимость его спект-
ральной чувствительности от длины волны (селективность или неселек-
тивность) и от угла падения ОИ на входное окно фотоголовки. При от-
клонении этих характеристик прибора от требуемых должна быть прове-
дена дополнительная метрологическая аттестация в целях определения
поправок и реальных погрешностей измерений в конкретных условиях
с учетом спектрального распределения излучения.
По приемникам ОИ (детекторам), многие из которых можно приме-
нять в качестве измерительных преобразователей в радиометрах, имеет-
ся обширная литература (см., например, библиографию к [12]).
Глава вторая. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
ФОРМЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ
2.1. Элементарные процессы поглощения
и преобразования излучения
Любое преобразование ОИ начинается с его поглощения веществом,
в котором происходит указанное преобразование. Исключение состав-
ляют процессы сенсибилизированного преобразования излучения, в кото-
рых возбуждаются вещества — сенсибилизаторы, не участвующие в пре-
образовании, но передающие энергию поглощенного излучения преобра-
зуемому веществу.
Первичный акт поглощения является важнейшим в энергетике любого
процесса преобразования, так как все последующие после этого акты ли-
бо направлены на получение нужных эффектов (продуктов), либо при-
водят к рассеянию энергии, ее потере. Поэтому прежде чем перейти к
рассмотрению отдельных видов (форм) преобразования излучения, не-
обходимо в самых общих чертах описать механизм элементарных про-
цессов [5,13-16].
Практически все элементарные процессы преобразования ОИ можно
свести к процессам, происходящим на уровне электронов, ионов, атомов
и молекул. На рис. 2.1 схематически представлены энергетические уров-
ни атома, иона и электрона. Нулевой энергетический уровень соответ-
26
Рис. 2.1. Схематическая диаграмма
энергетических состояний и переходов
для атома, иона и электрона
Рис. 2.2. Кривая потенциальной энергии
двухатомной молекулы
ствует основному состоянию атома (низшему из всех связанных состоя-
ний) , а более высоким связанным состояниям соответствуют положи-
тельные энергетические уровни. Уровень Е{ соответствует энергии
ионизации, т.е. энергии, необходимой для отрыва электрона от атома,
находящегося в основном состоянии. Уровни выше Ei соответствуют
свободным электронам. Возможны три вида энергетических переходов
при поглощении (излучении) фотона: связанно-связанные (процессы а
и Ь), связанно-свободные (с и d), свободно-свободные (ей /). Помимо
процессов поглощения и испускания возможны процессы неупругого
рассеяния, при которых фотоны передают часть своей энергии.
При рассмотрении процессов поглощения излучения молекулами не-
обходимо учитывать не только энергию электронов, но и энергию, свя-
занную с вращением молекулы как единого целого и с периодическими
колебаниями атомов, составляющих молекулу.
Подобно электронным уровням энергии атомов молекулярные
электронные, колебательные и вращательные уровни энергии кванту-
ются.
Электронное поглощение обычно простирается от 750 нм (красная
область видимой части спектра) до 120—140 нм (далекий УФ или шума-
новская область) . Область электронного поглощения соответствует рас-
стоянию между уровнями энергии порядка 1,7 эВ в красной области и
11 эВ в далеком УФ. Колебательные уровни разделены интервалом, сос-
тавляющим приблизительно 0,04—0,4 эВ, и поглощение расположено в
ИК-области от 3 • 103 до 30 • 103 нм. Вращательные уровни энергии обыч-
но близки друг к другу (за исключением очень легких молекул, напри-
27
мер водорода) с интервалом примерно 0,004 эВ, чисто вращательный
спектр лежит в далекой ИК-области свыше 30•103 нм.
Рассмотрение молекулярных уровней упрощается тем, что в первом
приближении можно выделить три независимых типа энергии и записать
^полн = Er + + &е’ (2-1)
где Ее - энергия электронного состояния; Ег - энергия колебатель-
ных уровней; Ег — энергия вращательных уровней молекулы.
Такая форма записи допустима благодаря большому различию между
частотами вращательного, колебательного и электронного движений,
имеющими значения порядка 1О10, 10*2 и 10*5 с-1 соответственно.
Этот факт лежит в основе очень важного принципа Франка - Кондона:
электронные переходы являются настолько быстрыми процессами
по сравнению с движением ядер, что за время электронного перехода яд-
ра не успевают изменить ни своей скорости, ни взаимного расположе-
ния [5,16].
Колебательное движение двухатомной молекулы XY аппроксими-
руют колебаниями гармонического осциллятора, в котором ядра X и
Y как бы упруго связаны пружиной и колеблются вдоль оси, связыва-
ющей ядра. График зависимости потенциальной энергии этой системы
от расстояния между ядрами атомов X и Y называют потенциальной
кривой (рис. 2.2).
При некотором расстоянии г*у между ядрами потенциальная энер-
гия системы минимальна, т.е. конфигурация системы равновесна. При
сближении ядер потенциальная энергия возрастает (кулоновское оттал-
кивание ядер и электронов). При расстояниях, больших потен"
циальная энергия системы также увеличивается из-за растяжения связи
X - Y. Однако связь ядер с увеличением расстояния падает (менее кру-
тое нарастание потенциальной энергии). 3 конце концов сила, связыва-
ющая ядра, исчезает, связь рвется и потенциальная энергия достигает
предельного значения. Эта энергия соответствует энергии диссоциации
молекулы; на рис. 2.2 она представлена асимптотой потенциальной
кривой.
В каждой точке потенциальной кривой молекула находится и в сос-
тоянии покоя и в начале колебательного движения — в направлении,
обратном тому, которое привело ее в состояние покоя. Во всех осталь-
ных положениях молекула обладает как кинетической, так и потенциаль-
ной энергией. Так, если в точке А молекула обладает потенциальной
энергией, равной 40 отн. ед., а кинетическая энергия равна 0, то в точке
В кинетическая энергия молекулы составит примерно 35 отн. ед., а по-
тенциальная — 5 отн. ед.
При электронном возбуждении молекулы происходит перераспреде-
ление электронной плотности, поэтому для описания потенциальной
энергии молекулы в возбужденном состоянии необходима другая кри-
28
А
Рис. 2.3. Потенциальные кривые основного и возбужденного состояний двухатом-
ных молекул:
а - с одинаковым равновесным межъядерным расстоянием; б - в возбуж-
денном состоянии с межъядерным расстоянием немного большим, чем в основ-
ном; в-в возбужденном состоянии с межъядерным расстоянием много большим,
чем в основном
вая (рис. 2.3). Верхняя кривая на этом рисунке представляет возбуж-
денное состояние.
Молекула в возбужденном состоянии представляет собой в некото-
ром смысле другую химическую частицу, нежели та же молекула в ос-
новном состоянии [16]. Можно ожидать, что возбужденное состояние
будет значительно более реакционноспособным, так как оно обладает
большим запасом энергии и имеет специфическое электронное распре-
деление в орбитали: там, где был электрон, теперь - ’’дырка”. Однако
в этом состоянии молекула пребывает, как правило, очень короткое
время. На рис. 2.4 показана схема уровней энергии типичной органичес-
кой молекулы с указанием путей трансформации возбужденного состоя-
ния. Энергия триплетного состояния (Гь Т2) всегда меньше энергии
соответствующего синглетного состояния (Si,S2), образующегося при
переходе того же самого типа. д
Допустим, что молекула при поглощении фотона переходит во второе
возбужденное состояние S2 (стрелки а). Путь а' — заселение St. Ис-
пускание с 51 (стрелка с) — флуоресценция, из состояния 7\ (стрел-
ка d) — фосфоресценция. Прямое возбуждение молекулы Ti и Т2 —
запрещенный процесс; триплетные уровни заселяются путем безызлу-
чательного перехода из состояний S2 и Si (пример — волнистая
стрелка е).
В конденсированной фазе очень велика безызлучательная конверсия
S2 - S2 (стрелка Ъ). Однако на самом нижнем колебательном уровне
S! молекула какое-то время сохраняет энергию; в это время возможно
заселение 7^ из St (стрелка е). Стрелка f показывает переход Tt с
29
Рис. 24. Схема уровней энергии типичной ненасыщенной молекулы
верхнего колебательного в нижний колебательный уровень, который про-
исходит при столкновении с соседними молекулами в конденсирован-
ной фазе. Такую релаксацию (при одной орбитали) называют внутрисис-
темной конверсией в отличие от внутренней конверсии — безызлучатель-
ного перехода между различными орбиталями (стрелка е) [16]. Как
правило, молекулы долго живут только на самых нижних колебатель-
ных уровнях самых нижних электронно-возбужденных состояний. Бе-
зызлучательные переходы типа h и i являются маловероятными.
Теперь дадим самые общие представления о характере зависимости
конечной фотореакции от излучения, наметив общие принципы оценки
приемника ОИ [17]. Лишь в некоторых частных случаях конечная фото-
реакция приемника тождественна первичному фотопроцессу. В боль-
шинстве фотопроцессов конечной реакции предшествует образование
продукта первичной фотореакции (возбужденные молекулы, ионы,
радикалы и т.п.). При этом если за меру реакции приемника принять
скорость образования конечного продукта, то (см., например, [18])
R = dNJdt = Кх{п*)т, (2.2)
где NK — концентрация конечного продукта реакции; п* — концентра-
ция продукта первичной фотореакции; т — порядок реакции; Кг —
постоянная скорости образования конечного продукта реакции.
Скорость образования продуктов первичного фотохимического про-
цесса можно в самом общем виде представить как
Эя* 1
^— = — S JfZ, (w,r)Xa, (w,X,r,Le)dXdw, (2.3)
dr he e\ 1
30
где Le^(w, t) — спектральная плотность энергетической яркости поля
ОИ в зоне протекания фотореакции, зависящая от направления в пределах
телесного угла со и времени Г; а( - коэффициент поглощения излу-
чения в процессе первичной фотореакции с образованием п* для i-ro
приемника.
Суммирование по i означает возможность получения и* в процессе
воздействия на j частных приемников. Так, в процессе фотосинтеза рас-
тений участвуют различные фотопигменты, большинство из которых яв-
' ляются ’’светосборщиками”, поставляющими энергию а-хлорофиллу.
При летальном действии света на клетку в процессе участвуют и бел-
ки, и нуклеиновые кислоты со своими характерными спектрами пог-
лощения. Фотодинамическое действие света может быть осуществлено
при участии нескольких красителей.
В том случае, когда для осуществления конечного процесса необхо-
димо, например, воздействие на один объект (молекула, атом и т.п.)
двух и более квантов сразу, (2.3) принимает вид
dn*/dt = —— П L t)dXda>.
1 he / = i еХ '
(2.4)
В качестве примера процессов, описываемых (2.4), можно привести
фотохимическое разделение изотопов с помощью узкоспектрального
(в частности, лазерного) излучения в двухквантовом процессе.
Помимо процесса (2.3) продукты первичной фотореакции участвуют
в различных процессах дезактивации возбужденного состояния (флуо-
ресценция, внутри- и межмолекулярная конверсия и т.п.) :
Эп*/дг = К2п*, (25) <
м
где К2 — постоянная скорости процесса дезактивации.
Таким образом, концентрация продукта первичного фотопроцесса
может быть найдена из уравнения
О
э » 1 /
$ L'^Xa.dXdu - k2n* - kxm(n*)n. (2.6)
Решая совместно (2.2) и (2.6), можно найти NK.
В том случае, когда ah и не зависят от условий облучения,
мы имеем деЛо с нефотоадаптИрующимися приемниками ОИ. К таковым
относятся фотофизические и фотохимические приемники. Знание их оп-
тических характеристик, прежде всего молекулярного коэффициента
поглощения, концентрации поглощающих молекул и толщины оптичес-
кого слоя, позволяет полностью охарактеризовать приемник излучения.
Для этих приемников в пределах линейной зависимости NK от облу-
ченности (энергетической яркости) возможна характеристика приемни-
31
ка типа
NK = cU(k)*e(X)dX,
(2.7)
где g(X) — спектральная чувствительность нефотоадаптирующегося
приемника.
В случаях, когда заранее не известно, какое возбужденное состояние
молекулы (атома) предшествует последующим вторичным реакциям,
т.е. не известна а(Х), спектральную чувствительность нефотоадаптиру-
ющегося приемника g(X) можно однозначно получить из световых кри-
вых ЛК(Х) = выявленных в специальных экспериментах для
каждой X или в пределах узких участков ДХ.
Для источника с линейчатым спектром излучения производительность
фотореакции
/
NK = Д^Ф^Х,), (2.8)
где Фе (Ху) — поглощенный поток в пределах ДХ,-.
Если представить всю область спектральной чувствительности в виде
участков шириной ДХ; и использовать п ламп, имеющих линейчатое
излучение в участках ДХ,-,то#(Х) можно получить из решения системы
п уравнений вида (2.8). Для указанного метода была разработана уни-
фицированная серия квазимонохроматичных источников излучения (см.
гл.З) [55,77].
Фотобиологический приемник излучения относится к числу фотоадап-
тирующихся приемников, т.е. таких, которые ’’приспосабливаются”
к световым условиям. Более того, это свойство адаптации к изменя-
ющимся внешним условиям является самой характерной, самой важной
особенностью этих приемников, позволяющей фотобиологическому
объекту ’’выжить” и репродуцировать.
В этом приемнике величины ait К2,КХ не являются постоянными в
функции условий облучения, и они достаточно сложно зависят от облу-
ченности, соотношения облученности в разных участках спектра, прост-
ранственной и временной структур поля излучения.
Это обстоятельство заставляет отказаться от поиска универсальной
функции чувствительности типа g(X) в (2.7) для фотоадаптирующего-
ся приемника. При этом, естественно, возникают разного рода эмпири-
ческие методы отыскания наилучших условий облучения. Так, в [19]
был предложен один из методов определения оптимального поля излу-
чения для растений на основе обработки световых кривых, полученных
при облучении фиксированным по спектру излучением. Такой метод
дает удовлетворительное для практики решение вопроса оптимизации
излучения для фотобиологических приемников ОИ, однако он не позво-
ляет выяснить поведение приемника при промежуточных, заключенных
32
между фиксированными точками, спектрах излучения, значениях облу-
ченности и других факторах.
Решение этой задачи, на наш взгляд, можно упростить, если в каждом
конкретном случае отыскивать некую функцию для фотоадаптирующе-
гося приемника, параметры которой выражаются в виде непрерывной
зависимости от характеристик поля излучения. При поиске такой функ-
ции, основанном, конечно, на детальном знании фотоприемника, следует
иметь в виду некоторые общие для фотоадаптируюшихся приемников
(прежде всего фотобиологических) особенности.
Во-первых, реакция такого приемника начинается с некоторой поро-
говой облученности, т.е. Еео =#= 0 (у растений это так называемая ком-
пенсационная точка; имеется пороговая облученность при образовании
эритемы и т.п.). Во-вторых, на кривых зависимости поведения фотоадап-
тирующегося приемника от облученности имеется участок роста, его за-
медления и плато (максимум). В-третьих, в реакции такого приемника
рано или поздно наступает не только насыщение, но* и замедление, спад
реакции от избытка излучения.
Нам представляется, что такой характер реакции живого организма
является едва ли не универсальным (перегрев, пересыщение, переоблу-
чение и т.п.) , что в еще большей степени укрепляет в мысли о реальной
возможности поиска указанной функции. Такие кривые хорошо ап-
проксимируются, например, функцией [17]
г -с<*в-£еоЯ
V I1 - « 1. (29)
при этом коэффициенты К, Ь, с, а также Еео являются функцией
спектрального состава излучения.
Второе обстоятельство, которое следует иметь в виду при попытках
построить некую модель фотоадаптирующегося фотоприемника, заклю-
чается в возможных и, как правило, известных трансформациях а;- =
= /(X). В частности, в большинстве фотоприемников известны два край-
них случая а,.; первый характеризует приемник в начальной фазе его су-
ществования (рассада, непигментированная кожа, необлученная конъюн-
ктива и т.п.), второй относится к фотоприемнику в его конечной стадии
развития под действием излучения (последние стадии вегетационного
периода растений, пигментированная кожа). И первый, и второй случаи
с точки зрения зависимости реакции приемника от спектрального соста-
ва излучения можно считать вполне определенными.
В первом случае спектральная чувствительность приемника практичес-
ки тождественна спектральной характеристике его поглощения а,(Х).
Во втором случае в силу поглощения излучения в достаточно развитых
оптических слоях (например, для развитого ценоза растений сильное
поглощение зеленого излучения) g(X) можно, как правило, свести к
П-образной кривой.
33
Сделав это общее введение в теорию приемника ОИ и оставив еще
много вопросов для дальнейших исследований, приступим к описанию
конкретных приемников.
2.2. Фотофизическое действие излучения
Под фотофизическим действием излучения следует понимать любое
изменение физических параметров вещества, происходящее под воздей-
ствием излучения. К числу наиболее известных и широко применяемых
в науке и технике фотофизических действий излучения следует отнести
фотоэффект, фотолюминесценцию и тепловое действие излучения.
Фотоэффектом называют изменение электрического состояния тела
под воздействием излучения. Иными словами, при фотоэффекте проис-
ходит преобразование энергии излучения в электрическую.
Фотоэффект имеет многочисленные проявления: фотопроводимость,
внутренний, вентильный, фотоэлектромагнитный, электронный фото-
термомагнитный, фотопьезоэлектрический эффекты и др. На указанных
эффектах основана большая группа приборов (фотоэлементы, фотосоп-
ротивления, фотоумножители, электронно-оптические преобразователи и
другие приборы), находящих применение в телевидении, звуковом ки-
но, автоматике, вычислительной технике, оптической связи и сигнали-
зации, гелиотехнике. Некоторые характеристики фотоэлементов, при-
меняемых в измерительной технике, приведены в гл. 1.
Другой большой класс фотофизических явлений, связанных с преоб-
разованием энергии излучения, - фотолюминесценция. Как известно,
возбуждение люминесценции может происходить в результате поглоще-
ния квантов энергии любой формы движения элементарных частиц (фо-
толюминесценция, рентгенолюминесценция, электролюминесценция, ка-
тодолюминесценция, хемилюминесценция и др.). Первые два вида от-
носят к фотонной люминесценции, которая представляет собой процесс
спектрального преобразования излучения, обладающего конечной дли-
тельностью (большей времени полного периода собственных колебаний
молекул вещества) и избыточностью над температурным излучени-
ем [5].
В большинстве процессов преобразования излучения в той или иной
мере присутствует фотолюминесценция (см. § 2.1) . Фотолюминесцен-
ция используется при спектральном анализе (геология, медицина, пище-
вая промышленность и др.), в дорожной сигнализации (светящиеся зна-
ки) , сценическом освещении и др.
Как было указано выше, большинство процессов поглощения излу-
чения сопровождается вторичными процессами рассеяния поглощен-
ной энергии. Некоторые из этих процессов приводят к превращению
энергии в энергию неупорядоченного движения молекул (атомов) ве-
щества, т.е. в тепловую'энергию вещества.
34
В газах и жидкостях значительную роль в процессах передачи энергии
играет соударение частиц, обладающих большей кинетической энергией,
с частицами с меньшей энергией. У металлов основными передатчиками
теплоты являются свободные электроны. В системе, находящейся в пол-
ном термодинамическом равновесии, количество энергии любого вида
статистически постоянно, и м'ожно сказать, что энергия равномерно расп-
ределена между различными возможными формами.
В тепловых облучательных установках отдельные эффекты, ради ко-
торых эти установки используются, зависят от распределения энергии
по отдельным энергетическим уровням и степеням свободы облучаемой
системы. Однако с практической точки зрения наибольший интерес
представляет зависимость температуры вещества (системы) от различ-
ных параметров и прежде всего излучения.
Уравнение теплопроводности для тела, поглощающего излучение и
не имеющего теплоотдачи в окружающее пространство, можно предста-
вить в виде
- = V2 Г, (2.10)
dt су су
где Т - температура тела; t — время; q - избыточная объемная плот-
ность тепловой энергии, т.е. разность между поглощенной и израсходо-
ванной энергией на испарение; с - удельная теплоемкость вещества;
3<— коэффициент теплопроводности вещества; у — плотность материала.
В действительных условиях облучения какого-либо тела в результате
повышения его температуры возникает теплоотдача в окружающее про-
странство конвекцией, излучением и теплопроводностью. Вследствие
очень малого значения теплопроводности воздуха потери теплоты в ок-
ружающее пространство через теплопроводность ничтожно малы и ими
можно пренебречь. Таким образом, рассеяние тепловой энергии тела в
окружающее пространство происходит конвекцией и излучением:
q = а (Г - Т ) + п ааТ* - п „оаоТ* (2.11)
Kv п в7 *п.о П П *О.П о v '
где ак - коэффициент теплоотдачи конвекцией; т)п 0> % п - коэф-
фициенты использования потока, излучаемого облучаемым телом отно-
сительно окружающих его поверхностей, и потока, излучаемого окружа-
ющими телами относительно облучаемой поверхности; ап, а0 - коэф-
фициенты поглощения излучения облучаемым телом и окружающими
его поверхностями; а — коэффициент интегрального излучения абсо-
лютно черного тела; ТП,ТВ,ТО - температура поверхности облучаемо-
го тела, окружающего воздуха и окружающих поверхностей.
Уравнения (2.10) и (2.11), решенные совместно, позволяют описать
температурное поле во времени и пространстве. Решение подобных за-
дач осуществляется приближенно на основе теории подобия методом
приведения к более простым частным случаям [20,21].
35
Для определения качественной картины нагрева и его зависимости
от основных параметров предположим, следуя [5], что теплота равно-
мерно распределена в толще облучаемого объекта. Предположим также,
что нагрев осуществляется до сравнительно низких температур (до
400 К), в этом случае можно принять постоянным отношение суммарной
теплоотдачи (конвекцией и излучением) к потере конвекцией:
<*ек * 4СИ
dQ '
(2.12)
dt, (2.14)
При этом приближенное значение потерь теплоты
dQK + dQ - д f(Tn - T)Adt, (2.13)
где ак $ = а - суммарный коэффициент теплоотдачи.
Принимая, что скорость испарения влаги постоянна и равна средней
скорости и, уравнение теплового баланса облучаемого тела можно пред-
ставить в виде
a Е dt = — SdT + aSv(T - Т )dT+puS
вп е с И4 п в' г
где S = А/Ай — отношение площадей полной и облучаемой поверхнос-
тей; Sv = A/V — отношение площади полной поверхности и объема об-
лучаемого приемника.
Решение (2.14) для простейшего примера — облучения тела, находя-
щегося в атмосфере воздуха с постоянной температурой, равной началь-
ной температуре Тп = Тв, приводит к выражению [5,6]
aSV \
а Е - puS
ео е
Т.
1
в
Очевидно, что решающими факторами нагрева тел в поле излучения
являются энергетическая облученность и поглощательная способность
тела. Чем они выше, тем более высокую температуру приобретает облу-
чаемое тело. Такие параметры, как толщина, масса, теплоемкость, теп-
лопроводность, влияют на скорость достижения предельной темпера-
туры.
Однако эти утверждения справедливы в простейшем случае, когда
имеют дело с тонкими листами, имеющими хорошую теплопроводность.
Характер нагрева может изменяться в телах с большой толщиной и низ-
ким коэффициентом теплопроводности. Особо сложные процессы об-
разования и передачи теплоты разыгрываются в многослойных телах.
36
Рис. 2.5. Теплообразование внутри облучаемого однослойного тела при слабом
(а) и сильном (б) поглощении:
1 - падающее излучение; 2 - отраженное излучение; 3 - поглощенное излу-
чение; 4 - пропущенное излучение
Рис. 2.6. Теплообразование внутри облучаемого двухслойного тела при слабо или
сильно поглощающей подложке (б) :
1 — падающее излучение; 2 - отраженное излучение; 3 — поглощенное излу-
чение; 4 - слой лака; 5 - "подложка”
Ниже представлены схемы распространения излучения в нагреваемое
тело [22]. Вначале рассмотрено однослойное тело в двух вариантах:
слабое и сильное поглощение излучения (рис. 2.5). Разница в нагреве
этих тел представлена справа от каждой из схем. У материала со сла-
бым поглощением излучения температура по сечению тела значительно
более равномерна, чем у тела с сильным поглощением.
Для многослойного тела (например, слой на поверхности, отража-
ющей излучение) схематическая картина проникновения излучения пред-
ставлена на рис. 2.6 [22]. В первом случае, когда в качестве подложки
используется сильно поглощающее тело (лист), на границе слой - под-
ложка выделяется значительно больше теплоты, чем в первом слое, и
температура внутри слоя у границы отражающей поверхности выше, чем
на наружной стороне первого слоя. Эти схемы свидетельствует и о том,
что несмотря на необходимость теоретических расчетов нельзя пренебре-
гать экспериментальными исследованиями процессов нагрева.
37
2.3. Фотохимическое действие излучения
Сущность фотохимических реакций состоит в активизации системы
(молекулы, атома) поглощенным квантом излучения. Процесс фото-
химического действия излучения можно разделить на три стадии [15,
16, 18]:
1) акт поглощения, при котором появляются электронно-возбужден-
ные состояния;
2) первичные фотохимические процессы, в которых участвуют элект-
ронно-возбужденные состояния;
3) вторичные или темновые (термические) реакции, протекающие с
продуктами первичных процессов.
Особенностью фотохимической активации по сравнению с термичес-
кой является ее селективность. Поглощенный квант света возбуждает
или активирует отдельную связь или группу в данной молекуле. Ис-
пользуя характерные для молекул вещества частоты возбуждающего
света, можно активировать их, не затронув других молекул (раствори-
теля, например) или других связей в той же молекуле. Термическая ак-
тивация тех же самых молекул и связей может быть достигнута только
благодаря увеличению полной энергии окружающих молекул.
Все фотохимические реакции идут через электронно-возбужденное
состояние. Чтобы понять сущность фотохимического процесса, необхо-
димо иметь сведения об энергии, времени жизни и структуре электрон-
но-возбужденных состояний.
На рис. 2.3,а представлена потенциальная кривая молекулы, у кото-
рой минимумы потенциальной энергии основного и возбужденного сос-
тояний совпадают (первый тип молекулы). При нормальной температуре
молекула поглощает излучение, находясь на самом нижнем колебатель-
ном уровне основного состояния. Исходя из принципа Франка — Кондо-
на поглощение разрешено лишь на колебательные уровни, попадающие
в заштрихованную область. Видно, что разрешенными переходами явля-
ются 0—0 и 0—1 (т.е. переход между колебательным уровнем к = 0
основного состояния и колебательными уровнями v = 0, v = 1 возбуж-
денного состояния) . Электронный переход начинается и кончается приб-
лизительно при одном и том же межъядерном расстоянии и одной и той
же кинетической энергии системы (близкой к нулю). Вертикальные пе-
реходы пересекают верхнюю потенциальную кривую в точках поворота,
где ядра на короткое время останавливаются.
Переходы на колебательный уровень г = 4 возбужденного состояния
все же возможны, если во время поглощения существенно изменяет-
ся или положение ядер (точки Л и Сна рис. 2.3,а), или количество дви-
жения (точки А и В) [16]. В точке В, например, кинетическая энергия
молекулы на четыре колебательных кванта больше, чем на уровне г = 0.
Можно предсказать, что электронно-колебательная 0- 0 полоса в спект-
ре поглощения указанной молекулы будет наиболее интенсивной, а ин-
тенсивности 0 — 1,0 — 2,... будут уменьшаться (рис. 2.7,а).
38
Рис. 2.7. Типичный спектр поглощения двухатомной молекулы, кривые потен-
циальной энергии которой подобны изображенным на рис. 2.3,а (а), 2.3,6 (6) и
2.3,в (в)
Типичный спектр поглощения молекулы, у которой минимум потен-
циальной энергии для возбужденного состояния лежит при несколько
большем межьядерном расстоянии, чем для основного состояния (см.
рис. 2.3,6), представлен на рис. 2.7,6 (второй тип).
И, наконец, возможен третий случай (см. рис. 23,в), когда минимум
потенциальной энергии возбужденного состояния лежит на таком боль-
шом расстоянии между ядрами, что отвечающие принципу Франка —
Кондона переходы с уровня v = 0 основного состояния пересекают кри-
вую потенциальной энергии возбужденного состояния выше асимптоты.
Переходы в состояния, лежащие выше асиптоты, дают область непрерыв-
ного поглощения — колебательная структура отсутствует (рис. 2.7,в).
Фотохимические реакции с участием возбужденных молекул первого
типа возможны лишь в результате соударения возбужденной молекулы
39
с другими молекулами вещества, участвующего в реакции. К ним отно-
сятся такие молекулы, как N2, С2 и др. Молекулы, имеющие структуру
второго типа, могут вступать в фотохимическую реакцию как в резуль-
тате непосредственной диссоциации, так и вследствие соударений в воз-
бужденном состоянии. Примеры таких молекул 12, Вг2, С12 и др. Воз-
буждение молекул третьего типа вызывает диссоциацию при любых
электронных переходах. Обычно такая диссоциация проходит с одновре-
менной ионизацией осколков молекулы (атомов) или с отрывом элект-
ронов от ионов, составляющих молекулу. Типичным примером таких
молекул являются галоидные соли серебра AgBr, AgCln др.
Энергия возбуждения может расходоваться одним из следующих
способов:
А * * излучение Ао + hv;
А* -* безызлучательная Ло + тепло;
А* -* химическая реакция -* продукты;
Л* - молекула в электронно-возбужденном состоянии.
Молекулы живут достаточно долго только на самых нижних колеба-
тельных уровнях самых нижних электронно-возбужденных состояний
(см. рис. 2.4). Тем не менее скорость дезактивации (потеря энергии)
этих состояний чрезвычайно велика по сравнению со скоростями обыч-
ных ’’темновых” реакций. Поэтому химические реакции возбужденных
молекул должны идти достаточно быстро, чтобы успешно конкуриро-
вать с дезактивацией. Время фотореакций должно быть сопоставимо со
скоростью испускания из состояний 5 2 или Т2, поскольку в большин-
стве фотореакций участвует одно из этих состояний. Постоянная скоро-
сти флуоресценции изменяется от 10"6 до 10"’ с. Следовательно, хими-
ческая реакция с участием S 2 должна иметь такую же или большую
скорость. С участием состояния Т\ могут идти и сравнительно более
медленные (менее эффективные) реакции, поскольку постоянная ско-
рости фосфоресценции значительно меньше (10“3 — Ю"5 с).
Помимо состояний S! и Tj в фотохимических процессах участвует
также ’’горячее” основное состояние, получающееся в результате безыз-
лучательных переходов (конверсии) из 52 и Г, на высокий колеба-
тельный уровень состояния So. Участие S2 и Г2 в фотохимических про-
цессах редко, хотя и возможно.
Молекулы, находящиеся в одном из вышеописанных возбужденных
состояний, могут претерпеть в дальнейшем одно из следующих фото-
химических превращений [14,18]:
а) фотораспад:
АВ + hv -* АВ* -+ А + В; (2.16)
б) фотоприсоединение:
А + А + hv -+ А* + А * Л2,
А + ВС + hv -> Л* + ВС -> АВС.
(2.17)
40
(2.18)
(2-19)
(2.20)
в) фотоперенос электрона:
А + В + hv -+ А* + В~ -> АВ;
г) фотополимеризацию:
А + А + hv -* А* + А * А ;
п п п 2П’
д) фотоперегруппировку:
А + ВС + hv •* А* + ВС -* АС + В,
R\ — С — Rz R\ ~ С ~ Rj
II + hv -> ||
R\ — С ~ Rz Rz — С — R\t
где А, В, С - атомы или молекулы простых химических соединений;
АВ, ВС, АВС - молекулы; А*, В~ — ионы; Rit Rz - радикалы; А* -
молекулы или атомы в возбужденном состоянии.
Количественная зависимость фотохимического действия от условий
облучения определяется законом Бунзена - Роско (первый закон фото-
химии) :
Мэ = аФ t, (2.21)
а
где Мэ — число молекул, вступивших в реакцию; а — постоянная ско-
рости фотохимической реакции; Фе^ - поглощенный поток излучения;
t — время излучения.
Закон Бунзена - Роско часто называют законом взаимозаменяемо-
сти вследствие симметричности зависимости уровня реакции от време-
ни и поглощенного потока излучения. Большинство реальных процес-
сов при малых и больших плотностях облучения характеризуются откло-
нением от указанного закона.
Второй закон фотохимии - закон квантовой эквивалентности — был
сформулирован Штарком (1909-1912) и Эйнштейном (1912-1913)
[14]: каждая молекула, участвующая в химической реакции, идущей
под действием излучения, поглощает один квант света, который вызы-
вает реакцию
”к = Мз'па < <2’22)
где т?к - квантовый выход реакции; Мэ - число молекул, вступив-
ших в реакцию; па - число поглощенных фотонов.
В дальнейшем Штарк и Боденштейн (1913) указали, что этот закон
применим только к первичному процессу, поскольку вторичные реак-
ции, сопровождающиеся выделением тепла (цепные реакции, например),
могут приводить к тому, что полный квантовый выход, определяемый
41
отношением числа молекул, вступивших в реакцию, к числу поглощен-
ных фотонов, получается больше единицы [14].
В строгой формулировке второй закон читается так: поглощение из-
лучения молекулой - одноквантовый процесс, и сумма квантовых вы-
ходов первичных процессов должна равняться единице:
2т?к/ = 1, (2-23)
где т?к/ — квантовый выход i-го первичного процесса, который может
представлять собой все возможные пути разрушения или дезактивации
возбужденной молекулы.
Следует отметить, что при .импульсном возбуждении и под действием
лазерного излучения в ряде случаев можно осуществить и двухкванто-
вые процессы [14,16].
Важнейшей количественной характеристикой любого химического
превращения является скорость процесса, определяемая количеством
вещества, вступившего в реакцию в единицу времени в единице объема.
Если скорость процесса обозначить через г, то
1 ДЛ
v =--------,
И Дт
где Д/V — количество образовавшегося вещества в объеме V за время
t. Если процесс протекает при постоянном объеме, то
v = Ьс/ЬЛ, (2.25)
где с - концентрация вещества, т.е. N/V.
Скорость химической реакции (при прочих равных условиях — темпе-
ратуре, давлении и т.п.) является функцией концентрации реагирующих
веществ:
(2-24)
Иг я2 П1
г = [Л.] ^Л,] ’... [Л,] (2.26)
где [Л,] - концентрация вещества А{; nf — порядок реакции по ве-
ществу А/.
Исходя из закона Бунзена - Роско количество образовавшихся воз-
бужденных молекул (первичный акт фотохимического процесса) будет
Л* = аФ t. (2.27)
еа
Применяя закон Бугера, преобразуем (2.27) [5]:
Л* = а(1 - е~к‘)Фе1, (2.28)
42
где к — показатель коэффициента поглощения излучения; I — толщина
поглощающе го слоя7дляединйцьГббъет<5
И*] = а(1 - e~k)Eet, (2.29)
где Ее - облученность, или
-тсл
[Л*] = а(1 - е )Eet, (2.30)
где т — молекулярный показатель поглощения излучения; сА — кон-
центрация молекул поглощающего вещества.
Изменение концентрации возбужденных молекул в единицу времени
ДсЛ* Д[Л*1 ~тсА
---- = — = аЕе{\ - е ). (2.31)
Дг Дг---------------------------------------------------е
Если концентрация молекул и поглощение излучения малы (тс. <
< 0,1), то
~тсА
(1-е ) « тсА. (2.32)
При этом уравнение (2.31) можно представить в виде
Дсл
= атс,Е (2.33)
Дг л е
Обозначим буквой К2 постоянную скорости различного рода дезак-
тивационных превращений возбужденной молекулы, а буквой Кх —
постоянную скорости появления нового продукта химической реакции
(например, реакции фотоприсоединения):
А* + В -> АВ.
Тогда из закона действующих масс скорость исчезновения (дезактива-
ции) возбужденных молекул А *
ДсЛ *
=К2с (2.34)
Дг А
а скорость появления молекул продукта реакций АВ
^САВ
-^-=KlC.^c (2.35)
Дг л °
43
В установившемся состоянии равновесия число образовавшихся воз-
бужденных молекул равно числу уничтоженных (дезактивированных и
прореагировавших):
атсАЕе = К*СА* + К'СА*СВ' (2-36)
Решая совместно (2.35) и (2.36), находим, что скорость образования
молекул АВ
*САВ _ „ атсАЕе
— Сп>
At К2^Кхсв а
(2-37)
Здесь был рассмотрен простейший случай фотохимической реакции
в предположении, что исходное вещество А расходуется только в ре-
зультате превращения возбужденных частиц А *. Однако известны бо-
лее сложные реакции, при которых исходное вещество, например, расхо-
дуется также в результате взаимодействия с продуктами первичного
фотохимического взаимодействия. Так, при облучении йодистого водо-
рода HI протекают следующие реакции:
Hl + hv * Н* + I*;
hi + н* -* Hj + Г.
В этом случае на каждый поглощенный квант приходится две разложен-
ные молекулы HI, т.е. квантовый выход такой реакции фотораспада
равен 2.
Существуют реакции, в которых квантовый выход может составить
десятки и сотни тысяч (так называемые цепные реакции); в этих реак-
циях излучение играет лишь роль начального инициатора.
2.4. Фотобиологическое действие излучения
Действие излучения на человека, животных, микроорганизмы и рас-
тения называется фотобиологическим действием. Общими для всех
процессов фотобиологического действия излучения являются фотопре-
образования, которые протекают в веществе живой клетки в результате
поглощения ею излучения. Огромное количество фотобиологических
процессов подразделяется на собственно физиологические и деструктив-
но-модифицирующие [6, 15].
Фотосинтез является наиболее распространенной в природе фотобио-
логической реакцией. При фотосинтезе световая энергия трансформи-
руется в химическую энергию органических молекул растений и микро-
организмов путем восстановления углекислого газа до углеводов, при-
чем в большинстве случаев источником водорода при синтезе органичес-
44
ких молекул служит вода:
hv
СО2 + Н2О-------(CHjO) + Oj.
Выделяющийся в результате фотолиза воды кислород - основной,
если не единственный фактор формообразования земной атмосферы и
поддержания в ней кислородного баланса. Фотосинтез начинается с пог-
лощения кванта света специализированными хромофорами, которые
можно разделить на три основные группы: хлорофиллы, каротиноиды и
фикобилины. Комбинация пигментов в различных растениях и простей-
ших организмах весьма различна. Однако во всех случаях обязательно
присутствие хлорофилла (или бактериохлорофилла) — основного пиг-
мента фотосинтезирующего организма, через который реализуется пер-
вичное фотохимическое действие света.
Оптическое излучение, поглощаемое фоторецепторами растений и
используемое в их жизнедеятельности, называют физиологической ра-
диацией, она ограничивается обычно диапазоном 300-800 нм. (Далее
изложение идет в соответствии с [23], где приведена обширная библи-
ография по фотобиологическим эффектам в растениеводстве). Диапа-
зон излучения, участвующий в энергетическом обмене (фотосинтез),
ограничен областью 400-700 (380-710) нм - фотосинтетически актив-
ная радиация (ФАР).
Зеленые пигменты — хлорофиллы — являются основным фоторецеп-
тором фотосинтетического аппарата растений, преобразующего энергию
света в энергию химических связей продуктов фотосинтеза — органи-
ческого вещества и молекулярного кислорода. Фотосинтез — безуслов-
но важнейший процесс в жизнедеятельности растений.
Процесс фотоморфогенеза (изменение размеров и формы растений
под действием ОИ разной интенсивности и качества) начинается погло-
щением света фитохромом, который существует в двух формах: одна
из них поглощает красное излучение с X = 660 нм (Ф6бо), а другая -
дальнее красное излучение с Xе 730 нм (Ф7з0)- При воздействии воз-
бужденного фитохрома стимулируется прорастание семян, растяжение
стеблей, образование листьев, формирование корневой системы и тд.
Процесс фототропизма, т.е. неравномерного роста вследствие ориен-
тации растения на источник света, предполагает участие таких пигментов,
как флавины и каротиноиды. Различают следующие разновидности фо-
тотропизма: фототаксис — фиксируемой движение как в сторону ис-
точника, так и от него (приводящее к изгибам стебля) и фотонастий -
ненаправленные кратковременные движения.
Процесс фотопериодизма (реакция растений на свето-темновой
ритм) с точки зрения идентификации определяющих пигментов изучен
пока недостаточно. По современным представлениям основой фотопе-
риодической реакции является фитохромная система.
45
Процесс биосинтеза хлорофилла, точнее, одна из последних его ста-
дий — фотовосстановление протохлорофилла в хлорофиллид-а, являет-
ся также светозависимым и играет важнейшую роль в жизни растения
не только на стадии зеленения листьев.
Ниже дана приблизительная оценка действия ОИ различных диапа-
зонов на основные физиологические процессы в высших растениях с
некоторыми уточнениями на основе современных представлений:
Тепловое действие*.........................................> 1000 нм
Эффект вытягивания стебля.................................. 700-1000 нм
Максимальный фотосинтетический эффект, синтез хлорофилла,
фотопериодизм.......................................'....... 610-700 нм
Фотосинтез...................................................510-610 нм
Поглощение каротиноидами, второй пик абсорбции хлорофилла
и фотосинтеза, ростовой и формативный эффекты.............. 400—510 нм
Фотосинтез, регуляторные эффекты........................... 315—400 нм
Вредное действие для большинства растений......-............ 280-315 нм
Губительное действие на растения ............................< 280 нм
*В (157] указано на благотворное влияние ИК-излучения вплоть до Х-40 мкм.
На рис. 2.8 представлены кривые спектра действия фотосинтеза, по-
лученные разными авторами. Как видно, кривые имеют некоторые от-
личия, особенно в коротковолновой части спектра.
Интенсивность фотосинтеза зависит от уровня облученности, соответ-
ствующие зависимости получили название световых кривых фотосинте-
за. Идеальные световые кривые фотосинтеза для светолюбивых и тене-
выносливых культур представлены на рис. 29. Реальные световые кри-
вые не всегда имеют столь же ясную картину. Их ход зависит от видовых
особенностей растений, спектра ФАР, предварительной хроматической
адаптации, концентрации С02 в воздухе и др. Порог так называемого
"светового насыщения” фотосинтеза, т.е. выход на плато кривых, мо-
жет существенно различаться для разных видов растений; обычно он ле-
жит в пределах 10-50 Втм-2 ФАР, однако в условиях фитотрона
иногда может достигать 200-400 Вт • м” 2.
Наличие двух взаимопревращающихся форм фитохрома Ф660 и
Ф730 обусловливает существование двух типов спектров действия фо-
томорфогенеза (рис. 2.10).
Наиболее детально изучены так называемые низкоэнергетические ре-
акции фотоморфогенеза, проявляющиеся при красном (660 нм) и даль-
нем красном (730 нм) излучении в течение некоторого времени (нес-
колько минут). Вопросы, связанные с высокоэнергетическими реак-
циями, в настоящее время весьма дискуссионны, в частности по вопросу
акцептора, имеющего максимум поглощения в синей области спектра.
Фоторецептор при фототропизме имеет максимум чувствительности
в коротковолновой видимой части спектра (рис. 2.10). Фототропические
46
Рис. 2Я. Спектр действия фотосинтеза по данным разных авторов:
1 - Dodilett (1961 г.); 2 - МсСгее (1972 г.); 3 - Baleign (1970г.); 4-
И.И. Свентицкий (1977 г.)
Рис. 2.9. Идеальная световая кривая фотосинтеза:
1 - тенелюбивые растения; 2 - светолюбивые растения (Cj.Cj - точки, в ко-
торых выделение и поглощение COj уравновешены)
Рис. 2.10. Спектры действия фотоморфогенеза (/ и 1') и фототропизма (2, 2):
2 - (Фббо) (прямая конверсия); Г - (Ф730) (обратная конверсия); 2 -
по данным Bickford (1972 г.); 3 - по данным Smith (1975 г.)
47
_______ Рис. 2.11. Спектр действия процесса
П синтеза хлорофилла
Н
*00 500 500 А, и и
эффекты проявляются при малых уровнях облученности и коротком
времени воздействия ОИ.
Фотопериодическая реакция растений является весьма сложным про-
цессом, спектральная зависимость которого окончательно пока не ус-
тановлена. Однако влияние фитохрома на фотопериодические реакции
(цветения) является определяющим.
Максимальным фотопериодическим действием обладает излучение в
красной и дальней красной, а также в синей областях спектра. Наиболее
резко эффект все же выражен при действии ОИ в красном диапазоне
ФАР.
По характеру отзывчивости на длину светового дня растения под-
разделяют на четыре группы: растения короткого, длинного дня, с про-
межуточной длительностью и нейтральные к длине светового дня. Рас-
тения короткого дня цветут, если период облучения меньше некоторого
критического значения, при его превышении они не выходят из вегета-
тивного состояния. Для растений длинного дня зависимость обратная.
Как правило, в зависимости от вида растений для фотопериодического
регулирования необходим световой период 8-17 ч.
Фотопериодизм — низкоэнергетическая реакция, поэтому необходи-
мые для ее осуществления уровни облученности лежат в пределах 0,05-
1 Вт • м-2 (в красной части ФАР).
Как видно из рис. 2.11, максимумы процесса биосинтеза хлорофилла
и спектрального действия фотосинтеза практически совпадают. Эффект
активации синтеза протохлорофилла-а проявляется даже при очень крат-
ковременном (несколько минут) облучении.
Однако растение как адаптирующийся фотоприемник не может быть
охарактеризовано только частными приемниками-хромофорами. Более
того, хозяйственный эффект (например, сухая масса, урожайность,
содержание витамина и т.п.) часто не коррелируют с чистым фотосинте-
зом, поэтому была проведена серия работ по определению спектров дей-
ствия исходя из названного критерия (хозяйственный эффект). Были
получены [24] спектры действия синтеза сухой биомассы нескольких
48
Рис. 2.12. Грубые спектры действия синтеза сухой вегетативной биомассы для груп-
пы зеленых культур:
а - горох; б - свекла; в - капуста
зеленых овощных культур (гороха, капусты, свеклы — 20-дневные
растения) (рис. 2.12). Результаты свидетельствуют о разной реакции
растений, принадлежащих к различным видам, на действие отдельных
диапазонов ФАР.
На рис. 2.13 [19, 25] приведены световые кривые синтеза сухой био-
массы корнеплодов редиса для ОИ трех диапазонов ФАР. Различный ха-
рактер спектральных кривых синтеза сухой биомассы связан, очевидно,
с особенностями действия указанных диапазонов ФАР на фотосинте-
тические и сопряженные с ними ростовые процессы. На втором этапе
исследований растения выращивались при разных перспективных соче-
таниях трех диапазонов ФАР в наиболее интересной с точки зрения прак-
тики области облученностей 100—200 Вт м-2 (рис. 2.14). Как и следова-
ло ожидать, на основе данных рис. 2.13 переход к облучению растений
более широким спектром в пределах ФАР привел к сдвигу максимумов
световых кривых.
Эксперименты, описанные в [25,26], можно рассматривать как один
из предпочтительных путей решения задачи поиска наиболее эффектив-
ного по спектру и облученности ОИ для разных видов основных сельско-
хозяйственных культур (см. далее, гл. 4).
По своей биологической значимости фоторецепция (зрение) может
быть отнесена к важнейшему фотопроцессу после фотосинтеза. Огром-
на роль зрения для животных: информация на расстоянии, правильная
ориентация в окружающем пространстве. Еще большее значение зрение
имеет в жизнедеятельности человека: около 90% всей информации (зна-
ний) человек получает через зрительный рецептор.
Не останавливаясь на работе собственно зрительного рецептора и под-
черкнув то обстоятельство, что на работе этого приемника излучения
основана осветительная техника, мы особо выделим те фотобиологи-
ческие реакции в гл. 3, которые необходимо учитывать при создании
49
Рис. 2.13. Семейство световых кривых фотосинтеза сухой биомассы корнепло-
дов редиса для трех диапазонов ФАР, нм:
1 - 400-500; 2 - 500-600; 3 - 600-700
Рис. 2.14. Семейство световых кривых фотосинтеза сухой биомассы корнеплодов
редиса при различных сочетаниях ОИ отдельных диапазонов ФАР:
Доля ОИ, %, в диапазонах ФАР Доля ОИ, %, в диапазонах ФАР
Номер кривой 400 — 500 нм 500 - 600 нм 600- 700 нм Номер кривой
400 - 500 нм 500 - 600 нм 600- 700 нм
1 60 20 22 3 40 20 40
2 33 33 33 4 20 20 60
ОСУ. Речь пойдет прежде всего о двух реакциях: фотокератите и фото-
конъюнктивите [27,28].
Как известно, УФ-излучение обычно не воспринимается зрительным
рецептором в сетчатке глаза из-за поглощения остальными его средами:
роговицей, водянистой влагой в камере глаза, хрусталиком, стекловид-
ным телом. Поэтому УФ-излучение может привести к серьезным повреж-
дениям зрительного аппарата, поскольку реципиент зрительно не ощу-
щает его присутствия.
Фотокератит представляет собой воспаление роговицы, т.е. прозрач-
ной части глаза перед зрачком, в результате УФ-переоблучения. Болезнь
характеризуется ощущением попадания песка в глаза, слезотечением
спазмами век, фотофобией. Продолжительность этих острых ощуще-
ний обычно 6—24 ч, полное прекращение воспалительного процесса через
48 ч. Латентный период, т.е. время от облучения до начала болезненных
ощущений, обратно пропорционален количеству облучения и составляв!
от 30 мин до 24 ч (обычно 6-12 ч). Необратимые повреждения зрения
редки.
50
Рис. 2.15. Относительная
центральная чувствитель-
ность для фотокератита (/),
фотоконмонктивита (2)
Недавние обобщения, сделанные МКО [28], указывают на су-
щественную зависимость образования фотокератита от длины волны
(рис. 2.15). Пороговая доза для X = 288 нм равна 100 Дж/м2.
Обычно роговой слой кожи, ее верхней части, или эпидермиса, защи-
щает ее живые клетки, участвующие в процессе метаболизма. Иначе об-
стоит дело с конъюнктивой — соединительной тканью между глазным
яблоком и веком. Здесь фильтрующий и защитный роговой слои отсут-
ствуют, в связи с чем она подвергается непосредственному воздействию
УФ-излучения.
Фотоконъюнктивит — это болезненное воспаление конъюнктивы,
возникающее под воздействием УФ-излучения. Воспаление появляется
после латентного периода продолжительностью 5-10 ч. При высоких
дозах облучения могут возникать болезненные ощущения, а также на-
рушаться зрение и сон. Воспаление постепенно исчезает в зависимости от
его степени через промежуток времени от 10 ч до нескольких суток.
Выводы, сделанные МКО [27], показали, что к настоящему времени
систематических экспериментов по изучению спектральной чувствитель-
ности фотоконъюнктивита проведено не было. Однако косвенные дан-
ные о поглощении рогового слоя кожи, коэффициенте поглощения нук-
леиновых кислот, а также спектре действия при возникновении эритемы
могут быть использованы при получении кривой для фотоконъюнктиви-
та (рис. 2.15). В качестве пороговой дозы принято значение 50 Дж/м2
при X = 260 нм.
Мнение некоторых авторов относительно того, что для фотоконъюнк-
тивита и фотокератита должен существовать один и тот же спектр дейст-
вия или что они должны быть идентичны друг другу, не является состоя-
тельным. В частности, наиболее очевидное отличие заключается в том,
что конъюнктива пронизана венами и кровеносными сосудами и пита-
ется кровью, в то время как роговица совершенно не имеет сосудов.
Длительное и интенсивное воздействие УФ-излучения может привес-
ти к необратимому изменению (помутнению) хрусталика глаза - ката-
ракте [29, 30]. В табл. 2.1 представлены данные о разрушении роговой
оболочки и хрусталика глаза кролика при воздействии излучения в диа-
пазоне длин волн 290-400 нм. Порог для роговой оболочки глаза чело-
51
Таблица 2.1. Пороговые дозы УФ-облучения для роговой оболочки
и хрусталика глаза кролика
Пороговая экспозиционная Время исчез- Пороговая экс- Время по-
доза, Дж/м новения эф- позиционная явления
Длина, — фекта доза стойких стойкого
волны, нм для роговой для хрустали- нарушений, наруше-
оболочки ка Дж/м2, для НИЯ, ч
хрусталика
295 200 7500 24 ч 10 000 2
300 500 7500 3 дня 5000 24
305 700 3000 7 дней 5000 24
310 550 7500 2 нед 15 000 24
315 22 500 45 000 1 нед 60 000 24
320 75 000 80 000 — — —
335 109 000 150 000 — — —
365 250 000 250 000 - — —
века значительно ниже (не менее чем в 2 раза) . Катаракта может возни-
кать при более низких дозах при применении фотосенсибилизаторов типа
псоралена.
Другим фоторецептором является кожа, поверхностный слой кото-
рой в разной степени пропускает излучение (рис. 2.16). При облучении
кожи дозой, в 4—8 раз превышающей минимальную эритемную дозу,
отчетливо видны признаки нарушений и даже вакуолизация цитоплазмы
клеток, изменения плотности ядра, а также ’’обгоревшие клетки”, диф-
фузно распространенные по всему поверхностному эпидермису. После
этих эффектов наблюдаются гиперплазия и постепенное увеличение эпи-
дермиса до максимального значения в течение 8-14 дней. Эти изменения
представляют собой репарации повреждений, в то время как гиперпла-
зия защищает от дальнейшего УФ-облучения [29]. В ороговевшем слое
и в мальпигиевых клетках накапливаются гранулы меланина, которые
служат защитным экраном, еще более важным (с точки зрения защиты
от излучения), чем ороговевший слой.
Эритема (покраснение кожи) и загар являются видимыми признака-
ми УФ-воздействия на кожу. В [29] это воздействие трактуется как
’•вредное”.
Эритема, вызванная УФ-излучением, ограничивается участками, под-
вергавшимися воздействию. Она вызывает расширение кровеносных со-
судов и увеличивает дермальный кровоток. Часто считают, что началь-
ная фотохимическая реакция происходит в эпидермисе, где поглощение
фотонов кератиноцитами может привести к высвобождению внутрикле-
точных веществ, диффундирующих в капиллярный слой кожи и вызы-
вающих расширение сосудов. Эту теорию подтверждает существование
латентного периода между облучением и образованием эритемы. Однако
52
Рис. 2.16. Проникновение УФ-излучения в кожу человека:
участки: а - корнеум (роговой слой); б - люцидум (прозрачный слой); в -
гранулезум (зернистый слой); г - мальпигиев слой; д - базально-клеточный
слой; е - кориум'или дерма; 1 - капилляр; 2 - нерв скраузовыми конечными
тельцами; 3 - тельца Мейснера; 4 - нерв со свободными окончаниями
не исключается и непосредственное воздействие на сосудистый эндоте-
лий и на другие участки кожи.
Эритемные спектры действия привлекали к себе внимание исследова-
телей в течение более чем 50 лет. В 1935 г. в МКО рассматривался вопрос
о принятии так называемой стандартной эритемной кривой, основанной
на работах Гобленца и Стейера. Указанная кривая так и не была принята
официально, однако на нее часто ссылаются и используют при сравни-
тельном изучении эритемной эффективности источников света. Понятие
’’стандартная” является весьма неточным, поскольку эта кривая осно-
вана только на сведениях указанных авторов. С тех пор появилось много
других данных, в основном после 1964 г. [15]. Они сильно отличаются
от тех, которые легли в основу ’’стандартной эритемной кривой”. Основ-
ное отличие заключается в том, что в ранних работах ярко выражен ми-
нимум в области 270 нм, в то время как он отсутствует в более позд-
них работах. Последние исследования и обобщения, сделанные в МКО
[31], усредняют эритемную кривую (рис. 2.17). Пороговая эритемная
доза для X = 300 нм принята равной 156 Дж/м2.
Как известно, вслед за образованием эритемы развивается пигмен-
тация кожи (загар). Потемнение кожи в процессе и в результате солнеч-
53
Рис. 2.17. Спектральная чувствительность фотобиологических реакций;
1 - образование эритемы (МКО); Г - эритема по МКО (1935 г.); 2 - пря-
мое пигментирование; 3 - допустимая доза УФ-излучения по [34]; 4 - образова-
ние витамина D; 5 - бактерицидное действие
ного воздействия является одним из ее важнейших защитных механиз-
мов от дальнейшего повреждения ультрафиолетовыми лучами. УФ-из-
лучение в диапазоне от 290 до 320 нм дает солнечный ожог и вызывает
последующее новое пигментообразование. Радиация в диапазоне от
320 до 400 нм вызывает небольшую эритему (за исключением случаев
очень высоких доз облучения), но может приводить также к немедлен-
ному потемнению кожи и другим изменениям пигмента меланина у лю-
дей, склонных к этому. По [32] прямая пигментация распространяется
на длины волн вплоть до 700 нм (рис. 2.17).
Загар (потемнение), вызванный УВ-излучением, можно разделить на
немедленный загар (НЗ), появляющийся в течение нескольких минут
воздействия солнечных лучей, и замедленный загар (33), который ста-
новится заметным через несколько часов [15, 29]. НЗ называют также
немедленным пигментным потемнением, лучше всего его наблюдать на
индивидуумах с пигментированной кожей. Обычно чем темнее необлу-
ченная, основная (унаследованная) окраска, тем больше способность
к НЗ.
В течение 5-10 мин облучения под полуденным солнцем наблюдается
постепенное потемнение кожи. При продолжительной экспозиции потем-
54
нение усиливается до тех пор, пока не достигнет максимума через 1 ч
облучения. Цвет колеблется от светлого до темно-коричневого, а у рас
с более выраженной пигментацией - от серо-коричневого до черного.
Кратковременное воздействие солнечного света может привести к лег-
кому или умеренному НЗ, который начинает бледнеть через 30 мин
после окончания облучения и становится чуть заметным через 3-8 ч.
Длительное воздействие солнечного света или УФ-излучения от искусст-
венного высокоинтенсивного длинноволнового источника может привес-
ти к интенсивному НЗ, ’’сохраняющемуся” более 36 ч. Для НЗ необхо-
димы дозы порядка (24-6) • 104 Дж/м2, т.е. на два порядка больше,
чем для эритемы.
Заметим, следуя [22], что допустимые облученности для разных
участков ОИ распределяются примерно так:
6> • 104
7Д • 104
13,3 • 104
. Облученность,
X, МКМ Вт . м-2 •
0,7-0,8 .....................................
0,7 - 3,0....................................
0,3 - ЗЛ ....................................
0,6 - 1,3....................................
Болевые ощущения при облучении видимым светом наступают при
Е = 2,1 кВт-м"2, коротковолновым ИК-излучением — при Е =
= 1,2 кВт м' 2, а длинноволновым — при Е = 0,9 кВт • м“ 2.
Замедленный загар (33), называемый также истинным меланогене-
зом, становится заметным через 72 ч после воздействия УФ-излучения,
хотя микроскопические исследования свидетельствуют о том, что мела-
носомы и меланин образуются значительно раньше.
Спектр действия 33 принимается идентичным спектру действия эри-
темы, однако замедленная пигментация может образоваться под воз-
действием и длинноволновой части спектра.
Хроническое (систематическое) УФ-облучение кожи может приво-
дить к возникновению так называемых актиничных каратозов, способ-
ных к перерождению в злокачественные опухоли — саркому и карцино-
му [15], Как правило, возникновению опухоли предшествует более
или менее длительный латентный период. Наиболее часто рак кожи у
человека появляется на открытых участках тела (голове, шее, руках).
Белые люди больше подвержены этому заболеванию, что связано, по-ви-
димому, с защитной ролью меланина, которым обогащена кожа негров.
Тип опухоли определяется глубиной проникновения радиации в пок-
ровные ткани. Там, где проникновение значительно (излучение с X >
> 2604-280 нм), возникают опухоли соединительной ткани саркомы;
там, где оно невелико (X < 260 нм), — эпителиальной (рак кожи).
Многократное УФ-облучение приводит к утолщению рогового слоя ко-
жи, при этом вероятность канцерогенеза значительно снижается и доза
каждого "сеанса” может превышать пороговую эритемную дозу.
55
Спектры действия фотоканцерогенеза (впрочем, как и других фото-
биологических процессов в коже) имеют несколько условный характер.
Они отражают одновременно как спектральную чувствительность кле-
ток, способных к злокачественному перерождению, так и спектры пог-
лощения инертных покровных тканей. Неудивительно поэтому, что раз-
личные авторы, работающие с разными животными, приписывают мак-
симальную канцерогенную активность несколько варьирующимся спект-
ральным участкам (от 260 до 300 нм), хотя длинноволновая граница
спектров действия у всех авторов локализуется вблизи 320-340 нм
[15, 29].
В связи с проблемой фотоканцерогена интересно отметить, что начи-
ная с 1978 г. фотобиологами, светотехниками и гигиенистами активно
обсуждается степень риска заболевания злокачественной меланомой
при систематическом облучении светом люминесцентных ламп. Почти
десятилетняя дискуссия по этому вопросу привела МКО [33] к выводу
о том, что риск указанного заболевания весьма мал, но исключить на
100 % его нельзя, особенно если учесть, что излучение люминесцентных
ламп может быть с X < 295 нм, что практически полностью отсутствует
в солнечном излучении. Поэтому МКО рекомендует как можно более
полное уменьшение УФ-излучения люминесцентных ламп короче 300 нм,
при этом излучение с X < 303 нм (313 нм) не должно превышать облу-
ченности, рекомендуемой Национальным институтом здравоохранения
США [34] (см. рис. 2.17), где допустимая доза при X = 270 нм состав-
ляет 30 Дж/м2.
Компенсация дефицита витамина D предпочтительна путем добавок
этого витамина в пищу, и лишь в редких случаях возможно облучение с
X < 300 нм (см. рис. 2.17).
Как было указано, излучение (в частности, УФ-излучение) оказывает
деструктивное летальное действие на живые, растительные, бактериаль-
ные вирусы (фаги) и одноклеточные организмы (микробы и простей-
шие) [15, 35]. Летальный эффект у высокоорганизованных многокле-
точных в реальных дозах практически не наблюдается, хотя и может
быть реализован при больших дозах. У фагов летальное действие прояв-
ляется в утрате способности к внутриклеточному размножению, а у мик-
роорганизмов — в гибели клеток до первого деления или чаще всего в
первом или последующих поколениях.
Еще в 1929 г. Гейтс показал, что спектр действия летальности микро-
организмов совпадает не со спектром поглощения клетки в целом, а со
спектром поглощения нуклеиновых кислот. В дальнейшем этот факт
был подтвержден многочисленными экспериментами.
Как правило, спектры действия летального эффекта имеют выражен-
ный нуклеиновый максимум при 260-265 нм. Однако для отдельных
организмов описаны как чисто ’’белковые” с максимумом при 280 нм,
так и смешанные спектры летального эффекта с максимумами при
260 и 280 нм.
56
Слабым инактивирующим действием на клетки обладает и ближнее
уф-излучение (X > 320 нм). Чтобы получить летальный эффект при об-
лучении ближним ультрафиолетовым светом, необходимы дозы в 10s
раз большие, чем при использовании среднего ультрафиолета.
Механизм действия ближнего ультрафиолета изучен недостаточно.
Имеются лишь данные о том, что летальный эффект света с длиной вол-
ны более 320 нм может быть связан с непрямым повреждением ДНК.
Дальний ультрафиолетовый свет (X < 200 нм), наоборот, весьма
эффективен, что может быть обусловлено его ионизирующим воздей-
ствием. Более подробные сведения об инактивации фагов, клеток, ин-
гибировании макромолекулярных синтезов, фотомутационных процес-
сах при разных световых болезнях клеток, а также о явлениях фоторе-
парации и фотопротекции можно получить из прекрасной моногра-
фии [15].
В заключение укажем, что принятая в настоящее время кривая отно-
сительной бактерицидной эффективности излучения (т.е. вызывающей
гибель или инактивацию микроорганизмов) приведена на рис. 2.17
[5, 35]. Единицей бактерицидного потока принято считать бакт числен-
но равный потоку УФ-излучения с X = 254 нм мощностью 1 Вт (см.
гл. 4).
Живые организмы на Земле и человек, развившиеся в условиях сол-
нечного освещения, выработали целый комплекс фотобиологических
реакций, благотворно влияющих на их жизнедеятельность [29, 36-40],
Оптическое излучение, и в частности излучение УФ-области спектра,
повышает тонус симпатико-адреналиновой системы, активизирует за-
щитные механизмы, повышает активность митохондриальных и микро-
сомальных ферментов и уровень неспецифического иммунитета, а также
увеличивает секрецию ряда гормонов.
Под воздействием УФ-излучения образуются гистамин и подобные
ему вещества, которые обладают сосудорасширяющим действием, по-
вышают проницаемость кожных сосудов.
Систолическое и диасистолическое кровяное давление снижается да-
же при дозах, не приводящих к эритеме. Кровяное давление постепенно
падает и может держаться пониженным в течение нескольких суток.
Имеются указания на изменение состава крови при облучении — гемог-
лобина, лейкоцитов, нейтрофилов, а также сахара, холестерина, тири-
зина, кальция.
Под влиянием УФ-излучения изменяется углеводный и белковый
обмен веществ в организме. Действие ОИ изменяет легочную вентиля-
цию — частоту и ритм дыхания. Повышается газообмен, потребление
кислорода. Активизируется деятельность эндокринной системы и коры
надпочечников, повышается содержание адреналина, что указывает на
участие гормонального звена в ответных реакциях организма на действие
излучения.
57
Облучение субэритемными дозами1 0,5—0,7 МЭД применяется для
профилактики гиповитаминозных состояний у лиц, длительное время
находящихся в условиях солнечного голодания. При многократном об-
лучении в нарастающих дозах от субэритемных до превышающих эри-
темные происходит развитие приспособительных механизмов организма
к окружающим условиям — закаливающий эффект.
Были получены данные, свидетельствующие о том, что толерантность
к эффекту таких химических веществ, как нитраты, бензопирены, кан-
церогены и т.п., имеющих общетоксическое, канцерогенное и аллерги-
ческое действие, до некоторой степени зависит от воздействия УФ-излу-
чения. Профилактическое УФ-облучение, предшествующее иммунизации,
снижает риск аллергических’ последствий вакцинации и способствует
повышению эффективности иммунизации.
В странах, крупные группы населения которых живут в арктических
условиях, в настоящее время общепризнано, что длительная недоста-
точность УФ-излучения может иметь неблагоприятные последствия для
человеческого организма. Многочисленные исследования указывают на
то, что отсутствие солнечной радиации может привести к развитию пато-
логического состояния, известного как ’’недостаточность УФИ” или
’’световое голодание”. Наиболее частым проявлением этого заболева-
ния является нарушение минерального обмена веществ и развитие недос-
таточности витамина D и рахита у детей, что сопровождается резким
снижением сопротивляемости организма, делая его восприимчивым к
неблагоприятным условиям окружающей среды.
Развитие недостаточности УФИ подтверждается данными исследова-
ния, проведенного в основном среди детей в разных светоклиматичес-
ких эонах СССР, и обследований экипажей кораблей, совершающих ре-
гулярные рейсы в районах Севера. Последствия недостаточности УФ-из-
лучения рассматриваются рядом авторов как болезнь цивилиза-
ции [36].
Несмотря на обширные исследования воздействия ОИ как мощного
гигиенического и терапевтического фактора систематических исследова-
ний благотворного действия монохроматического излучения разной дли-
ны волны до сих пор сделано не было. В настоящее время существуют
только попытки связать многообразие благотворного действия ОИ с
одной, достаточно хорошо исследованной функцией и приписать ей от-
ветственность за интегральное, благотворное действие [37, 38]. В [38]
за функцию выбора доз УФ-излучения взята объективно и достаточно
точно определенная кривая спектральной чувствительности образования
витамина D.
'Как было указано выше, за минимальную эритемную дозу (МЭД) принимает-
ся 156 Дж/м2, однако МЭД колеблется от 60 до 600 Дж/м2 в зависимости от сос-
тояния организма, кожи и др. • [ 36].
58
На рис. 2.17 представлена относительная кривая спектральной чув-
ствительности фотореакции образования витамина D из провитамина,
каковым могут быть эргокальциферол, холекальциферол (D3 у живот-
ных) или 2,2-дигидроэргостерол (витамин D«). Доза излучения с
X = 300 нм для образования одной интернациональной единицы витами-
на D составляет 2,5-10"3 Вт-ч [Зв].
С учетом того, что спектральная кривая фотообразования витамина
расположена в той же зоне спектра, что и длинноволновая ветвь кривой
эритемного действия, было предложено [15, 32] оценивать спектраль-
ную эффективность тонизирующего и терапевтического действия излу-
чения по значениям эритемной эффективности длинноволнового УФ-из-
лучения с длиной волны X > 280 нм*. Для излучения с X < 280 нм эф-
фективность общебиологического действия принята равной нулю. Учиты-
вая a priori, что длинноволновое излучение естественного света вплоть
до 400 нм играет существенную роль в развитии и нормальном сущест-
вовании живого организма, кривую эритемного действия продолжили
вплоть до 400 нм [37].
Наряду с профилактическим (гигиеническим) действием ОИ исполь-
зуется как мощное терапевтическое средство [8, 35, 39,40]. Много-
численные исследования показывают защитную роль субэритемных
доз УФ-излучения при действии канцерогенных веществ, возможность
профилактики и лечения УФ-излучением хронических заболеваний но-
соглотки, бронхолегочных заболеваний, затяжной и хронической пнев-
монии, церебрального атеросклероза, различных кожных заболеваний
(в частности, псориаза), ишемической болезни сердца, глаукомы, рев-
матических болезней детского возраста и др.
К сожалению, несмотря на большой фактический материал общих ре-
комендаций по спектрам действия и дозам терапевтического облучения
до сих пор не сделано. Эти обобщения ждут не только своего автора, но
и более системных, как нам кажется, исследований, в которых более
четко выявлялась бы количественная зависимость лечебных эффектов
от факторов облучения **.
К числу немногочисленных фотопроцессов терапевтического дейст-
вия, имеющих хорошо изученные кривую спектральной чувствительно-
сти и дозу, относится фоторазрушение билирубина [40] (рис. 2.18)
при лечений желтухи новорожденных.
Наряду с терапевтическим действием УФ-излучения следует особо
рассмотреть воздействие ИК-излучения на живой организм. Коротковол-
*С учетом [33] целесообразно ограничить диапазон X значением 300 нм.
**Особый интересе лучистой терапии [39] представляет новый метод лечения
рядя заболеваний путем облучения крови ультрафиолетом.
59
Рис. 2.18. Относительная спектральная чувствительность фотораэрушения билиру-
бина
Рис. 2.19. Относительная спектральная чувствительность органа зрения рыб:
1 - темновая адаптация; 2 - световая адаптация
новая область ИК-излучения имеет примущество при обогреве и лучис-
той терапии. Излучения с длиной волны короче 1,4 мкм проникают
сквозь область, в которой возникает болевое ощущение, в более глубо-
кие слои ткани, где их энергии достаточно, чтобы вызвать физическое
(тепловое) и химическое действия [22]. Поглощенное излучение усили-
вает кровоток в подсосочковых слоях кожи, увеличивает обмен между
кровью и тканями, ускоряет выделение токсинов и вызывает образова-
ние пигментов, играющих в организме защитную роль. Проникающее
ИК-излучение через посредство реакций крови и нервной системы воз-
действует на функции желез и общий обмен веществ. В связи с этим
ИК-облучение успешно применяется для лечения заболеваний лимфати-
ческой системы, суставных заболеваний, невралгий, фурункулов, абс-
цессов, экзем и накожных сыпей, а также разнообразных травматических
повреждений.
Аналогичное воздействие ИК-излучений на животных не только пре-
дупреждает переохлаждение глубоколежащих органов и тканей, но и
ускоряет химические и биологические процессы, способствуя повыше-
нию тонуса и естественных защитных сил организма.
Большую группу фотобиологических реакций составляют информа-
ционные фотобиологические процессы типа фототаксиса, фотокинеза,
фототропизма, фотоморфогенеза и фотопериодизма.
Под фототаксисом понимают фотоиндуцированные направленные
движения свободных биологических объектов. Явление фототаксиса
присуще самым разнообразным представителям животного и раститель-
ного мира: простейшим, червям, бактериям, водорослям, насекомым,
рыбам [15]. Наибольшим возбуждающим действием на насекомых об-
ладает УФ-излучение в диапазоне длин волн 290-380 нм и видимое - в
диапазоне 465-515 нм. Наибольшим ’’приманивающим” эффектом для
60
большинства видов рыб обладает сине-зеленая область спектра (X =»
х. 500 нм), однако достаточно высокий уровень эффекта наблюдается
также в диапазоне 460-620 нм [41] (рис. 2.19).
Если говорить о фотопериодизме, то сейчас выделяют две основные
функции, выполняемые сменой света и темноты: триггирование перехо-
да организма в качественно новое физиологическое состояние (зацвета-
ние растений, выход животных из диапаузы) и регулирование биологи-
ческих часов (циркадные эндогенные ритмы) таким образом, что они
всегда работают в 24-часовом цикле [15].
Имеющиеся экспериментальные данные свидетельствуют о том, что
у многих организмов действие света на эндогенную ритмику реализует-
ся не через аппарат зрительной фоторецепции. Однако попытки устано-
вить природу хромофоров, ответственных за световое регулирование
циркадной ритмики, пока не привели к однозначным положительным ре-
зультатам. По существу остаются неясными молекулярные механизмы
действия света на эндогенную ритмику [15].
О фотопериодических реакциях растений мы говорили выше.
Разнообразные фотопериодические реакции зарегистрированы для на-
секомых, рыб, птиц, млекопитающих и др. Продолжительность дня регу-
лирует в основном процессы, связанные с размножением и эмбриональ-
ным развитием, приспособительными реакциями к сезонным условиям
(линька, перелеты птиц, впадение в спячку), а также многие другие фи-
зиологические, метаболические, морфологические параметры организма,
включая и направленные изменения внутриклеточных органелл.
Так, периодичность освещения влияет на половое созревание живот-
ных — короткий световой день его задерживает, длинный ускоряет.
Часто внешне здоровые животные оказываются физиологически бес-
плодными: у них отсутствуют полноценные половые клетки. Нормально-
му развитию половых желез способствует удлинение светового дня.
Исследованиями установлено, что для овец оптимальная продолжитель-
ность светового дня составляет 8—11 ч. У коров наибольшая продуктив-
ность была при световом дне 14—16 ч, у подсвинков — при световом дне
12 ч. Применение дифференцированного в зависимости от возраста пти-
цы светового дня по сравнению с постоянным (13-15 ч) может увели-
чить их продуктивность на 10%. Содержание свиноматок при освещен-
ности 100лк способствовало повышению белково-минерального обмена
и резистентности организма, росту плодовитости на 5,8%, увеличению
средней массы поросят при рождении на 4,5-16% по сравнению с живот-
ными, находящимися в помещении с освещенностью 6—10 лк.
Что касается влияния светового режима на суточные ритмы челове-
ка, то следует отметить следующее. До начала использования искусст-
венного освещения продолжительность активной деятельности челове-
ка ограничивалась прежде всего естественным фотопериодом (временем
от восхода до захода солнца) .
61
В современную эпоху преобладающее значение получили техноген-
ные синхронизаторы (часы, радио, телевидение, искусственное освеще-
ние, работа в определенную смену и пр.). Фиксированная продолжитель-
ность бодрствования и сна, труда и отдыха является причиной некоторо-
го рассогласования между географическими и социальными датчиками
времени.
Выяснение роли естественных и искусственных синхронизирующих
сигналов можно рассматривать как один из аспектов общей проблемы
соотношения биологического и социального в человеке [42].
Глава треть». ИСТОЧНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ
ОБЛУЧАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК
3.1. ИСТОЧНИКИ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Источники ОИ - это приборы (устройства), предназначенные для пре-
образования какого-либо вида энергии в оптическое излучение.
По природе излучения источники делятся на две большие группы:
источники теплового излучения и источники люминесцентного излуче-
ния [43—46]. Не вдаваясь пока в детальный анализ вопроса применения
источников излучения в облучательных установках, можно утверждать,
что источники теплового излучения находят наибольшее примене-
ние в фотофизических установках (нагрев, сушка и т л.), а источники
излучения второй группы - в фотобиологических и фотохимичес-
ких установках.
В последние годы к источникам этих двух групп присоединились ис-
точники когерентного излучения (лазеры), специфические характерис-
тики которых стали широко использоваться в облучательных установ-
ках [6].
Тепловой источник излучения - это такой источник, в котором ис-
пользуется возбуждение атомов и молекул вещества вследствие их теп-
лового движения. В основе работы теплового источника лежит нагрев
тел тем или иным способом.
Предельным случаем равновесного теплового излучения является из-
лучение абсолютно черного тела, для которого установлены основные за-
коны теплового излучения.
В наиболее общем виде излучение абсолютно черного тела АЧТ выра-
жается законом Планка [2,6]:
(Х,Т) =
О
2irct
(3-1)
где
62
Л1-
eS
- спектральная плотность энергетической светимости; Ci
= he* = 0,59544 10"16 Вт-м2; c2 = hc0/k = 1,4388 -10“ 2 м-K; h =
= 6,626-10"34 Дж-с - постоянная Планка; к = 1,380-10-23 Дж-К-1 -
постоянная Больцмана; с0 = 299792,5 -108 м/с - скорость света в ва-
кууме.
В соответствии с законом Стефана - Больцмана энергетическая све-
тимость абсолютно черного тела
Mes -0Т*. л (3.2)
где а = 5,67 • 10“12 Вт/(см2 -К).
Другой особенностью излучения АЧТ является смещение максимума
спектральной плотности энергетической светимости с увеличением тем-
пературы в сторону более коротких длин волн (закон смещения Вина) :
W = * (3.3)
где с3 = 2,8978-10”3 м -К.
Все реальные тела являются либо серыми (спектральный коэффици-
ент излучения меньше 1 и не зависит от X), либо селективными (спект-
ральный коэффициент излучения является функцией X). Во многих
практических расчетах тепловое излучение реальных тел описывается за-
конами излучения черного тела с внесением в них экспериментально ус-
тановленных коэффициентов:
Ме(Т) = е(Т)Ме (Г) = е(Г)оГ4; (3.4)
S •
ще(Х,Г) = с(Х,Т)ще (Х)Т) = е(Х,Т)с1Х-’(еС2/ХГ - 1),’ (3.5)
•S’
где е(Г) и е(Х, Т) - интегральный и спектральный коэффициенты теп-
лового излучения ’’серого” тела.
Для построения теплового источника излучения необходимы материа-
лы, выдерживающие длительную работу при высоких температурах
(1000-3000 К). К ним относятся тугоплавкие металлы (углерод, вольф-
рам, тантал, рений, осмий, молибден, иридий, цирконий, платина), кар-
биды и их смеси (HfC, ТаС, NbC, ZrC, W2C, МоС, SiC, 4ТаС + HfC,
4ТаС + ZrC), нитриды (TaN, TiN, HfN, TaC + TaN), бориды (HfB,
ZrB, WB) и др.
По характеру (способу) нагрева тепловые источники излучения мож-
но подразделить на электрические (нагрев электрическим током) и газо-
вые (жидкое топливо используется реже). В табл. 3.1 приведены срав-
нительные характеристики указанных групп.
По спектральному составу излучения тепловые излучатели делят на
темные и светлые. Светлые имеют температуру излучающего тела выше
1000 °C, темные - ниже 1000 °C.
63
Таблица 3.1. Технические данные тепловых излучателей
Параметр Тип источника
Электрические Газовые
Зеркальные лампы нака- ливания Кварцевые га- логенные лам- пы накалива- ния Кварцевые из- лучатели с ни- хромовой спи- ралью Трубчатые электрона- греватели Панельные излучатели Керамические перфорирован- ные Отражатель- ного типа
Температура излучате- ля, °C X, мкм Отдача энергии,%: 1650 - 2000 1650-2000 760 -980 540-760 200-590 760-920 760-1200
13 - 1.15 13 - 1,15 23-2,6 3,6-2,8 6J0- за 23-23 23-2Д
излучением 65-80 72-86 55-45 53-45 50-20 46-50 36-40
конвекцией 35-20 28-14 45-55 47-55 50-80 54-50 64-60
Размеры, мм Стойкость против удара: 125 (диаметр) 185 (длина) 93 (диаметр) 93 - 16 (диаметр) 93 - 16 (диаметр) 76x560 127 х560 76 х 305
механического Плохая Хорошая Хорошая Превосход- ная Разная Превосход- ная Плохая
термического Плохая Превосходная Превосходная Превосход- ная Хорошая Превосход- ная Превосходная
Время нагрева Секунды Секунды Минуты Минуты Десятки минут 1 мин (60 % Ттах\ До 60 % за 1 мин
Время охлаждения Секунды Секунды Секунды Минуты То же 1 мин (18 % Ттах> До 18 % за 1 мин
Наибольшее распространение в ОСУ получили электрические ПК-ис-
точники, а среди них - источники излучения с вольфрамовой нитью на-
кала, работающей либо в инертной атмосфере, либо в среде, обеспечива-
ющей галогенный цикл. Колба лампы, используемой для целей облуче-
ния, делается специальной формы и покрывается изнутри отражающим
сдоем; это позволяет использовать и концентрировать значительную
часть излучения нити накала.
В табл. 3.2 и 3.3 приведены параметры отечественных ламп накалива-
ния, которые помимо специальных применений могут представить ин-
терес для разработчиков ОСУ.
Второй большой группой тепловых электрических источников излу-
чения (ИИ) являются галогенные лампы накаливания ГЛН [46]. Прин-
цип действия ГЛН заключается в том, что испарившиеся с нити атомы
вольфрама на стенке колбы или около нее вступают во взаимодействие
с галогенами (или их соединениями), образуя легко испаряемые гало-
гениды вольфрама. Последние диффундируют к нити и там разлагаются
на составные части, а колба остается прозрачной. ГЛН по сравнению с
обычными лампами имеют более стабильный во времени поток излуче-
ния, повышенный полезный срок службы, меньшие размеры, более вы-
Таблица 3.2. Параметры зеркальных ламп накаливания
Тип лампы /у-, кд т, ч d, мм 1, мм
3K127-300-1 4300 1000 180 267
3K127-300-2 3100 1000 127 187
ЗК127-500 9900 1500 180 267
ЗК127-500-1 7500 1000 180 267
ЗК127-750 18 480 1500 201 267
ЗК127-1000 23 980 1500 201 267
ЗК220-300-1 3650 1000 180 267
ЗК220-500 5550 1500 180 267
ЗК220-500-1 6450 1000 180 267
ЗК2 20-750 16 500 1500 210 267
ЗК220-1000 22 600 1500 134 267
ЗШ22О-ЗОО 1100 1250 134 250
ЗШ220-500 1980 1250 134 250
ЗШ220-650 3190 1250 162 300
ЗШ220-1000 1950 1250 162 300
Примечания :
1-Для ламп концентрированного (К) светораспределения сила света/ изме-
ряется по оси лампы, для широкого (Ш) - под углом (70 ± 5)° к оси. Г
2. Напряжение и мощность содержатся в обозначении типа.
3. Обозначения: Т - срок службы; dK - диаметр колбы; / — габаритная длина.
4. Лампы ЗК127-300-1 и ЗК127-300-2 имеют цоколь Е 27, остальные лампы —
Ч°коль Е 40.
65
Таблица 3.3. Параметры инфракрасных зеркальных ЛН
Тип лампы Г, ч dK, мм /, мм Л, мм* Тип цоколя
ИКЗК127-250 6000 130 195 32 ±5 Е27/30
ИКЗС127-250-1 6000 130 195 35 ±5 Е27/ЗО
ИК3127-250 6000 130 215 35 ±5 Е40/45
ИК3127-500-1 6000 130 215 30 +5 Е40/40
ИКЗ12 7-500 6000 180 267 60 ±5 Е40/40
ИКЗК220-250 6000 130 195 32 ±5 Е27/30
ИКЗС220-250-1 6000 130 195 35 ±5 Е27/30
ИК3220-250 6000 130 215 35 ±5 Е40/45
ИК3220-500-1 6000 130 215 35 ±5 Е40/40
ИК3220-500 6000 180 267 60 ±5 Е40/40
*й - расстояние от купола до кромки зеркального покрытия.
сокие термостойкость и стойкость к механическим воздействиям благо-
даря применению кварцевой колбы. Малые размеры колбы и ее более
высокая механическая прочность позволяют применять в качестве на-
полнения ксенон при высоком давлении и получать на этой основе более
высокие световые характеристики и повышенный срок службы.
В табл. 3.4 приведены параметры линейных ГЛН с равномерным те-
лом накала. Три типа ламп КГ мощностью 5, 10 и 20 кВт разработаны
как источники общего освещения, но представляют определенный инте-
рес и для скоростного нагрева массивных или быстродвигающихся объ-
ектов [8].
Для выведения за пределы зоны лучистого теплообмена (например,
за плоскость рефлектора) молибденовых вводов (температура наруж-
ных соприкасающихся с воздухом их частей не должна превышать
600 К) созданы специальные ГЛН с П-образно отогнутыми концами.
В табл. 3.5 приведены параметры галогенных термоизлучателей КГТО с
отогнутыми концами [8]. В этой же таблице представлены основные
параметры лампы дифференциального излучения типа КГТД.
На рис. 3.1 приведены зависимости температуры и плотности излуче-
ния колбы и нити накала некоторых типов ГЛН в функции напряжения
питания. Для примера на рис. 3.2 дан спектр излучения лампы
КГТ220-1000-1 при различных напряжениях питания [8]. Все данные по-
лучены для ламп в условиях естественного конвективного охлаждения
колбы. При работе лампы в пространстве, например, отражательной пе-
чи или при взаимном облучении соседних ламп температура колбы лам-
пы повышается, и при температуре колбы выше 800 °C в инженерных
расчетах лучистого теплообмена нужно учитывать излучение кварцевого
стекла оболочки лампы (при 800 К излучение оболочки достигает 15%
в общем потоке излучения лампы, при 1000 К - 30%) [8].
66
Таблица 3.4. Параметры линейных ГЛН с равномерным телом накала
Тип лампы Длина, мм Диаметр, мм Цветовая темпера- тура, К МКМ Средняя продолжи- тельность горения,ч Тип цоколя Удельная наг- рузка, Вт/см
лампы L тела нака- ла 'т.н оболочки D0 тела на- кала 2г
КГТ127-6ОО 255 193 12 1,3 2500 1,15 5000 HPdl0x20 31,1
КГТ220-600 500 457 12 0,8 2000 1,35 2000 НРа 15x20 13,1
К ГТ220-1000 500 457 12 1,3 2600 1,05 2000 НРа 15x20 21,9
КГТ220-1000-1 375 300 12 1.3 2500 1,15 10 000 НРа 15x20 33,3
КГТ220-1000-2 435 310 12 1,3 2500 1,15 10 000 НРа 15x50 32,3
КГТ22О-1300 300 243 10,75 1,3 2800 1 3000 НРа 15x20 535
КГТ22О-13ОО-1 300 243 10,75 1,3 2800 1 3000 K7S/12 • 535
КГТ22О-18ОО 400 355 10,75 1,3 2800 1 2000 K7S/12 50,7
КГТ220-2000 500 427 12 15 2600 1Л5 5000 НРа 15x20 46,9
К ГТ380-3300 750 675 12 15 2600 1,05 5000 НРа 15x20 48,9
КГ22О-5ООО-1 520 275 20 3,0 3000 0,9 2000 K27S/96 182,0
КГ220-10000-1 675 375 26 4,3 3000 0,9 2000 K27S/96 267,0
КГ22О-2ОООО-1 890 570 36 6,6 3000 05 2000 K27S/96 351,0
Примечание. Условные обозначения типа цоколя: HP - пластинчатая форма контактной части; a, d - конструктивная особен-
ность; числа, например 10x20, - ширина и длина контактной части (мм); К ... S - кабельный токоввод.
Таблица 3.5. Параметры галогенных термоизлучателей с отогнутыми концами и дифференциального излучения
Длина, мм Хара к* Диаметр, мм Цветовая Средняя
1срныи
Тип лампы лампы L тела нака- размер* кварце- тела накала тура, К мкм тельность Тип цоколя
ла т.н L ], мм вой обо- 2 г горения,ч
лочки Do
ГЛН сотогнутыми концами
КГТ0220-2500 500 490 140 12 1.6 2650 1,05 2000 НРс15х65
КГТ0200-2500-1 440 430 ПО 12 1.6 2650 1Д5 2000 НРс15х65
КГТ0220-2500-2 470 460 125 12 1.6 2650 1,05 2000 НРс 15x65
КГТО 380-35 50 755 745 140 12 1.6 2650 1J05 2000 НРс 15x65
ГЛН дифференциального излучения
КГ22О-425 280 235 155 9 0,7 (0,13) 2900 025 500 R7S/12**
КГТД220-400 280 245 130 9 1,08(015) 2 350 12 3000 R7S/12
КГТД22О-6ОО 500 430 230 12 1.1(0,18) 2200 125 2000 НРа 15x20
К ГТ Д-220-1000 500 430 230 12 1.3(0,24) 2400 12 2000 НРа 15x20
КГТД220-1000-1 375 305 140 12 1,4(0,22) 2600 1,05 2000 НРа 15x20
КГТ220-1000-ХЛ4.1 500 430 140 11 1,6(0,24) 2600 1,05 2000 НРа 15x20
КГТД220-1000-2 240 185 85 11/3 1,3(0,2) — — 1000 НРа 15x20
КГП220-1650 500 420 — 26 — — - 1000 Односторон-
ний кабель-
ный
•Характерный размер для КГТО означает длину отогнутых концов лампы, а для ГЛН дифференциального излучения - дли-
ну средней прерывистой части тела накала.
••R7S/12 - обозначение керамического цоколя с торцовым контактом; с - конструктивная особенность (см. также приме-
чание к табл. 3.4).
Рис. 3.1. Зависимость температуры Г и
плотности излучения Е тела накала ГЛН
от напряжения питания U. Индексы
при Т и Е соответствуют лампам:
1 - типа КГТ220-1000-1; 2 - типа
КГТ220-2000; 3 - типа КГТД220-600
Рис. 3.2. Спектр излучения лампы КГТ220-1000-1 при различных напряжениях
питания:
1 ~ Чтит = 250 в- гт.н =2585 к> Т° = 740 К; 2 ~ Чтит = 220 В. Т'т.н =2450 к-
То = 712 К; 3 - Umr = 200 В, Ттл = 2400 К, То = 690 К; 4 - 4/пит = 180 В,
ГТ Н=2300 К, То =670 К; 5 - 6/пит = 160 В, Тт н = 2200К, То =650 К; 6 - С/Пит =
= 140 В, Ттл =2100 К, То =625 К; 7 - ЦшТ = 127 В, Тт н =2025 К, То =605 К;
8 ~ Чшт “115 В’ гт.н = 1950 К. То =590 К
Приведенные сведения о размерах, форме, электрических и излуча-
тельных характеристиках ГЛН могут быть дополнены данными, пред-
ставленными в [6]. В практике конструирования, например, отража-
тельных печей, особенно предназначенных для импульсной термообра-
ботки, осветительные ГЛН используются довольно часто (благодаря их
высокой удельной мощности излучения, более высокой температуре,
смещению X_____< 0,8 мкм, более компактному телу накала) .
В заключение приведем общие рекомендации по применению ГЛН в
ОСУ [8]:
1) температура тела накала в ГЛН может широко варьироваться из-
менением напряжения питания;
2) при превышении номинального напряжения питания средний срок
службы ГЛН резко сокращается. Например, увеличение напряжения на
69
10% номинального для ламп-термоизлучателей сокращает их среднюю
продолжительность горения в 4 раза;
3) наиболее слабым по температуростойкости элементом конструк-
ции ГЛН является кварцевая оболочка и особенно зона токоввода.
Необходимо обеспечивать допустимый температурный режим металло-
стеклянного спая (до 350 ° С);
4) линейные ГЛН должны работать в горизонтальном положении с
допустимым отклонением не более ±5°, что обеспечивает нормальный
вольфрамогалогенный цикл по длине лампы. Лампы вертикального го-
рения отличаются от обычных наличием внешней или внутренней квар-
цевой трубочки и имеют одно- или двустороннюю цоколевку.
Рассмотрим следующую группу тепловых излучателей с открытым
(негерметизируемым) телом накала, которые подразделяются [47]
на излучатели с открытыми металлическими спиральными телами нака-
ла, излучатели с открытыми неметаллическими телами накала в виде
стержней, трубок, плит и излучатели с керамическими и металлически-
ми оболочками.
В электрических излучателях с открытой металлической спиралью
тело накала изготовляется из сплава металлов, причем наибольшее расп-
ространение находят сплавы железа, хрома и алюминия, а также хрома и
никеля.
Максимальная допустимая рабочая температура (от 950 до 1200 °C)
в значительной мере определяет срок службы тела накала, который
обычно составляет 100 ч [47].
Керн (держатель) для проволоки изготовляется из керамических ма-
териалов, стойких при высоких температурах и не влияющих отрица-
тельно на срок службы резистивных проволок, с которыми он находит-
ся в прямом контакте. В качестве таких материалов чаще всего приме-
няют шамоты (А12О3 + Si О2 ), силиманиты (А12О3, SiO2, Fe2O3) и стеа-
титы (SiO2, MgO, А12О3). Максимальная рабочая температура этих ма-
териалов составляет соответственно 135—1650, 1600 и 1000 °C.
Излучатели с неметаллическими телами накала основаны на излуче-
нии нагреваемых электрическим током неметаллических резистивных
материалов. К таким материалам относятся карборунд, кремнеземо-мо-
либденовый резистивный материал, уголь, графит.
Наиболее распространенным является карборунд (на 95% он состоит
из карбида кремния SiC). Допустимая рабочая температура карборун-
дового стержня составляет 400—1500 °C (речь идет о поверхностной
температуре: на оси стержня температура достигает 2200 °C) . Карборун-
довые стержни весьма критичны к резким перепадам температур. Сов-
ременные излучатели на основе карборунда имеют срок службы до
7000 ч.
Кремниймолибденовые излучатели, основанные на соединениях
MoSi6 и MO5Si3 с различными (до 10%) окисляющими добавками, соз-
дающими на поверхности стержня прочную пленку, препятствующую
70
проникновению окисляющей атмосферы внутрь стержня, могут рабо-
тать при температурах до 1700 °C, не обнаруживая признаков старения,
как карборундовые излучатели. При соблюдении правил монтажа и эксп-
луатации указанные стержни могут работать до 12 мес.
К этому типу излучателей относятся также излучатель Нернста (смесь
тугоплавких оксидов, в основе—диоксид циркония и оксид иттрия),
излучатели на основе угля и графита, платиновые, молибденовые, танта-
ловые и вольфрамовые [47].
В последнем из рассматриваемых типов излучателей с телом накала в
керамической или металлической оболочке в качестве тел накала исполь-
зуют феррохромоалюминиевые и хромоникелевые сплавы. Условия ра-
боты нагревательных проводов в этих излучателях гораздо лучше, чем в
открытых излучателях, в основном из-за того, что они работают в непро-
ницаемой оболочке практически без доступа воздуха. При этом рабочая
температура доходит до 1350 °C, а срок службы их значительно выше.
Достаточно большую группу тепловых источников излучения состав-
ляют ИК газовые излучатели, основанные на выделении тепла и излуче-
ния при сжигании газа (или жидкого топлива) [48].
В современных горелках ИК-излучения широкое распространение по-
лучил метод беспламенного сгорания газа. Как известно [48], реакцию
горения условно можно разделить на три фазы: 1) контакт между мо-
лекулами топлива и окислителя кислорода; 2) подогрев участвующих в
реакции компонент до температуры, близкой к температуре в зоне горе-
ния и 3) химическое взаимодействие частиц горючего и окислителя.
Скорость реакции горения зависит в основном от первых двух фаз, так
как последняя протекает практически мгновенно. При беспламенном
сжигании газа первая и вторая фазы реакции осуществляются за преде-
лами зоны горения.
Газовоздушная смесь стехиометрического состава, протекающая до
входа ее в зону горения по многочисленным каналам объемной сетки,
подогревается до температуры, близкой к температуре в зоне горения.
При входе в топку такой полностью подготовленной для реакции Горе-
ния смеси происходит мгновенное полное сгорание ее без образования
видимого пламени (беспламенное сжигание). Так как диаметры кана-
лов в сетке имеют размеры меньше критических, то смесь перед объем-
ной сеткой до выхода ее в зону горения не воспламеняется, т.е. проскок
пламени в таких горелках исключен. Полнота сгорания газа в этих сис-
темах характеризуется тем, что в продуктах сгорания не содержатся ток-
сичные вещества (например, оксид углерода); их можно свободно вы-
пускать в любое занятое людьми помещение с обычной вентиляцией.
При беспламенном сжигании газа большая часть тепла, выделяющего-
ся в зоне горения, передается потребителем в виде лучистой энергии, т.е.
происходит лучистый теплообмен.
71
3.2. РАЗРЯДНЫЕ ЛАМПЫ
Разрядной лампой называют ИИ, в котором ОИ генерируется электри-
ческим разрядом в газах, парах или в их смесях. Эта группа источников
является в настоящее время наиболее распространенной и перспектив-
ной в ОСУ. Связано это с тем, что электрический разряд дает возмож-
ность выбора необходимой спектральной области излучения (благодаря
соответствующему наполнению лампы) и создания повышенных (по
сравнению с любым твердым или жидким телом) температур. Подбирая
род газа (пара) , условия разряда и люминофор, можно получить различ-
ные спектры излучения с нужным распределением интенсивности.
Одной из особенностей разрядных ламп является то, что для их зажи-
гания требуется более высокое напряжение, чем для поддержания устой-
чивого горения. Существуют способы снижения напряжения зажигания
путем изменения конструкции ламп или создания специальных схем
включения.
Помимо особых условий зажигания для рассматриваемых ламп не-
обходима стабилизация разряда, так как работа ламп обеспечивается
падающим (или горизонтальным) участком вольт-амперной характерис-
тики. Устойчивая работа ламп возможна только при наличии в электри-
ческих схемах устройств, ограничивающих ток в заданных пределах.
Рассмотрим детально две большие группы — разрядные лампы низко-
го давления и разрядные лампы высокого давления, использующиеся в
настоящее время в ОСУ.
К разрядным лампам низкого давления относят лампы, в которых
рабочее давление газа (или пара) составляет 0,1-Ю4 Па.
Наибольшее распространение получили лампы на основе паров ртути.
Как известно [43, 44], структура энергетических уровней ртути иск-
лючительно благоприятна для высокоэкономичной генерации резонан-
:ного излучения в УФ-области спектра.
При оптимальном подборе параметров (диаметр трубки, плотность
гока, давление парогазовой смеси, условия охлаждения) можно полу-
чить выход излучения в резонансных линиях ртути более 60% всей мощ-
ности, подводимой к лампе.
С учетом столь экономичных возможностей получения коротковол-
нового УФ-излучения на базе ртутного разряда низкого давления созда-
ны бактерицидные лампы типа ДБ (табл. 3.6) [6]. Колба таких ламп
изготовляется из увиолевого стекла, пропускающего УФ-излучение.
В последнее время [6, 49, 50] сделана попытка создания более мощных
источников резонансного излучения ртутного разряда путем повышения
плотности тока и сохранения низкого давления ртути. Было показано,
что плотность излучения линии ртути X = 253,7 нм можно поднять почти
на порядок, но при этом КПД разряда в этой линии падает до 10%.
В табл. 3.6 даны параметры отечественного опытного образца такой лам-
пы мощностью 1 кВт.
72
Таблица 3.6. Параметры разрядных ламп низкого давления
Тип лампы Мощность, Вт Напряжение на лампе, В Ток лам- пы, А Габаритные размеры, мм Спектральный диапазон излуче- ния, нм, цвет Поток излуче- ния в спект- ральном диа- пазоне, Вт Световой поток, лм Срок служ- бы, я
ДРБ8-1 8 55 0,17 302 х 16 250 - 260 1,6 —• 4500
ДБ 15 15 54 0,33 451 х 30 250 - 260 2,5 — 5000
ДБ 30-1 30 104 0,36 909 х 30 250 - 260 6Д — 5000
ДБ 60 60 100 0,70 909 х 30 250 - 260 80 — 5000
ЛЭ15 15 54 0,33 451 х 30 280 - 315 4Д*1 650 5000
ЛГ20 20 57 0,37 604x40 400 - 500 2,7 — 7500
ЛЭЗО 30 104 0,36 908 х 30 280 - 315 9,5*' — 5000
ЛЭР40 40 103 0,43 1213x40 280 - 315 14j0*‘ — 3000
ЛУФ80 80 102 0,87 1213х 40 300 - 400 92 — 4000
ЛУФ8О-2 80 102 0,87 1213x40 300 - 400 10 — 7500
ЛС15 15 54 0,33 451 х 27 Синий — 300 15 000
ЛСЗО 30 104 0,36 908 х 27 »» — 700 15 000
ЛК40 40 103 0,43 1213x40 Красный — 330 7500
ЛР40 40 103 0,43 121 Зх 40 Розовый — 560 7500
ЛЖ40 40 103 0,43 1213x40 Желтый — 1450 7500
ЛГ40 40 103 0,43 1213x40 Голубой — 1000 , „„ 7500
ДНАС18 18 19 1,05 165 х 33 587/9 — ЮОхЮ3 *2 200
ЛФР150 150 90 U 1524x40 — • — 1150*'’ 6000
УФРЛНД*4 1000 10О 10Д 1200 х 10 253,7 150 — —
*Эритемный поток, мэр.
*2 Яркость, кд/м2.
*3Сила света, кд.
*4 Экспериментальный образец.
300 ЧОО SOO А, нм 300 ЧОО 500 Л, нм
Рис. 3.3. Спектры излучения ламп
низкого давления:
а - бактерицидной; б - эритем-
ной; в - типа ЛСЗО; г - типа ЛУФ40;
д - типа ЛФР150
Высокоэкономичная генерация излучения ртутного разряда низкого
давления позволяет воспользоваться фотолюминесцентным преобразова-
нием коротковолнового излучения в более длинноволновое. На этом
принципе разработаны эритемные лампы типов ЛЭ и ЛЭР, а также вся
гамма люминесцентных ламп для общего освещения [51]. В табл. 3.6
представлены параметры эритемных ламп и некоторых лиминесцент-
ных ламп, применяемых в ОСУ. Примеры спектральных характеристик
указанных ламп даны на рис. 3.3.
Особенностями эксплуатации разрядных ламп низкого давления яв-
ляются включение их в сеть только с пускорегулирующим аппаратом
(ПРА) и создание соответствующих температурных условий (ограничен-
ный диапазон температур окружающей среды) - На рис. 3.4 представлены
электрические схемы питания указанных ламп, а в табл. 3.7 - парамет-
ры некоторых типов ПРА. Более подробные сведения о ПРА содержат-
ся в [52].
74
Рис. 3.4. Схема включения люминес-
центных ламп:
а — простейшая бесстартерная;
б - резонансная бесстартерная; в -
со стартером тлеющего разряда
Отклонение напряжения сети от номинального значения приводит к
соответствующим отклонениям потока излучения, мощности и тока, а
также к снижению продолжительности горения лампы. При этом сниже-
ние напряжения питания так же опасно, как и его повышение [6]. Кро-
ме того, снижение напряжения питания более чем на 10% приводит к
отказу в зажигании лампы.
Температура окружающей среды влияет на температуру стенки лам-
пы и, следовательно, давление паров ртути в ней. Отклонение от опти-
мального давления ведет к снижению выхода резонансного излучения,
а при больших отклонениях - к ухудшению зажигания лампы. Влаж-
ность окружающей среды также влияет на напряжение зажигания
ламп [6].
Ртутные лампы низкого давления могут работать практически при
любом положении. Вибро- и ударопрочность их удовлетворяет требо-
ваниям условий эксплуатации Ml по ГОСТ 17516-72. Радиопомехи
генерируются лампами низкого давления всех типов и мощностей в
диапазоне 0,15 - 1,5 МГц, т.е. в диапазоне длинных и средних волн.
Для снижения радиопомех служат фильтры, являющиеся элементом
электрической схемы светильника. При эксплуатации люминесцентных
ламп с фильтрами радиопомехи не превышают нормы.
В последнее время вновь возник интерес к созданию и практическо-
му применению безэлектродных (так называемых ’’вечных”) ламп низ-
кого давления [53], а также к источникам УФ-излучения с длиной вол-
ны 100-200 нм - вакуумного УФ (ВУФ) -излучения [54].
75
Таблица 3.7. Электрические параметры стартерных ПРА для ПЛ
Тип аппарата Мощность лампы, Вт Ток, А Потери мощнос- ти, % Коэффи- циент мощ- ности Температура обмотки, °C Габаритные разме- ры, мм
1УБИ-8/110-ВПП-900 8 0,17 40 0Д5 105 135 х 32Д х 36Д
1УБИ-15/110-ВПП-900 15 0,33 27 0Д5 105 135 х 32Д х 36Д
2УБИ-8/220-ВПП-900 8 0,16 36 ОДО 120 135 х 32Д х 36Д
1УБИ-8/127-ВПП-900 8 0J7 37 ОД 105; 120 135 х 40x37
1УБИ-15/127-ВПП-900 ; 910 15 0,33 29 ОД 105; 120 135 х 40 х 37
2УБИ-2О/22О-ВПП-9ОО; 910 20 0,37 25 0,6 105; 120 135 х 40x37
1УБИ-ЗО/22О-ВПП-8ОО 30 0,36 27 0,45 120 150 х 39Д х 36Д
1УБИ-40/220-ВПП-900 ; 910 40 0,43 23 од 105; 110 150 х 39Д х 36Д
1УБИ-40/220-ВПП-800; 810 40 0,43 26 ОД 105; 120 150 х 39Д х 36Д
1У БИ-65/2 20-2 30; 240-ВПП-930; 910 65 0,67 20 ОД 105; 120 150 х 50 х 42
1УБИ-80/220-2 30; 24О-ВПП-93О; 940 80 0,865 22 од 120 150 х 50 х 42
1УБИ-8О/22О-23О; 240-ВПП-700; 710 80 0,865 16 ОД 105 180 х 65 х 52
1УБИ-80/240-ВПП-701; 711 80 0,865 18 ОД 105 150 х 65 х 52
К разрядным лампам высокого давления относят лампы, в которых
рабочее давление газа (пара) составляет 3 • 104 — 106 Па. В этой группе
наибольшее распространение тока имеют ртутные лампы высокого дав-
ления (ВД), хотя внимание исследователей все более обращается на
создание экологически чистых источников излучения.
Известно [43], что если давление ртути в разряде повышать сверх
оптимального, характерного для ртутной лампы низкого давления, то
резонансное излучение уменьшается, а выходящее из лампы излучение
состоит преимущественно из линий ртути, лежащих в видимой и длин-
новолновой УФ-областях спектра. Примером может служить относи-
тельное распределение потока излучения в спектре РЛВД типов ДРТ230,
ДРТ400 и ДРТ1000:
Длина волны спектральной линии, нм
248,2 .........................................
25 3,7 ........................................
265,2 .........................................
270,0 .........................................
275,3 .........................................
280,0 .........................................
289,4 .........................................
296,7 .........................................
302,2/302,6 ...................................
312,6/31 ЗД....................................
334,1 .........................................
365,0/366,3 ...................................
404,7/407,8 ...................................
435,8 .........................................
546,1 .........................................
578,579 .......................................
Поток излучения
линии,% •
10,5
26.1
23,4
4,1
3,2
10,3
5,0
14,3
ЗМ
68,0
6,6
100,0
35,8
62,4
71,8
70,4
Из-за большой массы атомов ртути теплопроводность ртутного пара
относительно мала — 10 Вт/см длины дуги независимо от диаметра труб-
ки, давления ртутных паров и силы тока [43]. Так как большинство
ртутных разрядов высокого давления работает при удельной мощности
40—50 и даже 80 Вт/см, то тепловые потери составляют 25% и менее в
общем энергетическом балансе лампы. Остальные 75% подводимой
мощности могут быть рассеяны только излучением, и эффект этого пре-
образования увеличивается с ростом удельной мощности.
Ртутные трубчатые лампы ВД представляют собой трубку из кварце-
вого стекла, по концам которой впаяны активированные самокалящиеся
электроды. Внутрь трубки после тщательной откачки вводятся ртуть в
строго дозированном количестве и аргон при давлении 1,5—3 кПа. Аргон
служит длр зажигания разряда и защиты электродов от распыления в на-
чальной стадии разгорания лампы. В отдельных типах ламп кварцевая
разрядная трубка помещается во внешнюю колбу (иногда вакуумиро-
ванную). Так же как и лампы низкого давления, эти лампы включают-
ся в сеть последовательно с дросселем (ПРА).
77
Таблица 3.8. Параметры ртутных трубчатых ламп высокого давления
Тип лампы Мощность, Вт Напряже- ние на лам- пе, В Ток,. А Длина дуги, мм Спектральный диапазон из- лучения, нм
ДРТ125 125 110 1,3 Лампы для фо 240-320
ДРТ23О 230 70 3,8 60 240-320
ДРТ400 400 135 3,25 120 240-320
дитооо 1000 145 7,5 175 240-320
ДРТ1000-5 1000 580 2,0 513 350-450
ДРТ25ОО 2500 850 3,4 1000 240-450
ДРТ28ОО 2800 1300 2,4 610 240-450
ДРТ5000 5000/3500 1800 3,1 1100 350 -450
ДРТ6000-1 6000 890 7,7 650 365
ДРТ12000-1 12 000 1800 7,7 1370 365
ДРУФ125 125 125 1,15 — 365
ДРУФ3125-1 125 125 1,15 — 365
ДРП100 100 100 ± 10 — 38 280-400
ДРП250 250 ПО ±20 — 50 280-400
ДРП400 400 ПО ±20 - 65 280-400
ДРЛ50(15) 50 95 0,61 Лампы для фото
ДРЛ80(15) 80 115 0,80 — —
ДРЛ125 125 125 1.15 — —
ДРЛФ400-1 400 135 3,25 — —
ДРЛ400(10) 400 135 3,25 — —
ДРЛ700(10) 700 140 5,40 — —
ДРЛЮОО(Ю) 1000 145 7,50 — —
ДРЛ2000 2000 270 8,0 — —
ДРВ750 750 220” 3,4 — —
ДРВЭД220-160 160 220” — — —
ДРВЭД22О-25О 250 220” — — —
* Фитопоток, фт.
•’Напряжение питания, В.
’’’Эритемный поток, мэр.
После зажигания дугового разряда происходит разогревание разряд-
ной трубки и испарение ртути. Давление ее паров повышается, вместе с
тем изменяются все ее параметры: растут напряжение на лампе, мощ-
ность, поток излучения, уменьшается ток. В зависимости от мощности
лампы процесс разгорания продолжается 5—7 мин.
В табл. 3.8 приведены параметры ртутных трубчатых ламп ВД.
78
Поток излуче- ния в спектраль- ном диапазоне, Вт Световой по- ток, клм Срок службы, ч Габаритные размеры, мм Тип цоколя
тохимических процессов 12 500 126 х 12 Колпачковый
24 — 1500 190 х 20 Специальный
39 — 2700 265 х 22 »»
128 — 1500 350 х 22 »•
80 А. 2500 645 х 37 »♦
— 9,5 4500 1200 х 21 Колпачковый
400 150 1000 700 х 16 Специальный
420 — 1500 1290 х 50 Колпачковый
360 - 1200 790 х 25 • Керамический
720 — 1200 1557 х25 С выводом То же
15 4» 1000 184x91 Е27/32 х 30
15 — 1000 190 х127 Е27/32 х 30
14 — 500 105 х 12 Е27/32 х 30
35 500 ПОх 16 Е27/32 х 30
50 — 500 130 х 16 Е27/32 х 30
биологических процессов 2fi 10 000 Е27/27
— 3,8 12 000 165 х 81 Е27/27
— 5,4 8000 181 х91 Е27/ЗО
17,6* 16,0 7000 368 х 152 Е40/45
— 20,0 12 000 292 х 122 Е40/45
— 36,0 12 000 368 х 152 Е40/45
— 52,0 12 000 410 х 181 Е40/45
— 120,0 6000 445 х 187 Е40/45
20* — 2000 368 х 152 Е40/55 х 47
350*** 1500 190 х 127 Е27/32 х 40
600*** 3,25 1500 190 х127 Е27/32 х 40
Внешний вид типопредставителей ртутных ламп ВД для фотохимичес-
ких процессов дан на рис. 3.5, спектры ламп - на рис. 3.6.
Особую группу ламп (облучателей) составляют лампы погружного
типа, рассматриваемые ниже, в гл. 4 [55].
В ряде ОСУ, например, для фотокопировальных процессов исполь-
зуются шаровые ртутные лампы с короткой дугой типа СВД и ДРШ [6].
79
Рис. 3.5. Ртутные лампы ВД для светокопировальных аппаратов и УФ-отверждения
типов ДРТ1000-5 (д),ДРТ2500 (б),ДРТ5000 (в), ДРТ6000-1 (г), ДРТ12000-1 (д)
Лампы представляют собой толстостенную (2—3 мм) кварцевую колбу
шаровой или близкой к ней формы, в которую с противоположных сто-
рон впаяны электроды [6]. Расстояние между концами электродов
4—8 мм (есть специальные типы ламп с расстоянием 0,3—0,5 мм. Ос-
новные параметры этих ламп приведены в табл. 3.9.
Лампы включаются в сеть только последовательно с балластом. За-
жигание ламп с двумя электродами (без зажигающего электрода) осу-
ществляется путем подачи на электроды высокочастотных импульсов
высокого напряжения. Время разгорания составляет 2—5 мин и опреде-
ляется скоростью испарения ртути. После испарения всей ртути давление
ее паров достигает нескольких мегапаскалей, а температура колбы —
750—850 °C. Большинство ламп рассчитано на вертикальное положение
горения. Температура окружающей среды и условия охлаждения суще-
ственно влияют на параметры ламп ДРШ и надежность их работы, поэто-
му температурные условия эксплуатации ламп должны строго соблю-
даться.
80
/д.отн.ед.
5
♦
J
2
о *>
200 300 ЧОО 500 Л, нм
Рис. 3.6. Спектры излучения ртутных ламп ВД типов ДРТ (я) и ДРШ (б)
Меры предосторожности должны быть приняты для защиты обслужи-
вающего персонала от облучения мощным УФ-излучением, а также от
горячих осколков кварцевого стекла на случай разрыва колбы. Лампы
должны иметь закрытую конструкцию, например должны быть поме»
щены в металлический кожух.
Все более широкое распространение в ОСУ получает группа ламп вы-
сокого давления — металлогалогенные лампы (МГЛ) [43, 44]. Их расп-
ространение и перспектива определяются весьма широкими возможно-
стями варьирования спектром ламп-при сохранении основного преиму-
щества разрядов ВД — высокой удельной мощности излучения.
Устройство и принцип действия МГЛ основаны на том, что галогени-
ды многих металлов испаряются легче, чем сами металлы, и не разруша-
81
Таблица 3.9. Основные параметры ртутных ламп сверхвысокого давления
типов СВД и ДРШ
Тил лампы Мощ- ность, Вт Напря- жение, В Свето- вой по- ток , лм Яркость Диа- в центре, метр Длина лампы, 1, мм Длина дуги, мм Срок службы, ч
Мкд/м2 колбы мм
СВД120 120 125 4200 — 97 200 — 250*
СВД 120а 120 125 4200 — — 140 а 250
ДРШ100-2 100 20 2000 1100 12 85 0.3 100**
ДРШ200 200 65 10 000 100 15 128 22 600
ДРШ25О 250 72 12 500 100 25 145 4 260
ДРШ25О-3 250 72 12 500 150 25 145 39 500
ДРШ500-М 500 75 22 500 200 33 190 4,5 600
ДРШ 1000 1000 90 53 000 170 40 232 8 100
ДР111500-1 500 80 30 000 — 28 175 3 700
*Во внешней колбе.
••Постоянный ток.
ют кварцевое стекло. Поэтому внутрь разрядных колб МГЛ кроме рту-
ти (или ксенона) и аргона, как в ртутных лампах ВД, дополнительно
вводятся различные химические элементы в виде их галоидных соеди-
нений (т.е. соединений с I, Br, С1) или комплексных соединений. После
зажигания разряда, когда достигается рабочая температура колбы, га-
логениды металлов частично переходят в парообразное состояние. Попа-
дая в центральную зону разряда с температурой несколько тысяч граду-
сов Кельвина, молекулы галогенидов диссоциируют на галоген и металл.
Атомы металла возбуждаются и излучают характерные для них спектры.
Диффундируя за пределы разрядного канала и попадая в зону с более
низкой температурой вблизи стенок колбы, они воссоединяются в гало-
гениды (комплексы), которые вновь испаряются. Применение галоге-
нидов или комплексных соединений резко увеличило число химических
элементов, используемых для генерации излучения, и позволило созда-
вать МГЛ с весьма различными спектрами, особенно при использовании
смеси галогенидов.
Некоторые металлы дают излучение, состоящее из отдельных спект-
ральных линий, например натрий (589 нм), таллий (535 нм), индий
(451 и 410 нм). Другие металлы, например скандий, титан, диспрозий
и др. дают спектры, состоящие из весьма большого числа густо распо-
ложенных линий, заполняющих всю видимую область. Галогениды оло-
ва дают непрерывные молекулярные спектры, в УФ-области излучают
свинец, галлий, железо, кобальт и др. Характер спектра в сильной мере
зависит также от условий разряда, например индий и некоторые другие
металлы при ВД дают непрерывные спектры излучения в широких об-
ластях длин волн.
82
Рис. 3.7. Схемы включения газоразрядных ламп ВД:
а - схема включения ИЗУ с ПРА для ламп типов ДРИ и ДНаТ; б - принципи-
альная схема импульсного зажигающего устройства типа ИЗУ; в - схема включе-
ния лампы типа ДКсТ; г - то же типа ДРТ12000-1
Введение иодидов приводит к повышению напряжения зажигания
разряда, в результате чего напряжение сети часто оказывается недоста-
точным даже при наличии зажигающих электродов. В настоящее время
большинство МГЛ делается с двумя основными электродами (без за-
жигающих электродов), а для их зажигания используются специальные
зажигающие устройства.
На рис. 3.7 представлены схемы питания РЛВД; МГЛ, ДНаТ (см. ни-
же)^ в табл. 3.10и 3.11 даны некоторые типы ПРА и ИЗУ для стабилиза-
ции и включения указанных ламп. Подробная информация по ПРА со-
держится в [52].
Основные параметры ламп МГЛ для ОСУ даны в табл. 3.12. Там же да-
ны параметры квазимонохроматических источников излучения для пре-
паративной фотохимии (см. гл. 2) и натриевых ламп ВД (см. ниже).
На рис. 3^ показаны некоторые типы МГЛ для ОСУ, а на рис. 3.9 -
спектры ламп ДРИ и ДРТИ нескольких типов.
83
Таблица 3.10. ПР А для газоразрядных ламп ВД, применяемых в ОСУ
Тип аппарата Тип лампы Напряжение сети,В Рабочий ток, А Потери, Вт, не более Габаритные размеры (длина, ширина, высота), мм Масса, кг
1И125Н37-1ОО УХЛ2 ДРЛ125 220 1,15 14 Д 120 х 95 х 90 1,8
1И250Н37-100 УХЛ2 ДРЛ250 220 2.15 2Ц0 135 х ПО х 100 2,75
1И400 Н37-100 УХЛ2 ДРЛ400 220 3,25 26,0 155 х 105 х ПО 3,9
1ДБИ700-ДРЛ/220-Н-026М УХЛ1 ДРЛ700 220 5,45 35 172 х 140 х 170 8
1ДБИ1000 ДРЛ/220-Н-026М УХЛ1 ДРЛ1000 220 75 45 172 х 140 х 190 10
1И2000Н36-246 УХЛ1 ДРЛ2000 380 8,0 90 220 х 200 х 170 18
1И70А36-000 УХЛ2 ДНаТ70 220 1Л 15 Р 105 х 82 х 70 1,45
1И250Н 36-302 УХЛ1 ДРИ25О-2 220 2,15 20 Д 175 х 105 х 205 6
1И250А36-000 УХЛ2 ДНаТ250 220 3,10 28 Д 115 х 105 х90 3,6
1И400Н 36-304 УХЛ1 ДРИ400 220 3,3 26,0 130 х 120 х 205 75
1И400А(П) 36-000 УХЛ2 ДНаТ400 220 4,6 35Д 155 х 120 х 90 54
1И700Н36-306УХЛ1 ДРИ700 220 4,7 375 180 х 120x240 105
1И1000Н36-206 УХЛ дриюоо 220 75 40 190 х 170 х 170 10
1И2000Н51-005 УХЛ1 ДРИ2000 380 9,2 88 255 х 162 х 327 24
1И2000Н51-006 У2 ДРТИ2000 380 10,0 95 255 х 162 х 327 25
1ДБИ-3000 (1500) ДРТИ/380-В-038 У4 ДРТИ 3000-1 380 14,0 120 190 х 220 х 280 27
1И3500Н51-006 УХЛ 1 ДРИ3500 380 16,0 140 255 х 209 х 280 36
1АБИ-1000ДРТсК/220-Н-039 У4 ДРТ1000-5 220 2,0 180 220 х 270 х 336 37
ПРА в составе копировальных станков ДРТ2500 380 3,4 — — —
ДРТ2800 220 2,4 — — —
1К5000 (3500) Н81-004 УХЛ4 ДРТ5000 220 3,1 750 380 х 225 х 365 Не более 70 кг
1 R6000 Н81-005 УХЛ4 ДРТ6000-1 380 7,7 650 380 х 225 х 365 Не более 70 кг
1К12000 Н81-006 УХЛ4 ДРТ12000-1 380 7,7 650 380 х 225 х 365 (2 блока) Не более 140 кг
Вид A
26*1. . 26H
228+5
Рис. 3.8. Общий вид МГЛ для репрографии и полиграфии:
а - ДРИ250-2; б - ДРТИ400; в - ДРТИЮОО; г - ДРТИ2000; д - ДРТИЗООО-1
85
Таблица 3.11. Параметры ИЗУ для ламп ДРИ, ДРТИ, ДНаТ
Тип ИЗУ Максимально допустимый ток в цепи лампы, А Амплитуда импульса ^тах< кВ
не менее не бол!
ИЗУ125-175 ДРИ/220 3,8 33 50
ИЗУ250400 ДРИ/220 73 33 5,6
ИЗУ700-1000 ДРИ/220 133 33 5,6
ИЗУ2000 ДРИ/380 15,0 3,0 5,6
ИЗУ400-700 ДРИ/380 7,5 3,0 5,6
ИЗУ70 ДНаТ/220 2,0 23 4,0
ИЗУ100-150 ДНаТ/220 3,8 33 5,0
ИЗУ250-400 ДНаТ/220 73 4Д 5,6
ИЗУЗООО ДРТИ/380 18,0 43 6,0
•Независимое исполнение.
Примечание. Напряжение питающей сети дано в обозначении ИЗУ.
Рис. 3.9. Спектры излучения ламп ДРИ и
ДРТИ с различными излучающими добав-
ками:
а - с иодидами натрия, таллия, индия;
б - с иодидами натрия, скандия, тория;
в - с иодидами и бромидами диспрозия,
гольмия, тулия; г - с иодидами свинца;
д - с иодидами галлия, свинца; е - с
иодидами железа, кобальта, никеля
86
Длительность импульса, мкс, не менее Напряжение сра- Габаритные размеры,
батывания, В мм (без выводов)*
на уровне 0,5 Umax на уровне 0,1
м 200 170-195 100 х 63 х 45
1,0 200 170-195 100 х 52 х 62
1Д 200 170-195 100 х 52 х 62
IjO 200 290-330 100 х 52 х 62
1,0 200 290-330 100 х 52 х 62
1,0 — 170-195 80х57х 36
1,0 — 170-195 80 х 57 х 36
1,0 — 170-195 90 х 52 х 62
1,0 300 290-330 170 х 52 х 63
87
Таблица 3.12. Основные параметры МГЛ и ДНаТ для ОСУ
Тип лампы Напря- жение на лампе, В Рабочий ток, А Габарит- ные раз- меры, мм Длина светя- щей час- ти, мм Спектраль- ный диапа- зон излу- чения, нм Поток излуче- ния в спект- ральном диапазо- не, Вт Свето- вой по- ток, клм Срок служ- бы, ч Тип цоколя
ДРИ25О-2 ПО 2,6 Лампы для 230 х 58 фотохимических процессов 45 350 -450 30 700 Е40
ДРТИ400 130 32 160 х 20 60 350-450 60 — 1000 Колпачковый
ДРТИ 1000 135 7Д 225 х 32 85 350-450 190 — 1000 •«
ДРТИ 1000-1 135 7,5 225 х 32 85 400-450 130 — 1000 »*
ДРТИ 1000-2 135 7,5 225 х 32 85 5 30 - 580 120 — 1000 »»
ДРТИ2000 230 10 228 х 33 110 340-400 320 — 700 Специальный
ДРТИ 3000 (1500/3000) 235 14 230 х 32 110 340-400 ЗЮ 800 плоский То же
ДРТИЗООО-1 (1500/3000) •’ ДРТФЮООО*2*5 235 14 230 х 32 110 350 -450 710 — 800 »»
2000 5 1800 х 65 1000 240-450 1800 — 3000 Специальный
ДРТИ20000*2 *5 2200 10 2000 х 85 1200 530-580 4200 3000 взрывозащит- ный То же
ДР ГТ 3000 240-290 — 230 х 32 115 350-450 — ЗО*3 800 Специальный
плоский
Лампы для фо то биологических процессов
ДНаТ70 90 1Д 165 х 42 29 380-720 — 5,8 6000 Е27
ДНаТ250-6 100 3,0 278 х 48 75 380-720 65 25 15 000 Е40
ДНаТ400-6 100 4,7 278 х 48 85 380- 720 113 50 20 000 Е40
ДРИ250-5 130 2,15 227 x91 — 380- 720 — 19 10 000 Е40/45
ДРИ400-5 130 3,3 227 x91 — 380-720 96 36 10 000 Е40/45
ДРИ700 120 6,5 300 х122 — 380-720 — 59,5 5000 Е4О/55 х 47
ДРИ700-5 130 6,0 350 х 80 — 380-720 165 60 9000 Е40/65 х50БМ
ДРФ1000 130 8,5 342 х 208 380-720 — 90*4 2000 Е4О/55 х 47
ДРИ 1000-1 125 9,5 405 х 80 — 380-720 — 80 1000 Е40/65 х50
ДРИ 1000-6 230 4,7 350 х 80 — 380-720 280 103 3000 Е40/65 х 50
ДРИ2000-1 230 10,3 480 х 100 — 380-720 — 170 800 Е40/65 х 50
ДРИ2000-6 230 9,2 430 х 100 — 380-720 560 200 2000 •Е40/65х50ВМ
ДРИ3500-1 220 18,0 430 х ЮО — 380-720 — 300 600 Е40/65 х 50
ДРИ3500-6 230 16,0 430 х 100 — 380-720 965 350 1500 Е40/65х50ВМ
ДМ3 3000 105 20/28 645 х 85 — 380-720 840 270 1500 —
ДМ4 3000 255 6/10,4 645 х 85 — 380 - 720 850 330 2500 —
ДМ4 6000 200 14/18 860х 115 — 380-720 1680 650 2500 —
*' Ряд переключения мощности, кВт.
* Экспериментальные образцы.
*3 Энергетическая сила света, Вт/ср.
* Фитопоток, фт. •
*5 Погружные источники излучения.
Примечание. Мощность ламп дана в обозначении.
Таблица 3.13. Основные параметры шаровых МГЛ
Тип лампы Мощность лампы, Вт Напряжение на лампе, В Ток, А Световой поток, клм
ДРИШ575 575 95 12 44
ДРИШ1200 1200 100 13,2 100
ДРИШ2500 2500 115 26,0 220
ДРИШ4000 4000 200 23,0 370
ДРИ1П7000-2 7000 220 35 fi 630
Примечание. Положение горения - горизонтальное ± 15°; для лампы типа
Кроме линейных МГЛ в ряде ОСУ, например, для целей имитации из-
лучения солнца применяются шаровые МГЛ, конструкция которых ана-
логична конструкции двухэлектродных ламп ДРШ, но у МГЛ больше
межэлектродное расстояние и утепляющее покрытие на концах колбы.
Основные параметры шаровых МГЛ приведены в табл. 3.13.
Особенность эксплуатации ламп ДРИ1П, так же как и ламп ДРТИ, зак-
лючается в необходимости соблюдать чистоту кварцевой колбы. Уста-
навливать и менять лампу следует в хлопчатобумажных перчатках, а
после установки открытую часть лампы нужно протереть чистой тканью,
смоченной в спирте. Во избежание ожогов глаз и лица УФ-излучением
лампы должны работать только в закрытых облучательных приборах.
При работе с мощными лампами с высоковольтным напряжением пита-
ния необходимо соблюдать правила техники безопасности. Температур-
ные условия работы ламп (в частности, температура на цоколях) долж-
ны строго соблюдаться.
Еще одной группой ламп ВД, находящих применение в современных
ОСУ, в частности для светокультуры растений, являются натриевые лам-
пы ВД (НЛВД) [6, 43]. НЛВД содержит смесь паров натрия и ртути при
высоком давлении и зажигающий газ ксенон. Натрий, имеющий наибо-
лее низкие потенциалы возбуждения и ионизации, является Основным
рабочим веществом (дает излучение, электроны), ртуть — буферный
газ. Для уменьшения напряжения зажигания иногда используется смесь
Ne + 0,5 % Аг в качестве зажигающего газа.
Спектр излучения НЛВД содержит сильно уширенные линии натрия
с сильным самообрашением (рис. 3.10). В желто-оранжевой области
спектра (560—610 нм) сосредоточено 70% видимого излучения.
Конструктивно НЛВД состоит из разрядной трубки, изготовленной
из особо чистого оксида алюминия, поликристаллической керамики или
лейкосапфира, которая смонтирована внутри внешней вакуумирован-
ной колбы. Материал, из которого изготовлена разрядная трубка, стоек
к длительному воздействию натрия при высоких температурах (до
1600 °C).
90
Цветовая тем- пература, К Длина ду- ги, мм Полная длина на лампы, мм Диаметр, мм Средняя продол- жительность го- рения, ч
6000 11 140 21 150
6000 13 220 27 150
6000 20 360 30 100
6000 34 405 38 100
- 40 450 46 100
ДРИШ575 - любое.
Рис. 3.10. Спектральное распределение излучения НЛВД мощностью, Вт:
fl-до 250; 6-400-1000
Зажигание НЛВД осуществляется специальным зажигающим устройст-
вом (см. табл. 3.11). Время разгорания ламп составляет 5—7 мин. Время
повторного зажигания лампы составляет 2-3 мин. Схема включения
НЛВД аналогична схеме включения ДРИ (см. рис. 3.7). В табл. 3.10
представлены параметры ПРА для НЛВД. Превышение температуры
НЛВД в светильнике недопустимо, максимальная допустимая темпера-
тура стеклянной внешней колбы 350-400 °C, а цоколя 200 °C. Конст-
рукция светильника или облучателя должна исключать возможность по-
падания отраженного излучения на разрядную трубку.
Основные типы НЛВД и их параметры приведены в табл. 3.12.
91
Таблица 3.14. Основные параметры ксеноновых трубчатых ламп
Тип лампы Мощность лампы, Вт Напряже- ние на лампе, В Ток, А Световой поток, клм Внутренний диаметр трубки, мм
ДКсТ2000 2000 40 49 35,7 24
ДКсТБ2000 2000 60 32 405 18
ДКсТ5000 5000 1, 110 44 97,6 22
ДКсТЮООО 10 000 220 46 250 21
ДКсТ20000 20 000 380 56 694,4 21
ДКсТ50000 50 000 380 132 2230 38
ДКсТВЗООО 3000 90 30 81,2 4
ДКсТВ5000 5000 150 30 139 4
ДКсТВбООО 6000 220 30 211 7
ДКсТВ8000 8000 240 30 232 4
ДКсТВ15000 15 000 220 68 592 7
ДКсТВ50000 50 000 380 132 2088 12
Следующей группой газоразрядных ламп, находящих применение в
ОСУ, например для копировальных процессов, фотоформных работ,
имитации солнечного излучения, являются ксеноновые лампы [6, 56].
В них используется разряд в ксеноне при высоком и сверхвысоком дав-
лении и плотности тока, составляющей десятки и сотни ампер на санти-
метр в квадрате. Разряд этого типа имеет ряд характерных особеннос-
тей: непрерывность спектра излучения в пределах от 200 нм до
1,5—2 мкм; возрастающую вольт-амперную характеристику в диапазо-
не больших токов; отсутствие периода разгорания, высокое напряжение
зажигания; независимость параметров ламп от температуры окружа-
ющей среды.
Ксеноновые лампы классифицируют по конструктивному признаку
на трубчатые лампы с естественным и водяным охлаждением и лампы
с короткой дугой с естественным и принудительным (воздушным или
водяным) охлаждением. Основные типы трубчатых ламп и их парамет-
ры приведены в табл. 3.14. На рис. 3.11,6 приведены спектры излуче-
ния трубчатой ксеноновой лампы. Напряжение сети сильно влияет на
мощность и поток излучения ламп, работающих без балласта. При по-
вышении напряжения наблюдается сильное превышение температуры
лампы и сокращение срока службы. Для зажигания ксеноновых ламп
как безбалластных, так и балластных применяются специальные зажи-
гающие устройства, дающие высоковольтный (до 50 кВ) импульс высо-
кой частоты (см. рис. 3.7).
Шаровые ксеноновые лампы типа ДКсШ являются источниками вы-
сокой яркости с компактным светящим телом. Они дают в видимой об-
92
Расстояние между элект- родами, мм Полная длина лампы, мм Средняя про- должитель* ность горе- ния, ч Положение горения Примечание
140 356 300 Любое С балластом
170 376 500 99
430 646 300 99 С балластом
950 1260 800 Горизонтальное ± 30° Без балласта
1680 1990 800 То же То же
2100 2700 500 99 ♦»
50 285 100 Любое Постоянного то- ка с балластом
80 315 100 99 То же
250 478 — Без балласта
140 375 800 99 Постоянного тока
200 460 — 9» Без балласта
520 935 — 99 То же
ласти непрерывный спектр излучения, близкий к солнечному, практичес-
ки не имеют периода разгорания и работают, как правило, на постоян-
ном токе. Основные типы ламп ДКсШ и их параметры представлены в
табл. 3.15, типичный спектр излучения лампы ДКсШ - на рис. 3.11,а.
Из всей мощности излучения, составляющей около 40% электрической
мощности, около 9% излучается в УФ-области, около 35%-в видимой и
около 56% — в близкой ИК-области. Положение горения для большин-
ства ламп ДКсШ — вертикальное анодом вверх. Меры предосторожности
обусловлены тем, что давление ксенона в лампах — не менее 0,3—0,5 мПа
и они взрывоопасны даже в нерабочем состоянии. На лампы надевают за-
щитные кожухи из органического стекла или металла, которые позво-
ляют включать лампу, не снимая кожуха. Его разрешается снимать толь-
ко после установки лампы в закрытую аппаратуру. Лампы являются
источником мощного излучения, которое может вызвать ожоги кожи и
глаз. Зажигание дуги осуществляется при помощи специального искро-
вого генератора, подающего на лампу импульс высокого напряжения от
20 до 50 кВ высокой частоты.
В связи с освоением в последние годы мощных газоразрядных труб-
чатых ламп высокого давления (5, 6 и 12 кВт) и МГЛ (1—3,5 кВт) и
разработкой безртутных ламп экономически целесообразные области
применения трубчатых и шаровых ксеноновых ламп должны быть пе-
ресмотрены.
Импульсные лампы. Принцип действия импульсных источников из-
лучения основан на использовании концентрированного электрическо-
го разряда в атмосфере инертных газов. Чаще всего в качестве наполня-
93
Рис. 3.11. Спектры излучения ксеноновых ламп;
а - типичный спектр излучения шаровых короткодуговых ксеноновых ламп (ДКСШ3000); б - спектральное распределение
КПД в единичном телесном угле трубчатой лампы ДКсТЮООО; в - то же импульсной трубчатой ксеноновой лампы: 1 — при
объемной плотности мощности 5 • 106 МВт/м3; 2-1; 3 — ОД; 4 — 0,04 106 МВт/м3; г - то же для стеклянной лампы ИСШ7
(ксенон, р =0,22 МПа, I =2,5 мм, Up =1000 В, С =6800 пФ, Т=О,35 мкс. f-2 кГц, /ср =4,8 кд)
ющего газа используется ксенон, обладающий наибольшей световой от-
дачей по сравнению с другими инертными газами. Импульсные источни-
ки излучения отличаются от других источников высокой яркостью све-
тящего тела (до 100 Гкд/м2), короткой длительностью светового им-
пульса (единицы микросекунд) [45].
Схема включения импульсных ламп содержит накопитель, заряжа-
емый от источника постоянного тока, и устройство управления, синх-
ронизации и защиты, регулирующее работу зарядного устройства, гене-
ратора зажигающих импульсов и разрядного контура. Самым распрост-
раненным и простым способом питания импульсной лампы является
подключение ее к накопительному конденсатору, при разряде которого
генерируется импульс тока. Почти все схемы питания импульсных ламп
описываются единой функциональной схемой, приведенной в [6, 45].
Световая отдача трубчатых ксеноновых импульсных ламп достигает
60 лм/Вт. Спектр излучения охватывает диапазон длин волн 155 —
4500 нм при кварцевой колбе и 290-3000 нм при стеклянной. Интег-
ральные за импульс спектры излучения состоят из спектральных линий
и сплошного фона (рис. 3.11, в).
Характеристики излучения шаровых импульсных ламп имеют осо-
бенности, обусловленные существенно меньшей продолжительностью
и меняющейся от импульса к импульсу формой светящего канала раз-
ряда в не ограниченном стенками разрядном промежутке малой длины.
Световая отдача шаровых импульсных ламп обычно не превышает
15 лм/Вт. Увеличение расстояния между электродами сопровождается
приблизительно линейным ростом световой отдачи. Спектральные ха-
рактеристики плазмы шаровых импульсных ламп (температура ее
десятки тысяч кельвинов) имеют максимум спектральной плотности
энергии излучения в области вакуумного УФ. Ультрафиолетовое излу-
чение плазмы частично поглощается наполняющим колбу газом и стек-
лом колбы (рис. 3.11,г). При прозрачной для УФ колбе наблюдается
резкое возрастание спектрального КПД при Х< 250 нм,обусловленное
не только сплошным фоном, но и пакетом мощных линий ксенона.
В ИК-области излучение зарегистрировано до 1700 нм.
Снижение силы излучения из-за распыления электродного материала
является основным фактором, определяющим долговечность лампы,
которая в значительной мере зависит от параметров режима работы
лампы, в особенности от энергии импульса и формы разрядного тока.
Ассортимент современных серийных импульсных ламп отечественно-
го производства насчитывает несколько десятков типов. Сведения о па-
раметрах указанных ламп, механических и климатических свойствах,
их конструктивных и эксплуатационных особенностях даны в [45]. Для
фототехнологических процессов, в частности для фотолитографии,
широкое применение находят шаровые импульсные лампы. Пара-
метры некоторых типов шаровых импульсных ламп приведены в
табл. 3.16.
95
Таблица 3.15. Основные параметры ксеноновых ламп с короткой дутой
Тип лампы Напряже- ние пита- ния (мини- мальное) , В Напряже- ние на лампе, В Световой поток, клм Яркость в Расстояние центре раз- между
ряда, _ Мкд/м2 электрода- ми, мм
ДКсШ200 70 20 3 90 2Д
ДКсШЗОО 70 20 6 — 2,2
ДКсШ500 50 20 12 200 2Д
ДКсШ1000-2 50 22 30 250 3,4
дксшгооо 60 27 65 400 3,9
ДКсШЗООО-З 60 32 110 600 5,5
ДКсШ 3000-5* 60 32 110 600 5,5
ДКсШРБ 3000-1 70 33 100 750 3,7
ДКсШРБ5000-1 70 40 200 600 5.5
ДКсШРБ 10000-1 70 33 400 1100 7,5
ДКсЭлЮОО 60 22 35 — 4,0
ДКсЭл2000 60 29 65 — 4,8
ДКсЭлЗООО 95 30 115 — 5,7
**В безозонном исполнении (легированный кварц).
**Раэборные электроды дополнительно охлаждаются водой.
Примечание. Мощность ламп содержится в обозначении типа. Все лампы рабо
В заключение приведем некоторые сведения об источниках высокого
давления, использующихся для генерации вакуумного УФ-излучения
[54]. Как правило, в этом случае используют излучение континуумов
инертных газов, скоростных газовых струй при возбуждении их элект-
ронным пучком, от синхротрона и от мощных дуговых разрядов при ат-
мосферном давлении рабочего газа.
Излучение континуумов инертных газов располагается в следующих
спектральных интервалах: 60-110 нм у гелия; 74-10 нм у неона, 107 -
165 нм у аргона, 124-184 нм у криптона, 147—220 нм у ксенона. К ис-
точникам непрерывного действия, излучающим континуумы инертных
газов, могут быть отнесены разрядные источники, работающие в высо-
кочастотном (ВЧ) и сверхвысокочастотном (СВЧ) режимах.
Оптимальная частота возбуждения инертного газа в ВЧ-режиме обыч-
но составляет 5 кГц, а в СВЧ-режиме может изменяться от 2 до
10 тыс. МГц. Расположение максимумов континуумов может несколько
изменяться в зависимости от способа возбуждения и давления газа.
1ак, с увеличением давления они, как правило, сдвигаются в длинно-
волновую область спектра.
На рис. 3.12 показано распределение излучения по спектру в конти-
нуумах инертных газов, создаваемого лампами с окнами из фтористого
лития. Видно, что сила излучения в максимумах континуумов для ар-
96
Внешний дна- Полная длина Высота све- Скорость воэдуш- Средняя продол-
метр колбы, лампы, мм. тового цент- но го ох ла ж де- жительность го-
ММ ра, мм НИЯ, м/с рения, ч
26 149 — 0 500
26 149 — 0 750
31 200 — 3 400
43 260 — 3 750
52 320 — 3 1000
59 330 — 5 1250
59 330 — 5 650
50 235 101 5-8** 500
55 235 101 5-8** 500
70 255 по 5-8** 125
46 320 122 — • 1000
60 370 142 — 1200
66 428 166 — —
тают на постоянном токе.
гона, криптона, ксенона достигает 10*0 - 1012 квант/(с-ср) в спект-
ральном интервале 0,2 нм.
Из числа источников непрерывного действия, излучающих в широкой
ВУФ-области, следует отметить газоструйный источник. Принцип его
действия заключается в возбуждении электронным пучком с энергией
1 кэВ струи инертных газов (аргона, криптона, ксенона), вытекающей
со сверхзвуковой скоростью в вакуум, и последующей конденсации при
охлаждении жидким гелием. Давление газа в струе находится в пределах
от одного до сотен паскалей. Спектр излучения газоструйного источ-
ника приходится на область 50-150 нм. Максимум интенсивности излу-
чения находится в диапазоне 100—110 нм.
Облученность, создаваемая газоструйным источником излучения:
Спектральный интервал, нм Облученность на расстоянии
10 см, 10” 7 Вт/см2
50-60 ......................................... 60
60-70 ......................................... 65
70-80 ......................................... 50
80-90 ......................................... 65
90-100 ....................................... 145
100-110 ...................................... 1030
110-120 ....................................... 275
120-127,5 ..................................... 415
97
Таблица 3.16. Шаровые импульсные лампы
Тип лампы ЛгВ7 fmax’ с 4/р, кВ 1/,,кВ гтах' с
ИСШ2 2 100 0,65 5 —
ИСШ4* 4 10 0,65 3 —
ИСШ4-1 5 2500 0,8 5 —
ИСШ-12 12 2 0,8 7 -
ИСШ-15* 15 500 0,45 6
1 0,1 1 6 —
ИСШ-100-2 100 500 3 6 30
50 500 3 6 —
5 0,1 3 6 —
ИСШ-ЮО-ЗМ* 100 20 45 6 —
150 50 35 6 —
5 0,1 3 6 —
ИСШ-100-4 55 25 65 1 90
ИСШ-100-5 62 250 2,6 4 900
ИСШ-100-6 20 5 4 10 —
исш-зоо 300 400 6,3 25 —
10 0,1 6 25 -
ИСШ-400** 375 3000 5 8 50
ИСШ-500 500 100 9 25 —
10 0,75 7 25 —
СШ-500 500 1 0,2-15 — —
СШ-12 12 3 0,65-1 — —
*Разряд через балластное сопротивление.
••Питание в схеме с принудительной коммутацией в разрядной цепи.
Обозначения: Рср = Wp/ - средняя электрическая мощность (И'р = С1/р/2) ;
большая длительность непрерывной работы; 1/р - рабочее напряжение; U3 - пи
Спектральный интервал, нм
1275-1325..........................
1325-1375..........................
1375-1425.....................'. . . .
1425-1475 .........................
147,5-152,5 .......................
Облученность на расстоянии
10 см, 10-7 Вт/см2
155
40
15
5
35
В настоящее время возрастает число исследований по атомно-абсорб-
ционной спектроскопии, выполненных на синхротронном излучении.
Синхротронное излучение ("СИ) отличается от излучения других источ-
98
N, 106 вспы- шек /п, ккд Т, мкс в, кД-с Размеры светящей Габаритные разме- части, мм ры лампы, мм
720 10 1 0,01 005 х 8 0225 х 36
1 40 3 0,14 ф 0,5 х 8 .023 x27 x 32
125 2 0,5 0,001 00,3 х 8 022,5 х 36
1 - 50 1 02x8 0 30 х 40
500 4 15 0,006 1 х25 33x79
— 200 15 5 1 х25 33x79
0,3 250 1,3 0,2 00,7 хЗ
3 150 1 0,1 005 х 3 034 х 15
— 3000 15 50 05
3,6 1000 25 25 02x6 0 35 х 97
— 800 25 2 02x6
— 4000 15 60 07
0,27 600 3 1,8 015 X 10 0 30 х102
100 150 1,5 0,25 00,6 х 3 036 х 81
3 600 3 1,8 02x5 040 х 102
12 300 2 0,6 01x65 082 х 150
— 3000 15 50 05 х 65
10 100 0,8 0,08 005 хЗ 080 х73
0,36 1000 6 6 01,2 х8 50x110x130
— 4000 25 100 05x8
0,075 6» 500 — 10 49 х85
1 — 50 — 8 465 х 30
^тах ~ наибольшая частота вспышек; N - число вспышек за срок службы; Т - нан-
ковое напряжение импульса зажигания; 0 - освечивание; /п - пиковая сила света
Рис. 3.12. Спектральное распределение из-
лучения в континуумах инертных газов
ламп и в континууме молекулярного во-
дорода, излучаемого капиллярной лампой
(измеренное при спектральной щели
0,2 нм)
99
ников рядом свойств: высокой интенсивностью, широким спектром,
простирающимся от рентгеновской до инфракрасной области, отсут-
ствием каких-либо посторонних эмиссионных линий в спектре. Особен-
ностью СИ являются также малая расходимость пучка в вертикальной
плоскости (менее 1 мрад) и конечная ширина в горизонтальной плос-
кости.
Помимо синхротронного излучения в качестве независимого первич-
ного эталона в ВУФ-области (125—360 нм) используется мощная водо-
родная дуга, работающая в протоке газа при атмосферном давлении и
разрядном токе 100 А [54]. Спектральный коэффициент излучения та-
кой дуги, имеющей температуру 20 000 К, зависит от длины волны и
рассчитывается с точностью ±3%.
В нескольких публикациях описывается мощная аргоновая каскад-
ная дуга [57], работающая при токе 100 А и атмосферном давлении,
применяемая в качестве первичного эталонного излучателя в области
100—350 нм. В источнике использована смесь аргона с такими газами,
как азот, водород, криптон и диоксид углерода. При таком наполнении
удается получить насыщенные линии углерода, криптона, атомов азота и
водорода с интенсивностью излучения, соответствующей температуре аб-
солютно черного тела 12 500 К и описываемой формулой Планка.
Глава четвертая. ОБЛУЧАТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
4.1. Классификация облучательных приборов
Облучательный прибор (ОП) — это устройство, которое обеспечивает
необходимое распределение излучения на приемнике ОИ и состоит из
источника излучения и арматуры. Арматура преобразует излучение ис-
точника, например перераспределяет поток излучения в пространстве,
изменяет спектральный состав и др. В арматуру входят все элементы,
необходимые для механического крепления ИИ, подключения его к ис-
точнику питания и поддержания нормального функционирования. Арма-
тура защищает ИИ и все элементы электрической коммутации от воз-
действия окружающей среды и механического повреждения, а также со-
держит элементы крепления ОП к арматуре помещения или прибора
(устройства), в котором он размещается.
В соответствии с ранее введенной классификацией видов воздействия
ОИ на приемник облучательные приборы можно также подразделить на
ОП фотофизического, фотохимического и фотобиологического дей-
ствия.
Указанные типы ОП классифицируют по видам фотопроцессов, объек-
там облучения и трем спектральным диапазонам ОИ: видимому, инфра-
красному и ультрафиолетовому (рис. 4.1). Это деление можно отнести к
100
Обяучателшыс пркборы ОП
Рис. 4.1. Классификация облучательных приборов (первый уровень)
Рис. 4.2. Второй уровень классифика-
ции облучательных приборов
первому уровню классификации ОП. Последующие уровни классифика-
ции могут быть основаны на принципе деления приборов по светотехни-
ческим функциям, способам установки, климатическому исполнению
и т.п.
На рис. 4.2 представлен второй уровень классификации ОП — по ха-
рактеру распределения излучения в пространстве по аналогии с [58, 59].
Облучатель — прибор, перераспределяющий излучение ИИ внутри
больших телесных углов (до 4я). Облучатель-концентратор - прибор,
концентрирующий поток излучения на поверхности малого размера или
в малом объеме (превышающем размеры источника не более чем в
1,5 раза). Облучатель-прожектор — прибор, перераспределяющий излу-
чение источника внутри малых телесных углов.
Помимо отдельных ОП возможна поставка облучательных комплек-
сов, состоящих из комбинации нескольких ОП или источников излуче-
ния, отдельных оптических элементов, конструктивных, электротехни-
ческих и других деталей, сборочных единиц, блоков управления, соби-
раемых у потребителя, выполняющих свои функции только в совокуп-
ности.
Группировка ОП по виду источника излучения, его мощности, спосо-
бу установки, климатическому исполнению, стойкости к воздействию
окружающей среды и т.д. представляет собой третий уровень классифи-
кации и отражается в условном обозначении и маркировке ОП.
До настоящего времени облучательные приборы в отличие от светиль-
ников не имели своей системы условных обозначений, что приводило к
некоторой путанице у потребителя или к появлению условных обозна-
чений, представляющих собой абревиатуру характерных слов (облуча-
тель О, ртутный Р, эритемный Э, бактерицидный Б, инфракрасный ИК,
ультрафиолетовый УФ), например ОРК, ОЭ, ОБУ, ИКУФ и т.д. Это об-
стоятельство, а также появление более высокого уровня классифика-
ции (рис. 4.1) дает возможность переработать и расширить систему ус-
ловных обозначений, предлагаемую стандартом [60].
В общем случае для условного обозначения облучателей может быть
предложена структура шифра, изображенная на рис. 43, где 1 — тип
источника излучения, классифицированный по способу генерации из-
лучения (одна буква на первом месте в шифре); 2 — основной способ
установки облучателя (одна буква); 3 — назначение облучателя или вы-
полняемая функция; 4 - номер серии (двузначное число); 5 - число
источников излучения в ОП (одно- или двузначное число, при этом циф-
102
Рис. 4.3. Структура условного обозначения облучателей
pa 1 не указывается); б — мощность ламп, Вт, обозначенная одно-,
двух-, трех- или четырехзначным числом; 7 — номер модификации
(двузначное число); 8 — обозначение спектрального диапазона, на ко-
торый приходится максимум излучения, генерируемого облучателем
(три буквы). Следует отметить, что облучатели нередко выполняют две
функции одновременно работают в двух диапазонах спектра. В этом
случае рядом с мощностью и количеством основных ИИ указывается в
скобках мощность и количество дополнительных ИИ, а рядом с обозна-
чением основного спектрального диапазона в скобках проставляется
обозначение дополнительного.
Номер модификации позволяет учесть некоторые отличительные
признаки ОП, входящих в серию, например светотехнические характе-
ристики и особенности оптической системы, способ подключения к сети
и подвеса. При отсутствии цифры, обозначающей число ламп в ОП
(поз. 5), после номера серии перед цифрой, указывающей мощность ис-
точника, должен стоять знак умножения.
Источники излучения обозначены строго по способу генерации излу-
чения: лампы накаливания — Н, люминесцентные — Л, ртутные ВД — Р,
металлогалогенные — Г, натриевые — Ж и электролюминесцентные — Э.
По способу установки различают сетевые и аккумуляторные облуча-
тели. В сетевых ОП подвесные обозначаются буквой С, потолочные - П,
настенные - Б, настольные - Н, напольные и венчающие - Т, встраива-
емые - В, пристраиваемые — Д, ручные - Р и погружные — О. В акку-
муляторных ОП ручные обозначаются буквой А, головные — Г.
Облучатели делятся по назначению на облучатели фотофизического дей-
ствия — Фф, фотохимического действия — Фх и фотобиологического
действия - Фб.
Введена маркировка спектрального диапазона в соответствии с приня-
той МКО (УФ-С, ИКА, ... , ИК-С, см. гл. 1), и исключено обозначение
климатического исполнения, которое можно указывать дополнительно
наряду с обозначением взрывозащиты, химостойкости, степени защиты
и тд.
Использование предложенной системы не ограничивает право раз-
работчика давать изделиям имена собственные, например ’’Кулон”,
”Луч”, ’’Зоотон” и т.д.
Ниже приведены примеры предлагаемых обозначений некоторых об-
лучателей:
1) ЖСФб18х 400-01-ВС - подвесной облучатель для физиологическо-
го облучения биологических организмов (растений) с натриевой лам-
103
пой 400 Вт, излучающий в видимом диапазоне спектра, серии 18, моди-
фикации 01 (ранее — ЖСП18);
2) ЛСФб04-40(40) -01-ВС-УФА — подвесной комбинированный облу-
чатель для физиологического облучения в видимой и УФА-области спект-
ра с люминесцентными лампами мощностью 40 Вт, серии 04, модифика-
ции 01 (ранее ЭСПО1 х 40);
3) ГДФХ02х2000-03-УФА - пристраиваемый облучатель технологи-
ческого назначения с металлогалогенной лампой мощностью 2000 Вт,
серии 02, модификации Q3, излучающий в УФА-области (ранее -
РВП2000).
На корпусе ОП или на одной из несъемных в процессе эксплуатации
деталей наносится несмываемая прочная и хорошо различимая марки-
ровка, содержащая товарный знак предприятия-изготовителя, условное
обозначение светильника, степень защиты оболочки, климатическое ис-
полнение, категорию размещения, обозначение стандарта или ТУ, по ко-
торому выпускается облучатель. Для взрывозащищенных облучателей
1 наносится уровень и вид взрывозащиты, выполненный в соответствии
с нормативно-техническим регламентом [61].
4.2. Характеристики облучательных приборов
Прежде чем приступить к описанию ОП, представим их основные
технические данные, воспользовавшись сложившейся практикой [6,
60] и выявив особенности ОП.
Основной характеристикой ОП, определяющей его функциональные
особенности, является характер поля излучения, создаваемого его опти-
ческой системой. В светотехнической практике и расчетах принято ха-
рактеризовать эту величину интенсивностью излучения в том или ином
направлении, которая определяется потоком излучения ОП в заданном
телесном угле (Вт/ср) - кривой
силы излучения (рис. 4.4) - или об-
лученностью заданной плоскости
(Вт/м2).
Для описания поля излучения ОП
прожекторного типа применяется
только первая характеристика, для
ОП и ОП-концентраторов - кривые
облученности.
Рис. 4.4. Типовые кривые силы излучения
Наиболее грубая и простая оценка фотометрического тела заключает-
ся в определении соотношения потоков излучения, попадающих в ниж-
нюю Ф-о-и верхнюю фА полусферы окружающего прибор пространства.
Приведенная в табл. 4.1 классификация аналогична принятой в [60]
для светильников. Однако следует заметить, что ОП классов Р, В и О
встречаются крайне редко и применяются только тогда, когда прибор
совмещает функции облучения и освещения.
Помимо распределения потока излучения ОП характеризуется коэф-
фициентом полезного действия (КПД). Этот параметр в какой-то мере
является интегральным светотехническим параметром, характеризу-
ющим уровень как конструктивной разработки ОП, так и качества при
его производстве. КПД ОП - это отношение потока излучения прибора
л
Фоп к потоку излучения установленных в нем п ламп S Фл;
. I
л
И = ФОП/2ФЛ.
Другой важной группой характеристик ОП являются характеристики
безопасности: электрическая, механическая, взрыво- и пожаробезопас-
ность.
Электрическая безопасность характеризуется прежде всего классом
защиты от поражения электрическим током. В табл. 42 даны пять клас-
сов защиты. Кроме того, электрическая безопасность ОП характеризует-
ся сопротивлением изоляции между различными частями, к которым
приложено напряжение, как при нахождении ОП в нормальных условиях
окружающей среды, так и после нахождения в условиях повышенной
влажности [61].
В зависимости от уровня взрывозащиты все ОП делят на ОП повы-
шенной надежности против взрыва, взрывобезопасные ОП и особо
взрывобезопасные ОП. Взрывозащита обеспечивает невоспламенение
окружающей взрывоопасной газо-, паро- и пылевоздушной смеси от
электрических искр, дуг, пламени и нагретых частей ОП. Для обеспече-
ния соответствующего уровня взрывозащиты в настоящее время приме-
няются различные конструкции: взрывонепроницаемые оболочки,
щели, искробезопасные электрические цепи, оболочки с заполнением или
продувкой под избыточным давлением, автоматическая защита отклю-
чением [62].
Пожарная безопасность ОП означает практическую невозможность
загорания как самого прибора, так и окружающей его среды, что обес-
печивается конструкцией ОП, выбором комплектующих изделий и ма-
териалов с температурными характеристиками, соответствующими теп-
ловому режиму работы ОП. При этом характеристикой пожаробезопас-
ности является соответствие температуры на основных элементах ОП
допустимым значениям как в рабочем, так и в аварийном режиме рабо-
105
Таблица 4.1. Классификация облучателей по распределению
излучения в пространстве
Обозначение клас- са on Наименование класса ОП по Доля потока излучения, направ- распределению излучения ляомого в нижнюю полусферу, %
П Н Прямого излучения Ф^ /Фоп = 80 Преимущественно прямого из- 60 < Ф^_ /Фоп < 80 лучения
Р В Равномерного излучения 40 < Ф-^. /Фоп < 60 Преимущественно отраженного 20 <ФТГ/Фоп < 40 излучения
О Отраженного излучения Ф-^- /Фоп < 20
Таблица 4.2. Классы защиты от поражения электрическим током
Класс защи- ты Вид электри- ческой изоля- ции ОП* Наличие в ОП зажима для присоединения заземляющего провода Характеристика постоянно присо- единенных внеш- них проводов Особенности ОП
0 Рабочая изо- ляция на всех частях Отсутствует Отсутствуют Металлические корпуса, изолированные рабочей изоляцией от находящих- ся под напряжением час- тей; корпус из изоля- ционных материалов, обеспечивающих рабо- чую изоляцию (частич- но или полностью)
01 То же Имеется Имеются, но не со- держат заземля- ющего проводника и вилки с заземля- ющим контактом •
1 То же Имеется При присоединении к системе питания с помощью гибко- го провода или шнура они имеют на конце специаль- ный заземляющий контакт (возмож- на вилка с заземля- ющим контактом) Могут иметь части с двойной или усиленной изоляцией или части, ра- ботающие при малом напряжении
106
Продолжение табл. 4.2
Класс заши- ты Вид электри- ческой изоля- ции ОП* Наличие в ОП зажима для присоединения заземляющего провода Характеристика постоянно присо- единенных внеш- них проводов Особенности ОП
п Двойная или усиленная изо- ляция Отсутствует Отсутствуют Механически прочные корпуса из изоляцион- ного материала, покры- вающего все металли- ческие части (за иск- лючением мелких дета- лей, отделенных от час- тей ОП, находящихся под напряжением, изо- ляцией не хуже усилен- ной) ; металлические корпуса, в которых вез- де применена двойная или усиленная изоля- ция; комбинирован- ные ОП (сочетание ука- занных выше)
III Рабочая изоля- Отсутствует Имеются только Только для работы в
ция для работы ОП только в системе питания малым напря- присоединения к системе питания малым напряже- нием системах питания ма- лым напряжением
жением
’Рабочая изоляция обеспечивает нормальную работу ОП и основную защиту от
поражения электрическим током; дополнительная (или защитная) изоляция -
независимая изоляция, предусмотренная дополнительно к рабочей изоляции для
защиты от поражения электрическим током при нарушении рабочей изоляции;
двойная изоляция - изоляция, включающая как рабочую, так и дополнительную;
усиленная изоляция - улучшенная рабочая изоляция с такими электрическими
и механическими свойствами, при которых она обеспечивает ту же степень защиты
от поражения электрическим током, что и двойная.
ты. Предназначенные для установки непосредственно на опорные поверх-
ности из нормально возгораемых материалов ОП в международной прак-
тике получили символ F в треугольнике. Легко возгораемые материалы
не пригодны для непосредственной установки на них ОП [63].
Механическая безопасность различных ОП характеризуется вибраци-
онными ударными нагрузками, усилиями, прикладываемыми к узлам
подвеса для определения их механической прочности крутящими момен-
тами, выдерживаемыми резьбовыми и другими жесткими механически-
ми соединениями частей ОП. В табл. 43 приведены значения механичес-
ких параметров (степени жесткости), которым должны удовлетворять
ОП [64].
107
Таблица 4.3. Механические параметры (степени жесткости) ОП [64]
Степень жесткости Воздействующий фактор ч,с‘ Максимальное ускорение, м/с2 Длительность удара, мс
1 Вибрационные нагрузки 1-35 5 —
II 1-60 10 —
III 1-60 20 —
IV 1-80 50 —
XIX 1-5000 400 —
XX 100-5000 400 —
1 Ударные нагрузки мио- 150 2-15
гок ратные
IV Ударные нагрузки - 1000 1-3
I одиночные - 40 40-60
11 — 200 20-50
VIII — 30 000 0,2-04
Защита от воздействия среды (пыли, воды и агрессивных сред) обес-
печивается, как правило, выбором соответствующих конструкционных
и светотехнических материалов, а также различной степенью герметиза-
ции внутреннего объема ОП или отдельных его полостей (прежде всего
полости, в которой расположены электрические контакты).
Эти свойства ОП характеризуются категорией и условиями размеще-
ния при эксплуатации (табл. 4.5) и климатическим исполнением
(табл. 4.6). Конкретные параметры климатических факторов внешней
среды определяются государственным стандартом [65].
Под надежностью ОП понимается свойство изделий выполнять задан-
ные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных
пределах в течение требуемого промежутка времени. Основным пока-
зателем надежности для ОП является долговечность, которая характе-
ризуется либо сроком службы, либо ресурсом. Под долговечностью по-
нимается свойство изделий сохранять работоспособность до предельного
состояния, которое наступает тогда, когда происходит отказ.
Ко всем облучателям, если иное не оговорено заказчиком, предъяв-
ляется требование, чтобы после 120 ч работы при температуре (35 ± 5)°C,
напряжении, равном 110% номинального для облучателей с разрядными
лампами, или мощности, равной 115% номинальной для облучателей с
ЛН, КПД (или освещенность) снижался не более чем на 10% первона-
чального значения, цвет и форма поверхностей не подвергались измене-
ниям.
Важным требованием к современным ОП является обеспечение дли-
тельной и бесперебойной работы их в условиях напряженного теплового
режима, характерного для многих типов ОП. Превышение температуры
отдельных частей ОП при расчетной температуре окружающей среды
25 °C в нормальном и аварийном (дано в скобках) режимах работы не
должно быть более значении, указанных в ГОСТ 17677-82 [60].
108
Таблица 4.4. Категория изделий (в зависимости от места размещения
при эксплуатации) [65]
Характеристика Обозначение
категории
Для работы на открытом воздухе 1
Для работы в помещениях, где колебания температуры и влаж- 2
кости воздуха несущественно отличаются от колебаний на от-
крытом воздухе и имеется сравнительно свободный доступ на-
ружного воздуха, например в палатках, кузовах, прицепах,
металлических помещениях без теплоизоляции, а также в обо-
лочке комплектного изделия категории 1 или под навесом (от-
сутствие прямого воздействия солнечной радиации и атмосфер-
ных осадков на изделие)
Для работы в закрытых помещениях с естественной вентиляцией 3
без искусственно регулируемых климатических условий, где ко-
лебания температуры и влажности воздуха и воздействие песка
и пыли существенно меньше, чем на открытом воздухе, например
в металлических с теплоизоляцией, каменных, бетонных, дере-
вянных помещениях (существенное уменьшение воздействия
солнечной радиации, ветра, атмосферных осадков, отсутствие
росы)
Для работы в помещениях с искусственно регулируемыми кли- 4
магическими условиями, например в закрытых отапливаемых
и вентилируемых производственных и других помещениях (от-
сутствие прямого воздействия солнечной радиации и отсутствие
воздействия атмосферных осадков, ветра, а также воздействия
песка и пыли наружного воздуха), в том числе:
в помещениях с кондиционированным или частично конди- 4-1
ционированным воздухом
в помещениях лабораторных, капитальных жилых и других 4.2
подобного типа
Для работы в помещениях с повышенной влажностью (напри- 5
мер, в неотапливаемых подземных помещениях, в том числе
шахтах, подвалах), в таких судовых, корабельных и других по-
мещениях, в которых возможно длительное наличие воды или
частая конденсация влаги на стенах и потолке, в частности в не-
которых цехах текстильных, 1идрометаллургических производств
и т.п.
Акустические и радиопомехи создаются ОП с разрядными лампами.
Радиопомехи распространяются в виде электромагнитных излучений
(эфирные помехи) и по проводам питания (сетевые радиопомехи).
Радиопомехи первого вида, излучаемые ЛЛ, невелики (сказываются на
расстоянии не более 1,5 м) и эффективно снижаются с помощью мини-
атюрного конденсатора, подключенного параллельно лампе. Обычно
этот конденсатор располагается в корпусе стартера. Радиопомехи, рас-
пространяющиеся по питающей сети, могут значительно превышать рег-
ламентируемые ’’Общесоюзными нормами допускаемых индустриаль-
но
Таблица 4.5. Климатическое исполнение изделий [65]
Исполнение изделий
Обозначение
исполнения
Изделия, предназначенные для эксплуатации на суше, ре-
ках, озерах в макроклиматических районах:
с умеренным климатом У
с холодным климатом ХЛ
с влажным тропическим климатом ТВ
с сухим тропическим климатом ТС
как с сухим, так и с влажным тропическим климатом Т
любых на суше (обшеклиматическое исполнение) О
Примечание. Существуют также исполнения изделий, предназначенных для
установки на морских судах (М - для макроклимата районов с умеренно-холод-
ным климатом, ТМ - тропическим, ОМ - для неограниченного района плавления),
а также для всех макроклиматических районов на суше и на море (В).
ных радиопомех”. Наиболее высокие значения уровня радиопомех
(80-90 дБ) имеют место в диапазоне длинных и средних волн. Поэто-
му в ОП применяются специальные помехоподавляющие конденсатор-
ные фильтры, снижающие напряжение радиопомех до нормируемых
значений.
Акустические помехи - шумовой фон - создаются ОП с разрядными
лампами, работающими с электромагнитным ПРА. Вибрация ПР А может
быть усилена неудачным конструкторским решением ОП или дефекта-
ми его изготовления и монтажа. Выпускаемые ПРА делятся по создава-
емой звуковой мощности на ПРА с нормальным (класса П), понижен-
ным (ПП) и особо низким уровнем шума. В ОП, предназначенных для
применения в быту и лечебно-оздоровительных помещениях, следует
применять ПРА только двух последних групп.
43. Номенклатура и основные параметры ОП
В зависимости от назначения (вида технологического процесса), спо-
соба применения, условий эксплуатации каждый облучатель имеет свою
конструктивно-светотехническую схему и рассчитан на применение с
определенным типом источника излучения. В связи с этим целесообраз-
но говорить о параметрическом ряде облучателей, который выстраива-
ется, как правило, по типу и мощности источников излучения.
Такой ряд в настоящее время можно представить следующим об-
разом:
Для высших растений
ЛН....................................... 500,1000 Вт
ДРЛ(Ф)................................... 125,400,2000 Вт
ЛЛ (типа ЛФ или ЛФР)..................... 40,150 Вт
ПО
МГЛ (в том числе в беэртутном варианте) 400, 1000,2000, 3500 Вт
ДНаТ (в том числе в беэртутном варианте). . . 400,1000 Вт
Для облучения животных и человека
ЛН........................................ 60(54),93(100), 150, 200,250,
300, 1000 Вт
ЛЛ........................................ 8,9,11,24, 30,40(36),
65(58) Вт
ДРИ....................................... 50,80, 125 Вт
МГЛ (в том числе в беэртутном варианте) 50,125,175 Вт
ДНаТ (в том числе в беэртутном варианте) 70, 100 Вт
Для фотофизических и фотохимических процессов
ЛН........................................ 250, 500, 1500, 2000, 5000 Вт
МГЛ (в том числе в беэртутном варианте) .... 250, 400, 1000, 2000, 3000,
10 000, 20 000 Вт
ДРТ....................................... 400, 1000, 2000, 4000, 6000,
12 000 Вт .
Разработка облучателя является многофакторной задачей, в процес-
се которой необходимо найти оптимальное сочетание типа и мощности
ИИ, оптической системы и конструкции. Эта задача решается методом
последовательных приближений. Апробацию вариантов проводят на ос-
новании оценки структуры поля излучения ОСУ и технико-экономичес-
кого расчета.
В соответствии со структурной схемой (рис. 4.5) разработка облуча-
теля начинается с изучения свойств объекта облучения - спектральной
чувствительности, пространственной конфигурации (архитектоники) и
функции ценности, которая в общем случае представляет собой угло-
вую индикатрису поглощения (отражения) потока излучения [66].
Две последние характеристики объекта определяют пространственную
структуру поля излучения ОСУ, которая в свою очередь определяет фо-
тометрическое тело облучателя и форму отражающего устройства.
Вместе с тем формы фотометрического тела и отражателя зависят от гео-
метрической формы источника ОИ, его яркостной характеристики, а
амплитудно-спектральная характеристика ИИ выбирается по спектраль-
ной чувствительности объекта облучения. Пространственная структура
поля излучения ОСУ, определяемая как суммарное поле облучателей,
является результатом расчета и разработки облучателя. Количество об-
лучателей и их единичная мощность служат для оценки затрат на созда-
ние поля излучения, а также определения экономической целесообраз-
ности этих затрат.
Оптические системы ОП, к которым в общем случае относятся отра-
жатели, прбломлятели, рассеиватели, защитные стекла, светофильтры и
т д., играют основную роль в перераспределении (преобразовании) из-
лучения.
В основном в зеркальных отражателях используются оптические
свойства параболических, эллиптических, гиперболических, цилиндри-
ческих и плоских зеркальных поверхностей, а также поверхностей, сос-
111
Рис. 4.5. Структурная схема разработки облучателя
тавленных из их частей. Примеры различных отражающих поверхностей
приведены на рис. 4.6.
Широко распространены ОП с оптическими системами, базирующи-
мися на использовании совокупности плоских зеркал, образующих плас-
тинчатые (фацетные) отражатели. Наиболее известны параболоидные и
параболоцилиндрические пластинчатые отражатели, в отдельных случаях
применяются пластинчатые эллипсоидные отражатели (рис. 4.7).
Большие конструктивно-светотехнические возможности оптических
систем с плоскими отражателями в настоящее время стали использовать-
ся в системах с протяженной оптикой [67]. В этих системах протяжен-
ные плоские отражающие системы могут быть установлены не по тради-
ционным, хорошо известным кривым (например, парабола, параболо-
ид и т.п.), а по сложным кривым второго порядка.
Если для зеркальных оптических систем прожекторного и проектор-
ного типа зависимость между направлениями падающих на отражатель и
отраженных лучей света известна, то для облучателей зависимость между
углами падающих и отраженных лучей, определяющая форму зеркаль-
ной поверхности отражателя, первоначально не известна. Она находится в
процессе расчета отражателя и может быть различной в зависимости от
требуемой КСИ, характеристик источника излучения и функции ценно-
сти объекта облучения.
112
Рис. 4.6. Виды отражающих систем:
а - профиль цилиндрического отражателя с "переломом” над источником из-
лучения; б — комбинированная система отражающего устройства
Рис. 4.7. Фацетные отражатели
на параболоидном основании:
а - по касательным; б -
по хордам
Известны четыре принципиальные схемы (А-Г) хода падающих и от-
раженных лучей для непрерывных, плавно изменяющих кривизну, зер-
кально отраженных поверхностей (рис. 4.8) [59].
Зеркальные отражатели ОП изготовляются методом штамповки,
механического или ручного выдавливания из тонколистовой стали или
алюминия, из листового силикатного стекла методом моллирования,
из светотехнической пластмассы путем ее литья под давлением в пресс-
формах, а также из жесткой или мягкой пластмассовой пленки, которой
придается требуемая форма, или из металлической пружинящей фольги
(метод свертки). При этом зеркально отражающий слой создается либо
электрохимическим способом в ваннах, либо распылением материалов
с высоким коэффициентом отражения в вакууме (прежде всего хими-
чески чистого алюминия), либо восстановлением серебра из растворов,
либо путем использования специальных лакированных листовых мате-
риалов, одним из слоев которых является слой химически чистого по-
лированного алюминия.
113
Схема А Схема 6
Рис. 4.8. Схема хода лучей;
а - падающих и зеркально отраженных; б - комбинированная; в - с волно-
образным профилем отражателя
Перспективным является способ получения многослойных интер-
ференционных покрытий с одновременно высоким коэффициентом
отражения излучения, например в видимой области спектра (до
95 %), и большим коэффициентом пропускания ИК-излучения (до
80%). Использование таких покрытий на стеклянных отражателях поз-
воляет получить ОП с ’’холодным” пучком благодаря тому, что значи-
тельная часть теплового излучения источника пропускается отражателем
и в сформированный пучок не попадает. В ряде случаев интерференцион-
114
ное покрытие наносится на внутреннюю сторону выходного купола кол-
бы источников излучения.
Основными элементами преломляющих оптических систем ОП явля-
ются линзы и призмы. Как известно, выпуклые и вогнутые линзы соз-
дают действительное или мнимое, прямое или перевернутое изображение
объекта - в нашем случае светящего тела источника излучения.
Комбинированные оптические системы содержат оптические элемен-
ты отражающих и преломляющих систем, а также элементы, в которых
наряду с преломлением излучения используется эффект его полного
внутреннего отражения. К комбинированным может быть отнесена и оп-
тическая система полых световодов [6, 58].
Оптические системы облучателей, перераспределяющие поток излу-
чения источников без значительной концентрации, могут быть разделены
на диффузные, направленно-рассеивающие и активные (под последними
имеются в виду оптические системы облучателей с преломляющими и
диспергирующими поток излучения элементами).
Диффузные и направленно-рассеивающие облучатели имеют одни и
те же принципиальные схемы и отличаются оптическими характеристика-
ми применяемых материалов. Все отражатели облучателей этой групцы
условно можно представить так, как показано на рис. 45. При этом не-
обходимо отметить, что изображенные на этом рисунке части облуча-
телей могут одновременно выполнять функции как отражающих, так и
пропускающих элементов.
115
Нередко оптическая система является неотъемлемой частью источника
излучения, который представляет собой так называемую рефлекторную
лампу или лампу-облучатель. Рефлектор лампы напыляется на внутрен-
нюю поверхность колбы и может быть как диффузным, так и зеркаль-
ным. Купол колбы лампы иногда делают в виде линзы или призматичес-
кого рассеивателя.
Реальные параметры, характеризующие оптическую систему, опреде-
ляются в процессе оптических и светотехнических расчетов. Этой пробле-
ме посвящен целый ряд специальных работ Н.Н. Ермолинского,
Н.Г. Болдырева, Ф. Бенфорда, Н.А. Карякина и др.
Для большинства видов приборов применяются традиционные методы
расчета, а для оригинальных отражающих систем появляются частные
методы.
Не останавливаясь на анализе классических принципов расчета ОП,
отметим, что современное состояние науки и техники позволило привне-
сти в них методы математического моделирования и создание библиоте-
ки готовых программ для ЭВМ. В этой связи интерес представляют ра-
боты О.К. Куща [68].
Практически во всех этих работах конечные результаты расчета — это
кривые силы излучения (света) и координаты профиля оптического
устройства. Для облучателя как прибора ближнего действия необходи-
мо найти распределение потока излучения на поверхности объекта облу-
чения и качественные характеристики излучения поля. С этой точки зре-
ния можно рекомендовать универсальный метод расчета — метод ’’об-
ратного луча” [68].
Учитывая, что изложение основ светотехнических методов расчета ОП
представляет собой специальную тему, ограничимся сделанной выше их
краткой характеристикой и дальнейшее изложение посвятим описанию
основной номенклатуры ОП, нашедшей применение в конкретных об-
ластях науки, техники и производства.
Из большого числа фотофизических процессов, описанных выше, мас-
совое применение нашли процессы тепловой сушки, нагрева (включая
плавку и сварку), а также все виды тепловых испытаний, включая ими-
тацию солнечного излучения. Весьма часто ОП является частью техноло-
гического прибора (например, печи) и его трудно выделить из всей сис-
темы.
В некоторых случаях это выделение делается, и тогда такой прибор
является предметом продажи и поставки его потребителю. В этом па-
раграфе мы выделяем именно эту группу ОП, отсылая читателя к пос-
ледующим главам в том случае, когда ОП непосредственно входит в
технологический прибор.
Достаточно большую группу тепловых ОП составляют лампы-светиль-
ники с телом накала, изготовленным из вольфрама. Характеристики
лампы даны в гл. 3, а распределение облученности под ней представлено
на рис. 4.10.
116
Рис. 4.10. Распределение облученности под ИК-лампами с зеркальным отражателем:
а - лампа ИКЗК215-225-250 с рубинизированным куполом; б - то же с мато-
вым куполом; в - зеркальная лампа с прозрачным куполом мощностью 375 Вт;
г - то же 250 Вт; высота над облучаемой поверхностью: 1 - Н =0,05 м; 2 -
0,10 м; 3 - 0,15 м; 4 - 0,2 м; 5 - 0,25 м; б - 0,3 м; 7-0,4 м; 8 - 0.5 м;
9 - 0,6 м
К облучателям подобного типа относится также ИК-излучатель на ос-
нове газовой горелки. Принцип работы этого излучателя представлен в
предыдущей главе [48].
Большая группа ОП, используемых для отопления, — электрокамины
инфракрасные - является разновидностью бытовых электронагреватель-
ных приборов. Прибор состоит из нагревательного элемента, служащего
117
Рис. 4.11. Электрокамины с сосредо-
точенным НЭ:
1 - отражатель; 2 - НЭ; 3 - за-
щитное ограждение; 4 - кожух; 5 -
соединительный шнур с вилкой; 6 —
опора
источником ОИ (в основном ИК), и зеркального или матированного от-
ражателя, формирующего необходимое распределение потока излучения
в пространстве.
В электрокаминах с температурой отражателя выше ПО °C необхо-
дим корпус, в верхней и нижней стенках которого располагаются венти-
ляционные отверстия для создания конвективного охлаждения отражате-
ля и прилегающих к его кромкам внутренних частей электрокамина
(например, монтажных проводов). Для изменения угла падения потока
излучения служит поворотная опора корпуса. Регулирование мощности
электрокаминов может быть либо ступенчатым, либо непрерывным.
Одной из специфических характеристик электрокамина как ОП яв-
ляется регламентация радиационного КПД, те. отношение потока излу-
чения прибора, падающего на стандартный объект, к потребляемой мощ-
ности. В качестве стандартного объекта используется квадратный щит
размером 1x1 м2, по которому равномерно расположены термопары;
электрокамин устанавливается на расстоянии 1 м от щита. На рис. 4.11
представлен камин с сосредоточенным и нагревательным элементом,
а в табл. 4.6 — технические данные.
В связи с интенсивным развитием особой сферы применения облуча-
тельной техники — имитации солнечного излучения - разработана группа
ксеноновых ламп-облучателей [69]. На рис. 4.12 схематически показа-
на дуговая ксеноновая металлическая лампа-облучатель мощностью
55 кВт. Лампа разработана с водяным охлаждением всех узлов, корпус
металлический. Его внутренняя поверхность представляет собой зерка-
лизованный эллипсоид вращения, в одном из фокусов которого распо-
ложена дуга длиной несколько сантиметров. Практически все излучение
дуги выводится из лампы через кварцевое стекло купольной формы.
Поток излучения лампы составляет 30—35% подводимой мощности.
Расход воды на охлаждение корпуса и анода - около 40 л/мин, катода -
10 л/мин. Для охлаждения выходного окна используется специальная
замкнутая система с дистиллированной водой.
Облучательные приборы для фотохимических устайовок в большин-
стве случаев непосредственно встраиваются в установки (приборы) и
являются их неотъемлемой частью.
118
Таблица 4.6. Технические данные отечественных электрокаминов
н электрообогревателей
Модель Мощ- Ис- ность, пол- Габаритные Число размеры (дли- ступе- на х высота х ней на- х глубина), мм грева Масса, кг Прочие данные
кВт некие
КОФЮЗ/1 04 н 260x345x230 1 0,9-1 Л 3 Спираль на кера- мическом стака- не. Круглый от- ражатель на шар- нирной опоре
"Уют" 1,25 п 685x720x253 2 14,2 Имитация горя- щих углей, пла- мени и дыма. Спи- раль в кварцевой трубке, общий отражатель
"Тулуке” 1.25 п 810x560x240 2 16 То же (кроме ими- тации дыма)
’’Уголек” 1Д5 п 460x450x210 2 5,3 Имитация горящих углей и пламени. Нагреватель - ок- сидированная про- волока на корди- еритовом стержне
’’Кварц” 1 п 470x440 x 300 1 4,0 Спираль в полупро- зрачной кварцевой трубке. Поворотная опора
КЭ-2 1 п 362x216x168 1 136 Проволока на вин- товом керамичес- ком стержне. По- воротная опора
"Багдад” 1 п 510 x 345x170 2 4,0 Спираль в кварце- вой трубке
КЗБ-1/1 1 п 451x210x90 1 33 ТЭН. Два положе- ния корпуса - го- ризонтальное и вертикальное
"Кварц” 1 с 913x95x86 1 3,0 Спираль в квар- цевой трубке. По- воротный отража- тель
"Буковина” 1 Н.П 400x226x175 1 1,33 То же с поворот- ной опорой кор- пуса
КОБ-1/2 1 Н 460x120x60 1 14 Спираль в квар- цевой трубке
119
Рис. 4.12. Конструкция ксеноновой лампы-облучателя ДКсРМ55ООО:
1 - водоохлаждаемый анод; 2 — металлический зеркализованный корпус;
3 — подвижной катод; 4 — водоохлаждаемое купольное кварцевое окно
120
Рис. 4.13. Облучатели погружного типа для объемных фотохимических процессов:
а - облучатель для препаративной фотохимии разборного типа; б - промыш-
ленный облучатель разборного типа; в, г - промышленные облучатели запаянно-
го типа; д - ртутно-кварцевая горелка
Особую группу ламп (облучателей) составляют лампы погружного
типа, предназначенные для объемных, фотохимических процессов [6,8,
[55] в жидкой или газовой среде (рис. 4.13).
В облучателе разборного типа (рис. 4.13,в, б) разрядная горелка яв-
ляется съемной и закрепляется во внешней защитной колбе (кварц,
термостойкое стекло) на специальном держателе, гарантирующем необ-
ходимое расстояние между горелкой и стенкой лампы. Держатель, как
правило, одновременно служит для токоподвода и подачи инертного га-
за для охлаждения и защиты объема облучателя от проникновения взры-
воопасных и химически активных веществ. Облучатель монтируется в
реакторе с помощью прокладки, обеспечивающией жидкостную и газо-
вую герметичность.
В облучателе неразборного типа (рис.4.13,в, г) разрядная горелка за-
паивается во внешней защитной колбе из термостойкого стекла. Внеш-
няя колба облучателя наполняется инертным газом (азотом) и армиру-
ется цоколем. Характеристики ламп-облучателей погружного типа пред-
ставлены в табл. 3.12.
Для фотохимических установок с наружным (поверхностным) об-
лучением используются облучатели, обеспечивающие заданное распреде-
ление облученности на поверхности. Схемы распределения облученности
на облучаемой поверхности определяются типом фотохимического про-
цесса и подробно изложены в § 52. Примером облучателя, концентри-
рующего излучение источника, является серия облучателей для УФ-суш-
ки лакокрасочных покрытий в мебельной, радиотехнической, полигра-
фической и других отраслях промышленности, а также для фотоотверж-
дения сеткографических эмалей в производстве печатных плат. В настоя-
щее время в СССР освоен выпуск двух типоразмеров подобных облу-
чателей: РВПО1-6000-002 УХЛ4 и РВП02-12000002 УХЛ4 [69].
В модифицированном облучателе РВПО 1-6000-003 УХЛ, предназначен-
ном для УФ-отверждения покрытий на неплоских основаниях, предус-
мотрено приспособление, препятствующее выпадению и перемещению
лампы при любой ориентации плоскости светового отверстия облуча-
теля. Продольная ось светящего тела лампы совпадает с одной из софо-
кусных линий цилиндрического эллипсоида, и поверхность объекта об-
лучения совмещается со вторым фокусом эллипсоида. В комплект об-
лучателей входит лампа ДРТ6000-1 или ДРТ12000-1. Схема включения об-
лучателя РВП02-12000-002 УХЛ4 представлена на рис. 3.7,г, параметры
облучателей приведены в табл. 4.7, а внешний вид облучателя РВП02-
12000-002 УХЛ4 — на рис. 4.14^
Первые облучатели для рассады представляли собой сочленение газо-
разрядной рефлекторной лампы с пускорегулирующим аппаратом
(рис. 4.15). Такой облучатель, обладая диффузной кривой силы излуче-
ния, обеспечивал равномерное облучение рассады.
Иногда для защиты лампы от капель конструкция такого облучателя
дополняется козырьком, а если учесть, что до 30% потока излучения
рефлекторных ламп уходит в верхнюю полусферу и не попадает на рас-
саду, целесообразно козырек делать в виде отражателя с углом охвата
не более 180°. В облучателе ОТ1000-МИ-049 изменен профиль рефлек-
тора лампы, а дроссель сделан автономным.
Новое поколение облучателей ОГС01 ’’Фотос” с МГЛ типа ДРИ мощ-
ностью 1000—3500 Вт (рис. 4.16,а) имеет специально рассчитанную для
тепличной технологии и архитектоники плодоносящих растений опти-
ческую систему. Конструкция отражателя комбинированная (рис. 4.6,6),
она обеспечивает щадящий тепловой режим горизонтально расположен-
ных ламп благодаря конвективной циркуляции воздуха. Токоведущие
части облучателя защищены от пыли и влаги. Профиль отражателя спе-
циальный [66]. Проверка оптимальности полученного варианта прово-
122
Таблица 4.7. Облучатели для УФ-отверждения
Параметр РВП01-6000-002 УХЛ4 (РВФх01-6000Ч)02-УФ) РВП02-12000-002 УХЛ4 (РВФх02-12ООО-ОО2-УФ)
Габаритная длина, мм 810 1530
Длина отражателя, мм 740 1230
Установочный размер, мм 780 1500
КПД, % 70 70
Расход воздуха на один облу- 300 800
нательный прибор в устано- вившемся режиме, м2/ч* Коэффициент сопротивления 4 4
воздуха Масса, кг, не более 4,4 8
•Расход воздуха должен соответствовать температурам Колбы (600-800 °C),
открытой поверхности ножек лампы (не более 300 °C) и для лампы типа
ДРТ12000-1 - температуре поверхности изоляции присоединительных проводов
(не более 200 °C).
Рис. 4.14. Облучатель РВП02-12000-002 УХЛ4
123
Рис. 4.15. Облучатели для растениеводства защищенного грунта с рефлекторными
лампами:
а - ОТ400МИ; б - ОТЮООМИ
Рис. 4.16. Облучатель для селскциинпых теплиц:
а - ОГС01-2000 "Фотос-4” с лампой ДРИ2000-6; б - кривая силы излучения в
главной поперечной плоскости облучателя ОГС01-2000: 1 - основная; 2 - с до-
полнительным отражателем; 3 - суммарная
дилась по схеме на рис. 4.5. Кривая силы излучения всего отражателя и
его элементов приведена на рис. 4.16,6. Отражающая система, выполнен-
ная согласно рис. 4.6,а, применена в облучателе с лампой ДРОТ2000,
характер КСИ этого облучателя диффузный.
В некоторых случаях в теплицах можно применять облучатели с круг-
лосимметричными зеркальными отражателями. Кривая силы излучения
124
Рис. 4.17. Облучатель с отражателем круглосимметрич-
ного типа РСП26-125-001 для домашних оранжерей и
теплиц
облучателя ГСП26-1000-001 диффузная, но та-
кие ОП оказывают большое затеняющее дейст-
вие естественного света в остекленных веге-
тационных климатических сооружениях, их
можно рекомендовать в основном для низ-
корослых культур (рассады). Облучатели
ГСП26-1000-002 с отражателем цилиндрическо-
го типа свободны от этого недостатка и пред-
почтительны для светокультуры растений в
ВКС.
Для небольших уровней облучения (досветка рассады) применяются
облучатели с оптической схемой по рис. 4.6,6, но при этом в облучателе
установлена лампа типа ДНаТ400. Конструкция такого облучателя типа
ЖСП18-400 аналогична конструкции облучателей ’’Фотос”, но пускорегу-
лирующий аппарат при этом сочленен с отражателем.
Для облучения растений в небольших теплицах, домашних оранже-
реях и комнатных цветов предлагают облучатели малой мощности
РСП26 с лампами ДРЛ125 и ЖСП26 с лампами типа ДНаТЮО (рис. 4.17).
Пускорегулирующий аппарат этого облучателя встроен в цили"дричес-
кий корпус, к которому крепятся патрон лампы и отражатель с двумя
световыми отверстиями — нижним и верхним. В верхнюю полусферу
выходит небольшая часть потока ИИ, которая выполняет декоративную
функцию подсветки растений. Полная номенклатура облучателей для
растениеводства приведена в табл. 4.8.
С появлением протяженных многоламповых ОП начался новый этап
фотофикации растениеводства защищенного грунта. Эти приборы сос-
тоят из нескольких десятков арматур, необходимых для механического
крепления и электрической коммутации ИИ и протяженных (до 40 м)
зеркальных пленочных полотен [67, 70]. Системы получили название
”Светотрон”. Зеркальные полотна натягиваются между торцами теплиц,
вдоль конька, перекрывая шатер теплицы с помощью специальных пово-
ротных узлов. Поворотные узлы установлены на специальную трапеци-
евидную раму и соединены между собой блочно-троссовой системой,
позволяющей разворачивать полотна. Ориентируя полотна под различ-
ными углами по отношению к ИИ, можно изменять геометрию попереч-
ного сечения зеркального многоэлементного протяженного отражателя
(рис. 4.18,а), тем самым изменяя распределение потока излучения в
пространстве ВКС. Источники излучения размещаются в одну или нес-
колько линий внутри зеркального отражателя.
125
Таблица 4.8. Номенклатура и технические данные тепличных облучателей и об
Условное обозначение
Источник излучения
по существующей нор- мативно-технической документации предлагаемое по рис; 4.3 Тип лампы Количество, мощ- ность, Вт
ОТ400МИ (Е)2-О45 (046)-У5 РСФб01х400-04ВС ДР Л Ф 400 1 х 400
ОТ1000 МИ-049-У5 РСФ601Х1000-01ВС ДРФ1000 1 х1000
ОГС01-2000-002-УХЛ ("Фо- ГСФ601x2000-01 ВС ДРИ 2000-6 1 х 2000
то с-4") ЖСП18-400-001-У ХЛ4 ЖСФб18x400-01 ВС ДНаТ 400 1 х 400
ССПО3-750-001-УХ Л4 ГСФ601Х750-01ВС ДРВ 750 1 х75О
ОТ2000 ГСФбО2х2ООО-О1ВС ДРОТ 2000 1 х 2000
ГСП26-400-001-УХЛ4 ГСФ626Х400-01ВС ДРИ 400-5 1 х400
ГСП26-1000-001-У ХЛ4 ГСФ626Х1000-01ВС ДРИ 1000-5 1 х400
РСП26-125-ОО1-У5 РСФбх 125-01 ВС ДР Л 125 1 Х125
ЖСП26-1ОО-ОО1-У5 ЖСФ6Х100-01ВС ДНаТ 100 1 х 100
У ОРТУ-2-3000 - ДМ4-3000 1 х 3000
Комплексы облучательные протяженные универсальной серии "Света
КОП2х 36x1000-004 ГСФ6004Х1000 ДРИ 1000-5 36x1000
КОП2 х 36 х 2000-005 ГСФб005х 2000 ДРИ 2000-6 36 x 2000
КОП2х 36x700-008 ГСФ6008х700 ДРИ 700-5 36x700
КОП2 хЗбх 3500-0011 ГСФ60011x3500 ДРИ 3500-6 36 х 3500
КОП2х72x400-009 ГСФб009 х400 ДРИ 400-5 72 х 400
КОП2х 72x400-010 ЖСФб010х400 ДНаТ 400 72 х 400
* Масса облучателя с пускорегулирующим аппаратом.
* * Числитель - освещенность, к лк; знаменатель - облученность в области ФАР,
Вт/м2
***Масса указана без ламп.
Необходимо отметить, что зеркальный отражатель выполняет функ-
ции теплового экрана для сохранения тепла в теплице в зимнее время
либо для исключения превышения температуры в летнее время. Разво-
рот отражателей под обратным углом (рис. 4.18,6) позволяет концент-
рировать энергию излучения на стеклянном шатре теплицы и в зимнее
время производить экстренное оттаивание снежного покрова, исключая
тем самым разрушение остекления.
Облучательные приборы типа ’’Светотрон” обладают пониженной ме-
таллоемкостью, достаточно высоким коэффициентом использования по-
тока излучения, малыми трудоемкостью изготовления и уровнем эксп-
луатационных расходов (см. табл. 45).
126
лучательных комплексов [71]
Светотехнические характеристики Конструкционно-эксплуатационные
параметры
Тип КСИ Коэффициент использования потока излуче- ния, % КПД Конструктив- Масса об- но-светотех- л уча тел я, ническая схема (СНИП II-4-78) Степень кг защиты от окружа- ющей сре- ды
Специальная 65 80 V1IA 1,9* 5’4
То же 65 80 V11A 14* 5’1
»» 75 75 IA 4 5’1
»• 75 75 IA 11 IP23
д-1 60 85 V11A 4 5’1
д 70 70 IA 8 1Р20
д 70 70 IA 2,8 5’1
д 80 70 IA 3,5 5'1
Специальная 70 70 ПА 1? 5’1
»» 70 70 ПА 1,7* 5’1
д 70 70 IA — —
трон " для облучения площади 6,4 х 36 - 230,4 м2
7/25** 80 80 1А 2*** 5’1
14/50** 80 80 IA 5’1
4,5/16** 80 80 IA 2*** 5’1
24,5/88** 80 80 1А 2*** 5’1
4,9/17,5** 80 80 1А 5’1
6,5/21.5** 80 80 IA 2*** 5’1
Облучатели светофизиологического воздействия на животных и пти-
цу при их безвыгульном содержании по своим конструктивно-светотех-
ническим решениям весьма схожи со светотехническими приборами,
служащими для местного освещения. С учетом того, что условия эксп-
луатации ОП для животных являются крайне тяжелыми, их оболочки
имеют повышенную степень защиты.
Оптические системы редко бывают чисто зеркальными, однако зер-
кальные рефлекторные лампы типа ИКЗК или ЛБР40 рекомендуются
к повсеместному применению.
Типичным в серии инфракрасных облучателей, служащих для локаль-
ного лучистого обогрева зоны обитания молодняка животных, является
127 . ,
6
Рис. 4.18. Ориентация протяженных отражателей типа КОП02 "Светотрон”:
а - для облучения растений; б - для оттаивания снега на шатре теплицы; 1 -
пленочный отражатель; 2 — лампа; 3 — узел поворота; 4 — привод поворота;
5 — растительные посевы; 6 - каркас теплицы
облучатель ССПО-250 (рис. 4.19). Оболочка (корпус) облучателя, в ко-
торой располагается керамический электропатрон под цоколь Е27 лам-
пы ИКЗК215-225-250, уплотнена, колба лампы защищена колпаком.
Между корпусом и колпаком сделан воздушный зазор для конвективно-
го охлаждения достаточно мощного и теплонагруженного ИИ. Снизу
лампа защищена сеткой. Узел крепления обеспечивает возможность
подвеса облучателя на крюк, трос и трубу. Некоторые вариации конст-
руктивного исполнения облучателей с этим же ИИ несущественны.
УФ-облучатели, применяемые в животноводстве, как правило, кон-
струируются с трубчатыми разрядными лампами низкого давления. Это
определяет их конструктивное исполнение и в некоторой степени даже
ограничивает вариации оптических схем. Для трубчатых ламп применя-
ются отражатели цилиндрического типа, изготовляемые из объярченного
алюминия.
Облучатель эритемный типа ЭО1 состоит из несущего корпуса, в ко-
тором помещен пускорегулирующий аппарат, вводного уплотненного
устройства для сетевого провода и отражателя, имеющего в поперечном
128
Рис. 4.19. Облучатель инфракрасный ССПО5-25О
сечении трапециевидную форму. Облучатель
можно вешать на крюк или трос. Для сохра-
нения длительной работоспособности конст-
рукции в тяжелых условиях окружающей
среды полость корпуса и патрон лампы уплот-
нены резиновыми прокладками.
Практически аналогичную конструкцию
имеют бактерицидные облучатели типа
ОБУСИхЗО, существенно отличается лишь его
оптическая схема. Отверстие отражателя для
выхода потока излучения обращено в верх-
нюю полусферу, так как попадание прямого
потока излучения на животных и человека
крайне нежелательно.
Установка облучателя осуществляется на опорную вертикальную по-
верхность (стену). Облучатели типов ЭСПО1-ЗО и ББП01-30 являются
вторым поколением упомянутых выше эритемных и бактерицидных об-
лучателей, они отличаются усовершенствованной оптической схемой,
что позволило увеличить КПД и снизить металлоемкость изделия.
Особую группу облучателей представляют комбинированные прибо-
ры, в которых устанавливаются источники с разным спектральным сос-
тавом излучения, например облучатель типа ОЭСП02, в котором приме-
нена комбинация эритемных (ЛЭР40) и осветительных (ЛБР40) ламп.
Назначение такого облучателя — одновременное профилактическое
УФ-облучение и физиологическое освещение животных. Конструктивные
элементы этого облучателя практически полностью унифицированы с
элементами облучателя типа Э01-30, но отражателя нет,его роль выпол-
няют внутренние рефлекторы ламп, а сами лампы снизу перекрыты ре-
шеткой, которая образует защитный угол облучателя в нижней полусфе-
ре и ограничивает воздействие УФ-излучения на глаза человека. Облуча-
тель можно вешать на крюк и трос, возможна установка облучателей в
непрерывную линию.
УФ-облучение часто комбинируют с ИК-обогревом. В этом случае в
арматуре облучателя устанавливаются ИК-лампы типа ИКЗК215-225-250
и УФ-лампы типа ЛЭ15, как, например, в облучателе типа ИКУФ-1, в
котором на основании установлены ИК-лампы с внутренним зеркаль-
ным рефлектором, а между ними — лампа типа ЛЭ 15 с цилиндрическим
отражателем. Основание с лампами ограничено защитной сеткой, облу-
чатель подвешивается на крюк и используется для облучения мелких жи-
вотных и птицы при напольном или клеточном содержании.
Аналогичное назначение имеет облучатель ”Луч-2И”. Его конструкция
отличается от конструкции облучателя типа ИКУФ-1 взаимным располо-
129
Таблица 4.9. Номенклатура и технические данные облучателей для животновод
Условное обозначение
Источник
по нормативно-техничес-
кой документации
по рис. 4.3
Тип ламп
УФ-облу-
ЭО-1 х зом ЛСФ601 х 30-01 УФВ ЛЭЗО
ЭНП01-30-001 ЛСФ601 х 30-02 УФВ ЛЭЗО
ОБУ-1 X зом РПФ601 х 30-01 УФС ДБ 30
ББП01-30-001 РПФ601 х 30-02 УФС ДБ 30
ОЭСП02-2 х 40 ЛПФ6О2-2 х 40-01 УФВ ЛЭР40
ЭСП01-40(2 х 40)-002 ЛПФ601-40(1 х 40) ВС УФВ ЛЭР40
ОРК-2 РПФ602-400-УФС ДРТ400 ИК-обо-
ССП05-250 НСФ605 х 250-01 ИК-В ИКЗК215-225-250
ОРИ-1 НСФ601 х 250-01 ИК-В ИКЗК215-225-250
ОРИ-5 НСФ601 х 500-01 ИК-В ИКЗК215-225-500
ИСХ01-1000 "Латвико" НСФ601 х 1000-01 ИК-В КГИ1000 Облучатели
ИКУФ-1 Л(Н)СФб01-15 (2 x 250)- 01 УФА, ИК-В ИКЗК215-225-250 ЛЭ 15
"Луч-2И” Л(Н)СФ6ОЫ5 (2 x250)- 01 УФА, ИК-В ИКЗК215-225-250 ЛЭ15
жением ИИ. Оба облучателя поставляются и эксплуатируются только в
комплекте с системой управления, позволяющей дозировать УФ-поток
при непрерывном ИК-облучении. Роль управляющего элемента выполня-
ет электромеханическое реле времени типа 2РВМ.
Номенклатура облучателей для животноводческих помещений и их
технические данные приведены в табл. 45 [71].
Облучатели-сигнализаторы, использующие эффект фотоиндуцирова-
ния направленного движения биологических объектов (насекомых,
рыб), нашли применение в сельском хозяйстве и рыбном промысле. Для
насекомых устройство такого рода обычно содержит источник, излуча-
ющий в диапазоне длин волн 334,1-404,7 нм с Xwex = 365,4 нм. Для
жесткокрылых насекомых этот диапазон смещается в видимую область
спектра 470-510 нм, а для вредителей садов и огородов этот диапазон
составляет 580-620 нм [72], причем последний диапазон достаточно
универсален для различных видов насекомых. Кроме источника в облу-
чатель встраиваются высоковольтный инсектор, камера для сбора насе-
130
ства и птицеводства [71]
излучения Светотехнические характерис- тики Конструкционно-эксплуатационные параметры
Количество, Тип КСИ шт. мощность, Вт Коэффи- циент ис- пол ьзова* ния потока, % кпд, % Конструк- Масса об- тивно-свето- лучателя, техническая кг схема (СНИП П-4-78) Степень за- шиты от ок- ружающей среды
чение
1 х 30 — 95 70 1Б 6 IP50
1 хЗО — 95 75 1Б 3,5 5’3
1 х 30 — 95 75 — 5,5 IP50
1 х 30 — 95 75 — 3 5’3
2 х40 д 80 70 vnr . 7,8 IP53
2 х40 д 80 95 vnr 6 IP54
1 х400 д 80 65 IA 1 IP20
грев
1 х 250 к 95 95 IA 1,2 IP54
1 х 250 к 95 95 IA 1,5 IP11
1 х 500 к 95 95 IA 1,7 IP11
1 х1000 Д комби нированные — т* IA 6 IP20
2 х 250 — — 95 V11A 10 IP20
1 х 15 — — 95 1Б 10 IP20
2 х 250 — — 95 IIVA 9 IP20
1 х 15 — — 65 1Б 9 IP20
Рис. 4.20. Облучатель-сигнализатор
(светоловушка) для летающих насе-
комых ЛЛН-01 с лампой ЛБ4
131
комых и защитная сетка-решетка, обеспечивающая электробезопасность
(рис. 4.20). Конструкции облучателей-сигнализаторов для насекомых
(чаще их называют светоловушками) весьма разнообразны, а оптичес-
кая система обязательно должна моделировать рассеянное с небольшой
яркостью излучение достаточно больших размеров, чтобы имитировать
эффект открытого пространства [72].
Облучатели-сигнализаторы используют для промышленного отлова
рыбы. Излучение облучателя заставляет локализоваться косяк рыбы.
Облучатели-сигнализаторы работают с МГЛ мощностью 2,5 кВт, излуча-
ющей в сине-зеленой области спектра с \тах = 500 нм. Отражатель, как
правило, цилиндрический с изменяемой геометрией, позволяет изменять
пространственное распределение потока излучения. Световое отверстие
перекрывается регулируемыми шторками. Вся конструкция выполня-
ется из стойких к воздействию морского климата материалов, облада-
ющих высокой прочностью.
Глава пятая. ОБЛУЧАТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ
(ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ)
5.1. Выбор (нормирование) светотехнических параметров ОСУ
Как было уже указано, под облучательной светотехнической установ-
кой (ОСУ) понимают совокупность источников излучения и светотех-
нического оборудования (облучателей), предназначенных для генерации
и перераспределения ОИ в целях обеспечения целесообразной (полезной)
реакции приемника излучения.
В соответствии с классификацией ОСУ делятся на установки с
применением естественного облучения (например, современные тепли-
цы без применения искусственных источников света), установки с ис-
пользованием искусственных ИИ (например, большинство ОСУ, осно-
ванных на фотохимическом действии ОИ) и установки совмещенного
облучения (теплицы с досветкой, солярии с использованием двух видов
облучения и др.) . ОСУ с искусственными источниками излучения можно
классифицировать на ОСУ, в которых используются некогерентные ИИ
и когерентные, лазерные ИИ.
По типу приемников ОИ установки делятся на ОСУ физического дей-
ствия излучения (например, установки для нагрева, сушки с помощью
ОИ), установки фотохимического действия (например, фотолитографи-
ческие) и установки фотобиологического действия (облучение человека,
животных, растений, бактерицидные и др.) .
Реакция приемника ОИ в самом общем случае зависит от облучен-
ности приемника и распределения излучения в пространстве, по спектру
и во времени [731.
132
Для характеристики пространственного распределения потока из-
лучения можно использовать среднесферическую облученность (ОСУ с
равномерным распределением поля излучения), полусферическую об-
лученность (облучение со стороны одной полусферы пространства),
цилиндрическую облученность (преимущественное облучение с боковых
сторон) и плоскостное распределение потока излучения (облучение од-
ной плоскости приемника).
По характеру распределения потока излучения по спектру ОСУ сле-
дует делить на установки с монохроматическим (квазимонохромати-
ческим, однородным), многолинейчатым и непрерывным (сплошным)
распределением.
Наконец, по временному фактору ОСУ могут быть классифициро-
ваны на установки стационарного, периодического и импульсного (ква-
зистационарного) действия.
При разработке ОСУ, как и любого комплекса, зависящего от боль-
шого числа параметров, важно правильно выбрать критерий оптимиза-
ции. В одних случаях таковым может быть качество Долучаемых конеч-
ных продуктов - изделий (например, фотолитография) , в других - вре-
мя получения конечного эффекта (установки нагрева и сушки), в треть-
их — получение полезных эффектов и исключение вредных воздействий
(например, УФ-облучение живых организмов) и тл. Однако с точки зре-
ния разработчика ОСУ в подавляющем большинстве случаев важным яв-
ляется получение максимального эффекта (максимум производитель-
ности, минимум времени и др.) при минимальных затратах, т.е.
з = 3/N -* min, (5.1)
где 3 — затраты на производство продукта N; з — себестоимость фото-
продукта.
В зависимости от важности (доли) той или иной составляющей об-
щих затрат 3 глобальный минимум (5.1) может быть сведен к частным
минимумам:
зк = ZK/N -* min, (5.2)
где ZK — сумма капитальных затрат на создание облучательной уста-
новки* ;
з3 = Э/N min, (5.3)
где Э - стоимость электроэнергии, необходимой для производства N;
зп ~ 3n/W + min, (5.4)
где Зп - фонд заработной платы обслуживающего персонала ОСУ.
*В дальнейших рассуждениях, если это не оговорено отдельно, капитальные зат-
раты, не связанные с ОСУ, принимаются постоянными при варьировании S/T.
13?
Для нахождения параметров ОСУ, обеспечивающих глобальный или
частные минимумы в соответствии с (5.1) — (5.4), необходимо выра-
зить 3, ЪК., Э, Зп через указанные параметры.
Производительность ОСУ можно представить в любом случае в виде
N = Фп/Г, (5.5)
где Фп — полезно используемый поток излучения источников ОСУ;
/ — функция (функционал), связывающая производительность ОСУ в
единицу времени с Фп (см. § 2.1) ; t — время работы ОСУ.
Полезно используемый поток ИИ представляется в виде
фп =
(5-6)
где «1 — число ИИ в ОСУ; Рл — мощность ИИ; Th — КПД источника
излучения по полезному потоку; - КПД ОП; т)э - коэффициент ис-
пользования полезного потока приемником ОИ (в ОСУ) .
С учетом (5.5) и (5.6) себестоимость продукта (воздействия ОИ
ОСУ) по (5.1) может быть выражена в общем виде:
з
/Ч?1»ЬПЭ
#э.э
^л + япр
тлРл "эТн/л
*1Яп
(5.7)
ГОД л
1
— стоимость одной лампы;
где
ЯпР
Яэ.э — стоимость электроэнергии; Цп
— стоимость одного прибора (облучателя); Цп — фонд заработной
платы одного работающего при обслуживании одной лампы в год; тл -
срок службы лампы; тпр — срок службы прибора; тгод — число рабо-
чих часов в году; Рл — мощность лампы; п3 - число ламп в одном при-
боре; кх — число рабочих, обслуживающих одну лампу.
Соответственно выражения для нахождения частных минимумов по
(5 2) — (5.4) записываются так:
Зк
/П1Г?2Пэ
^л
Дпр
”зГпр^л
(5.8)
1
л л
^э.э
*1Яп
/г?1Ч2г?эТГ0ДРл ‘
(5.9)
(5.10)
Оптимизацию ОСУ по (5.7) — (5.10) нужно проводить по параметру f
при варьировании ИИ, прибора и принципиальной схемы установки. В том
случае, когда типы ИИ, прибора и схема выбраны, оптимизация ОСУ
134
по одному из светотехнических параметров (облученности, пространст-
венной плотности потока излучения, дозе и тл.) может быть получена
из выражения
Эз Э / 1 \
--- = ----/ - = О
ЭС дС \ f /
(5.И)
где С — параметр поля излучения.
Только детальное изучение зависимости реакции фотоприемника от
параметров ОИ может создать основу для нормирования, выбора свето-
технических параметров и их значений, удовлетворяющих практику.
Для наиболее массовых приемников ОИ (растения, животные) практика
построения ОСУ существенно приблизилась к решению этой важной
проблемы. Чаще всего общепринятое нормирование, по-видимому, и не
требуется, так как создание таких уникальных систем, как установки
нагрева, фотолитографические установки, ОСУ фотохимического синтеза
и др., зависит от конкретных условий, ресурсов и специфических требо-
ваний для каждого конкретного случая. Во многих случаях (особенно
это относится к фотоадаптирующимся приемникам) до сих пор еще не
получены фундаментальные сведения о реакции приемника, что, конеч-
но, сдерживает построение общей концепции нормирования.
В соответствии с видами фотофизического действия ОИ облучатель-
ные установки этого типа делятся на ОСУ теплового, фотоэлектричес-
кого и фотолюминесцентного действия. Наибольшее распространение по-
лучили ОСУ теплового действия.
При выборе характеристик облучения во всех случаях нагрева и суш-
ки конечная задача заключается в достижении приемником излучения не-
обходимой температуры в заданное время. Оба параметра в принципе
могут быть рассчитаны из условия баланса мощности (см. §2.2), пог-
лощенной приемником и отдаваемой им в окружающее пространство.
Рассмотрим несколько частных случаев расчета облученности при за-
данных исходных параметрах — температуре, времени нагрева.
Если пренебречь потерями теплоты на испарение, допустить, что
а Г* > аГ*, а также принять меры к максимальному снижению потерь
теплоты из-за теплопроводности, то баланс энергии можно записать в
виде
aeEeAodt = cmdT + enpoT„Adt + ак(Гп - TjAdt; (5.12)
где т — масса облучаемого тела; епр - приведенный коэффициент из-.
лучения системы, вычисляемый из выражения [см. (2.11) ]
(5.13)
135
Решая (5.12) относительно приращения температуры по времени, по-
лучаем
dT аеЕеА0 - епр оТ*А - вк(Гп - Тв)л
— =
dt cm
(5.14)
Как правило, решение (5.14) получают в каждом конкретном случае
численным методом.
На практике иногда преобладает какой-то один вид тепловых потерь,
тогда (5.14) значительно упрощается. Например, если конвективными
потерями можно пренебречь, то-
W -^1 9
£ . ’ (5.15)
dt cm
Температура в стационарном режиме
—. (5.16)
а
Время установления стационарного режима [74]
(5.17)
где То — начальная температура подложки.
Если потерями на излучение по сравнению с конвективными потеря-
ми можно пренебречь (принудительный обдув), то
dT аеЕе - вк(Тп ~ гв) аЛ-'* ’
7-------------ТГу-----------• W (518)
Температура в стационарном режиме
7 = + а^е!ак • (5-19)
136
9
’ (5.20)
Время наступления стационарного режима можно определить из фор-
мулы
cd'y Гс - То
Г с = ---- In--------
вк 0,05 Тс
До сих пор мы не акцентировали внимание на спектральных характе-
ристиках ИИ и приемника, предполагая, что поглощенное излучение лю-
бого спектра превращается в тепловую энергию приемника.. При этом,
конечно, следует учитывать, как минимум два обстоятельства. Во-пер-
вых, интегральное поглощение излучения ае следует, строго говоря, на-
ходить из выражения
/а(Х)Ф_ (X)tfX
а = ----------------- , (5.21)
. at ь
где ф£х,1- спектральйое распределение потока ИИ.
Во-вторых, на выбор спектральной характеристики поля излучения
оказывает прямое влияние конечная задача ОСУ: в том случае, если наг-
рев необходимо производить в тонких слоях, выбирается та область
спектра, которая сильно поглощается в материале. При объемных объек-
тах облучения, имеющих большую толщину, следует применять такое
излучение, которое относительно слабо поглощается в тонких слоях.
Выбор характеристик поля излучения при проектировании ОСУ ими-
тации солнечного излучения (ИСИ) определяется характеристиками сол-
нечного излучения.
В табл. 5.1 и 5.2 представлены основные характеристики заатмосфер-
ного Солнца. Степень приближения к этим характеристикам в реальных
имитационных установках диктуется компромиссом с теми затратами, ко-
торые можно позволить, приближаясь к идеальной имитации. Практичес-
ки любые шаги в направлении реализации требуемой параллельности
пучка лучей, спектрального состава излучения, близкого к Солнцу, тре-
буют дополнительных затрат.
Точность соответствия воспроизводимых в ИСИ параметров солнеч-
ного излучения зависит прежде всего от целей проводимых иссле-
дований. Общие требования к ИСИ для различных задач представле-
ны в табл. 5.3.
Облучательные светотехнические установки сушки являются раз-
новидностью установок нагрева, в которых наиболее существенным
параметром является скорость сушки [6], зависящая от скорости ис-
парения после нагрева влажного материала до установившейся темпе-
ратуры Гисп, при которой в течение продолжительного времени проис-
ходит испарение влаги. Величина Гисп определяется из (2.15) при ус-
137
Таблица 5.1. Характеристики эаатмосферного
Солнца
Планета Плотность, потока Угол расходимо- излучения Ее, Вт/м2 ста лучей (угло- вой размер Солнца)
Венера Земля Марс 2700 44'30" 1400 32' 600 21'
Таблица 5.2. Спектральное распределение энергии
солнечного излучения
Диапазон длин волн, нм Доля общей энергии,% Диапазон Доля общей длин волн, энергии,% нм
0-150 8,3 10’4 900- 1000 5,8
150 - 200 1,4 • 10’4 1000 - 1100 4,8
200 - 250 0,1 1100- 1500 11,9
250 - 300 1,1 1500 - 2000 6,3
300 - 400 7,8 2000 - 3000 4,0
400-500 14,5 3000 - 4000 U
500 - 700 25,3 4000 - 5000 0,5
700 - 800 9,1 5000- 7000 0,4
800 - 900 7Д 7000- 10 000 0,1
Таблица 5.3. Общие требования к ИС И
Диапазон изменения параметра
Цель испытания Плотность пото- ка излучения £е,Вт/м2 Угол расхо- димости лу- чей Неоднород- ность плотно- сти потока из- лучения, %
Исследование теплового баланса 1350 - 1450 ±2° ±5
Имитация преобразователя энергии без концентраторов 1350 - 1450 ±(5-30) ° ±2
Имитация преобразователя энергии 1350 - 1450 ±0,5° ±5
с концентраторами
Примечание. При испытании материалов параметры различны для разных ма-
териалов и видов испытаний.
ловим t{ -+ о», причем в первый период сушки испарение происходит с
поверхности тела; скорость испарения q определяется из соотноше-
138
НИЯ (6] ' )
la £Н~ { И .
Я = Ее + Ок1г> Лал 1 Хл?*И^ , (5-22)
где QK — конвективный поДвод теплоты к материалу. Значение QK бу-
дет положительным, если температура воздуха выше температуры ма-
териала.
При выборе спектрального состава ИИ для сушки влажных материа-
лов необходимо учитывать не только спектральное поглощение материа-
ла, но и спектральное поглощение воды. Интенсификация процесса суш-
ки достигается в том случае, если градиенты влагосодержания и темпе-
ратуры направлены одинаково изнутри наружу, что достигается обычно
ИК-сушкой. После практически полного испарения влаги температура
материала повышается и достигает максимального значения.
Отверждение лакокрасочных покрытий представляет собой сушку с
одновременным термопреобразованием материала [6, 75]. Так, если у
термопластичных материалов процесс формирования пленки сводится к
удалению растворителя, то у термореактивных он связан как с удале-
нием растворителя, так и с химическими превращениями (поликонден-
сацией, полимеризацией), приводящими к образованию пленки с необ-
ратимой структурой.
Спектральный состав ИК-излучения для отверждения выбирается с
учетом оптических характеристик пленки и подложки. В области спект-
ра X = 2-5-6 мкм коэффициент отверждения лакокрасочных покрытий
светлых и темных тонов для близких по составу групп лакокрасных ма-
териалов практически одинаков. В коротковолновой ИК-области (X =
= 0,8-^2 мкм) коэффициент поглощения существенно зависит от
цвета: при одинаковой облученности температура нагрева белых и свет-
лых покрытий ниже, чем черных и темных [6].
Достижение равномерности облученности особенно важно при суш-
ке материалов с низкой теплопроводностью, например при обработке
дерева, кожи. Равномерность распределения облученности по объекту
достигается соответствием расположения излучателей или ОП форме об-
рабатываемого изделия.
В заключение в табл. 5.4 приведены предпочтительные параметры по-
ля излучения в различных областях применения ОСУ теплового дей-
ствия.
Облучательные установки фотохимического действия делятся на ус-
тановки для процессов, протекающих в объеме, и установки для про-
цессов, протекающих в поверхностном слое ( рис. 5.1). В ОСУ для
объемных процессов для получения максимального эффекта облуча-
тели, как правило, помещаются непосредственно в газовую или жидко-
стную среду.
В простейшем случае облучения фотореактора в виде плоской кюве-
ты и при одностороннем облучении кюветы количество образовавшегося
139
Рис. 5.1. Классификация ОСУ фотохимического действия
продукта за единицу времени
__ kcb
dM = aEeA(l -е )dt, (5.23)
где А — площадь приемного окна кюветы; Ъ - толщина кюветы; к —
концентрационный показатель поглощения при первичном фотохимичес-
ком процессе; с - концентрация вещества, которое участвует в первич-
ном фотохимическом процессе.
За время г, если принять, что концентрация с = const и поглощение
активной части спектра происходит в пределах полосы поглощения ДХ =
= Xi — Ха, количество образовавшегося продукта будет равно
Л ч
М = ^UFe(X)[l-e'*(X)cZ,]dXdt. • (5.24)
Ясно, что даже для простейших фотохимических процессов выбор све-
тотехнических параметров зависит от многих параметров всей системы
реактора. В самом деле, для достижения необходимой производитель-
ности ОСУ можно варьировать облученность Ее как по значению, так и
по качеству (спектральному составу); концентрацию поглощающего
агента с; геометрические параметры реактора А и Ь, а также время t.
На все эти параметры накладываются ограничения либо технического,
либо экономического характера, и выбор оптимальных параметров по-
ля излучения в любом случае, даже самом простом - это компромисс.
Практически во всех случаях существует некое предельное значение
облученности Ее, выше которого работать нецелесообразно либо по при-
чине сильного образования адгезионной пленки на входных окнах реак-
тора, либо по причине выхода реакции на нелинейный участок световой
140
кривой (а = const при Е < £Пред) Образование адгезионной пленки в
большинстве случаев прямо связано с концентрацией с, и чаше всего це-
лесообразно вести процесс при возможно более низких концентрациях.
Однако при этом всегда следует иметь в виду, что энергия излучения -
не только высококачественный, но и весьма дорогой вид энергии, а
поэтому всякое снижение с требует пропорционального увеличения тол-
щины реакционного слоя Ь. Это в свою очередь увеличивает капиталь-
ные затраты на ОСУ (более дорогие реакторы).
Для многих приемников этого типа следует принимать во внимание
поглощение излучения в тех компонентах реакционного раствора (газа),
которые не ответственны за образование конечного продукта (например,
растворители). В некоторых случаях полосы поглощения таких буфер-
ных компонент попадают в область длин волн полосы поглощения ве-
ществ, связанных с протеканием первичного фотохимического акта. Это
приводит к уменьшению поглощения активной составляющей потока ИИ
и уменьшению производительности реактора. В связи с этим выбор
спектральной характеристики поля излучения дополнительно усложня-
ется: необходимо смещать излучение источника по спектру, минуя нера-
бочую полосу буферной компоненты.
Для большинства поверхностных фотохимических процессов общие
подходы к выбору (нормированию) светотехнических параметров ОСУ
можно проиллюстрировать, рассмотрев процессы, протекающие при
фотолитографии [76].
В основе фотолитографии лежат фотохимические реакции — преиму-
щественно фотоприсоединения и фоторазложения. В большинстве слу-
чаев современные фоторезисты фотосенсибилизированы.
Критериями оценки фоторезистов служат, по крайней мере, три па-
раметра: фоточувствительность (спектральная и интегральная), кисло-
тостойкость и разрешающая способность. Что касается фоточувствитель-
ности, то несмотря на близость сенситометрии фотоэмульсий к рассмат-
риваемой нами проблеме следует учесть существенное различие: назна-
чение фотоматериалов — создание градации оптической плотности, а
фоторезистов — образование нерастворимого рельефа.
В [76] предлагается оценивать чувствительность фоторезиста по
характеристической кривой, на которой представлена толщина сшитого
слоя фоторезиста (поливинилциннамата - ПВЦ) в функции экспозиции
(обычно 1g//). Ясно, что для получения высокой четкости края защит-
ного рельефа должна быть создана однородная плотная пленка сшитого
фоторезиста с резко очерченными границами вымытых при проявлении
участков. Наилучшие результаты получаются при сшивании слоя на всю
толщину h0, так как при недодержках пленка морщится и ее защитные
свойства падают. При значительных передержках качество края защит-
ного рельефа ухудшается из-за рассеяния света на границах и прозрачных
участках фотошаблона.
141
Таблица 5.4. Предпочтительные параметры поля излучения в различных областях
ппименения ОСУ теплового действия -
Область применения ОСУ Облучен- ность, Область спектра кВт/м2 Распределение излуче- ния в пространстве Временная характеристика
Нагрев 1. Имитация солнечного излучения До 1500 Идентичная со л- Пространственное или Непрерывная или по программе
нечному спектру поверхностное облуче- ние, параллельность лучей имитации По программе, импульсный ре-
2. Имитация аэродинамического наг- До 2000 Любая Поверхностное или
рева ("тепловой барьер”) пространственное об- лучение жим
3. Нагрев заготовок под ковку До 2000 »• То же Импульсный режим
4. Пайка мягким припоем До 500 »» Непрерывный, импульсный ре-
ЖИМ
5. Пайка твердым припоем 1000-1500 »» То же
6. Сварка металлических листов, ('выше 2000 ”
фольги 7. Нагрев листа под штамповку До 1000 »» *♦ »» Непрерывный, пульсирующий
8. Выращивание кристаллов Свыше 2000 режим
9. Термоформовка пластмассы (по- До 70 7 Л мкм (в тонких ” Непрерывный режим
лнметилметакрилат, поливинил- слоях)
хлорид и др.) 10. Термообработка стекла (дуплек- До 1000 1,5 мкм Поверхностное облу- Непрерывный, пульсирующий
сиро ванне, триплексирование) чение режим
11. Термические процессы в полупро- До 1000 Несущественно Поверхностное или Непрерывный, пульсирующий
водниковой и микроэлектронной пространственное об- режим
технике (эпитаксии, отжиг дефек- тов кристаллов, диффузное леги- лучение
рование и др.) 12. Обогрев машин и механизмов До 70 1 мкм Поверхностное облу- чение Непрерывный режим
Сушка
1. Сушка лакокрасочных покрытий (автомобильная, машинострои- 0,5 -20 1-6 мкм То же Непрерывный режим в течение 10—500 мин
тельная, электротехническая, лег- кая, мебельная промышленность)
2. Сушка древесины, бумаги, клея на древесно-стружечных плитах 0,5 -5 1-6 мкм То же То же, но в течение 20-600 ми
(строительство, деревообработка, бумажное производство)
3. Сушка оттисков и клееных изде- лий (полиграфия) 1 -8 1 — 6 мкм »» То же, но в течение 0,5 - 10 ми1
4. Сушка тканей, фетровых и вой- лочных изделий. Сушка тканей, 1 - 18 1-6 мкм »» То же, но в течение 30 -60 мин
пропитанных латексом (тек- стильная, легкая промышлен- ность)
5. Сушка кожи, кожаной обуви (ко- жевенная, обувная, кожевенно- галантерейная промышленность) 0,5 -2 1 — 6 мкм Пространственное или То же, но в течение 200-600 мин поверхностное облуче- ние
6. Сушка керамики, фарфора, ли- тейных форм, оттаивание и суш- 1 - 10 1-6 мкм То же То же, но в течение 300-600 мин
ка угля (легкая, металлургичес- кая промышленность, транспорт)
7. Сушка штукатурки, железобе- тонных изделий (строительство) 1 - 10 1-6 мкм Поверхностное облу- чение То же, в течение 200-400 мин
8. Предотвращение коррозии при хранении металлоизделий (склад- 0,05 - 0,1 1-6 мкм Пространственное об? лучение То же, но в течение 500-1500 мин
скос хозяйство)
9. Сушка овощей, фруктов, зерна, чая, табака, сахара, хлеба и др.; 1 -20 1-6 мкм Тоже Непрерывно до 300 мин
пастеризация молока, пива, со- ков (пищевая промышленность, сельское хозяйство)
Рис. 5.2. Зависимость спектральной чувствительности ПВЦ от толщины слоя фото-
резиста, мкм:
1 -0,1; 2-0,2; 2-0,3; 4-0,4
, При полной толщине слоя Ло значение экспозиции становится неоп-
ределенным, так как характеристическая кривая асимптотически приб-
лижается к ординате h0. В [76] в качестве критерия выбирается мень-
' шая толщина сшитого слоя hs, составляющая 90% первоначального слоя
аЛ Ло. Чувствительность определяется как величина, обратная количеству
облучения, требуемого для сшивания слоя на толщину hs;
-w»,'*.- (5-25’
где Не — экспозиция; Ее — облученность; t - выдержка.
Спектральная чувствительность ПВЦ представлена на рис. 5.2. Она
имеет два максимума: первый, в интервале 270-300 нм, соответствует
собственной чувствительности, второй, в интервале 350-370 нм, соот-
ветствует чувствительности сенсибилизатора. С ростом толщины фото-
резиста растет экспозиция, требуемая для полного сшивания. Зависи-
мость Hs\ от толщины слоя резиста может быть выражена в виде [76]
^Х = *аХЛ<>-
(5.26)
где Ло — исходная толщина слоя; К— показатель эффективного пог-
лощения, он связывает поглощенную слоем энергию с объективно наб-
людаемым результатом фотохимической реакции (рис. 5.3).
Для коротковолновой части спектра (X < 310 мкм) происходит спад
КаХ, что свидетельствует об уменьшении квантового выхода фотохими-
144
Рис. 5.3. Зависимость показателей эффек-
тивного и интегрального поглощения фото-
резиста ПВЦ от длины волны
Рис. 5.4. Характеристические кривые сенсибилизированного и несенсибилизиро-
ванного ПВЦ
ческой реакции в этой области. При облучении этой областью спектра
образуется рыхлая трехмерная структура, не исправляемая увеличением
экспозиции.
На рис. 5.4 дано семейство характеристических кривых в интеграль-
ном спектре при вариации толщины слоя резиста. Видно, как по мере
увеличения толщины резко возрастает экспозиция, необходимая для
сшивания слоя.
На рис. 5.5 представлена разрешающая способность слоя ПВЦ и про-
цесса фотолитографии на ПВЦ. Для слоя толщиной 03 мкм разреша-
ющая способность составляет около 300 лин/мм и для процесса - около
200 лин/мм. При этом важным является достаточная параллельность
пучка экспонирующих лучей (минимальная засветка слоя с торцов).
Качества фотолитографии (снижения дифракционных искажений) мож-
но добиться уменьшением длины волны экспонирующего излучения
(ВУФ).
145
Рис. 5.6. Классификация ОСУ биологического действия
Описанный набор данных дает возможность с достаточной точностью
формулировать требования к ОСУ и ее отдельным компонентам.
Аналогичный подход может быть применен для изучения любого по-
верхностного фотохимического процесса с той лишь разницей, что кри-
терий конечного результата может быть другой (например, твердость
лакокрасочного покрытия, степень адгезии рисунка к поверхности и
т.п.) [77].
В табл. 5.5 даны предпочтительные характеристики поля излучения в
некоторых ОСУ фотохимического действия.
Классификация ОСУ фотобиологического действия показана на
рис. 5.6. Рассмотрение начнем с наиболее массовых ОСУ для растение-
водства. Во всех установках для выращивания растений свет является
важнейшим технологическим фактором, без которого невозможно раз-
витие растений, а затраты на облучение составляют существенную долю
146
Таблица 5.5. Предпочтительные характеристики поля излучения в различных областях
применения ОСУ фотохимического действия
Область применения ОСУ,-приемника ОИ Актиничная об- лученность, Вт/м2 Область спект- ра, нм Распределение излу- чения в простран- стве Временная характе- ристика
Объемные фотохимические процессы: Непрерывное облу- чение
фотосинтез лактамов (капролактама, доде- калактама) 100 - 1200 400 - 600 Про стран ственное облучение (погруж-
синтез гексахлорана 300 - 500 380 ной источник излу- То же
сульфохлорирование углеводородов (мо- ющие средства) 300 - 500 380 чения)
синтез метилфенилдихлорсилана (кремний- органика) 300 - 500 240 - 380 То же
синтез диагидридов алициклических тетра- карбоновых кислот (стеклопластик) 1000 - 1500 300
синтез витамина D3 100 - 300 330
синтез витамина А 1000 400 - 600 »* **
синтез а-труксилловой кислоты Поверхностные фотохимические процессы: 500 400 - 450 ♦ » »
светокопирование 500 - 700 350.-450 Поверхностное облу-
микрофильмирование на диазопленки и ве- зикулярные пленки Фотолитография, фотофрезерование, формные процессы В том «еле: 2000 350 - 450 чение (источник из- лучения внутри проз- рачного цилиндра) Поверхностное облу- чение, параллель- ность лучей Непрерывное, импуль- сное облучение
диазотипные фотоматериалы 1000 350 - 450 То же
фотополимерные фоторезисты 500 340 - 400 То же
УФ-отверждение защитно-декоративных пок- рытий, клеев, маркировочных мастик 1500 - 2500 400 Концентрация излу- чения на поверхности
УФ-отверждение волоконных световодов 2000 - 5000 400 То же
УФ-отверждение масок экранов ЦЭЛТ 700 340 - 400 Строгая параллель- ность лучей Непрерывное облу- чение
Таблица 5.6. Нормирование ОСУ для облучения рассады огурцов
и томатов [79]
Вид рассады Облученность, Вт/м2 (ФАР), для световой зоны
0 I II III IV V VI
Рассада огурцов Ю 30 20 15 10
Рассада томатов 60 50 40 35 35
Таблица 5,7. Предпочтительные уровни облучения
при интенсивной светокультуре
Культура Облученность*, Вт/м2 (ФАР) Относительное распределе- ние ОИ по спектру - си- ний/зеленый/красный
Томаты 100 - 160 0,2/0,2/0,6
Огурцы 80 - 120 0,2/0,4/0,4
Рис 280 - 300 0,33/0,33/0,33
Пшеница 160 -200 0,25/0,35/0,4
Хлопчатник 300 - 400 0,33/0,33/0,33
Корнеплоды 160 - 180 —
Чай, субтропические 240 - 300 —
*В [157] приведены данные, свидетельствующие о том, что в УФ-области спект-
ра (300-400 нм) целесообразно иметь облученность не более 4 %£фАр,в ИК-об-
ласти - облученность:
при 0,7 - 1,2 мкм...................не более 100—120 % ЕфАР
при 1,2 - 3 мкм.....................менее 25 % ЕфАР
при 3-40 мкм........................менее 25 % ЕфАр
в себестоимости конечного продукта. Это предопределяет особое внима-
ние к выбору оптимальных характерстик поля излучения в различного
рода сооружениях, предназначенных для выращивания растений.
Наиболее массовыми тепличными культурами являются огурцы и
томаты, рассада которых в период января — декабря выращивается при
дополнительном искусственном облучении (досвечивании). Как было
показано в [78], минимальная энергетическая экспозиция при выращи-
вании рассады огурцов составляет 3930 Дж/см2 при суточной продолжи-
тельности облучения 11,7 ч, при выращивании томатов - 9200 Дж/см2
при продолжительности 12,5 ч. Эти данные были взяты в качестве исход-
ных при создании отраслевых норм (10 ч) для облучателей типа ОТ-400,
рекомендуемых в ваттах на метр квадратный. В табл. 5.6 представлены
уточненные [79] нормы дополнительного облучения рассады огурцов
и томатов в различных световых зонах их выращивания.
148
С учетом большой роли интенсивной светокультуры в решении продо-
вольственной проблемы на Крайнем Севере и в восточных районах стра-
ны [80] было изучено поведение ряда культур при полностью искусст-
венном облучении и при вариации спектрального состава и облученно-
сти [23-25,81].
В табл. 5.7 представлены предпочтительные уровни облучения для ря-
да культур при выращивании их без использования естественного света.
Приведенные в табл. 5.7 сведения могут быть использованы при про-
ектировании камер искусственного климата.
Регулирование продолжительности светового дня (фотопериодизм)
особенно большую роль играет в цветоводстве. В табл. 5.8 даны некото-
рые сведения по регулированию световых характеристик помещений
при выращивании ряда цветочных культур [82].
Работа по созданию оптимальных норм облучения в различных сфе-
рах светокультуры не закончена. Ее продолжают исследователи разных
стран, пользуясь различными подходами и критериями [23]. Поэтому
разработка единого метода, позволяющего сравнивать результаты иссле-
дований, - чрезвычайно актуальная задача [19,23, 83].
Другой большой группой ОСУ фотобиологического действия являют-
ся установки для животных и микроорганизмов. Наиболее массовые из
них — установки ИК-обогрева и УФ-облучения животных [84-86].
Дополнительный местный обогрев необходим молодняку круглосу-
точно в течение определенного времени, он должен отвечать зооветери-
нарным требованиям [85] к технологии выращивания с учетом затрат
на реализацию этого вида обогрева.
Основным параметром, характеризующим необходимый режим ОСУ
обогрева, является облученность животного Ее. В общем случае Ее
можно найти из уравнения теплового баланса тела животного. Однако
из-за трудностей определения температуры поверхности тела животно-
го при локальном обогреве (образование теплого слоя воздуха - ’’воз-
душная рубашка”.), пользуются понятием ”с дущаемой температуры”.
На рис. 5.7 приведены зависимости облученности в функции температу-
ры воздуха в помещении для разных групп животных и птиц. Пользуясь
этими графиками, можно определить облученность, которую необходи-
мо реализовать с помощью ИК-установки.
Прежде чем рассматривать вопросы нормирования ОСУ для УФ-об-
лучения животных, следует сделать вначале несколько общих замечаний.
Насколько нам известно, до настоящего времени для животных не пред-
ложено стандартных спектров действия излучения и при оценке воздей-
ствия УФ-излучения пользуются эритемной кривой, принятой для чело-
века с учетом коэффициента пропускания волосяного покрова живот-
ного [86]. В табл. 5.9 приведены режимы УФ-облучения, определенные
по начальному образованию эритемы кожи у крупного рогатого скота и
свиней [86,87].
149
Таблица 5.8. Условия облучения различных видов цветовых культур
Культура Облученность. мВт/м2 (ФАР) Годовой период облучения Продолжительность об- лучения в сутки, ч Примечание
Астры 23 000 По требованию Непрерывно в течение 3 сут Подготовка саженцев в теплицах
Тюльпаны 3000 -5000 Декабрь - февраль 12 (без естественного ос- вещения) Выход цветов
Хризантемы 900 Зимой Удлинение светового дня до 16 ч Круглогодичная культура (для предот- вращения почкообраэования зимой)
Орхидеи 9000 Сентябрь - апрель Удлинение до 16 ч Наиболее интенсивный рост, лучшая выживаемость, непрерывное цветение
Георгины 4000 Зимой 2 (ночной перерыв) Ускорение цветения на 4-8 недель
Гвоздики 1300 3500 Август — апрель Октябрь - февраль 6-12 (ночью) Удлинение светового дня до 10 ч Удлинение времени цветения Улучшение вегетативного роста
Гортензии 1500 - 2400 С декабря и далее Удлинение светового дня на 5 -8 ч Более темная листва и красивее цветы
Лилии 7500 С ноября и далее Постоянно в течение 4 недель Увеличение времени цветения
Флоксы 23 000 По требованию Постоянно в течение 7 сут Подготовка в теплицах
Розы 20 000 - 30 000 6500 - 10 000 Октябрь - март Август - май 18-24 ч в зависимости от облученности Непрерывно Увеличение урожайности Лампы располагаются вертикально между розами
Рис. 5.7. Определение ИК-облученносги
воздуха:
а - для цыплят; б - для поросят (о
нят; д - для индюшат; е - для гусят
расг молодняка в сутках)
при различной температуре окружающего
- отъемыши); в - для телят; г - для яг-
и утят (цифры на кривых обозначают воз-
Отечественные нормативные документы [85] указывают примерно
такие же дозы УФ-облучения в сутки.
При определении облученности или времени облучения в [85] реко-
мендуется пользоваться законом взаимозаместимости, но при этом не
151
Таблица 5.9. Режимы УФ-облучения для крупного рогатого скота и свиней (расчет сделан
по кривой эритемной чувствительности)
Вид животного, возраст Облучение (доза^ Режим облучения
в су 1КИ, J уж * м
Крупный рогатый скот
Молочный теленок 430 - 540 Только 3 сут (на 5-7-й день после рождения)
Теленок (6 недель) 540 - 650 Через 14 сут после помещения в хлев. Период облучения: 2 раза по 7 дней с 7-дневным периодом
Теленок (6—12 недель) 540 - 650 В возрасте 9 недель 2 периода облучения по 7 дней с 7-дневным перерывом
Молодняк (без выгона на паст- бища) 650 - 720 Каждые 3 мес 2 периода облучения по 7 дней
Молодняк и телки с выгоном на 650 -900 Через 4 недели после помещения в хлев осенью или после окончания перио-
пастбище да зеленого корма 4 периода облучения (по 7 дней с 7-дневным перерывом)
Коровы Свиньи 900 - 1300 Слабых телок при круглосуточном содержании в хлеву можно облучать в летний период также в течение 4 периодов
Поросята молочные 90-130 Через неделю после рождения 2 периода облучения (по 7 дней) с переры- вом 7 дней
Поросята, отлученные от матки, до 130- 150(250) Через 10-14 дней после помещения в хлев, 2 периода облучения (по
100-дневного возраста 7 дней) с 7-дневным перерывом
Молодые свиньи 320 - 360 2-3 периода облучения (по 7 дней) с 7-дневным перерывом в зависимо- сти от наступления половой зрелости
Старые свиньи 360 - 650 После отлучения поросят 2-3 периода облучения (по 7 дней) с 7-дневным перерывом и 2 периода облучения во время беременности (по 7 дней)
Свиньи на откорм 250 - 540 Максимально три периода облучения (по 7 дней), распределенные на время откорма
Хряки 360 - 720 В зимнее время без движения на воздухе 2-3 периода по 7 дней с 7-дневным перерывами
оговариваются предпочтительные уровни облучения. Практика и реко-
мендации по применению конкретных ОП свидетельствуют что время
облучения может варьироваться от нескольких минут до часов Имеет-
ся указание [85] на то, что к суточной дозе (особенно при облучении
молодняка) нужно подходить постепенно с перерывами несколько суток
и переходить к полной дозе через 10-15 дней после первого сеанса.
УФ-облучение в животноводческих помещениях значительно улуч-
шает микроклимат, вызывая гибель микроорганизмов и спор плесневых
грибов. Опосредованным действием УФ-облучения, приводящим к улуч-
шению микроклимата, является также образование озона — сильного
окислителя, приводящего к уменьшению концентрации аммиака и к
снижению запыленности в воздухе. Ниже приведены сведения о дозах
облучения для различных микроорганизмов и споровых:
Бактерицидные дозы облучения для микроорганизмов и споровых*
Организмы
Бактерии:
сибирская язва........................
кишечные ..................................
паратиф....................................
сенная лихорадка...........................
споры......................................
дифтерийная................................
брюшной тиф................................
микрококки.................................
гнойная палочка ...........................
дизентерия.................................
спирилла ..................................
Стафилококки:
белый.........................................
золотистый.................................
молочный ........................... . . . .
зеленый....................................
Дрожжи:
Доза облучения,
Вт • с/м2
45,2
40
32
58
116
33,7
21,4
60,5-100
55
22
44
18,4
26
61,5
20
грибковые...................................60-80
пивные......................................33-39
Губки, отличающиеся по цвету:
зеленые.......................................130
оливковые...................................440
синеватые ..................................440
желтовато-зеленые...........................600
черные .....................................1110-1320
светло-серые................................170
белые........................................ 50
*Доза облучения для уменьшения количества бактерий на 90% начального зна-
чения.
153
И, наконец, о нормах освещенности в рассматриваемых помещениях.
Не комментируя эти нормы, отметим только, что в них в силу еще более
массового применения наряду с физиологической обоснованностью от-
четливо проявляется тенденция к поиску компромисса с энергозатрата-
ми. В табл. 5.10 даны нормы освещенности, установленные СНиП и не-
которыми зарубежными стандартами. В [86] указано на необходимость
взаимной увязки освещенности и УФ-облученности животных, при этом
показана целесообразность повышения дозы УФ-облученности по срав-
нению с отечественными нормами. В заключение укажем, что повышен-
ные (по сравнению с допустимыми для человека) нормы УФ-облучения
для животноводческих помещений требуют особого внимания с точки
зрения воздействия УФ-облучения на обслуживающий персонал.
При нормировании ОСУ обогрева для человека следует учитывать,
что любой вид обогрева сводится к обеспечению комфортных условий,
в связи с чем ИК-нагрев рассматривается во взаимосвязи с тепловым ба-
лансом объекта [22, 75].
При конвективном отоплении, когда температура воздуха выше тем-
пературы окружающих конструкций, основная передача теплоты чело-
веку происходит Конвекцией, а отдача теплоты человеком — в основном
излучением.
В качестве непосредственного критерия теплового ощущения исполь-
зуется понятие результирующей температуры Трез, которая зависит от
ряда факторов (температуры воздуха Тв, средневзвешенной темпера-
туры окружающих поверхностей Тср, относительной влажности возду-
ха, скорости его движения). Без принудительной вентиляции и при ма-
лых потерях на испарение (практическая независимость от влажности)
Грез = О’. + Гср)/2. (5.27)
Если результирующая температура соответствует приятному тепловому
ощущению (тело отдает в окружающее пространство столько теплоты,
сколько организму необходимо отдать); то это соответствует ком-
фортной температуре:
Л<ф = (Т’в ♦ Гср)/2. (5.28)
Из (5.28) следует, что одну и ту же комфортную температуру можно по-
лучить при различных комбинациях Тв и Гср.
При обогреве излучением Тср всегда больше Гв, и человек может ды-
шать относительно более холодным воздухом, что, по мнению ряда ги-
гиенистов, благоприятно для дыхания [75].
В ОСУ обогрева достижение комфортной температуры является необ-
ходимым, но не достаточным условием. ИК-излучение оказывает наибо-
лее сильное воздействие на неприкрытые одеждой участки тела челове-
ка и прежде всего на голову. При этом если режим отопления выбран не-
правильно (переоблучение), то теплового комфорта достичь невозмож-
154
Таблица 5.10. Нормы освещенности, лк, в животноводческих помещениях
Наименование помещения Освещенность по [85] Разрядные Лампы на- Освещен- ность по [86] Освещен- ность по [87]
ИИ каливания
Крупный рогатый скот молочного направления
Помещения для содержания коров и ремонтного молодняка:
зона кормления 75 30 80 - 120
стойла, секции, боксы 50 20 80 - 120
Помещение для содержания быков-производителей 75 30 30
Помещения родильного отделения:
для отела коров 150 100
для санитарной обработки коров 75 30 80 - 100
профилакторий, помещения для содержания телят 100 50 70 - 100
Телятники 100 50 80 - 100
Крупный рогатый скот мясного направления
Денники и секции для коров-кормилиц с телятами 75 30 80 - 120
Помещение для доращивания молодняка 50 20
Помещение для откорма молодняка (стойла, секции, боксы) 50 20 30 - 40
Помещение для санитарной обработки, сушки, взвешивания молодняка 100 50
Свиньи
Помещение для хряков-производителей, свиноматок, поросят-сосунов 75 30 80 - 100 60
Помещение для содержания отъемышей и молодняка 75 30 80 - 100
Помещение для содержания откормочного поголовья 50 20 30 60
Продолжение табл. 5.10
Наименование помещения Освещенность по [85] Разрядные Лампы на- Освещен- ность по [86] Освещен- ность по [87]
ИИ каливания
Овцы Помещение для содержания маток, баранов 30 80- 100 *
Тепляк с родильным отделением 100 30 80 - 100
Лошади
Помещение для содержания племенных лошадей 75 30 60
Помещение для содержания рабочих лошадей Помепкние для содержания молодняка 50 75 20 30 60
Птица
Помещение для напольного содержания кур промышленного стада 75 30 20-40
Помещение для клеточного содержания кур, бройлеров-индеек, гусят, утят Помещение для содержания родительского стада кур Помещение для сортировки и обработки цыплят Инкубаторий (инкубаторный зал) 75 75 300 75 30 30 200 30 15 15
Звери и кролики
Помещение закрытого типа для содержания кроликов Шеды всех видов Вольер для молодняка Манеж, пункт искусственного осеменения животных Помещение со стойлами для передержки животных после осеменения Преддоильные и последоильные площадки Доильные залы и площадки 75 75 10 200 75 50 200 50 50 10 150 30 20 150 60
Таблица 5.11. Степень теплового комфорта
Степень теплового комфорта Гкф.г “ Гкф- с Характеристика помещения и условия работы для уста- новления теплового комфорта
2 Для стоящих людей во всех случаях, когда требуются особо комфортные условия
3 Для стоящих людей, выполняющих легкую работу, причем помещение имеет естественную вентиляцию (от одного до двух воздухообменов в час)
4 Для людей, выполняющих более тяжелую работу не на ногах и много ходящих, причем помещение имеет принудительную вентиляцию (более двух воздухооб- менов в час)
5 Для помещений с временным нахождением людей (воз- можно в верхней одежде), в которых не так существен- но наличие комфорта
но. Это происходит потому, что граница предельно выносимого челове-
ком облучения достигается значительно быстрее, чем состояние теплово-
го комфорта, соответствующего тепловому равновесию тела в окружа-
ющей среды.
Максимально допустимое количество теплоты, выделяющейся при
облучении головы, называется физиологическим пределом Qomax
[75]. Эту величину, Вт • м-2, определяют из выражения
^Отах ~ 10’2(^кф.г _ ^реэ)> (5-29)
где ТКф Г - комфортная температура на уровне головы, °C;
Урез = (Гср.х + Гв)/2, (5.30)
где Гср х — средневзвешенная температура всех холодных поверхно-
стей внутри помещения, °C.
Разница между комфортной температурой головы ТКф г и темпера-
турой на уровне лодыжек ТКф — степень теплового комфорта — выби-
рается в зависимости от назначения помещения (табл. 5.11) [75].
В зависимости от установленной степени теплового комфорта в
табл. 5.12 приведены рекомендации для выбора оптимальных значений
разности температур ТКф - Трез (для двух ситуаций - стоя и сидя).
Далее, зная ТКф, определяют Грез, а затем по (5.29) находят ЯОтах-
Профилактическое УФ-облучение следует применять в помещениях
(предприятия, учебные заведения и тл.), расположенных в районах се-
вернее 57,5° с.ш., а также в местах с дефицитом естественного света
157
Таблица 5.12. Рекомендации для выбора оптимальных
значений разности температур
Степень теплового ком- форта ткф г - Ткф, Разность температур °C, для положений че гкф Т’реэ* :ловека
СТОЯ сидя
2 3 5
3 43 73
4 4 10
5 73 12,5
(например, атмосферные загрязнения), в подземных объектах, в зда-
ниях без естественного света или с его дефицитом (коэффициент естест-
венной освещенности менее 0,1%), расположенных севернее 42,5° с.ш.
[89, 88]. Кроме того, рекомендуется более широкое применение профи-
лактического УФ-облучения в обычных помещениях [90]. Лица с меди-
цинскими противопоказаниями к УФО, имеющие профессиональный
контакт с фотосенсибилизирующими веществами, с УФ-излучением от
производственных ИИ, профилактическому УФ-облучению не подлежат.
В рабочих помещениях при 8-часовой работе профилактической уста-
новки облученность обеспечивается в пределах 1,5-7,5 мэр/м2 (реко-
мендуется 5 мэр/м2), при этом рекомендуемая доза облучения состав-
ляет 40 мэрч/м2. Заметим, что в [90] не сделана коррекция на кри-
вую эритемной чувствительности и нормы даны в расчете на стандартные
эритемные лампы (табл. 5.13).
При использовании полифункциональных люминесцентных ламп ре-
комендуемая облученность составляет 1,5—2,75 мэр/м2, а доза
20 мэр-ч/м2. Учитывая последние исследования [32], по-видимому,
необходимо установить коротковолновую границу профилактического
УФ-облучения 300 нм. При дозах, не превышающих указанных в [33],
облучение при X > 300 нм гарантирует практическую безопасность сис-
тематического воздействия излучения на человека.
К ОСУ профилактически-оздоровительного типа относятся также фо-
тарии. Они подразделяются на коридоры, лабиринты, кабины, пляжи,
маяки, стенки [91]. В фотариях-кабинах и фотариях-лабиринтах реко-
мендуемая разовая доза УФ-облучения составляет 40 мэр-ч/м2 (см.
табл. 5.13). При регламентированной 3-минутной длительности облуче-
ния эта доза соответствует облученности 800 мэр/м2. Облученность
может быть увеличена до 1200 мэр/м2 [91].
В фотариях-пляжах дозы УФ-облучения приближаются к пороговой
(минимальной) эритемной дозе (МЭД). По данным [89, 91] эта доза
составляет около 330 Дж/м2. Облучение обычно начинается с 1/4 или
1/5 МЭД и доводится до 2-4 МЭД, т.е. до 1000 Дж/м2 за сеанс. Такая
практика пока не нашла отражения в официальных рекомендациях.
158
Таблица 5.13. Нормы УФ-облучения от эритемных люминесцентных ламп в эффективных
и энергетических единицах*
Вид помещений Продолжи- тельность - облучения, ч/сут Облученность Доза за сутки
Единица измерения Минималь- Макси- Реко- менду- емая Ьдиница измерения Минималь- ная Максималь- ная Рекоменду- емая
I ная мальная
Рабочие помещения 8 мэр/м2 13 7,5 5 мэр-ч/м2 12 60 40
промышленных и общественных зда- ний 8 мВт/м2 9 45 30 Дж/м2 260 1300 860
Групповые помеще- 4-6 мэр/м2 13 73 5 мэр-ч/м2 6-9 30-45 20-30
ния детских учреж- дений, классы и ка- бинеты школ, пала- ты, больниц, санато- мВт/м2 9 45 30 Дж/м4 130-195 650-975 430-650
риев Фотарии:
для взрослых По рекомен- мэр/м2 200 1200 800 мэр-ч/м2 10 60 40
дуемому ре- жиму Вт/м2 1,2 та 4,8 Дж/м4 215 . 1300 860
для детей (от То же мэр/м2 200 800 320 мэр-ч/м2 Дж/м4 10 40 16
2 до 14 лет) Вт/м2 1Д 4,8 13 215 860 340
на уровне 0,8 м от пола; в фотариях - в вер-
*В горизонтальной плоскости на уровне
тикалыюй плоскости, по линии прохода, на
1 м от пола, в детских учреждениях
уровне 1 м от пола.
Аналогом фотария-пляжа по интенсивности проводимых процедур
облучения являются солярии - установки, как правило, индивидуал^
ного пользования, предназначенные для получения устойчивого загара
кожи. Официальных рекомендаций по необходимым экспозициям для
соляриев в настоящее время не существует, однако из ряда публикаций
и докладов следует, что если пользоваться эритемной кривой спектраль-
ной чувствительности, то дозу следует выбирать в пределах 350 -
450 Дж/м2 [92]. Отметим сразу же, что, по нашему мнению, риск
образования канцераномы и других нежелательных эффектов может
быть существенно уменьшен при использовании ИИ и ОП с X > 300 нм.
Кроме того, общим правилом является повышение облученности (при
коротком времени экспозиции), так как при меньших облученностях
(и больших временах облучения) повышается риск канцерономы [92].
Автор [92] делит в связи с этим солярии на четыре типа: с очень быст-
рым получением эффекта пигментации — время облучения - до 6 мин,
быстрым получением эффекта - от 6 до 15 мин, средним - 15—30 мин
и медленным — более 30 мин.
Что касается терапевтического действия ОИ, то облученность и время
облучения определяются физиотерапевтом, при этом исключаются ка-
кие бы то ни было самостоятельные действия (самолечение). Ниже
мы лишь приведем примеры терапевтических облучательных установок,
с которыми встречаются в специальных клиниках и которые создают
по специальным техническим заданиям.
Широкое и постоянно увеличивающееся применение УФ-излучения
привело к разработке и внедрению гигиенических стандартов, ограничи-
Таблица 5.14. Допустимая 8-часовая доза и относительная эффективность
некоторых монохроматических излучений [33]
Длина волны, мм Допустимая доза, Дж/м2 Относительная спектраль- ная эффективность
200 1000 0,03
210 400 0,075
220 250 0,12
230 160 0,19
240 100 0,30
250 70 0,43
254 60 0,50
260 46 0,65
270 30 1,00
280 34 0,88
290 47 0,64
300 100 0,30
305 500 0,06
310 2000 0,015
315 10 000 0,003
160
г вак>щих экспозицию излучения и сводящих риск вредного воздействия к
| мйнимуму' Указанные стандарты внедрены в США [34] и в Голландии
Г93]. Стандарт Национального института США по здравоохранению ос-
нован на изученных воздействиях УФ-излучения на глаз человека как на-
I иболее чувствительный к излучению орган. В основу определения допус-
I тИмых доз в области 200-300 нм были взяты усредненные кривые фо-
токератита, длинноволновая часть кривой 300—315 нм определена из
стандартной кривой эритемного действия, так как кривую для фотокера-
гита сочли слишком консервативной: судя по ней, теоретически можно
предположить, что у любого индивида может возникнуть фотокератит
после непродолжительного воздействия естественного дневного света.
В табл. 5.14 приведены допустимые дозы для излучения в пределах
200-315 нм в расчете на 8-часовое облучение.
При УФ-облучении с X = 315 -^400 нм для незащищенной кожи и глаз
при времени облучения более 1000 с облученность .не должна превы-
шать 10 Вт/м2, а для времени облучения 1000 с и меньше удельная эк-
спозиция не должна превышать 10 000 Дж/м2. В [94] указано, что при-
нятый стандарт требует существенной доработки и дальнейших иссле-
дований.
5.2. Светотехнические расчеты облучательных установок
Как известно, задачей светотехнических расчетов является либо оп-
ределение установочной мощности ИИ по заданному параметру поля из-
лучения в ОСУ (облученности, объемной плотности потока излучения),
ОП и геометрии приемника ОИ, либо определение параметров поля из-
лучения по заданному размещению ОП и известной мощности ИИ. Свето-
технические расчеты, совершенствовавшиеся на протяжении более ста
лет, достаточно хорошо известны, и в настоящем разделе мы дали лишь
конечные результаты (формулы) без промежуточных выводов, с кото-
рыми можно ознакомиться, например, в [6,95,96].
Рассчитываемый параметр поля излучения складывается из прямой
составляющей этого параметра (непосредственно от ОП или ИИ) и его
отраженной составляющей (от окружающих поверхностей и простран-
ства) . В некоторых случаях сам объект облучения (приемник излуче-
ния) вносит специфические коррективы в обе составляющие рассчиты-
ваемого параметра светового поля.
Результирующий параметр излучения в заданной точке расчетного
пространства облучательной установки может быть записан в виде
Ср _ (Ср)Пр + (Ср)о> (5.31)
гДе (Ср)пр _ прямая составляющая параметра излучения; (Ср)0 — его
отраженная составляющая.
161
о
Рис. 5.8. К расчету облученности от то-
чечного излучающего элемента с сим-
метричным распределением излучения
Облученность Ер может быть рассчитана по формуле
^ер (^ер)пр + (^ер)о-
(5.32)
При этом под облученностью здесь в самом общем виде понимается
облученность в любой плоскости, т.е. по существу пространственное рас-
пределение потока излучения.
Излучающие элементы (источники света, светильники, поверхности)
в зависимости от соотношения их размеров и расстояний до облучаемой
поверхности могут быть распределены на три группы: точечные, линей-
ные и поверхностные.
Прежде всего рассмотрим расчет облученности от точечного источни-
ка с симметричным светораспределением. Пусть на некотором расстоя-
нии / от источника с Ia = f(a), находящегося в точке О, расположена
облучаемая поверхность S, произвольно ориентированная в простран-
стве (рис. 5.8). Облученность элемента dS в точке А
I„coi3a d
Ее(А) = —--------(cose + — sinfl). (5.33)
А1Р
Для расчета облучательных установок можно воспользоваться прост-
ранственными кривыми равных значений горизонтальной облученности,
которые строятся в системе координат hp и d. На рис. 5.9 приведены
указанные кривые, Вт/м2, для типичных по распределению силы излу-
чения ОП с Фе = 1000 Вт.
При многовариантных расчетах облученности, а также совмещении
этих расчетов с оценкой других светотехнических и экономических па-
раметров ОСУ использование ЭВМ становится практически неизбежным,
особенно с учетом необходимости решения обратных и оптимизацион-
ных задач, когда светотехнические характеристики ОП выражаются ана-
литически или табулируются [6].
При некруглосимме;ричном облучателе 1а заменяется на 1а^
(рис. 5.10). По найденным значениям а = arctgd/hp и у = arctgЬ/а при
162
Рис. 5.9. Кривые равной горизонтальной облученности, Вт/м2, для ОП с различны-
ми типами КСИ:
в - Г; б - К; в - Р; г - Д; д - Л; е - Ш
163
Рис. 5.9 (д, е)
Рис. 5.10. К расчету облученности от
чечного светящего элемента с несимь
ричным распределением излучения
помощи кривых равных значений сил излучения находят 1а^, которую и
подставляют в (5.36) вместо 1а.
При расчете облученности от большого числа ОП с несимметричным
распределением силы излучения можно пользоваться пространственными
кривыми равных значений относительной облученности е = /a^cos3ip,
построенными в полярной системе координат у и tg а (или ctg а)
(рис. 5.11).
Другим наиболее распространенным случаем является линейный из-
лучающий элемент (ОП с трубчатыми люминесцентными лампами, труб-
чатыми ГЛН и т.п.). Из рис. 5.12 следует, что облученность в точке А
164
Рис. 5.11. Пространственные кривые равной относительной облученности для не'
симметричного светильника
Рис. 5.12. К расчету облученности от и>
думающей линии
от всей излучающей линии
/со»17
Е. = —---------- J cos <pd>p.
АГ % о
При записи уравнений (5.34) — (5.38) предполагается, что проекция
расчетной точки А на плоскость Р (рис. 5.12) совпадает с проекцией
конца излучающей линии на плоскость Р, тогда как — это угол, под ко-
торым излучающая линия видна из расчетной точки А.
При косинусном распределении излучения п = 1 и
_ ^7 , ( sin 2<р |
Е.= ----------cos171 + -----------I.
Аг 2Лр \ 2 /
(5.35)
165
Для полубесконечной линии (</> = я/2)
/
еАг = ~ — cos2 у. (5.36)
4 Лр
Непосредственно под излучающей линией (у = 0) облученность обратно
пропорциональна первой степени расстояния (а не квадрата расстояния) :
Еа=-~- (5.37)
Аг 4 йр '
Облученность в вертикальной плоскости, параллельной плоскости Р,
„ 7у . / sin 2<^ \
£ =-----cosysinyl у + ----- /• (5.38)
Вг 2йр \ 2 /
Для вертикальной плоскости, перпендикулярной плоскости Р,
Е. = — cosysin2y. (5.39)
Ав 2йр
Уравнения (5.34) — (5.39) могут быть применены и для более обще-
го случая расположения расчетной точки относительно линии. Так, при
размещении расчетной точки в пределах линии облученность находится
как сумма облученностей от двух отрезков линии. Если расчетная точка
находится за пределами линии, то облученность вычисляется от всей как
бы существующей излучающей линии за вычетом ее фиктивной (несу-
ществующей) части.
В практике светотехнических расчетов часто возникают случаи исполь-
зования ряда излучающих линий (рис. 5.13). Если (L + Х)/Ар < 0,7, то
равномерность распределения не нарушается (погрешность не более 5%),
что дает возможность рассматривать линию с разрывами как непрерыв-
ную с = IyL/ (L + X) . В этом случае
Ее = ----------— cos2 у/G>), (5.40)
2Лр (Z. + X)
где /((?) — функция, зависящая от размера и положения линии относи-
тельно расчетной точки при Лр = 1 (рис. 5.14).
Возможно применение метода построения равных условных облучен-
ностей е от ОП, имеющих различное светораспределение, в системе ко-
ординат: I' = N(L + X)/йр; р' =a/hy. На рис. 5.15 представлены кривые
равной облученности для разных по светораспределению ОП для источ-
166
Рис. 5.13. К расчету облученности от ряда излучающих линий
Рис. 5-14. Графики для расчета облученности от излучающей линии
ника излучения с Ф' = 1000 Вт/м и ftp = 1 м. Необходимую плотность по-
тока излучающей линии находят из выражения
1000£еЛ
Ф' = ----------, (5.41)
Ее
где Ее — заданная (требуемая) облученность; Ее — суммарная услов-
ная облученность, определяемая из кривых изоватт.
Расчеты облученности от излучающих поверхностей в условиях, при
которых их фотометрические характеристики не могут быть представле-
ны точечными или линейными излучателями, требуют учета размеров и
закона распределения излучения всех элементарных участков. В боль-
шинстве практических случаев построения ОСУ излучающие поверхно-
сти диффузию (энергетическая светимость М = тгЬ).
Облученность, создаваемая в точке, перпендикулярной расчетной
плоскости, прямоугольной поверхностью с размерами axb,
М ( 1 Р 1 \ /с
ЕР = ----- arctgpi - ----------arctg---------- , (5.42)
2я \ .Л----У /, * У /
\ VI - Р2 VI +₽з /
а облученность от прямоугольника, параллельного расчетной плоскости,
где pi =а/т; р2 =Ь/т (рис. 5.16 и 5.17).
167
Рис. 5.15. Кривые равной облученности, Вт/м2, для различных ОП при Ф*
= 1000 Вт/м и Лр = 1 м и типах КСИ: °
а - Р; б - Д; в-Г
168
Рис. 5.16. Номограмма для расчета облученности от светящего прямоугольника,
перпендикулярного расчетной плоскости
Рис. 5.17. Номограмма для расчета облученности от светящего прямоугольника,
параллельного расчетной плоскости *
Рис. 5.18. Схемы размещения светящих прямоугольников и модели приведения
этих схем для расчетов по номограммам
Как следует из (5.42) и (5.43), коэффициент облученности (при
М = 1) является функцией двух переменных (относительных размеров
светящегося прямоугольника), что дает возможность построить номо-
грамму для определения коэффициента облученности. Такие номограм-
мы приведены на рис. 5.16 и 5.17. По известной энергетической свети-
мости можно найти конкретное значение Ее = еМ\ при этом любая
практическая задача может быть сведена к вышерассмотренным слу-
чаям, если воспользоваться схемами, представленными на рис. 5.18.
Любое помещение (установку, прибор) можно рассматривать как не-
кий объем, ограниченный поверхностями, отражающими поток ОП на
расчетную плоскость. В практике светотехнических расчетов широкое
распространение получил метод коэффициента использования [8, 6],
который наиболее часто применяется для горизонтальных поверхностей,
равновеликих полу. Этот метод основан на знании коэффициента исполь-
зования i), равного отношению падающего на расчетную плоскость пото-
ка излучения к полному потоку ОП. Метод позволяет определить требу-
емый поток каждого из облучателей Фтр;
Ф
тр
Emink^Az
(5.44)
где Emjn — заданная минимальная облученность; к3 — коэффициент за-
паса; А — площадь облучаемой поверхности; z - отношение средней
облученности к минимальной (рекомендованные в [6] значения состав-
ляют 1,15 для ЛН и ГЛВД и 1,1 для трубчатых ламп; при освещении
отраженным светом z = 1) ; N— число облучателей (при использовании
излучающих линий N — число рядов) .
По найденному значению Фтр выбирается необходимая стандартная
лампа, поток которой лежит в пределах 0,9Фтр <ФЛ< 1,7 Фтр [6]. Если
170
это сделать не удается, то изменяют число облучателей и повторяют рас-
чет сначала.
Для прямоугольных помещений значения коэффициента использова-
ния проще всего определять при помощи таблиц, связывающих эти зна-
чения с КСИ излучателей, коэффициентами отражения ограничивающих
помещение поверхностей (потолка рпот, стен рст и расчетной поверхно-
сти или пола рр) и геометрическими параметрами помещения, которые
характеризуются индексом помещения
где а - длина помещения; b - его ширина; h - расчетная высота под-
веса ОП.
Указанные таблицы, составленные для приведенных, в частности, в
гл. 4 КСС, можно найти в справочной литературе (например, в [6], где
приведены и методы расчета). При использовании этих таблиц для опре-
деления облученности следует заменять световые единицы на энергети-
ческие (люмены на ватты, люксы на ватты на метр в квадрате и тд.).
Одним из параметров поля излучения, отражающих насыщенность
пространства светом, является цилиндрическая облученность Ец. В ряде
ОСУ этот параметр более точно отражает потребности приемника ОИ,
чем облученность поверхности (например, объекты в животноводчес-
ких комплексах, человеческое тело и др.).
Цилиндрическая облученность, которая определяется как средняя
плотность потока излучения по боковой поверхности вертикально рас-
положенного цилиндра, размеры которого D и Лц стремятся к нулю,
равна
^'в^ц Z cos3fl
Ец = lim ----------- = ---------- tga, (5.46)
Р-»-0 ЯОЛЦ й2я
йц->0
где а = arctg d/й; £в - вертикальная облученность (рис. 5.19).
Для линейных излучателей (рис. 5.20)
*ц=-р/(%*). (5Л7)
где /(у, и?) - функция, представленная на рис. 521.
Для прямоугольных помещений при расчете цилиндрической °
ценности можно пользоваться кривыми, связывающими ц в точке
предполагаемого минимума (посередине торцевой стены
уровне 1,5 м от пола) с КСИ ОП, светотехническим»i характ,
и индексом помещения. Заимствованные из [oj “Р" н
171
Рис. 5.19. К расчету цилиндрической облученности от точечного светящего элемен-
та с симметричным распределением излучения
Рис. 5.20. К расчету цилиндрической облученности от иэлуч зний линии
Рис. 5.21. График для расчета цилиндри-
ческой облученности от линии
кривых, построенных для удельного потока излучения ОП в нижнюю по-
лусферу, равного 100 Вт/м2, приведены на рис. 522.
Одной из главных задач, решаемых при построении фотохимических
установок, является выбор такой геометрии установки и таких опти-
ческих параметров ’’реакционных” растворов, которые обеспечивали бы
наиболее эффективное использование потока излучения источника.
В [97] была решена наиболее типичная задача, связанная с расчетом ко-
эффициента использования потока излучения погружных ИИ в фотохи-
мических установках, при этом были рассмотрены два случая: 1) шаро-
вой ИИ — сферический теплоизолирующий слой — сферический ’’реак-
ционный” слой; 2) цилиндрический ИИ — цилиндрический теплоизоли-
рующий слой — цилиндрический ’’реакционный” слой.
В результате расчетов было получено, что коэффициент использова-
ния потока излучения шарового источника
172
Рис. 5.22. Зависимости цилиндричес-
кой облученности от индекса поме-
щения для удельного потока излуче-
ния в нижнюю полусферу, равного
100 Вт/м2:
а - Ln - Lq cosa; б - L„ —
2 w 2
Lq cos Q; в ~ Lq jLqcos о
1 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 i
j 2 7Г 1Г/2 ___________|
аш = 1 - -г— J f £eexp[-0(v<x2 - sin2»//'-
фео о о
— — sin2^)]sin</>cosj//d^<fy, (5.48)
к
где Фе0, Le — поток излучения и лучистость источника; х = R/Rq',
*i = Ri/R0-, Р = aR0; Ro, RltRi - радиусы источника, теплоизоли-
рующего слоя и реакционного слоя соответственно; а — показатель
поглощения раствора.
173
СЛл^ и
9
eo = const; Фе0 = яЬе0) М°ж-
Для поверхностного излучения (Le = L
но использовать приближенное выражение
(1-е '),
аш 1
t
м
1
„ (.х - *1)
где Г = 0 —---------- .
2xxt а.
Для объемного излучателя (Le = £e0cos^, Фе0 = 2ir/3£e0)
использовать выражение _____г.
3 -0(x-xt)
= 1 ' й 6
(5.49)
можно
(5.50)
-t(t+l)
1 - 2
г
Точность аппроксимаций (5.49) и (5.50) выражения (5.48) при
0(х-Xi) >0,5, xt > 1,5 и х> (xj +0,5) не ниже 1%.
Для цилиндрического ИИ расчеты могут быть проведены лишь числен-
но. Типичные зависимости вц от 0, Xi, х, / =L/RO (L - длина ИИ)
представлены в [95]. При достаточно протяженных ИИ (Z > 20)
4 я/2 я/2 _fl
ац * 1 — - J J е cos <^cosm фd<f>d\p, (5.51)
п о о
yjx - sin*^ - ух г - sin $
где t = ----------------;-----1; п = 1, т = 2 при поверхно-
сыф
стном излучателе; п = 2, т = 1 при объемном излучателе.
Эти расчеты будут полезны также при проектировании бактерицид-
ных установок [5, 158]. Заметим, что для плоской кюветы, облучаемой
с одной стороны, концентрация уничтоженных бактерий может быть
найдена из выражения
цй
- (сг£0 - Д) « - (ctE0 - д)
п = п0 ---------------------—-------------- , (5,52)
H(ctEo - Ц)
где Ео - облученность передней стенки кюветы; t - время облучения;
с — величина, обратная нормируемой дозе; д - коэффициент поглоще-
ния бактерицидного излучения; h — толщина кюветы; По — началь-
ная концентрация бактерий.
В последние годы все большее использование в светотехнических
расчетах ОП и ОСУ приобретает универсальный метод современной вы-
числительной математики - метод Монте-Карло [68]. Он основан на
прямом математическом моделировании исследуемого объекта, заклю*
174
чающемся в имитации процесса распространения излучения от ИИ до рас-
четной поверхности (РП) при ОУ или внешнего пространства при ОП.
При таком моделировании используется вероятностная интерпретация
фотометрических величин. Так, поток излучения ФА, попадающий от
ИИ на площадку ДЛ, сопоставляется с вероятностью РА попадания на
эту площадку лучей, вышедших из этого ИИ; при этом ФА = АаФИЛ1,
где Фи и — поток ИИ. Задача, таким образом, сводится к нахождению
РА. Для этого проводится математический эксперимент: все испуска-
емое ИИ излучение представляется конечной совокупностью /V дис-
кретных порций потока излучения или световых лучей. Из всей этой со-
вокупности осуществляется случайный выбор лучей, причем каждому
лучу приписывается начальный вес w = 1. Далее, для каждого луча про-
слеживается траектория его движения в рассматриваемом объеме. При
отражении от ограничивающих объем поверхностей вес луча w умень-
шается в соответствии с их коэффициентами отражения р. При попада-
нии какого-либо ьго луча на ДЛ фиксируется w(. В результате постро-
N
ения траекторий всех N лучей получаем сумму 2 w отношение ко-
_ «= 1 '
торой к w является статистической оценкой РА искомой вероятности
т.е.
1 N
РА *?А = £ f (5-53)
С помощью описанной процедуры могут быть получены оценки любых
фотометрических величин. Так, оценка средней по ДЛ облученности мо
жет быть сделана так:
_ Ф N
Е. = —— S w., (5.54)
А bAN i 1 47
оценка силы излучения ОП, средней в некотором телесном угле, ось ко-
торого ориентирована углами а, Р,будет
_ ф N
I(a, р) = -2L 2 w (5.55)
duN j- 1 1 v ’
где сумма определяется лучами, вышедшими из ОП и попавшими в Ды.
Процесс моделирования разделяется на три этапа: 1) генерацию слу-
чайных лучей из ИЙ; 2) построение траекторий этих лучей; 3) регистра-
цию этих лучей на РП. Подробное изложение этих процедур можно най-
ти в [68]. Укажем здесь, что во ВНИСИ разработаны две программы на
языке ФОРТРАН: CADIF, позволяющая по заданному профилю асим-
метричного отражателя рассчитать КСС ОП с лампами типа ДРИ, ДНгТ
175
и ДРЛ, и КООМ, позволяющая по заданному количеству и расположению
ОП с известной КСС рассчитывать распределение прямой и отраженной
составляющих облученности на РП ОСУ с помещением в форме прямо-
угольного параллелепипеда. Для описания оптических свойств отража-
ющих поверхностей в обеих программах предусмотрены три типа отра-
жения: зеркальное, диффузное и направленно-рассеянное. Объем необ-
ходимой оперативной памяти для каждой программы не превышает
130 Кбайт.
Использование метода Монте-Карло наиболее эффективно при реше-
нии задач, для которых применение традиционных аналитических ме-
тодов требует существенной идеализации исследуемых объектов. Воз-
никающая при этом погрешность практически не поддается оценке.
Примерами таких задач являются: в области ОП — расчет светораспре-
деления с несимметричной формой отражателя или при наличии рассея-
ния у отражающих и пропускающих свет поверхностей; учет затене-
ния и отражения света колбой ИИ; использование ИИ со сложной фор-
мой светящего тела и произвольным пространственно-поверхностным
распределением яркости; в области ОСУ — расчет светораспределе-
ния с учетом неравномерного распределения светового потока ИИ по
отражающим поверхностям; наличие на таких поверхностях участков с
различным рассеянием, зависящим от направления падающего излучения
и вида покрытия; учет затенения отражения света от различных объек-
тов, расположенных в помещении.
53. Проектирование облучательных установок
В настоящее время для проектирования ОСУ нет общих нормативных
документов, которыми, например, располагают разработчики проектов
осветительных установок. Это связано прежде всего с огромным много-
образием этих установок и их принадлежностью к различным ведом-
ствам. Тем не менее некоторый опыт работы в этой области позволяет
дать рекомендации, которые, как нам представляется, могут быть по-
лезны при проектировании ОСУ любого типа и нормализуют взаимоот-
ношения проектировщика и заказчика проекта. Ниже мы рассмотрим
три аспекта проектирования: разработку технических требований к ОСУ,
состав технического задания на проект и некоторые практические реко-
мендации для проектирования установок.
Технические требования к ОСУ разрабатывает заказчик проекта. Эти
требования, обсужденные и принятые проектировщиком, являются ис-
ходными при разработке технического задания.
В табл. 5.15 приведен общий состав технических требований к проек-
ту ОСУ. Не вдаваясь в более детальную характеристику каждой из групп
технических требований, укажем, что при работе над четвертой группой
технических требований необходимо пользоваться существующими нор-
176
Таблица 5.15. Технические требования к проекту ОСУ
Основные Детальные
1. Назначение 1.1. Область применения (в том числе смежная).
1.2. 1.3. 2. Характеристика приемника ОИ 2.1. Шифр в системе машин Наличие аналога Потребность в юд (в том числе основной комплектации) Спектральные характеристики
2.2. 2.3. 2.4. 2.5. 3. Требования по производитель- 3.1. Интегральная чувствительность, пределы линейности Временная зависимость реакции приемника от облучения, периодичность Зависимость реакции от пространственной характеристики поля излучения Габариты, конфигурация, фазовое состояние Производственная мощность ОСУ
ности 3.2. Минимальный съем продукции в единицу
3.3. 4. Условия эксплуатации 4.1. времени с единицы площади, объемы или максимальное время производства едини- цы конечной продукции Качественные характеристики продукта (изделия) Климатические условия
4.2. 4.3. 5. Конструктивно-технологичес- 5.1. Характеристика окружающей среды по- мещения Требования к транспортированию и хра- нению Источник питания
кие требования 5.2. Срок службы, надежность
5.3. 5.4. 5.5. 5.6. 5.7. 6. Требования.к технико-эконо- 6.1. Защита от поражения электрическим током Допустимые радио- и акустические помехи Требования к управлению (регулированию) Монтаж-эксплуатационные требования Технологические режимы облучения Максимальная стоимость установки (ка-
мическим характеристикам 6.2. 6.3. питал ьные затраты) Максимальный расход электроэнергии Максимальное число обслуживающего пер- сонала, его квалификация
мативными документами [60—65]. Что касается пятой группы требо-
ваний, то она является в значительной мере совместным творчеством
заказчика и проектировщика.
Техническое задание разрабатывает проектировщик ОСУ. Его разра-
ботке могут предшествовать предварительные оценки (исследования),
уточняющие технические требования, особенно в тех разделах, которые
касаются технико-экономических требований и характеристик приемни-
ка ОИ. В предварительные исследования могут быть также включены ра-
177
Таблица 5.16. Примерный объем технического задания на ОСУ
Основные разделы
Содержание
1. Назначение облучательной
установки
2. Характеристика сооружения,
в котором эксплуатируется ОСУ
(помещение, прибор и т.п.)
3. Светотехнические требования
к ОСУ
4. Облучательный прибор (груп-
па приборов)
5. Источник излучения
6. Требования к электрическо-
му питанию
7. Требования к обслуживанию
ОСУ и меры по технике безопас-
ности
8. Технико-экономические тре-
бования к ОСУ
Основное назначение, вид приемника ОИ. Режим
работы ОСУ. Совмещение с другими видами об-
лучения (освещения). Характеристика техноло-
гического процесса в целом
Размеры сооружения (площадь, высота). Основ-
ные строительные конструкции; возможные мес-
та установки ОП и основных элементов электри-
ческого питания ОСУ. Размещение приемников
ОИ в сооружении. Характеристика механических,
климатических воздействий. Воздействие спе-
циальных сред
Облученность (в том числе пространственная и
временная характеристики), предпочтительный
спектральный состав излучения. Спектральная
область вредного воздействия, облученность
(доза) вредного воздействия на приемник ОИ
Требования к функциональным и технико-эконо-
мическим характеристикам
Требования к функциональным и технико-эко-
номическим характеристикам. Меры по техни-
ке безопасности
Напряжение питания, частота, мощность, ста-
бильность напряжения. Необходимость установ-
ки трансформатора. Требования к питающей и
групповой сети, ее разводке, к аппаратуре уп-
равления (силовой)
Общие требования к обслуживанию сетей, при-
боров и др. Требования по контролю светотех-
нических параметров ОСУ, квалификации об-
служивающего персонала
Требования по ограничению материальных, энер-
гетических и трудовых ресурсов
боты в области ИИ, ОП и собственно ОСУ, если требования к проекту
диктуют оригинальные решения. Примерный объем технического зада-
ния представлен в табл. 5.16.
Укажем, что во втором разделе технического задания особо выделя-
ется характеристика помещения ^среды) в соответствии с правилами
устройства электрических установок (ПУЭ) с дальнейшей формулиров-
кой требований по электробезопасности [98, 99]. В разделе ’’Свето-
технические требования” наряду с формулировкой требований к полю
излучения, создаваемого ОСУ, указываются требования к технике бе-
зопасности по вредному воздействию излучения [34].
Согласованное и утвержденное в установленном порядке техническое
задание является основным документом, которому следует исполнитель
(проектировщик) при разработке проекта.
178
В заключение приводим некоторые практические рекомендации по
проектированию ОСУ.
1. В том случае, когда на первой стадии проектирования нет полного
представления об оптических характеристиках приемника ОИ, достаточ-
ными могут считаться сведения о спектральном коэффициенте поглоще-
ния излучения и спектральной области излучения, приводящей к вред-
ному (например, ингибирующему) воздействию. Особое значение имеет
хотя бы примерное знание пространственных и временных характерис-
тик приемника ОИ, так как от этого в существенной мере зависят тип
ОСУ, схема питания и др.
2. Предварительные данные о характеристиках приемника ОИ сов-
местно с конструктивными особенностями сооружения и ресурсными ог-
раничениями позволяют выбрать тип источника или сформулировать тех-
нические требования (или техническое задание) по разработке нового ИИ.
Окончательный выбор ИИ определяется обычно на стадии эскизного
проекта после проведения многовариантных технико-экономических
расчетов.
3. Выбор ИИ, предварительные сведения о приемнике ОИ, а также
сформулированные требования к сооружению, в котором размешается
ОСУ (климатические, механические и др.), позволяют выбрать ОП.или
сформулировать технические требования (техническое задание) на но-
вый прибор. Во многих случаях в качестве элементов ОП могут быть
использованы конструктивные элементы сооружения: иногда само
сооружение (установка) конструируется с учетом разработки ОСУ
(например, печи оптического нагрева) .
4. Данные, полученные по пп. 1—3, позволяют рассчитать ОСУ и оце-
нить ее производительность, примерные затраты на проектирование,
монтаж и эксплуатацию. Как правило, на этой стадии работы расчеты
ОСУ проводятся без детальной проработки, с привлечением ориентиро-
вочно определенных коэффициентов (КПД ИИ, КПД ОП, коэффициента
использования, лимитных цен, ориентировочных сроков службы и др.).
В некоторых случаях, когда поле излучения ОСУ дополняется излу-
чением других ИИ (например, естественным излучением), проводится
оценка действия этого излучения и вносится коррекция по основному
излучению.
5. Даже достаточно точные значения реакции приемника ОИ в функ-
ции светотехнических параметров не освобождают от необходимости
проведения модельных опытов, приближенных по параметрам к будуще-
му рабочему проекту. Такое моделирование необходимо проводить по
возможности либо с ИИ, ОП, ПРА и т.п., которые являются в точности
такими, которые будут использованы в ОСУ, либо с моделями, масшта-
бировать которые можно с достаточной степенью точности.
Как правило, на этой стадии работ удается выбрать аппаратуру для
измерения и контроля светотехнических характеристик ОСУ или сфор-
мулировать требования для ее разработки.
179
6. При проектировании должен быть предусмотрен определенный
резерв мощности. Значение этого резерва (коэффициента запаса) в каж-
дом типе ОСУ выбирается по-разному и определяется как изменением
характеристик ИИ, ОП в процессе работы (до смены, чистки и т.п.),
так и возможными нестабильностями характеристик приемника ОИ,
напряжения сети, изменением оптических характеристик среды и тл.
7. При проектировании ОСУ важно (если нет принципиальных огра-
ничений) предусмотреть возможность регулирования светотехнических
параметров (облученность, доза и др.) либо путем изменения расстоя-
ния между приемником ОИ и ОП, либо путем регулирования парамет-
ров ОП. При этом следует помнить, что в большинстве случаев регули-
рование характеристик ИИ и ОП путем изменения напряжения имеет оп-
ределенные границы, изменение расстояния ниже определенных преде-
лов может привести к неравномерности поля излучения.
8. При проектировании ОСУ следует в максимальной степени исполь-
зовать отражающие свойства поверхностей сооружения, обращать вни-
мание на возможность легкого доступа к элементам ОСУ, по возможно-
сти использовать однородные по форме, массе, площади и тд. объекты
облучения (особенно это относится к фотофизическим установкам),
принимать меры против воздействия коротковолнового излучения, ко-
торое может привести к деструкции отдельных элементов сооружения,
и др.
9. Как правило, распределительное или управляющее электрическим
режимом ОСУ устройство не должно находиться в зоне ОСУ, а должно
быть смонтировано в специальном шкафу. Должна быть также предус-
мотрена блокировка с отключением ОСУ или его отдельных блоков в
случае различных (критических) нарушений в работе ОСУ.
Распределительное устройство (шкаф управления) должно быть
снабжено контрольно-измерительными приборами или процессором,
управляющим работой ОСУ.
В больших установках целесообразно групповое питание ОП с воз-
можностью включения и отключения части установки.
10. В некоторых случаях решающую роль при проектировании ОСУ
и его элементов могут играть вопросы техники безопасности и удобство
обслуживания ОП, ИИ, ПРА и др. В этих случаях компромиссные реше-
ния (например, выбор высоты подвеса, усложнение конструкции ОП,
удорожание схемы питания, выносные управляющие приборы, дополни-
тельная блокировка и др.) принимаются с учетом приоритета безопас-
ности эксплуатации ОСУ.
В некоторых случаях (например, ОСУ обогрева), когда в поле излу-
чения постоянно находится человек, необходимо учитывать наличие
вредного излучения и предусматривать необходимые меры по дости-
жению комфортности излучения (в частности, зрительного).
11. В большинстве случаев (особенно когда речь идет об ОСУ фото-
биологического действия на человека) при проектировании установ-
180
ки и ее отдельных элементов следует обращать внимание на эстети-
ческую и эргономическую стороны проекта, сочетание ОСУ с архитек-
турными особенностями сооружения (прибора), в котором будет эксп-
луатироваться установка.
12. Перед сдачей ОСУ в эксплуатацию заказчику должны быть про-
ведены достаточные по времени эксплуатационные испытания, кото-
рые фиксируются в специальном техническом отчете. Замечания и пред-
ложения по этим испытаниям служат основой дальнейшего усовершен-
ствования ОСУ.
Глава шестая. ПРИМЕРЫ ОБЛУЧАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК
6.1. Облучательные установки фотофизического действия
Самой большой группой ОСУ физического действия являются уста-
новки, где используется тепловое действие ОИ. По сложившейся тради-
ции к первой группе этих установок относятся установки имитации сол-
нечного излучения. Они отличаются разнообразием конструкций, боль-
шим диапазоном мощностей, разной степенью имитации солнечного
излучения.
Для экспериментальной отработки и проверки надежности космичес-
ких аппаратов (КА) создаются тепловакуумные камеры (ТВК), вклю-
чающие в себя имитаторы солнечного излучения (ИСИ), назначение ко-
торых - воспроизвести натурные условия эксплуатации КА [100]. Этот
тип имитатора считается современным, если неоднородность поля пото-
ка излучения во всем объеме рабочей зоны не превышает ± 5 %, расхо-
димость лучей - не более ± 2° , среднеквадратичное отклонение спектра
ИСИ от кривой распределения и интенсивности солнечного излучения по
спектру - не более ± 5 % в диапазоне длин волн от 0,2 до 3 мкм.
Основной вклад в тепловой баланс КА вносит область спектра
0,3—3 мкм, где сосредоточено 97% всей энергии излучения Солнца. Из-
лучение в области 0,2-0,3 мкм, которое составляет всего лишь 1% сол-
нечного излучения, сильно влияет на поверхностные свойства многих
материалов, в частности на оптические характеристики покрытий, кото-
рые в свою очередь определяет тепловой баланс КА. Поэтому в ИСИ
очень важно воспроизвести ультрафиолетовую область спектра Солнца.
Для обеспечения характеристик ИСИ, указанных выше, в качестве ИИ
наиболее часто используются ксеноновые лампы и угольные дуги высо-
кой интенсивности. Хорошее приближение к солнечному спектру полу-
чают и с помощью металлогалогенных ламп на основе хлорида алюминия
AICU, иодида индия InY и галогенов олова SnY3, SnBr2. В некоторых
типах ИСИ, где не обязательно воспроизведение коротковолнового диа-
пазону спектра Солнца, можно применять лампы накаливания, инфра-
красные излучатели (например, ТЭН).
181
Рис. 6.1. Различные типы ИСИ
Необходимые углы расходимости лучей и равномерность облучен-
ности в рабочем объеме обеспечиваются оптическими коллимирующими
системами ИСИ. В зависимости от применяемой оптической коллими-
рующей системы ИСИ можно разделить на три типа: модульный
(рис. 6.1,д), засветочный (рис. 6.1 ,б), неосевой (рис. 6.1 ,в).
Наилучшими имитационными качествами обладают неосевые, длин-
нофокусные, одномодульные ИСИ. Примером такого ИСИ является сол-
нечный имитатор лаборатории реактивного движения IPL (США) в
25-футовой камере, имитирующей космическое пространство [101]
(рис. 6.2,а). ИСИ состоит из светового щита, оптического интегратора
и коллимирующего сферического отражателя. Отражатель направляет
энергию излучения лампы на оптический интегратор, который форми-
рует упавший на него световой поток в определенном телесном угле и
передает его на коллимирующий отражатель. Центр выходной поверхно-
сти оптического интегратора помещен в ’’фокус” отражателя.
Оптический интегратор состоит из двух рядов шестиугольных линз
по 19 линз в каждом. Каждая пара линз (по ходу луча) расположена
соосно и действует как проектор. Входная линза концентрирует поток
излучения светового щита на выходной линзе. Последняя создает изоб-
ражение входной линзы на удаленном от интегратора расстоянии.
Принцип действия оптического интегратора в целом состоит в том,
что падающий на него неравномерный поток излучения дробится каждой
парой линз на отдельные элементарные световые пучки. Поскольку
все пары линз идентичны, они формируют световые пучки в одинаковых
телесных углах. При отражении от сферического отражателя все элемен-
тарные пучки накладываются в испытательном объеме, благодаря чему в
области наложения обеспечивается высокая равномерность облученно-
сти. Размер светового пучка можно регулировать в некоторых пределах
путем изменения расстояния между рядами линз.
Сферический отражатель коллимирует прошедший через иллюмина-
тор после оптического интегратора пучок света и направляет его в рабо-
чую зону, создавая световое пятно необходимых размера и структуры.
182
Рис. 6.2. Имитаторы Солнца типов IPL (США) (в) и ИС-160 (СССР) (б) :
1 — кожух; 2 - первичный коллимирующий отражатель; 3 - внутренняя обо-
лочка; 4 - вакуумный баллон; 5 - диффузионный насос; б - солнечный пучок
в испытательной зоне; 7 - преобразовательная линза; 8 - две интегрирующие
линзы; 9 - солнечный экран; 10 - уровень земли; 11 - комплект ксеноновых
ламп; 12 - цокольный этаж; 13 - вибростенд
Отражатель представляет собой неосевой участок сферической поверх-
ности. Он рассчитан таким образом, что лучи, вышедшие из центра ин-
тегратора и отразившиеся от него, распространяются практически парал-
лельно оси камеры.
Такая установка ИСИ обеспечивает облученность около 1,4 кВт/м2,
угол расходимости лучей а = ± 1 °, равномерность облученности ± 5 %.
Рабочая зона ИСИ - вертикальный цилиндр диаметром 6,1 м, облуча-
емый сверху (с торца).
183
Таблица 6.1. Технические данные имитаторов Солнца
т„„ Радиус кривизны отража- Габаритные размеры рабо
1 ИИ ЛоМПЫ
теля, мм чей зоны, м
ДКсРМ70000 6370 2,4 х 2,6 (овал)
ДКсРМ55ООО 6370 2,1 х 2,3 (овал)
6080 1,6 х 1,8 (овал)
Примечание. Облученность, создаваемая имитаторами Солнца, 1,6 кВт/м2;
угол параллельности лучей ±4°; глубина рабочей зоны облучения 2,5-3 м.
В [102] описана аналогичная система, созданная на основе ламп
ДКСРМ. Параметры имитаторов представлены в табл. 6.1.
Отечественные имитаторы типов ОС-78, ОС-80, ОС-4, ИС-160 на ксено-
новых шаровых лампах с размерами облучаемых площадок до 120 мм
в диаметре описаны в [103]. На рис. 6.2,6 приведен общий вид имита-
тора ИС-160.
Принцип действия имитаторов, например ОС-80, следующий. Излу-
чение от лампы попадает на конденсор. Для более полного использова-
ния потока излучения лампы применен контротражатель. Пройдя кон-
денсор, лучи создают изображение источника в плоскости объектива,
который изображает диафрагму, стоящую перед конденсором на осве-
щенной площадке. Размер освещенной площадки, удаленной от объек-
тива на 1864 ± 10 мм, может регулироваться в пределах от 40 x 40 до
120х 120 мм с помощью диафрагмы. Для измерения освещенности на
объекте используется измерительное устройство. В качестве источника
излучения используется лампа ДКсР-ЗОООМ, фокусное расстояние объек-
тива равно 824 мм. На объектив нанесено корригирующее многослойное
интерференционное покрытие. Неравномерность освещенности имита-
тора (± 15 %) измерена с помощью приемника диаметром 20 мм.
Имитатор ИС-160 имеет аналогичное устройство. Отличие состоит в
том, что фокусное расстояние объектива равно 480 мм и изображение
диафрагмы с помощью объектива находится в бесконечности. Источник
излучения - лампа ДКсР-5000М.
Рядом государственных стандартов, нормирующих испытания на теп-
ловую и светотепловую стойкость материалов, предписаны методы и
средства совместного действия тепла, влаги и облучения.
На рис. 6.3 представлена установка типа УИС-1 для испытания на све-
тостойкость материалов. Установка состоит из блока осветителя, пред-
метного стола и стоек. Блок осветителя представляет собой светоопти-
ческую систему из двух дуговых ксеноновых трубчатых ламп мощ-
ностью 1500 Вт и зеркального отражателя, обеспечивающего равномер-
ную освещенность на предметном столе, а также блока зажигания и уп-
равления питанием ламп. Расстояние между осветителем и предметным
184
Рис. 6.3. Установка испытания материалов на свето-
стойкость УИС-1
столом можно регулировать в пределах 0,2-
0,6 м. При максимальном расстоянии освещен-
ность - не менее 20 клк.
Одна из установок фирмы Original Hanau
”Ксенотест-1200” предназначена для испытаний
красителей, лаков, специальных материалов и
изделий. В состав облучателя входят три
ксеноновые лампы по 4,5 кВт каждая. Опти-
ческая система рассчитана на работу с фильт-
рами из специального или обычного стекла.
Облученность на рабочей площади 80 Вт/м2.
В камерах ”Ксенотест-1200” в широких пре-
делах регулируются температура и влажность.
Имеются сообщения [104] о создании испытательных камер на основе
люминесцентных ламп, в которых усилена фотохимически активная
составляющая спектра (290-400 нм) .
Наряду с установками стационарного действия в некоторых случаях
успешно используется режим кратковременного, импульсного облуче-
ния, например имитация ’’теплового барьера” при испытании материалов
для ракетной техники в лабораторных или производственных условиях.
Одна из таких облучательных установок [105, 22] создает внутри экспе-
риментальной зоны за несколько секунд температуру примерно 1700 °C
при форсировании режима работы 225 трубчатых кварцевых ГЛН по
2,5 кВт каждая, расположенных внутри цилиндрического кожуха.
Рассмотрим теоретически систему ’’цилиндр в цилиндре”. Внеш-
ний цилиндр нагрет до температуры Т2. Полагая цилиндр бесконечным
и учитывая, что доля излучения, упавшего с внешнего цилиндра на внут-
ренний, F1.i = Г1 /г2 [13],получаем:
поток на внутренний цилиндр Ф1 = 2яе2аТ*гх;
излучение, поглощенное единицей поверхности внутреннего ци-
линдра;
% = aie2oT24;
температура внутреннего цилиндра при условии, что он охлаждается
только излучением,
Л = s/aiej/ei-
Полагая для простоты ei = е2, находим
Л = Т2 х/й1!
185
Если at =0,4, то
Т, * 0,7 Т2.
Если цилиндры имеют конечную длину /, то [13]
1
— < arccos
яА
в
А
2
1
R
arccos х
+ Barcsin
яЛ
Т
при
где R=ri/rl- L*l/rx-, А = L1 + R2 - 1; В = L2 -R2 + 1.
Использование ОСУ нагрева открывает хорошие перспективы
решении технологических задач сварки, пайки и плавки металлов. При
этом важное значение имеет ряд особенностей такого нагрева: бескон-
тактность, возможность термообработки независимо от электрических
и магнитных свойств материала, отсутствие механического воздействия
на нагреваемый объект и др. [106].
В качестве примера ОСУ нагрева рассмотрим установку ”Уран-1”
(рис. 6.4) [107]. Она состоит из источника излучения, концентратора,
источника питания с регулированием мощности. Источником излучения
в установке служит ксеноновая лампа типа ДКсР-10000. Из 10 кВт пот-
ребляемой мощности 3 кВт составляют потери на электродах, 1,5 кВт —
тепловые потери и 5,5 кВт излучаются, из них 10% - в УФ, 35% - в ви-
димой и 55% — в ИК части спектра. Концентратором в установке явля-
ется стеклянный эллиптический отражатель диаметром 600 мм с меж-
фокусным расстоянием 1000 мм и углом охвата 195°. Во втором фо-
кусе зеркала мощность потока излучения составляет 2,5—3 кВт. Плот-
ность потока излучения можно регулировать в пределах 150-1000 Вт/см2
путем плавного изменения тока лампы.
По (5.16) стационарная температура образца, охлаждаемого только
излучением, должна составить
Т
1 ст
е„ °
пр
0,4 1000 • 10*1 „„„„„
-------------- « зооо к.
/х, 5,67 _
В экспериментах по расплаву ряда металлов получена температура,
близкая к 3000 К.
На базе описанной установки было разработано несколько вариантов
ОСУ, нашедших применение, в частности, при сварке, выращивании
кристаллов [106]. Так, одна из таких установок состоит из ксеноновой
лампы типа ДКсР5000, оптической системы из двух стеклянных эллип-
соидных отражателей диаметром 315 мм с углом охвата 180°, кварце-
вой шаровой колбы для размещения образца, электромеханической сис-
темы регулирования потока излучения в рабочей зоне и блока питания.
186
Рис. 6.4. Установка "Уран-1”:
1 - концентратор; 2 - ис-
точник излучения; 3 - контр-
отражатель; 4 — нагреваемый
объект; 5 - источник пита-
ния; 6 - шкаф управления
Облученность в фокальной плоскости неравномерная. В зависимости
от используемого диаметра пучка интегральная облученность меняется
от 1000 Вт/см2 (диаметр 2 мм) до 500 Вт/см2 (диаметр 7 мм). В пучке
диаметром 7 мм облученность может изменяться от 135 до 500 Вт/см2
при изменении тока лампы в пределах рабочего режима от 60 до 140 А.
Стабильность потока излучения в фокальной плоскости составляет
± 2,5 % при использовании выпрямителя со стабилизатором по току на
выходе в пределах ±3%.
При использовании конденсорной оптики концентрация энергии мо-
жет быть увеличена до 1900 Вт/см2. При такой плотности удается распла-
вить фольгу из молибдена толщиной 0,3 мм в диаметре 4 мм, сварить
листовую нержавеющую сталь, титановый сплав толщиной 0,5 мм при
скорости перемещения стола 10 м/ч, спаять два листа стали толщиной
1 мм медью при скорости перемещения стола 10 м/ч.
187
Для плавки большинства тугоплавких материалов можно использо-
вать биэллипсоидную систему. На такой установке с лампой ДКсРбООО
были расплавлены образцы в виде стержня диаметром 3 и длиной 5 мм,
изготовленных из кварца, оксида алюминия и диоксида циркония. Об-
разцы оплавляли на воздухе при Рл = 5000 Вт, при этом участок стержня
2-3 мм оплавлялся в течение 2—3 с (106].
Поиски новых лазерных материалов на основе кристаллов с высокой
температурой плавления (выше 1900 °C) были проведены [106] с по-
мощью модификации ОСУ "Уран-1” на основе трех вертикальных опти-
ческих систем, показанных на рис. 6.5.
Радиационный нагрев тонкостенных заготовок применяют при токар-
но-давильной обработке [8]. Этот метод нагрева вытеснил применяв-
шийся ранее нагрев газовым пламенем, который приводил к нарушению
поверхностного слоя заготовок и не обеспечивал равномерности нагрева.
При нагреве тонкостенных пластин до сравнительно низких темпе-
ратур оценку температуры пластины при одностороннем облучении мож-
но сделать по (5.19) :
Т = Т + —- •
С 8 вк
При этом ак = {ДГ1/3,а f = 1,72-г 1,19 в пределах температуры нагре-
ваемого изделия 0—500 °C [75]. Например, для создания ДГ = 200 °C
при температуре окружающей среды Гв = 20 0 С и коэффициенте погло-
щения излучения а = 0,7 -
ак =8,2 Вт/(м2 °C); Ее = 2400 Вт/м2.
Радиационный нагрев заготовок при токарно-давильной обработке
осуществляется по двум схемам (рис. 6.6). На схеме на рис. 6.6,а кони-
ческая заготовка 1 устанавливается на вращающуюся оправку 2 и наг-
ревается излучателями 3, заключенными в конический рефлектор 4.
Панель нагревательной установки имеет продольный вырез для пропус-
кания давильника, который при своем движении в направлении, пока-
занном стрелкой, деформирует заготовку, придавая ей конфигурацию
оправки.
При больших размерах заготовки целесообразно нагревать не всю за-
готовку, а только кольцевой участок, деформируемый в данный момент
(рис. 6.6,б).
Для нагрева до температуры ковки цилиндрических заготовок диа-
метром 100-200 мм и длиной до 450 мм применяется мощная отража-
тельная печь [8], состоящая из девяти параболических модулей мощ-
ностью 20 кВт каждый. Они охватывают заготовку по кругу (рис. 6.7).
Преимуществом такой схемы печи является обеспечение быстрого разъе-
ма камеры нагрева для загрузки и выгрузки заготовки. Исследования
188
Рис. 6.5. Принципиальная схема установки радиационного нагрева:
1 - ИИ; 2 — отражатели; 3 — электромеханическая заслонка; 4 — модуля-
ционный диск с электромотором; 5 - микроскоп; 6 - датчик фотоэлектричес-
кого пирометра; 7 - нагреваемый образец; 8 - кварцевая колба
показали, что быстрый нагрев до температуры порядка 1520 °C позво-
ляет вдвое уменьшить толщину обезуглероженного слоя стали по срав-
нению с обычными методами нагрева. Эту установку используют так-
же для пайки, сварки, пластической деформации, испытаний конст-
рукций в условиях аэродинамического нагрева и др.
Использование ИК-нагрева имеет хорошие перспективы при обра-
ботке различных пластических материалов. В [22, 106] приведены
многочисленные примеры нагрева пластических материалов перед фор-
мованием. Особо подчеркивается необходимость подбора ИИ с учетом
189
Рис. 6.6. Схемы токарно-давильной обработки с радиационным нагревом:
а - общий подогрев заготовки; б - локальный подогрев
Рис. 6.7. Мощная отражательная печь для нагрева заготовок под ковку:
1,2- раздвижные блоки печи; 3 — нагреваемая заготовка; 4 — параболичес-
кий отражатель; 5 - ГЛН; 6 - кварцевое окно; 7 - пневмоцилиндр подъема и
опускания заготовок
соответствия спектра его излучения спектру поглощения материала.
Так, поливинилхлорид практически полностью поглощает ’’темное”
излучение при 3 мк и значительно лучше пропускает ’’светлое” излуче-
ние. В установке для нагрева ПВХ-пленки перед тиснением применены
керамические, ’’темные” излучатели. Аналогичным образом с помощью
’’темных” излучателей решается задача нагрева тонких слоев поливинил-
хлорида при изготовлении искусственных кож.
При нагреве толстостенных изделий из поливинилхлорида (например,
труб) применяют ’’светлые” излучатели. Это дает возможность разогреть
материал по всей массе. Излучение ’’темных” излучателей было бы пог-
лощено поверхностными слоями поливинилхлорида.
В последние годы системы нагрева пластмассовых изделий перед их
последующей обработкой (например, штамповкой) снабжены компью-
терами, следящими за температурой объекта (ее равномерностью) и
ее регулированием путем изменения электрического режима ИК-излу-]
чателей [108].
Примером нагрева пластиковой пленки посредством ’’светлого”
ИК-излучения является процесс изготовления многослойного стекла.
В этом случае общий нагрев стекол приводит к их растрескиванию, а
’’темное” ИК-излучение в основном поглотилось бы в первом слое стек-1
190
ла, не разогрев промежуточную пластиковую пленку. В [109] описан
процесс триплексирования стекла (промежуточный слой - поливинил-
бутирольная пленка) с помощью ОСУ на основе ксеноновых ламп типа
ДКсТВ 15000. Время обработки пакета при одностороннем облучении
20 с при облученности 100 Вт/см2.
Облучательные приборы ИК-нагрева применяются для предохранения
машин и механизмов, работающих на открытом воздухе и подверга-
ющихся воздействию мороза [22]. В этом случае нет необходимости
обогревать всю машину или крупногабаритный механизм, а достаточно
создать нормальные температурные условия только для наиболее ответ-
ственных узлов и деталей (подшипников, узлов смазки, транспортных
роликов и т.п.).
В [22] описывается использование ИК-нагрева при разгрузке вагонов
с углем, железнодорожных цистерн с вязкими жидкостями (мазутом,
маслами, жирами и т.д.), для оттаивания снега и льда с Тротуаров. В [22,
48] подробно описано применение газовых ИК-облучателей при безга-
ражном содержании транспортных средств.
Широкое применение ОСУ нагрева получили в электронной промыш-
ленности [8]. Как известно, планарная технология изготовления полу-
проводниковых структур состоит из чередования термических и фотоли-
тографических процессов. К основным термическим процессам отно-
сятся: термическое окисление кремния, эпитаксиальное наращивание
слоев кремния, германия и др.; процессы осаждения диэлектрических и
металлических слоев методами пиролиза и термохимических реакций;
отжиг полупроводниковых структур для снятия радиационных дефек-
тов после имплантации; термообработка для улучшения электрофизи-
ческих свойств пассивирующих пленок и др.
Схемы основных конструкций отражательных ИК-печей представле-
ны на рис. 6.8 [9], Если плоские и цилиндрические отражатели заменя-
ются набором индивидуальных рефлекторов (обычно параболических),
то возникают дополнительные варианты (рис. 65).
В [8] даны основные приемы формирования температурных полей
для каждого типа отражательных печей. Так, для печи типа А наиболее
эффективным является применение ГЛН с дифференциальным излуче-
нием. При этом наиболее целесообразно применение двух или трех групп
ламп с раздельным питанием каждой группы. Таким путем [8] в печах
’’Изотерм” удалось получить "плоскую” температурную зону с равно-
мерностью ±1,5 °C длиной 250-270 мм. Отмечается, что для формиро-
вания ’’плоской” температурной зоны принципиально важным конструк-
тивным элементом любой печи типа А являются высокоэффективные
торцевые отражатели, плоскости которых перпендикулярны оси главно-
го цилиндрического отражателя.
В печах типа Б главными факторами, позволяющими воздействовать
на форму температурной зоны в направлении продольной оси реактора,
являются переменный шаг между основными, поперечно расположенны-
191
Рис. 6.8. Схемы основных конструкций отражательных ИК-печей:
А - коаксиальная цилиндрическая; Б - с плоскими горизонтальными отража-
телями и прямоугольным реактором; В - вертикальная с внешним нагревом;
Г - вертикальная с внутренним нагревом; Д - открытая панельного типа; 1 -
высокотемпературные ИК-излучатели ГЛН; 2 - кварцевый реактор; 3 - водо-
охлаждаемые рефлекторы; 4 - нагреваемые подложки; 5 - лучепрозрачный эк-
ран; 6 — пьедестал; ПГС — парогазовая смесь
ми ГЛН и объединение их в группы с раздельным питанием. Этим спосо-
бом удается получить как ’’плоскую”, так и ступенчатую зону. На
рис. 6.10 показаны варианты установки ГЛН; ’’плоская” зона показана
пунктирной линией.
Для печей типа В в принципе применяются способы, описанные для пе-
чей типа Б. Отмечается, что в этом случае нагреваемые пластины распо-
лагаются на вращающемся пьедестале (пирамиде), благодаря чему тем-
пературное поле приобретает осесимметричный характер. Кроме того,
появляется дополнительная возможность выравнивания температуры
при изменении формы пьедестала и его теплофизических свойств.
По печам типа Г общие рекомендации дать трудно: эти печи отлича-
ются большим разнообразием конструкций. В печах типа Д обычно при-
192
Рис. 6.9. Преобразование схемы основных конструкций отражательных ИК-печей
с параболическими рефлекторами (обозначения те же, что и на рис. 6.10)
Рис. 6.10. Способы формирования температурных "плоских” зон в печах типа Б с
плоскопараллельными рефлекторами (БП - блоки раздельного электропитания
групп ГЛН)
193
меняют рефлекторы с соответствующим профилем, варьируют шаг раз-
мещения ГЛН и применяют групповое питание [8].
Важнейшим конструктивным элементом отражательных камер, опре-
деляющим их КПД, тепловую инерционность и равномерность облучения
объектов нагрева, является рефлектор (отражатель), изготовляемый
обычно из металлов и сплавов. Среди чистых металлов серебро, медь,
золото, алюминий являются лучшими для изготовления отражателя.
Необходимо отметить, что рефлекторы в камерах ИК-нагрева техно-
логического оборудования работают в довольно жестких условиях:
конденсация атмосферной влаги, возможность контактирования с хло-
ридами, бромидами, иодидами, хлористым водородом и другими агрес-
сивными материалами и т.д. Поэтому важной эксплуатационной харак-
теристикой рефлекторов является стабильность их отражательных ха-
рактеристик в течение срока эксплуатации.
Из четырех названных выше металлов с максимальной отражательной
способностью только золото обеспечивает высокую стабильность реф-
лектора, работающего, как правило, в жестких условиях: влажность,
пары галогенидов, хлористый водород и тл. Естественно, что оно приме-
няется только в виде покрытий.
Чистый алюминий в самых благоприятных условиях быстро покры-
вается плотной пленкой оксида толщиной 0,01-0,015 мкм, которая в
дальнейшем не увеличивается. Лучше использовать чистые марки алю-
миния (содержание А1 более 99,7%) без специального защитного слоя
или со слоем А12О3 минимальной толщины.
Отражатели в ИК-области, выполненные из серебра и меди, не могут
работать в атмосфере без защиты поверхности из-за их низкой корро-
зионной стойкости. Один из возможных способов защиты — напыление в
вакууме тонких слоев монооксида кремния SiO. В отдельных конст-
рукциях камер удается изолировать отражающую поверхность рефлек-
тора герметичной полостью, которая заполняется защитным газом, на-
пример осушенным азотом. Так, в конструкции печи ’’Изотерм” [8]
медный отражатель с продувкой осушенного азота сохраняет хорошую
отражательную способность в течение 1,2—2 лет. При этом сравнитель-
ные измерения показали, что эффективность медного рефлектора прак-
тически не уступает золоченому.
На рис. 6.11 представлена схема конструкции локального ИК-нагрева-
теля. Отражающие полуэллипсоиды 3 и 4 выполнены методом центро-
бежного литья алюминия с последующим полированием. В зависимости
от типа устройства при фокусной части сменного полуэллипсоида 4 мож-
но нагревать торец стержня, его боковую поверхность, пятно на плоско-
сти и пр. При работе без него удобство доступа к объекту повышается,
но одновременно несколько падает облученность (на 10-15 %) и соот-
ветственно снижается температура нагрева. При мощности нагревателя
от 250 до 750 Вт диаметр пятна в фокусе составляет от 4,1 до 6,4 мм,
облученность 20-52 Вт/см2, со сменным полуэллипсоидом - 40 —
194
Рис. 6-11. Схема конструкции ло-
кального ИК-нагрсвателя мод.
4085 фирмы ’’Research”:
1 - корпус; 2 - термоизлу-
чатель; 3 - основной полуэллип-
соид; 4 - сменный полуэллип-
соид
100 Вт/см2. Описанный локальный ИК-нагреватель применяется для бес-
контактной пайки и распайки электронных компонент, проволоки и
мелких деталей, различных видов термических испытаний образцов и
пр. [8].
Принцип импульсного ИК-облучения применен при сварке и пайке
различных материалов [75]. Примером может служить установка для
пайки выводов керамических конденсаторов с применением импульс-
ного- облучения. Обрабатываемыми объектами являются керамичес-
кие пленочные конденсаторы, а также литые секционные конденсато-
ры. Схема установки показана на рис. 6.12.
В последние годы термическая обработка полупроводниковых плас-
стин при отжиге радиационных дефектов, выжигании контактов, ре-
кристаллизации пленок, диффузном легировании примесей и других
технологических процессах полупроводниковой техники проводится
с помощью импульсных установок на ксеноновых разрядных лампах.
В [56] описаны установки с использованием бесконденсаторных
схем питания ламп, обеспечивающих энергетическую экспозицию до
300 Дж/см2.
195
131
Рис. 6.13. Установка сушки покрытий кожухов трансформаторов:
а - форма обрабатываемой детали; б - расположение 18 нагревателей типа В
мощностью, кВт: 1 «- 0.3; 2 -0,5; 3 -0,5; 4 - 0,75; 5 - 0,75
Большой группой установок теплового действия являются ОСУ
сушки. В табл. 5.4 дана общая характеристика этих установок. В настоя-
щее время используются ОСУ сушки периодического действия (камер-
ные) и непрерывного (туннельные) [75]. Применяются установки зак-
рытого и открытого типов,
В установках закрытого типа особое внимание обращается на обеспе-
чение взрывобезопасности при сушке лакокрасочных покрытий. При
этом одной из главных мер является пропускание через установку та-
кого количества воздуха, которое исключает появление в камере кон-
центраций взрывоопасных растворителей выше предельно допустимой.
В [ПО] описана установка сушки покрытий кожухов трансформато-
ров. Форма изделия приведена на рис. 6.13,я, размещение ИК-излучате-
лей - на рис. 6.13,6. В такой установке вместо ИК-ламп общей мощ-
ностью 80 кВт (тип А) используются длинноволновые ИК-излучатели
(тип В) мощностью 50,4 кВт. Скорость конвейера перемещения изделий,
подвешиваемых с шагом 1,1 м, равна 0,78 м/мин, длина печи 3, ширина
1,6, высота 1,8 м. Особо следует отметить, что модернизация технологии
с переводом на длинноволновые излучатели позволила уменьшить мощ-
ность установки на 35 %.
Концерн General Motors (США) внедрил окрасочную технологию,
при которой при нанесении верхних слоев автомобильного покрытия ис-
пользуется прозрачный покрывной слой на водной основе [111]. Вве-
дение новой технологии повлекло за собой реконструкцию производ-
ства, в частности установку оборудования ИК-сушки на участке конвей-
ера между окрасочной камерой и печью горячей сушки. Режим сушки и
оптические свойства слоев подобраны так, что излучение, отражаясь от
металлической подложки, создает высокую концентрацию поля излуче-
196
Рис. 6.14. Установка ”Квант-1”
ния на границе раздела фаз. При этом происходит нагрев лака со сторо-
ны подложки, начинается интенсивное испарение растворителей и одно-
временное отверждение лакокрасочной пленки. Такая ИК-сушка не соп-
ровождается нагревом окружающего воздуха, что позволяет избежать
расходов на его нагрев, а также проблем, связанных с попаданием части-
чек пыли. При усовершенствовании технологии было сэкономлено 27 м
длины производственной линии, что в стоимостном выражении состав-
ляет сотни тысяч долларов. В дальнейшем предполагается расширить
использование ИК-сушки, например при окраске грузовых автомоби-
лей.
НПО ’’Спектр” разработало установку ”Квант-1” для ускоренной суш-
ки лакокрасочных покрытий ОИ [112]. Она может быть использована
как при производстве ремонтных работ автомобильной, сельскохозяй-
ственной и других видов техники, так и при конвейерном поточном
производстве для сушки лакокрасочных покрытий и термообработки.
Установка (рис. 6.14) состоит из гибкой излучающей панели, пульта
управления и платформы (тележки) на колесах. Излучающая панель
имеет пять элементов, шарнирно связанных между собой и оборудован-
ных двумя облучательными приборами, источником излучения в кото-
197
рых являются трубчатые кварцевые галогенные лампы КГ22О-23О-5ООО.
Всего на излучающей панели установлено 10 ламп. Панель благодаря
шарнирному соединению излучающих элементов может принимать вер-
тикальное, наклонное, Г- и С-образное положения. С помощью двух уста-
новок в С-образном положении может быть составлен модуль для кон-
вейерного производства. Кронштейн, предусмотренный для крепления
излучающей панели к пульту управления, может быть установлен на лю-
бой высоте металлоконструкции в зависимости от положения конвей-
ера. Установка имеет шесть режимов включения излучающих элементов.
ИК-нагрев с успехом применяется в бумажной промышленности для
подсушки влажного бумажного листа, картона и пергамента [75, ИЗ,
114], что повышает качество бумаги по сравнению с бумагой, получен-
ной традиционным методом, использующим для сушки нагретый пар.
Одна из установок для бумажной промышленности [114] выполнена в
виде туннельного перекрытия (свода), смонтированного на машине,
вырабатывающей писчую бумагу, и используется для выравнивания по-
перечного профиля влажной бумаги. Установка трехзонная, каждая зона
включает в себя панели с раздельным регулированием мощности. Для
защиты кварцевых трубок и отражателей панели закрыты прозрачным
кварцевым стеклом. Установленная электрическая мощность 750 кВт,
плотность мощности 220 к Вт/м2.
Газовые ИК-излучатели применяются в текстильной промышленности
для сушки штапельной и хлопчатобумажной основы ткани [75]. Горел-
ки устанавливают в один ряд непосредственно под нитями пряжи перед
направляющими валками шлихтовальной ванны. Расстояние между ке-
рамической излучающей поверхностью горелок и пряжей можно изме-
нять в пределах 200-300 мм. Над горелками для повышения КПД
установки расположен плоский отражатель из дюралюминия, возвраща-
ющий на пряжу пропущенное слоем нитей излучение. Скорость машины
составляет 0,4—0,5 м/с. Температура продуктов сгорания не превышает
260 °C; пряжа, проходя над горелками, нагревается ИК-излучением и
продуктами сгорания газа от 20 до 31 °C. Это приводит к снижению
влажности пряжи перед шлихтованием на 50% и увеличивает ее проч-
ность при разрыве на 5 %.
Облучательные ИК-установки в пищевой промышленности применяют
для сушки кунжутовых семян, ячменного солода, табака, кондитерских
изделий, хлеба, обработки рыбы [75] и др.
Так, при сушке кунжутовых семян лампы ИКЗК250 располагают над
транспортерной лентой на расстоянии 500 мм. Толщина слоя семян
10-15 мм при начальной влажности 5-10%, продолжительность сушки
5—10 мин. По сравнению с паровой сушкой ИК-сушка обеспечивает луч-
шее качество семян.
Еще одним примером установки для пищевой промышленности яв-
ляется установка для копчения рыбы [75 ]. Она имеет рабочую камеру
198
объемом 2 м3. Рыба проходит в камере на цепном конвейере за 10 -
30 мин на расстоянии 20-30 см от ламп излучателей типа ИКЗК. В про-
цессе копчения рыба обдувается воздухом с определенными темпера-
турой и влажностью. Расход электрической энергии составляет около
0,57 кВт ч на 1 кг готовой продукции. Температура для копчения рыбы
должна быть в среднем 200-250 °C.
ИК-сушка широко применяется в строительстве при отделочных рабо-
тах, для ускорения затвердевания бетона и др. [115]. Установка для
сушки штукатурки в закрытом помещении состоит из тележки рамной
конструкции с телескопической штангой, баллона со сжиженным газом
вместимостью до 80 л, редуктора, шлангаи газовой горелки. Поверх го-
релки укреплена сетка из жаропрочной стали; горелка снабжена отража-
телем. Максимальная высота установки горелки (при выдвинутой до
конца штанге) 2,5 м; расход газа 0,18 м3/ч.
Излучатели (до 12 горелок) в комнате площадью. 30 м2 располагают
вдоль стены на расстоянии менее 50—80 см; по мере просыхания штука-
турки излучатели поднимают кверху. Установлено, что при применении
такой установки для сушки около 70 м2 площади штукатурки (ком-
ната 18 м2) необходимо 10 ч, тогда как естественная сушка требует
около 640 ч.
6.2. Облучательные установки фотохимического действия
Как было указано выше, ОСУ фотохимического действия делятся на
установки для объемных и поверхностных процессов. При объемных
фотохимических процессах, как правило, среда, в которой протекает
реакция, либо жидкая, либо газообразная. Для этих процессов можно в
принципе использовать три типа установок, различие которых состоит в
способах ввода излучения в реакционную зону. Наиболее часто приме-
няют погружные.облучатели (рис. 6.15,а). В этом случае плотность по-
тока излучения уменьшается в зоне реакции пропорционально расстоя-
нию от облучателя [55, 116].
В установках с равномерной облученностью, как правило, использу-
ются плоскопараллельные зоны реакции, например относительно тонкие
кюветы, располагаемые вокруг источника излучения. В этом случае
плотность потока излучения остается (без учета поглощения) примерно
постоянной по толщине приемника излучения. Наконец, существуют сис-
темы, где плотность потока излучения (без поглощения) возрастает по
мере прохождения излучения внутрь реакционной зоны. Примером та-
кой системы может быть установка с эллипсоидным отражателем, в ко-
тором ИИ (облучатель) и приемник ОИ расположены в разных фокусах
эллипсоида.
В существенной мере выбор той или иной системы облучения зависит
от интенсивности образования непрозрачного налета на поверхностях,
пропускающих свет в реакционный раствор. Как правило, этот налет
199
Рис. 6.15. Схема построения облучательных систем:
а - погружного типа; б - распределяющая излучение по поверхности; в -
концентрирующая излучения по поверхности; г - распределяющая излучение в
объеме
имеет фотохимическую природу, что определяет особую сложность
борьбы с ним. Помимо выбора системы облучения практика препаратив-
ной фотохимии и реализации промышленных процессов дала ряд спосо-
бов борьбы с появлением таких адгезионных пленок (налетов), Наибо-
лее простой способ заключается в отфильтровании коротковолнового
излучения; часто бывает достаточным переход на другой сорт стекла,
чтобы практически исключить образование пленки. Во многих случаях
хороший результат дает интенсивное перемешивание реакционной массы.
Используется также механическая очистка поверхностей, пропуска-
ющих свет, вращающимися щетками, тефлоновыми скребками и т.п.
Более прогрессивной является периодическая очистка поверхностей с
помощью специальных жидкостей, подаваемых в реактор. В этом случае
важно, чтобы очищающая жидкость либо не смешивалась с реакцион-
ным раствором, либо, смешиваясь, не приводила к его порче (специаль-
ные растворители) . Еще один широко используемый способ заключает-
ся в покрытии указанных поверхностей антиадгезионным (гидрофоб-
ным) слоем (например, тефлоном, кремнием).
Примером объемного фотохимического процесса, получившего наи-
большее распространение и промышленное признание в мире, является
фотосинтез лактамов (капролактама, додекалактама и др.) — исход-
ных продуктов - для получения синтетических волокон и пластмасс
[117, 118]. В основе фотохимического способа получения лактамов ле-
жит реакция фотонитрозирования хлористым нитрозилом циклоалка-
нов - углеводородов с числом углеродных атомов от 4 до 12:
TtmtHumpoaupoltiKui Иаомеримщия
I—I I I I тн
Щиклоалкак
Оксим
Лактам
Квантовый выход реакции фотонитрозирования циклоалканов неве-
лик (около 1), в связи с чем особенно важно создание эффективного
источника излучения. Область спектральной чувствительности данной
реакции находится в диапазоне 400—600 нм, преимущественно в желто-
зеленой области 500—600 нм. Вредное воздействие оказывает УФ-излу-
чение, приводящее к налипанию конечных продуктов реакции на свето-
пропускающие стенки облучателя и последующему затуханию процес-
са. Поэтому УФ-излучение необходимо отфильтровывать. Наиболее эф-
фективны облучатели погружного типа на основе МГЛ мощностью
20-40 кВт [118]. Конструкция и параметры ламп для фотосинтеза лак-
тамов приведены выше, в гл. 3.
На примере фотосинтеза лактама продемонстрируем принцип подхо-
да к выбору параметров облучательной установки погружного типа.
Оптимальную толщину реакционного слоя и концентрацию поглоща-
ющего агента определяют путем решения уравнения баланса нитрозил-
хлорида NOC1 в растворе, непрерывно поступающего в реактор с по-
мощью барботера и одновременно подвергающегося действию излуче-
ния, что приводит к диссоциации молекул NOC1-
-ксх^ с
аЕе(1 -е ) = 7(1------------v),
соо
где 7 — коэффициент, характеризующий качество барботирующего уст-
ройства; с — концентрация нитрозилхлорида в растворе в данный мо-
мент времени; - предельная концентрация нитрозилхлорида в раст-
воре (зависит от температуры раствора); v — скорость подачи газа; х —
толщина реакционного слоя; а - постоянная скорости образования ко-
нечного продукта; к - показатель поглощения нитрозилхлорида.
Решение данного трансцендентного уравнения графическим методом
дает возможность определить равновесную концентрацию ср, которая
установится в реакторе при заданных внешних условиях, а также КПД
использования потока излучения в зависимости от толщины реакцион-
ного слоя, что позволяет выбрать оптимальное расстояние между облу-
чателями.
Потребное количество облучателей N определяют по заданному объ-
ему производства Q и энергоемкости процесса W, зависящей от полез-
ной облученности:
N = QW/Pt,
где Р — мощность облучателя, кВт; т - время использования облучения
в год, ч; IP - удельный расход электроэнергии на единицу конечного
продукта, кВт • ч/кг.
Так, фотохимическое производство додекалактама в количестве
4 тыс. т в год с г = 8000 ч и И7 = 3,2 кВт • ч/кг может быть обеспечено
80 облучателями с ртутно-таллиевыми лампами мощностью 20 кВт.
“ 201
При этом расстояние между облучателями [см. формулу (5.24) ] соста-
вит 80-100 мм при концентрации NOC10,3-0,5 % (по массе).
Процессы сульфохлорирования и сульфоокисления используются в
производстве из парафинов алкилсульфонатов, на основе которых вы-
пускаются различные биоразлагаемые моющие средства и эмульгаторы
для получения полихлорвиниловой смолы и латексных каучуков. Под
действием излучения происходит возбуждение молекулы сернистого
ангидрида с последующим образованием алкильного радикала:
hv
RH + SO2 + Cl2 —► R -* SO2C1 + НС1,
hv
RH + SO2 + l/2O2 —► R -> SO3H.
Фотохлорирование процесса осуществляется УФ-излучением с X <
< 330 нм с использованием погружных облучателей из кварцевого стек-
ла с разрядными лампами ВД (РЛВД).
Фотохимическое производство сульфонатов (50 тыс. т в год) осуще-
ствляется фирмой Farbwerke Hoecht (ФРГ) [119]. В СССР опытно-про-
мышленная установка сульфохлорирования действует на Волгоградском
химическом комбинате.
В качестве примеров объемных фотохимических процессов могут
быть также названы фотосинтез метилфенилдихлор силана - кремний-
органического соединения - и фотосинтез диангидридов алицикличес-
ких тетракарбоновых кислот. Процесс получения кремнийорганических
мономеров протекает по схеме [120]
C(HsCl + HSI
ht
Мгтилфрнил-
1шин>рсилан
ХлсрИензол метилвылорсилан
Основным поглощающим агентом в этой реакции является аромати-
ческий радикал хлорбензол, спектр поглощения которого лежит в ко-
ротковолновой УФ-области спектра (240—280 нм), при этом используют-
ся погружные РЛВД. Исследования показали, что из-за осмоления стенок
облучателя предпочтительнее вести процесс не в жидкой фазе, а в парах
исходных продуктов при оптимальной температуре 280—320 °C.
Одним из хорошо изученных и известных процессов получения лекар-
ственных препаратов в промышленном масштабе является синтез вита-
мина D3 [119]. Исходным веществом фотохимического синтеза вита-
мина D3 является 7-дегидрохолестерин. Под действием коротковолно-
вого УФ-излучения происходит разрыв кольца циклогексадиена — обра-
зуется сначала превитаь^ин D3. При нагреве до 50—80 °C из него при сме-
щении водорода получается термодинамически стабильный витамин D3:
202
Тил реакции
Самое большое в мире производство витамина D3 фотохимическим
способом осуществляется фирмой Phylips-Duphar в Голландии с РЛВД
мощностью 40 кВт.
В основе синтеза лекарственного препарата а-труксилловой кислоты
лежит реакция фотодимеризации коричной кислоты:
С|Н5-СН-----сн-соон
hv
CjHj-CH = сн-соон----*
НООС-СН CH—CeHs
Эта реакция имеет большое практическое значение для получения важно-
го медицинского препарата — аналога яда ’’кураре”, обладающего спо-
собностью парализовывать мышечную деятельность и применяющегося
в хирургической практике. Исследования по облучению водной суспен-
зии коричной кислоты с помощью набора МГЛ различного спектраль-
ного состава излучения позволили выявить эффективность синего излу-
чения в области 400-450 нм.
Облучательные светотехнические установки для поверхностных про-
цессов включают наружное одностороннее или полусферическое облуче-
ние тонких слоев светочувствительных веществ, нанесенных на подлож-
ку (деревянную, металлическую, бумажную и пр.), в которых под дей-
ствием излучения происходят химические превращения, например
УФ-отверждение слоя лакокрасочного покрытия [121], образование
скрытого фотографического изображения в светочувствительном слое и
т.п. Последний процесс применяется в фотографии и репрографии [122,
123], фотолитографии [124] и полиграфии [125, 126]. Спектральная
чувствительность большинства поверхностных фотохимических процес-
сов лежит в области ближнего ультрафиолета и коротковолнового види-
мого излучения. Процессы, как правило, имеют одноквантовый харак-
тер, хотя и созданы фоточувствительные композиции, у которых зави-
203
1
2
Рис. 6.16. Схема контактного копирования:
1 - фотобумага (фотопленка); 2 - ИИ; 3 - стеклянный цилиндр; 4 - ленто-
протяженный механизм
симость скорости фотопроцесса от облученности отклоняется от линей-
ной, — процессы фотоструктурирования циклокаучука, изготовление
фоторезистов, фотоотверждение полиэфирных покрытий [127] и др.
В копировально-множительной технике широкое применение полу-
чил метод контактного диазокопирования, характеризуемый высокой
скоростью воспроизведения при относительно небольших затратах
[122]. Светокопировальная установка для работы с диазобумагой со-
держит ИИ, помещенный внутри стеклянного цилиндра, вокруг которо-
го с помощью транспортера перемещается диазобумага с плотно прижа-
тым к цилиндру оригиналом, изготовленным на прозрачной или полу-
прозрачной основе (рис. 6.16). Когда происходит засветка через ориги-
нал, соли диазония под прозрачными частями оригинала разлагаются:
204
В качестве ИИ используются люминесцентные лампы типа ЛУФ и
РЛВД типа ДРТ во внешней колбе из термостойкого стекла. Мощность
лампы Рп определяют с учетом требуемой скорости копирования г, ко-
торая в свою очередь зависит от полезной облученности Ее-.
Ее,
где
Ее = РпЧЭф1^1-,
здесь т?эф — КПД источника излучения в рабочем диапазоне спектра;
D2 — диаметр стеклянного цилиндра с фотоматериалом; I — длина
светящей части лампы, соответствующая ширине фотоматериала.
Так, в аппарате типа СКС1000-1000 скорость копирования 10 м/мин
обеспечивается применением лампы ДРТ5000, дающей полезную облу-
ченность в области 350-450 нм около 500 Вт/м2.
Принцип контактного копирования также используется в диазодуб-
ликаторах и везидубликаторах — аппаратах для получения копий микро-
фильмов с оригинала (серебросодержащей пленки) на диазо- и везику-
лярных пленках. Везикулярные слои имеют больший квантовый выход,
чем диазослои, и более удобны в работе, так как проявление слоя проис-
ходит не в парах аммиака, а путем термической обработки. В указан-
ных установках кроме РЛВД используются более эффективные МГЛ
типов ДРИ25О-2, ДРТИ400.
Особые виды фотохимического способа печати — фотолитография,
фотофрезерование, позволяющие получать детали сложной формы и
высокой точности с минимальными размерами элементов до 1 мкм
(см. § 5.1). В качестве источников излучения ОСУ этого типа применя-
ются РЛВД трубчатые и шаровые, лампы типа ДКСТ, МГЛ с излучающи-
ми добавками в области 350—450 нм (для диазослоев) и в области
300-400 нм (для фотополимеров) .
Известны установки двустороннего экспонирования печатных плат
типов ТЭМП-1 с лампой ДРТИ3000-1 и ТЭМП-2 с лампой ДРТИ2000.
В этих установках использован принцип равномерного облучения копи-
ровальной кассеты размером 400 х 60С мм (см. рис. 6.15,6), что дос-
тигается специальной формой отражателя и компактным источником
излучения. Коэффициент неравномерности облученности 0 составляет
не более 1,1 и определяется соотношением
0 = Е /Е . ,
етах1 етт’
ГДе Еетах и Eemin ~ максимальная и минимальная облученности для
п точек измерения.
Более совершенна по конструкции установка типа ТЭМП-2 с лампой
ЛРТИ2000, обеспечивающая при той же производительности экономию
205
электроэнергии 30% по сравнению с лампой ДРТИ3000-1 благодаря боль-
шему КПД излучения в области 300-400 нм.
Аналогичный процесс засветки светочувствительного слоя актинич-
ным излучением через фотошаблон используется для копировальных
процессов и производства печатных форм в полиграфии и текстильной
промышленности. Существуют формы на основе твердых и жидких фо-
тополимеризующихся композиций.
Технология изготовления обоих типов форм в основном одинакова
[125]. Фотоформный процесс, как и фотолитография, состоит из двух
основных операций — экспонирования и вымывания. В процессе экспо-
нирования происходит полимеризация слоя, вызванная действием акти-
ничного света, проходящего через светлые места негатива. Освещенные
участки теряют растворимость, а неосвещенные сохраняют ее и с по-
мощью растворителя вымываются. При изготовлении формы из жидких
полимеров происходит изменение агрегатного состояния — жидкая ком-
позиция переходит в твердое состояние. Таким образом, образуется
рельефное изображение. Печатные формы на основе твердых компози-
ций используют диазослои на основе нафто хинондиазидов:
В выпускаемых отечественной промышленностью копировальных
станках типов ФК 66 (с малой копировальной рамой 740x580 мм) и
ФК 116 (с большой копировальной рамой 1200x740 мм) используются
МГЛ типов ДРТИЗООО, ДРТИ3000-1, ДРГТЗООО [49], которые практи-
чески полностью вытеснили ксеноновые лампы, ранее использовавшиеся
для этих целей.
Отверждение фотополимеров под действием УФ-излучения широко
используется для изготовления защитно-декоративных лакокрасочных
и эмалевых покрытий в деревообрабатывающей, радиотехнической про-
мышленности: для сушки печатных красок на бумаге, жести в полигра-
фической, пищевой и легкой промышленности; для формования дета-
лей из стеклопластиков, для отверждения покрытий при производстве
лакированной бумаги и картона, в частности обложек книг, и тд. [121,
128]. Широкое применение процессы УФ-отверждения получили также
для обработки печатных схем в радиопромышленности: для отвержде-
ния под действием УФ-излучения лака - ограничителя зоны пайки; для
УФ-сушки маркировочных мастик; для УФ-отверждения прозрачных
клеев при монтаже печатных плат [129].
206
Фотохимическое УФ-отверждение полиэфирных лакокрасочных и за-
щитных покрытий обладает рядом преимуществ перед традиционной
конвективной и термической сушкой. К ним относятся интенсифика-
ция процессов отделки, снижение энергетических и капитальных затрат,
снижение расхода дорогостоящих материалов, сокращение числа трудо-
емких операций (например, исключение операции шлифования), умень-
шение загрязнений биосферы и улучшение условий труда. Применение
УФ-ламп (для покрытий, отверждаемых УФ-излучением) позволяет сок-
ратить продолжительность процесса до 7-30 с вместо 40—60 мин при
сушке горячим воздухом. При этом отсутствует загрязнение воздуха и
получается существенная экономия энергии и производственных площа-
дей. Так, УФ-установка длиной 0,5 м с двумя ртутными лампами ВД
заменяет традиционную сушильную печь длиной 10 м [130].
Для фототехнологических установок проходного типа, используемых
в приборостроении, мебельной, полиграфической промышленности,
предложен [131] унифицированный ряд облучательного оборудования
с РЛВД, ориентированный (по ширине) на стандартные форматы листо-
вых и щитовых оснований и включающий семь типоразмеров. Длина
светящей части РЛВД равна 450—1730 мм, а удельная мощность 80 -
90 Вт/см. В настоящее время в СССР налажен промышленный выпуск
двух типоразмеров этого унифицированного ряда [69], который вклю-
чает лампы ДРТ6000-1, ДРТ12 000-1, облучательные приборы РВПО 16000-
002 УХЛ4, РВП0212000-002 УХЛ4 (см. гл. 4) и компенсированный мо-
дульный ПРА типа 1К6000-Н81.005 УХЛ4. Конструкция отражателя обес-
печивает концентрацию излучения на облучаемой поверхности (см.
рис. 6.15,в). В целях улучшения равномерности облученности поперек
конвейера сделана ’’подсветка” краевых зон световой полосы с по-
мощью зеркальных торцевин эллипсоидальной формы [132]. Такими об-
лучателями укомплектованы камеры УФ-сушки в автоматических ли-
ниях по производству мебельных щитов (линии ЛО-1, МИЛ-2)
(рис. 6.17).
Лампы ДРТ6000-1 и ДРТ 12000-1 также широко используются в им-
портных линиях отделки мебели типов ’’Дюрр”, "Лигнакон”, ’’Хильде-
брандт”, эксплуатируемых в СССР [133]. Для УФ-сушки покрытий на
объемных элементах мебели (например, стульях) используются специ-
альные системы облучения (см. рис. 6.15,г), состоящие из зеркальной
камеры с размещенными вдоль стенок камеры облучателями.
В последние годы все большее признание получает технология произ-
водства волоконных световодов с УФ отверждаемым первичным защит-
ным покрытием [134]. Наиболее распространенной схемой УФ-облу-
чателей для этой цели является система из нескольких одинаковых, вер-
тикально расположенных незамкнутых эллипсоцилиндрических зеркаль-
ных отражателей и такого же числа одинаковых трубчатых ртутных
ламп ВД. Каждая лампа установлена на фокальной линии отражателей, а
волоконный световод - на второй фокальной линии (рис. 6.18). При
207
Рис. 6.17. Линия МИЛ-2 отделки мебельных щитов с помощью УФ-отверждения
этом достаточная для крупного производства скорость отверждения дос-
тигается лишь при большой суммарной мощности ламп в облучателе.
Так, скорости около 5 м/с соответствует мощность порядка 10 кВт, и
тенденция повышения скорости и соответствующего роста облученности
и мощности облучательного оборудования, по-видимому, сохранится.
В отверждаемых с помощью УФ-излучения традиционных изоляцион-
ных покрытиях медных и алюминиевых проводов отсутствует раствори-
тель, что исключает загрязнение атмосферы при переходе от жидкого
покрытия к полимерной пленке. Скорость нанесения пленочной изоля-
ции на проводники 25-50 м/мин.
В радиопромышленности для обработки печатных схем небольших
размеров используются настольные установки УФ-отверждения с ртут-
ными лампами ВД мощностью 200-1000 Вт. Схема облучения в подоб-
ной установке фирмы ORIEL представлена на рис. 6.19.
Ручные ультрафиолетовые облучатели находят широкое применение в
промышленности для различных целей: закрепления проводов и элект-
ронных приборов при монтаже, крепления линз в оптических устройст-
вах, сращивания волоконных световодов, фиксации винтовых соедине-
ний [135]. Фирмой Polytec (ФРГ) разработан ручной облучатель типа
Ultra-Novar для ускоренной полимеризации клеев. Облучатель состоит
из трубчатой газоразрядной лампы небольшой мощности и блока вклю-
чения, в состав которого кроме обычных элементов входит реле време-
ни со звуковым сигналом, обеспечивающее максимальное время работы
10 с. Поверхностная плотность излучения в диапазоне X = 365-г370 нм
составляет 10 мВт/см2.
208
Рис. 6.18. Упрощенная схема установки для
вытяжки волоконных световодов и нане-
сения на них первичных защитных покры-
тий:
1 - подающий механизм; 2 - заготов-
ка; 3 - графитовая печь; 4 - кварцевое
стекловолокно; 5 - фильерное устрой-
ство; 6 - кварцевое волокно с нанесенным
покрытием; 7 - УФ-отражатель; 8 - ртут-
ная лампа ВД; 9 - эллипсоцилиндричес-
кий отражатель; 10 - кварцевая трубка;
11 - волокно с отвержденным покрытием;
12 - тянущие ролики; 13 - барабан-нако-
питель
Рис. 6.19. Схема облучения в настольном фотолитографическом станке для экспо-
нирования печатных плат фирмы ORIEL:
1 — зеркало; 2 - оптический интегратор; 3 - фильтр спектральной коррек-
ции; 4 - зеркало; 5 - коллимирующая линза; 6 - диафрагма; 7 - ксеноновая
лампа; 8 - эллипсоидный рефлектор
6.3. Облучательные установки фотобиологического действия
Как уже указывалось ранее, наиболее массовыми ОСУ фотобиологи-
ческого действия являются установки для облучения растений (свето-
культуры растений). Среди них самыми распространенными в настоящее
время являются ОСУ для теплиц, предназначенные для зимнего выращи-
вания рассады. Досвечивание рассады в теплицах имеет в нашей стране
почти сорокалетнюю историю, причем первые опыты такой досветки в
осенне-зимний период проводили с помощью ламп накаливания. Затем
стали применять люминесцентные лампы как более экономичные. Облу-
чатели с ЛЛ, как правило, используют в тех случаях, когда не требуются
высокие уровни облученности [не более 10—15 Вт/м2 (ФАР)].
209
Рис. 6.20. Облучательная установка на основе облучателя ОТ400 с лампой ДРЛФ400
При выращивании рассады наиболее массовых культур (томата и
огурца) требуются более высокие облученности [до 50 Вт/м2 (ФАР)].
В этом случае экономически б.олее целесообразно применять облучате-
ли с разрядными лампами ВД. На начальном этапе развития этой техно-
логии были применены облучатели с ртутными лампами ВД мощностью
250-400 Вт [135]. На рис. 6.20 показан пример облучательной установ-
ки, созданной на основе облучателя ОТ400 с лампой ДРЛФ400.
Для подготовки рассады к естественным условиям, последующему
росту, развитию и плодоношению на начальном этапе ее выращивания не-
обходимо создать более высокие уровни облученности. Это обеспечи-
вается концентрированным расположением облучателей над рассадой до
ее расстановки. Если рассада занимает площадь 1x18 м2, то количество
облучателей ОТ-400, например, для световой зоны III, равно 72 (обычно
для площади 230 м2 необходимо 50 облучателей). При этой технологии
затраты электроэнергии меньше нормируемых, а качество рассады су-
щественно улучшается.
Дальнейшее развитие технологии получения рассады было связано с
прогрессом в области ИИ - появлением нового поколения разрядных
ламп ВД [6, 137]. На рис. 6.21 показан пример облучательной установки,
созданной на основе облучателей ОГС01-2000 ’’Фотос” с МГЛ ДРИ2000-6.
В теплице площадью 230 м2 установлены 24 облучателя, расположенные
210
Рис. 6.21. Облучательная установка на основе облучателей ОГС01-2000 с МГЛ
ДРИ2000-6
в два ряда с расстоянием между ними 2,3 м на высоте 2,3 м. Высота под-
веса обусловлена косинусной кривой светораспределения облучателя.
В [138] описана облучательная установка УОРТ-1-6000 для выращива-
ния рассады на основе облучателя ОТ6000 с лампой ДМ 4-6000 и блоком
управления (рис. 6.22). Облучатели в ангарной теплице были смонтиро-
ваны на высоте 2,85—4 м с шагом 6 м по длине теплицы и 4,5 м по ши-
рине. В климатической световой зоне 0 в теплице площадью 1500 м2
размещены 42 установки типа УОРТ-400.
В последнее время все большее распространение получают облучате-
ли на основе натриевых ламп ВД [6, 139]. На рис. 6.23 приведен пример
облучательной установки, в которой использованы облучатели типа
ЖСП18-400-001 на основе ДНаТ400. На площади 230 м2 размещены
30 облучателей с расстоянием между рядами 3,2 м на высоте 2,3 м. При
этом рассада расставлена равномерно. Следует указать, что для выращи-
вания рассады при облучении натриевыми лампами ВД, имеющими де-
фицит в синей области спектра, необходима более высокая облученность
по сравнению с МГЛ.
Для обеспечения интенсивного выращивания рассады в условиях ста-
ционарного размещения облучателей, исключающих необходимость пере-
компоновки облучателей после расстановки рассады, в последние годы
211
Рис. 6.22. ОСУ на основе облучателя ОТ6000 с лампой ДМ4-6000
212
Рис. 6.24. Облучение теплицы с помощью протяженного облучательного комплек-
са КОП-2-12 х 2000
начали применять ОСУ с регулированием поля излучения с помощью оп-
тических протяженных систем [70, 140],
На рис. 6.24 представлен пример облучения теплицы с помощью про-
тяженного облучательного комплекса КОП-2-12х2000. В теплице пло-
щадью 230 м2 размещены 12 ламп ДРИ2000-6, расположенные вдоль фо-
кальной оси оптической системы, состоящей из шести поворотных ме-
таллизированных полос шириной 300 мм и длиной 36 м, изготовленных
из полиэтилентерефталата. Устройство позволяет обеспечить програм-
мное регулирование облученности. При этом на первой стадии выращи-
вания рассады можно получить облученность до 50 Вт/м2 на полосе ши-
риной около 2 м по всей длине теплицы и до 25 Вт/м2 после расстанов-
ки рассады.
Регулирование облученности осуществляется поворотом отражающих
металлизированных полос при стационарном размещении ИИ. Эта уста-
новка позволяет также осуществлять регулирование поступления солнеч-
ной радиации в теплицу и при необходимости используется в качестве
утепляющей системы, снижающей потерю тепла через шатер теплицы.
По сравнению, например, с ОСУ на основе ГСП26-1000 эта облучательная
установка обеспечивает получение более качественной рассады при эко-
номии электроэнергии 15-20%.
213
Рис. 6.25. Фрагмент вегетационной камеры с применением ОСУ на основе ЛЛ
Для получения массового, программируемого по времени цветения
широко применяются ОСУ фотопериодического действия, как правило,
с ИИ в виде ламп накаливания.
Наиболее экономичным способом выращивания плодоносящих рас-
тений в зимний период является совмещенное облучение растений. При
этом нормы искусственного облучения могут быть приняты те же, что и
для климатической световой зоны 0 при выращивании рассады. Приме-
ром установки для выращивания огурцов в зимний период является ус-
тановка с применением "Светотрона” КОП-2-36-2000.
На площади 840 м2 (12x70) создается облученность, равная 35 —
40 Вт/м2, общая мощность установки 150 кВт. Установка позволяет по-
лучать плоды в январе — феврале с урожайностью 5—6 кг/м2 (без досвет-
ки плодоношение начинается в конце февраля — начале марта) [141].
Аналогичная технология применяется в селекционных центрах при
выращивании селекционного материала. Это позволяет ускорять селек-
ционный процесс, т.е. получать 2-3 урожая в осенне-весенний период.
Особая важность ускорения селекционных работ и необходимость
полной независимости их от погодных условий потребовала создания
вегетационно-климатических камер и шкафов с регулируемыми пара-
метрами микроклимата, в том числе светового режима.
На рис. 6.25 показан фрагмент вегетационной камеры с применением
ОСУ на основе ЛЛ. В последнем случае облученность на расстоянии
0,5 м от теплозащитного стекла достигает 250—300 Вт/м2 (ФАР). Прог-
рессивными установками для введения излучения в рабочие объемы ве-
214
гетационных сооружений являются ОСУ светотронного типа, позволя-
ющие без потери КПД установок снижать тепловой режим и регулиро-
вать поле ОИ. При этом следует иметь в виду широкие возможности при-
менения практически любых ИИ, в том числе мощных источников, ко-
торые обладают повышенным КПД в области ФАР и имеют требуемый
спектральный состав излучения (в том числе регулируемый по фазам
развития и плодоношения растений).
В заключение остановимся кратко на вопросах интенсивной, полной
светокультуры, под которой понимается выращивание растений (полу-
чение с/х продуктов) при искусственном освещении без применения ес-
тественного света. В [80] были показаны преимущества указанной тех-
нологии. В частности, было отмечено, что в силу зависимости традицион-
ных (сейчас наиболее массовых) тепличных технологий от естественно-
го света круглогодичный сбор урожая невозможен. В свою очередь се-
зонный сбор приводит к необходимости складирования овощей в храни-
лищах, в которых происходят потери этого продукта. Кроме того, при-
нятая ныне технология тепличных хозяйств не решила проблемы приб-
лижения производителя к потребителю, не исключила значительные тран-
спортные расходы и потери при транспортировании. Но, пожалуй, глав-
ным недостатком применяемой тепличной технологии является то, что
она не использует всех возможностей современных сортов по продук-
тивности и качеству конечного продукта: хорошо известно, что в усло-
виях интенсивной светокультуры возможны урожаи высокого качества
(в частности, с пониженным содержанием нитратов) и превосходящие
нынешние в 5-7 раз.
Как показывают расчеты [80], даже для худших вариантов выращи-
вание растений в светонепроницаемых теплицах оказывается практичес-
ки выгодным.
В качестве примера можно привести систему, разработанную в Ле-
нинградском проектно-монтажном бюро для выращивания огурца, то-
мата и других овощных культур [141]. В вегетационном помещении,
лишенном естественного света, с регулируемыми параметрами микро-
климата растения выращивали при использовании малообъемной гид-
робионики. В качестве среды корнеобитания были применены керамзит
с верховым торфом и питательная среда — раствор Кноппа. Для облуче-
ния растений были использованы фрагмент КОП2-36х2000 и дополни-
тельно лампы ДНаТ400 в количестве, обеспечивавшем облученность по-
верхности растений ФАР, равную 80-100 Вт/м2. Общая урожайность
гибридов огурцов ’’Лада”, ’’Московский тепличный” и ’’Ариес” за 120
дней (с учетом времени выращивания рассады) достигала 70 кг/м2.
Уже на 50-е сутки начался первый сбор урожая (до 2 кг/м2), в последу-
ющие 20 дней урожай поднялся до 30 кг/м2. Себестоимость 1 кг огур-
цов составила 1,3 руб. при стоимости 1 кВт ч электроэнергии 2 коп.
В [142] описана система интенсивного выращивания растений, соз-
данная на базе натриевой лампы ДНаТ400. Установка сравнивается с ра-
215
нее разработанной авторами, в которой были использованы лампы нака-
ливания КГ-220-1000-5. При облученности 130 Вт/м2 (ФАР) и продолжи-
тельности времени вегетации томатов 70-75 сут была получена урожай-
ность плодов 36,1 кг/м2, в то время как в установке с лампами накали-
вания урожайность была равна 20,6 кг/м2 при облученности 280 Вт/м2
(ФАР) и продолжительности вегетации 80-85 сут.
Имеются сообщения о том, что фирма ’’General Electric” разработала
систему выращивания сельскохозяйственных культур в искусственных
условиях, называемую Дженипоникс. Система корнеобитания - гидро-
понная, проточная. ОСУ в этих системах выполнены на основе облучате-
лей с лампами МГЛ и ДНаТЮОО. Потолок и стены вегетационного по-
мещения покрыты металлизированными пленками, повышающими
коэффициент использования потока излучения ОСУ. Ориентировочная
горизонтальная облученность растений в этой системе находится на уров-
не 120-130 Вт/м2 (ФАР).
По-видимому, следующим этапом научно-технического прогресса в
области интенсивной светокультуры могут быть конвейерные системы
[80, 143, 144]. Эти системы дают возможность создавать оптимальные
режимы облучения, корневого питания и других параметров микрокли-
мата на каждой фазе развития растений, тем самым существенно умень-
шая эксплуатационные затраты.
Кроме описанных систем, предназначенных ДлЪ промышленного вы-
ращивания растений, находят все более широкое применение установки
для освещения и облучения комнатных и декоративных растений, а так-
же растений, содержащихся в аквариумах. В этих установках особую
роль, помимо функционального назначения, играют дизайнерские ре-
шения.
Для выращивания низших растений, в том числе в промышленных
масштабах, установки выполняют в двух видах: с наружным облуче-
нием и погружными источниками. В настоящее время такие установки
применяются в космических, подводных и других аппаратах для полу-
чения биомассы, утилизации углекислоты и генерации кислорода.
Следующей по значимости большой группой установок фотобиологи-
ческого действия является ОСУ для животноводческих помещений.
В них используется практически весь диапазон ОИ: ИК-излучение - для
обогрева [145], видимое излучение - для создания естественной сре-
ды обитания животных при промышленном (безвыгульном) их содер-
жании, УФ-излучение - как компенсация ультрафиолетовой недостаточ-
ности и как средство санации воздуха (бактерицидное действие) [146].
Таким образом, установка для животноводческих помещений - это це-
лый осветительно-облучательный комплекс.
Примером осветительной установки в коровнике служит установка,
выполненная со светильниками ПВЛМ-2х40. Светильники расположены
в две линии на высоте 2,3 м. При коэффициенте отражения стен и по-
толка 0,5-0,6 и пола 0,2-0,3 освещенность составила под одной линией
216
75 лк, под другой - около 150 лк (в начале эксплуатации - соответ-
ственно около 90 и 175 лк). Коэффициент равномерности освещенности
достаточно высок - около 0,65. Продуктивность животных после созда-
ния этой установки повысилась почти на 8 %.
Если вместо светильника применить облучатель-светильник, например
ЛСП15-2х40, в котором наряду с люминесцентной осветительной лам-
пой используется эритемная лампа низкого давления, то ОСУ приобре-
тет комплексный характер. Это позволит решить по крайней мере две
светотехнические задачи - освещения и УФ-облучения.
Подобные комбинированные ОСУ с облучателями КСО-2 с одной лам-
пой ЛБЗО и эритемной лампой ЛЭЗО-1 [147] используются в телятниках.
В такой установке освещенность составляет около 100 лк, эритемная об-
лученность 20-24 мВт/м2. Использование такой установки снизило па-
деж молодняка и повысило среднесуточный привес телят. Установка
может работать при температуре 8—16 °C, относительной влажности до
90% и отклонениях напряжения 5—7,5 %.
В опытной осветительной установке, разработанной Горьковским
сельскохозяйственным институтом и ВНИСИ, были применены светиль-
ники с натриевыми лампами ДНаТЮО. Было установлено, что при осве-
щенности 80-110 лк и фотопериоде 14-16 ч можно получить привес
молодняка крупного рогатого скота и его сохранность не хуже, чем с
люминесцентными лампами. При этом отмечены дополнительная эконо-
мия электроэнергии и снижение затрат на обслуживание ОСУ.
Для ИК-обогрева молодняка широко используются облучатели типа
ССПО5-25О и ИКУФ. На рис. 6.26 представлены примеры обогрева живот-
ных в свинарнике. Облученность в этом случае составляет около
300 Вт/м2. Вариация облученности достигается путем изменения высоты
подвеса облучателя. Выбор высоты подвеса осуществляется по номо-
грамме (рис. 5.7), связывающей такие параметры, как температура
воздуха помещения Гв, температура ограждающих поверхностей Тр,
комфортная температура ГКф, которая задается зооветеринарной
службой [145].
Для санации воздуха в животноводческом помещении часто исполь-
зуются бактерицидные облучатели ББП01-30 с лампами ДБЗО. Облучен-
ность на расстоянии 1 м от облучателей поддерживается на уровне
1,5 — 1.7 Вт/м2. Длительность облучения определяется скоростью накоп-
ления в помещении озона и оксидов азота, которая зависит от скорости
воздухообмена через каналы приточно-вытяжной вентиляции. Бакте-
риальная загрязненность снижается на 70 % уже в первые минуты после
включения облучателей [146]. Отмечается также уменьшение концент-
рации аммиака. Число облучателей выбирается из условия 1 Вт электри-
ческой мощности лампы на 3—4 м3 объема помещения, при этом разме-
щение облучателей неравномерное: в местах наибольшего скопления жи-
вотных оно максимально.
217
Рис. 6.26. Комбинированная ОСУ в свинарнике с облучателями ИКУФ и светильни- ’
ками ДСП 1.5-2x40
Свет является важным элементом микроклимата при выращивании
птицы. Освещенность в птичниках может измеряться от 2 до 40 лк.
Имеет место фактор хронического стресса у птицы при высоких уров-
нях освещенности, когда вначале происходит стимуляция биологичес-
ких процессов, а затем падение их.интеисивности.
На Глебовской птицефабрике установлены оптимальные уровни осве-
щенности: для цыплят 0,5-25 лк, для кур-несушек 0,1-30 лк. Исполь-
зовался режим освещения, широко применяемый в мире: 8ч— освеще-
ние, 10 ч — отсутствие света, 2ч — освещение, 4ч — отсутствие света.
В настоящее время рекомендован конкурентоспособный советский спо-
соб ’’бегущая волна”, при котором изменение освещенности производит-
ся последовательным включением и выключением групп светильников.
При использовании этого способа вдвое снизился каннибализм, расход
кормов уменьшился на 5%.
Для обогрева цыплят использовали ИК-облучатели с лампами
ИКЗК-250, уровень облученности поддерживали около 250 Вт/м2.
Перспективным при выращивании птицы является совмещение корот-
коволновой и длинноволновой областей излучения. При различных до-
зах УФ-излучения на фоне инфракрасного облучения индюшат были по-
218
пучены различные данные по продуктивности [148]. Локальный
ИК-обогрев при облученности около 300 Вт/м2 увеличил сохранность
птицы на 2,5%. Дополнительное УФ-облучение с дозами 20, 60 и
100 мэр -ч/м2 позволило увеличить сохранность до 5; 7,5 и 5 % соответ-
ственно, т.е. оптимальной оказалась доза 60 мэр - ч/м2. В качестве облу-
чательных приборов использовались облучатели типа ИКУФ.
Ультрафиолетовое коротковолновое излучение используется при
обеззараживании воды на животноводческих фермах. При облучении
воды лампами ДРТ25ОО общее количество бактерий снижается с 26 000
до 7,5 в 1 мл водопроводной воды.
Установки, применяемые для облучения человека, можно разделить
на две большие группы: ОСУ профилактического действия и ОСУ тера-
певтического действия.
В установках профилактического непрерывного действия облучате-
ли располагаются, как правило, на одной высоте с. обычными светиль-
никами, размещаются равномерно Или локализованно, но включаются
самостоятельно. Необходимо, чтобы облучатели прямого света были
закрыты снизу экранирующей решеткой с защитными углами не менее
25° в поперечной и продольной плоскостях. Высота подвеса облучате-
лей рекомендуется не менее 3 и не более 5,5 мот пола.
В [91, 149—151] рассмотрено несколько вариантов ОСУ профилакти-
ческого действия на основе ламп низкого давления. Эритемные лампы
типов ЛЭ15 и ЛЭЗО-1 устанавливаются в светильниках типов ОДР, ЛС002
(1ЛОД), ШЭЛ-1, ШЭП-1 и др., имеющих эмалированные отражатели и эк-
ранирующие решетки с необходимыми защитными углами. Принимая
во внимание весьма малые значения коэффициентов отражения эмали в
УФ-области спектра, расчет облученности от таких светильников произ-
водят от ламп без учета ОП (рис. 6.27 — 6.29).
Как известно, задачи равномерного освещения в помещениях с потол-
ками хорошо решаются с помощью светильников отраженного света.
В качестве примера в [91] рассмотрена квадратная секция помещения
со стороной 4 м и высотой 4,5 м, освещаемая отраженным светом с
помощью четырех облучателей с эритемными лампами мощностью
30 Вт, симметрично размещенных на высоте 1 м под потолком. Эритем-
ная облученность, соответствующая нормам, получается в рассматрива-
емом примере при удельной мощности установки, равной 7,5 Вт/м2.
Частным случаем создания эритемных установок отраженного света
может служить применение светильников ЛС002х40/1 хЗО, ОБУ-1-15,
ОБУ-1-30. На корпусе светильника расположена обращенная к потолку
или стене эритемная лампа ЛЭЗО-1 с плоским алюминиевым отражате-
лем. При проектировании следует учитывать, что при больших мощно-
стях установки уровень эритемного облучения может оказаться излиш-
ним. Этот вопрос требует специального изучения, в частности, разра-
ботки руководящих указаний по эритемному освещению школьных
классов, их отделке (рецептуре окраски помещения) [91].
219
Рис. 6.27. График для расчета относительной эритемной облученности от эритемной
лампы без облучателя (Го = 100 мэр/ср, Л = 1 м; I, р - координаты точки относи-
тельно проекции облучателя на расчетную плоскость)
Рис. 6.28. График для расчета относительной эритемной облученности от эритемной
лампы типа ПЭР с отражающим слоем (Гр = Ю0 мэр/ср, h = 1 м)
Рис. 6.29. График для расчета условной горизонтальной эритемной облученности
от элемента диффузной поверхности (/о п = 100 мэр/ср)
220
В последнее время для ОСУ профилактического действия специально
разработаны полифункциональные люминесцентные лампы со спектром
излучения, близким к усредненному солнечному спектру [90]. При
этом в основу конструирования лампы были положены следующие ус-
ловия: при освещенности 500 лк облученность должна составлять
2,5 мэр/м2, что при непрерывной эксплуатации облучателя в течение
8 ч обеспечивает 1/4 эритемной дозы.
К установкам профилактического облучения кратковременного дей-
ствия относятся фотарии [91, 158]. Фотарии-коридоры устраивают пре-
имущественно на промышленных предприятиях и рудниках для кратко-
временного облучения, работающих обычно до или после смены. Фота-
рий представляет собой коридор шириной 1,2-1,4 м, по которому об-
лучаемые проходят друг за другом между установленными с обеих сто-
рон облучателями (лампами). Вместо одного длинного коридора часто
устраивают несколько смежных, более коротких - фотарий-лабиринт.
В фотариях профилактического назначения используются преимущест-
венно эритемные лампы либо специальные разрядные лампы ВД с леги-
рованным кварцем. Они сочетаются с лампами накаливания, улучша-
ющими микроклимат в помещениях и несколько приближающими об-
лучение по спектральному составу к солнечному. В фотариях-коридо-
рах лампы наиболее выгодно располагать непрерывными горизонталь-
ными или вертикальными рядами.
Приведем пример расчета фотария-коридора [91]. Примем длину
лампы типа ЛЭЗО с монтажными разрывами I = 1 м; силу света, отне-
сенную к единице длины светящей линии с разрывами, равной
90 мэр/ (ср • м).
Лампы в фотарии для мужчин монтируют на стенах и переборках че-
тырьмя непрерывными горизонтальными линиями на высоте 1,5; 1,1;
0,5 и 0,2 м, при этом облученность распределяется по вертикали доста-
точно равномерно и составляет порядка 660 мэр/м2.
В фотариях для женщин хорошие результаты дает расположение ламп
на стенах и переборках на высоте 1,1; 1,0; 0,5 и 0,2 м. Средняя облу-
ченность в вертикальной плоскости составляет 700 мэр/м2.
В рассмотренных вариантах переборки в фотариях непрозрачны для
излучения ламп, установленных в соседних проходах. Если же перебор-
ки выполнены из ламп с минимально необходимым для них креплением,
то в облучении участвует не только ближайший, но и следующий ряд
ламп, удаленный от первого на ширину коридора. Этр дает 10—15 %-ную
экономию мощности: число рядов ламп на переборках может быть
уменьшено до трех, например на высоте 1,4; 0,8 и 0,2 м.
Для увеличения коэффициента использования установки за лампами,
расположенными на стенах фотария, иногда устанавливают плоские алю-
миниевые отражатели. Применение отражателей дает возможность уве-
личить облученность на 30-40%, что в свою очередь позволяет умень-
шить на один число рядов ламп при проектировании фотария.
221
В [152] описан фотарий с вертикально размещенными лампами ти-
па ЛЭЗО. Унифицированная секция (УС) представляет собой металли-
ческую рамную конструкцию длиной 1 м, рассчитанную на установку
четырех эритемных ламп типа ЛЭЗО, ПРА и электроустановочного уст-
ройства. Устанавливаемые вертикально УС образуют перегородки фота
риев. Секционирование ОСУ позволяет компоновать как кабинные,
так и проходные (на один, два, три или четыре прохода) фотарии, кото-
рые легко вписываются в различные по планировке помещения.
Общая длина фотария-лабиринта выбирается в соответствии с требу-
емой пропускной способностью и рекомендуемой нормой продолжитель-
ности сеанса.
Кроме облучения постоянными дозами в фотариях практикуется об-
лучение постепенно возрастающими дозами, которые иногда доводят
до нескольких МЭД. Чтобы сократить общую продолжительность сеан-
сов, вторую половину курсов облучения можно проводить при более
высоких облученностях. Для этого устраивают два отделения фотария:
в первом принимают начальные дозы облученности (до 1 мэр), во вто-
ром — в 2 раза большие, чем в первом.
Фотарии-кабины отличаются от фотариев-коридоров тем, что прини-
мающий процедуру находится в окружении эритемных ламп и стоит на
одном месте, каждая кабина рассчитана на одного человека, но фотарий
может состоять из нескольких смежных кабин. В этом случае, как и в
фотарии-лабиринте, лампы, установленные на разделяющих кабины пе-
реборках, светят в обе стороны.
При горизонтальном размещении ламп типа ЛЭЗО на высоте 1,5;
1,1; 0,6 и 0,2 м в мужских фотариях и 1,4; 1,0; 0,5 и 0,2 м в женских
вертикальная облученность по всей расчетной поверхности составляет,
как и в фотариях-коридорах, около 650 мэр/м2.
Фотарий-пляж представляет собой горизонтальную площадку в форме
многоугольника или круга диаметром 3-4,5 м, над которой на высоте
2-2,5 м горизонтально размещаются лампы. Площадка часто бывает
ограждена по периметру бортом высотой 0,2—0,4 м и засыпана подогре-
ваемым песком. Принимающие процедуру лежат на песочнице ногами к
центру. Облучение по системе постепенно возрастающих доз начинается
обычно с 1/4 или 1/3 МЭД и доводится до 2-4 МЭД. Для концентрации
излучения на площадке-пляже при сравнительно большой высоте под-
веса ламп выгодно применять рефлекторные эритемные лампы типа
Л ЭР.
Фотарий-маяк представляет собой источник УФ-излучения, разме-
щенный в центре помещения и излучающий во все стороны. Проходящие
процедуру становятся по кругу диаметром 1,2-3 м. В качестве ИИ мо-
гут быть использованы лампы типа ЛЭР40 или разрядная лампа ВД.
Сгруппированные в одном месте лампы устанавливаются вертикально.
Так как расстояние между лампами несоизмеримо меньше, чем от ламп
до расчетной плоскости, то группу ламп в этом случае рассматривают
222
как один облучатель [91]. Например, облучатель с 12 лампами типа
ЛЭР40 (/0 =130 мэр/(ср м)] .оптические оси которых разнесены под уг-
лами 30°, создает на цилиндрической вертикальной поверхности ради-
усом 0,8 м достаточно равномерную облученность около 800 мэр/м2.
При расчете профилактических установок для облучения в расчет
не вводится коэффициент запаса. Спад потока в процессе эксплуатации
эритемных ламп пока таков, что этот коэффициент может достигать зна-
чения, равного 2. Его введение в расчет вместе с рекомендуемой нормой
облучения приводило бы к значительному превышению норм в начале
действия установки. Вместо этого при расчете фотария задаются значе-
ниями облученности, средними между рекомендуемыми и максималь-
но допустимыми, а поддержание в процессе эксплуатации нужных экспо-
зиций регулируется временем облучения.
Большая группа ОСУ физиологического действия используется для
отопления помещений. Опыт проектирования и эксплуатации обогре-
вательных установок [22] указывает на то, что их использование целе-
сообразно в помещениях с высокими потолками (Н > 6 м), а в поме-
щениях с Н > 10 м экономия тепловой энергии составляет не менее
50% по сравнению с конвективным отоплением. Дополнительная эконо-
мия (до 30%) создается благодаря тому, что тепловой комфорт при
облучении достигается при более низких температурах, а вентиляция
при обогреве помещения излучением практически не сказывается на
тепловом балансе помещения.
При расчете установок ИК-нагрева можно воспользоваться системой
уравнений (5.27) — (5.30) и табл. 5.11 и 5.12. Для практических целей
можно также воспользоваться данными, приведенными ниже:
Средняя тепловая
Назначение помещения нагрузка Сусл,
Вт/м2
Закрытые помещения площадью до 30 м* с высотой по-
толка до 3 м (торговые палатки, мастерские, киоски) 116-140
Закрытые помещения с большой площадью (манежи,
спортзалы, бассейны, промышленные цеха) ........... 230-260
Полузакрытые объекты (ложи стадионов, манежей, откры-
тые веранды кафе и ресторанов, открытые навесы) ... 400-560
Предприятия общественного питания летнего типа.. 116-350
При этом количество теплоты , необходимой для обогрева по-
мещения,
01 _ 0усл^>
где F — площадь помещения.
Зная общее потребление теплоты Qt и мощность облучателя, легко
определить их количество.
223
Расположение облучателей по высоте и расстояние между ними необ-
ходимо выбирать с условием, чтобы на плоскости пола разность между
наибольшей и наименьшей облученностями не превышала 10-15% и
получаемая суммарная тепловая нагрузка на 1 м2 поверхности была в
пределах ±10% условной нагрузки.
При проектировании системы ИК-отопления в расчетах всегда нужно
учитывать резерв установленной мощности 10-15% на случай резкого
снижения температуры наружного воздуха. Этот резерв, кроме того,
позволит ускорить обогрев помещения. Установки ИК-отопления следу-
ет выполнять так, чтобы можно было использовать все излучатели или
часть их, регулируя облучение. Обычно обогрев помещения выполняют в
две-три ступени. Излучатели лучше всего располагать в местах с воз-
можно меньшим движением воздуха, так как это условие обеспечивает
повышение КПД излучающей установки благодаря снижению потерь на
конвекцию.
Облучатель следует размещать так, чтобы излучение попадало на че-
ловека сверху под углом или одновременно со всех сторон. При установ-
ке ИК-излучателей на открытых площадках рабочие места огораживают
легкими защитными стенками от воздействия ветра, так как в против-
ном случае будет большой отвод теплоты от поверхности кожи работа-
ющего человека.
После длительного действия отопительной системы нагрева пола,
стен и др. и достижения в помещении достаточной температуры нужно
снижать рабочий нагрев излучателей, периодически выключая отдельные
участки системы отопления. Такой способ отопления помещений может
быть автоматизирован.
Ниже даны примеры [8, 22] реализации некоторых установок
ИК-отопления.
1. Цех прямоугольной формы длиной 216, шириной 121 и средней
высотой 14 м представляет собой сплошное (неразделенное) помещение.
Облучательная установка, общая мощность которой 4277 кВт, состоит
из 792 ’’темных” облучателей, каждый мощностью 5,4 кВт. Облучатели
размещены рядами по 44 шт. перпендикулярно главной оси цеха на вы-
соте 12 м и удалены друг от друга на 8 м. Удельная мощность на едини-
цу площади составляет 163 Вт/м3, среднее расчетное значение облучен-
ности 79 Вт/м2.
2. Выставочное помещение имеет площадь 4000 м2 и высоту 9-11 м
и обогревается ’’темными” облучателями, состоящими из 3—5 накали-
ваемых стержней длиной 2 м и мощностью 950 Вт каждый. ИИ (стерж-
ни) устанавливаются под одним металлическим отражателем. Общая
мощность установки равна 577,6 кВт, удельная установленная мощность
144 Вт/м2. Особый коммутационный блок позволяет быстро ступенями
изменять режим обогрева. Возможна также локализация обогрева. По-
мещение обогревается периодически, ИК-обогрев имеет явные преиму-
щества.
224
3. Открытая терраса обогревается ’’светлыми” облучателями мощ-
ностью 500 Вт, расположенными в два ряда с расстоянием друг от друга
1 м. Излучение направлено на столы посетителей. Так как широкие
опоры с открытой стороны террасы создают защиту от ветра, тепловое
действие установки вполне удовлетворительно даже при сильных моро-
зах. ”Светлые” излучатели дают возможность работать в кафе в темное
время.
4. Временная столовая, выполненная целиком из дерева (печное отоп-
ление не устанавливалось по причинам противопожарной безопасности,
а паровое — по причинам экономическим), имеет площадь помещения
300 м2. Для отопления использовано 146 ’’светлых” облучателей мощ-
ностью 250 Вт, удельная установленная мощность равна 235 Вт/м2 в
передней, 102 Вт/м2 — в основном помещении.
В таких установках монтаж оборудования проще по сравнению с ус-
тановками, использующими традиционный конвективный способ, имеет-
ся возможность ступенчатого (или локального) обогрева и практичес-
ки полного решения вопросов освещения.
Наруду с установками про-
филактического действия все
большее распространение по-
лучают облучательные уста-
новки для лечения и диагнос-
тики [151-154]. Часто для
лечебного и профилактическо-
го облучения используются
одни и те же облучатели.
Так, ультрафиолетовые облу-
чатели типа У ГД-2 и У Г Д-З
на базе ртутных ламп ВД
ДРТ400 и ДРТ1000 применя-
ются в физиотерапевтических
кабинетах лечебных учрежде-
ний, фотариях при лечении
многих заболеваний, для ук-
репления организма. Возмож-
но облучение одновременно
8-15 пациентов.
Рис. 6.30. Облучатель БОД-9 с лам-
пами типа ДРБ8
225
Рис. 6.31. Облучатель ЭОД-Ю с лампами типа ЛЭЗО
Для местного индивидуального облучения коротковолновым УФ-из-
лучением, а также для лечения заболеваний кожи (воспалительные, ал-
лергические), суставов, периферической нервной системы, миозитов,
хронических бронхитов и т.д. применяется облучатель типа БОД-9
(рис. 6.30). В его светотехническую систему входят две бактерицидные
лампы типа ДРБ8-1, диффузный отражатель и плоские зеркальные встав-
ки. По периметру нижнего края корпуса светотехнической системы на
стойках крепят внутреннюю (из светлой ткани) и внешнюю (из темной
ткани) защитные шторки, которые локализуют излучение.
Для проведения светолечебных процедур длинноволновым УФ-излу-
чением (улучшение кровообращения, обмена веществ, образование ви-
тамина D) используются ОСУ на базе люминесцентных ламп и ламп ВД
со специальными фильтрами. Для индивидуального облучения (всей по-
верхности тела пациента) применяется облучатель типа ЭОД-10
(рис. 6.31), состоящий из светотехнической системы и демпферного
устройства. Демпферное устройство позволяет перемещать светотехни-
ческую систему по вертикали с помощью ручки и фиксировать ее. В то-
рец демпферного устройства вмонтированы часы. Схему облучения вы-
бирают, руководствуясь методиками, с учетом индивидуальной биоло-
гической реакции организма.
226
Рис. 6.32. Облувтельная установка УУД-1
Рис. 6.33.Облучательная установка для облучения конечностей ОУ К-1
Установка ультрафиолетовая длинноволновая типа УУД-1 (рис. 6.32)
используется для лечения кожных заболеваний на всей поверхности те-
ла пациента, а также для фотохимиотерапии больных хроническими дер-
матозами с помощью кругового облучения пациента в положении стоя.
Установка имеет форму открытой сверху 9-гранной полой призмы, сос-
тавленной из трех одинаковых секций, установленных на роликовые
опоры. Две секции жестко скреплены друг с другом, третья имеет с
ними шарнирное соединение и служит в качестве двери. Составленные
вместе секции образуют круговую светооптическую систему из 36 ламп
типа ЛУФ-80-2. Отражатель изготовлен из специального алюминиевого
сплава, имеющего высокий коэффициент отражения в УФ-области.
Установка типа УУД-1 может быть поставлена в комплекте с автомати-
ческим дозиметром ДАУ-81 (в этом случае установка имеет шифр
УУДЬА).
Для облучения отдельных частей тела пациента разработаны облуча-
тельные установки двух типов: ОУГ-1, предназначенные для облучения
головы, и ОУК-1 - для облучения конечностей (рис. 6.33) . Обе установ-
ки передвижные, снабжены панелями с люминесцентными лампами ти-
па ЛС15, которые имеют возможность поворота в пределах угла 90°
для придания удобного положения при облучении.
Ультрафиолетовая облучательная установка типа УФО-1500 (рис. 6.34)
имеет три облучателя, что позволяет проводить индивидуальное и груп-
повое облучение пациентов во весь рост и облучение отдельных участков
тела пациента. Установка используется в целях профилактики светового
227
Рис. 6.34. УФ-облучательная установка УФО-1500
голодания в осенне-зимний период, а также для лечения кожных заболе-
ваний (псориаз, нейродермит, угревая сыпь и т.д.). Спектральный диапа-
зон излучения 280—400 нм. Облучатель имеет оптическую систему, сос-
тоящую из алюминиевого диффузного отражателя, и дуговую ртутно-
кварцевую лампу типа ДРП400 со специальным покрытием, поглоща-
ющим коротковолновое УФ-излучение области УФ-С. Установка может
работать в двух режимах: циклическом (с автоматическим отключе-
нием) и непрерывном, в котором предусмотрена звуковая сигнализация
начала и окончания сеанса.
Установки типа ’’Солярий” оздоровительного и загарного действия
основаны на совместном действии УФ- и ИК-излучений (рис. 6.35).
В комплект облучателя типа УФО-Б1 входят лампа ДРТ100 и нагре-
ватель — спираль из нихромовой проволоки, служащая одновременно
активным балластным сопротивлением (рис. 6.35,а). Для фильтрации
коротковолнового УФ-излучения используется цилиндрический фильтр
из стекла марки С97-3. В облучателе типа УФО-250Н (рис. 6.35,6) при-
228
Рис. 6.35. Облучатели типов УФО-Б1 (а) и УФО-250Н (б)
менена лампа типа ДРП25О в колбе с легированным покрытием, при
этом излучение с длиной волны короче 280 нм составляет не более 5 %
всего диапазона УФ-излучения [154].
Значительная номенклатура ОСУ и облучателей терапевтического
действия имеется на фирме ’’Original Hanau” (ФРГ). С использованием
специальных люминесцентных ламп с диапазоном излучения в области
УФ-А и УФ-В применяется оригинальная конструкция облучателя-ку-
шетки. Для косметических целей облучения лица пациента в сидячем
и лежачем положениях служат облучатели ’’Aipisoi”, ’’Solarium” и др.,
представленные на рис. 6.36 и 6.37.
Наиболее совершенные установки выпускаются на базе МГЛ. Для
лечения псориаза и других кожных заболеваний фирма ’’Original Hanau”
производит серию установок ’’Psorilux” с МГЛ, излучающей преимущест-
венно в УФ(А+В)-области спектра. Установки ”Psorilux5050” имеют две
модификации, что позволяет использовать их при лечении псориаза дву-
мя различными методами. При селективной фототерапии (SPT) без ме-
дицинских препаратов наряду с длинноволновым УФ-излучением ис-
пользуется УФ-излучение средних длин волн, поэтому облучение па-
циента производится открытой МГЛ, при этом на выходном окне облу-
чателя устанавливается только защитная металлическая решетка. При фо-
тохимиотерапии (ПУВА-терапии) с приемом фотосенсибилизируюШих
препаратов используется только длинноволновое УФ-А-излучение, поэто-
му на выходном окне облучателя крепятся специальные защитные
фильтры. Установка состоит из трех облучателей и позволяет проводить
облучение во весь рост.
229
Рис. 6.36. Облучатель с ЛЛ ’’Alpisol” фирмы ’’Original Hanau"
Рис. 6-37. Облучатель "Solarium” с МГЛ
Воздействие ИК-излучения на организм человека используется для
проведения местных светотепловых процедур. Лампа типа ЛИК-5М на
штативе применяется в физиотерапевтических кабинетах лечебных уч-
реждений в целях уменьшения болей и ускорения рассасывания инфильт-
рата при подострых и хронических воспалительных процессах, неврал-
гиях. Конструкция лампы позволяет перемещать рефлектор по штанге
вверх и вниз, поворачивать его вокруг оси штанги и наклонять на угол
до 90° (рис. 6.38). В качестве ИИ используется зеркальная лампа нака-
ливания 300 Вт.
Для лечения желтухи новорожденных (с повышенным содержанием
билирубина в крови) применяют фототерапевтический метод. Лечебное
действие метода основано на том, что билирубин под действием излу-
чения в диапазоне 400-500 нм разрушается до простейших форм, раст-
воримых в воде, и выводится из организма. Продукты распада билиру-
230
Рис. 6.39. Облучатель ВОД-11 для
лечения желтухи новорожденных
бина не оказывают токсического действия, время их циркуляции в ор-
ганизме составляет не более 2 ч.
Облучатель для лечения желтухи новорожденных типа ВОД-11 состоит
из светооптической системы, демпферного устройства и двух стоек на
роликовых опорах (рис. 6.39). В светооптическую систему входят че-
тыре ’’голубые” лампы типа ЛГ20, две ’’белые” типа ЛБ20, отражатель,
которым является внутренняя поверхность корпуса светооптической
системы, покрытая эмалью белого цвета. Световое отверстие перекрыто
защитным стеклом. Четыре ’’голубые” лампы обеспечивают фототера-
пию, для регулирования значения облученности они включаются по две.
Две белые лампы предназначены для освещения ребенка при осмотре.
Аналогичный облучатель ’’Photo-Therapic” фирмы ’’Original Hanau”
также основан на применении синих люминесцентных ламп, общая пот-
ребляемая мощность облучателя составляет 150 Вт. Облученность, соз-
даваемая облучателем на уровне лежащего в боксе ребенка, составляет
8,4 Вт/м2 в эффективной области спектра (400-500 Вт).
Установки бактерицидного действия применяются для обеззаражи-
вания воздуха помещений (в лечебных и детских учреждениях, в неко-
торых промышленных помещениях и административных зданиях),
питьевой и минеральной воды, пищевых продуктов, тары и т.п. Источни-
231
ками бактерицидного излучения являются газоразрядные лампы низко-
го и высокого давления.
Эффективным является использование бактерицидных облучателей
для дезинфекции воздуха в каналах приточно-вытяжной вентиляции.
В [155] описан эксперимент с кондиционером, внутри которого были
установлены УФ-лампы. Результаты испытаний показали, что при нера-
ботающих УФ-лампах приблизительно 40% микроорганизмов проходило
через кондиционер, остальные 60% оседали на пылеулавливающем
фильтре и на внутренних поверхностях воздушного кондиционера и
воздуховода. При одной работающей бактерицидной лампе только
0,0535% микроорганизмов поступало обратно в помещение из конди-
ционера, при двух включенных УФ-лампах регистрировалось проникно-
вение только 0,0208% микроорганизмов.
Для быстрой дезинфекции воздуха в больничных помещениях при
отсутствии в них людей используется простой по конструкции бакте-
рицидный передвижной облучатель типа ОБПс-450 с УФ-лампами типа
ДБЗО-1. Включение облучателя на 10—15 мин является достаточным
для обработки помещения объемом до 100 м3. Для постоянной дезин-
фекции воздуха экранированным УФ-излучением в присутствии людей
(в процессе перевязывания, операции и т.д.) применяется облучатель
типа ОБШ-150, содержащий две лампы типа ДБЗО-1 и отражатель с уг-
лом поворота 180°. Этот же облучатель может быть использован для
экстренной обработки различных предметов, потолка и стен помещения
в отсутствии людей при соответствующем повороте отражателя.
Дезинфекция поверхностей УФ-облучением используется в пищевой
промышленности. Пустые и заполненные банки с консервами (не закры-
тые) проходят под установленными в ряд бактерицидными лампами на
транспортерной ленте. Крышки для банок перед их использованием об-
лучаются отдельно.
Бактерицидные лампы применяют в цистернах для хранения напит-
ков, в этом случае облучается воздух над ними и на их поверхности.
Это обеспечивает сохранность таких продуктов, как сиропы, сахар, пи-
щевое масло, душистые добавки и фруктовые соки. Одна лампа мощ-
ностью 15 Вт, установленная в цистерне, способна обработать 2,5 м2
ее площади в зависимости от степени возможного загрязнения и при ус-
ловии, что лампы смонтированы на расстоянии не далее 2 м от поверх-
ностью жидкости.
На молочных предприятиях такие лампы предотвращают загрязнение
продукта при разливе молока в бутылки или специальные упаковки.
Дезинфекции подвергают разливочные машины, контактирующие с мо-
локом, а также емкости для молока (бутылки и упаковки) перед их
заполнением. Непосредственное воздействие УФ-излучения на молоко,
кремы и сыры должно быть сведено к минимуму.
На сыроваренных предприятиях обработке подвергается воздух, в
котором могут содержаться посторонние микроорганизмы. При созре-
232
вании сыра в специальных помещениях приходится избавляться от пле-
сени, которая может развиваться на поверхности сыра. Для этого воз-
дух дезинфицируют УФ-излучением. Обработанный сыр облучают УФ-из-
лучением X = 254 нм (облученность равна 3 мВт/м2) в течение 16 ч и
1 раз в сутки переворачивают. На протяжении нормального технологи-
ческого цикла лампы можно отключать на 8 ч в сутки без ущерба для
сохранности продукта от воздействия плесени.
В хлебопекарнях основным источником загрязнений является пле-
сень, которая образуется в углублениях в сукне для транспортных сис-
тем, контактирующих с частицами теста. Облучение таких углублений с
обеих сторон бактерицидными лампами дает прекрасные результаты.
Обработанное сукно во многих случаях можно использовать не менее
16 недель без появления каких-либо признаков плесени. При этом сни-
жаются расходы на стирку сукна и прочие операции. Воздух в помеще-
ниях для охлаждения хлеба также загрязнен микоорганизмами, а по-
верхность хлеба представляет собой идеальную среду для развития пле-
сени. Здесь также хорошие результаты достигаются применением
УФ-ламп для обеззараживания верхних слоев воздуха.
На пивоваренных предприятиях бактерицидные лампы обеспечивают
непрерывную дезактивацию микроорганизмов в холодильных помеще-
ниях. Этот же способ позволяет избавиться от опасности развития плесе-
ни в сыром воздухе таких предприятий. Здесь бактерицидные установки
должны состоять из приборов общего облучения на уровне потолка и
воздушных трубопроводов в системе кондиционирования.
Изготовление антибиотиков, лекарств и косметики связано с необхо-
димостью максимальной чистоты воздуха на всех стадиях производства
(требование стерильности). Обычно это достигается посредством абсо-
лютных фильтров. Однако дополнительно требуется использование бак-
терицидного излучения. В этом случае персонал должен быть защищен
спецодеждой, а также стерилизованными перчатками, экранами, очками
и т.д. УФ-лампы должны быть или смонтированы на потолке, или при вы-
соте потолков более 3,5 м подвешены на этой высоте. При высоте потол-
ка менее 3 м можно использовать преимущественно отраженную схему
освещения от настенных отражателей с высотой установки 2 м над
полом.
В боксе, где хранятся дезинфицируемые материалы, инструменты и
т.д., можно постоянно поддерживать режим дезинфекции для всякого
рода инструментов с помощью бактерицидных ламп.
В операционных и родильных отделениях используются бактерицид-
ные установки как для обеззараживания воздуха, так и для обеззара-
живания пола, стен в помещениях для новорожденных.
При облучении пола в операционных помещениях бактерицидные
лампы можно устанавливать в ориентированных вниз отражателях на
высоте до 60 см над полом. На рис. 6.40 приведен облучатель, устанав-
ливаемый в больнице.
233
Рис. 6 40. Бактерицидный облучатель для больниц
Обеззараживание жидкостей также возможно с использованием бак-
терицидного излучения, так как оно способно проникать через некото-
рые жидкости, однако с разной эффективностью. Так, проницаемость
разных видов природной воды для излучения X = 254 нм может значи-
тельно различаться (в разных случаях до 10 раз). Это обусловлено раз-
ным содержанием железа в воде. Загрязненную промышленную воду
перед дезинфекцией подвергают очистке. В данном случае УФ-облучение
частично дополняет обычное хлорирование.
Обеззараживание воды бактерицидным излучением по сравнению с
хлорированием снижает стоимость очистки в 2—3 раза и обеспечивает
одновременно высокие физико-химические и органолептические свой-
ства воды [5]. Эксплуатация этих установок значительно проще и безо-
паснее для обслуживающего персонала, чем эксплуатация оборудования,
связанного с использованием хлора. Имеются и другие преимущества:
возможность автоматизации производства, быстрота процесса обеззара-
живания. Отечественная промышленность выпускает установки для обез-
зараживания воды типов ОВ-1П и ОВ-ЗП с лампами ДБЗО и ДБ60,
ОВ-ПКХ-1 с лампами ДРТ1000.
С применением мощных ДРТ25ОО выпускаются установки типа
ОВ-1П-РКС с расчетной производительностью в стандартных условиях
50 м3/ч, а при обеззараживании подземной воды — 75 м3/ч. Для более
крупных водопроводов разработана оборудованная тремя лампами
ДРТ25ОО установка С-ЗП-РКС производительностью 150-200 м3/ч.
Ненапорная самотечная установка типа ОВ-ПК-РКС с погружными кас-
сетами из ламп ДРТ25ОО предназначена для использования в сис-
темах водоснабжения крупных городов и имеет производительность
3000 м3/ч.
Имеются сообщения. [156] об очистке воды от органических приме-
сей с помощью ОИ.
234
Обработка жидких продуктов питания УФ-излучением также позво-
ляет резко сократить в них количество болезнетворных бактерий. Жид-
кие продукты транспортируются в стеклянных или кварцевых трубах.
В том случае, если эти трубы свернуты в змеевик, лампы размешаются
внутри змеевика. Если они имеют протяженную форму, то лампы распо-
лагаются вокруг трубы.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Дальнейшее развитие облучательной техники в значительной мере оп-
ределяется прогрессом в области генерации, перераспределения и целе-
сообразного использования энергии ОИ в различных технологиях. Уже
при современном масштабе использования ОИ для технологических це-
лей в нашей стране повышение КПД облучательной техники только на
1 % означает экономию сотен тысяч киловатт-часов электроэнергии в
год или дополнительную продукцию на сотни тысяч рублей.
Масштабы этой техники будут расширяться с использованием коге-
рентного излучения, солнечного света в системах совмещенного облуче-
ния, с развитием космической, подводной техники, ядерных техноло-
гий, например при разделении изотопов и др. Можно с уверенностью
прогнозировать широкое использование ОСУ в биотехнологии, генной
инженерии, исследовании фотохимических глобальных процессов, про-
исходящих в земной атмосфере и в атмосфеге ближайших планет, и др.
Однако, рассматривая применение ОИ с утилитарных позиций и учи-
тывая выгоду, прибыль, развитие новых сфер применения и т.п., мы не
должны забывать социальные и экологические агпекты этой весьма свое
образной, в некотором роде уникальной техники.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Максвелл К. Избранные сочинения по теории электромагнитного излучения:
Пер. сангл. М.: Гостехиздат, 1952.
2. Планк М. Теория теплового излучения: Пер. с нем. М.: ОНТИ, 1935.
3. Lois de Broglie, Recherche sur la theorie des quanta. Annal. de Physique. P. 10.
Vol. Ill, 1925. P. 22-128.
4. Международный светотехнический словарь. - 3-е изд. М.: Русский язык,
1979.
5. Мешков В.В. Основы светотехники. Ч. 1. М.: Энергия, 1979.
6. Справочная книга по светотехнике/Под ред. Ю.Б. Айзенберга. М.: Энерго-
атомиэдат, 1983.
7. Ultraviolette Strahlen/Hrsg. Jurgen Kiefer, Berlin-New York, Valter de Gruyter,
1976, ISBN 3-11-001641-9.
8. Зворыкин Д.Б., Александрова A.T., Байкальцев Б.П. Отражательные печи
инфракрасного нагрева. М.: Машиностроение, 1985.
235
9. Криксунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники. М.: Сов.
радио,1978.
10 Kok C.J. Report on the ultraviolet reflectance of building materials. Draft report,
CIE Division6,1984.
И. ГОСТ 8.195-89. Государственная система обеспечения единства измерений,
государственная поверочная схема для средств измерений спектральной плотности
энергетической яркости, спектральной плотности силы излучения и спектральной
плотности энергетической освещенности в диапазоне длин волн 0,25-25,00 мкм;
силы излучения и энергетической освещенности в диапазоне длин волн 0,2 -
25,0 мкм. М.: Изд-во стандартов, 1990.
12. Ишанин Г.Г. Приемники излучения оптических и оптико-электронных при-
боров. М.-Л.: Машиностроение, 1986.
13. Зигель Р., Хауэлл Дж. Теплообмен излучением. М.: Мир. 1975.
14. Калверт Дж., Питтс Дж. Фотохимия. М.: Мир, 1968.
15. Конев С.В., Болотовский И.Д. Фотобиология. Минск: Изд-во БГУ, 1979.
16. Турро Н. Молекулярная фотохимия. М.: Мир, 1967.
17. Сарычев Г.С. Об оценке приемника оптического излучения//Светотехника.
1984. №9. С. 3-5.
18. Теренин А.Н. Фотохимия красителей. М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1947.
19. Экспериментальная оценка эффективности источников света в светокуль-
туре растений/Г.М. Лисовский, Л.Б. Прикупец, Г.С. Сарычев и др .//Светотехника.
1983. № 3. С. 7-9.
20. Исаченко В.П., Осипова А.Н., Сукомел В.П. Теплопередача: Учебник для
вузов. М.: Энергоатомиздат, 1981.
21. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М.: Гостехиздат, 1952.
22. Борхет Р., Юбиц В. Техника инфракрасного нагрева. М.-Л.: Госэнергоиздат,
1963.
23. Photobiological effects in plant growth, Journal CIE. 1987. Vol. 6, N 2. P. 51-59.
24. Прикупец Л.Б., Сарычев Г.С., Федюнькин Д.Б. Оптимизация характеристик
фитооблучателей на основе фотобиологических экспериментов//Светотехника.
1978.№5.С. 19-21.
25. Lighting and plant growth/G.M. Lisovsky, L.B. Prikupets, G.S. Sarytchev,
F.Ya. Sidko, A.A., Tikhomirov//Proc. 21st CIE Session, Venice, 17-25 June, 1987,
Publ.CIEN 71. 1987. Vol. 11. P. 84-87.
26. Photometric problems in photobiology and photochemistry/G.S. Sarytchev,
G.N. Gavrilkina, A.S. Doinikov, L.B. Prikupets//Proc. 21st CIE Session, 17-25 June,
1987, Publ. CIE N 71. 1987. Vol. 11. P. 128-129.
27. Steck B. Photoconjunctivitis, CIE Journal. 1986. Vol. 5, N 1. June 1986. P. 19-24.
28. Steck B. Photokeratitis. CIE Journal. Vol. 5, N 1. June 1986. P. 24-29.
29. Гигиенические критерии состояния окружающей среды. Женева: Всемирная
организация здравоохранения. 1984. Вып. 14.
30. Pitts D.G., Cullen А.Р. Ocular ultraviolet effects from 300 nm to 400 nm: A pre-
liminary report, Cincinnati, UN US Department of Health, Education and Welfare, Na-
tional Institute of Occupational Safety and Health, Division of Biomedical and Behavi-
oral Science (Niosh Contract CDC-99-74-12).
31. McKinlay A.F. A reference action spectrum for ultraviolet induced erythema
in human skin, CIE Journal, June 1987. Vol. 6, N 1. P. 17-22.
32. Pathak M.A., Kramer D.M., Fitzpatrik T.B. Photobiology and photochemistry
of furocoumarins (psoralens). Sunlight and Man, Tokyo, University of Tokyo Press,
1974. P. 335-368.
33. Muel B., Cesarini J.P., Elwood J.M. Malignant melanoma and fluorescent lighting.
CIE Journal, 1988. Vol. 7, N 1.
34. Occupational exposure to ultraviolet radiation. National Institute for Occupa-
tional Safety and Health, US Department of Health, Education and Welfare.
236
35. Мейер А., Зейтц Э. Ультрафиолетовое излучение. М.: ИЛ. 1952.
36. Панферова Н.Е. Перспективы применения ультрафиолетовой радиации в
длительных космических полетах//Космическая биология, медицина. 1986. № 1.
С. 4-71.
37. Лазарев ДЛ. Основы и методы ультрафиолетовой светотехники: Дне. ...
доктора техн. наук. Л., 1974.
38. Шевель С.С., Червинский Л.С. Рекомендации по расчету доз ультрафиолето-
вого облучения свиней/Информ. письмо Минсельхоза СССР. Киев, 1982.
39. Самойлова К.А. Сравнительный анализ действия на клетки нефотосинтези-
рующих организмов УФ-излучения различных областей спектра: Автореф. дис. ...
доктора биолог, наук. Л.. 1979.
40. Edwards Е.А., Finkelstein N.A., Duntley S.Q.//J. Invest. Dermatol. 1951. N 16.
P. 311-312.
41. Протасов B.B. Поведение рыб. M.: Пищевая промышленность, 1978.
42. Матюхин В.А., Путилов А.А. Влияние естественного светового режима на
суточные ритмы человека//Вестник Академии медицинских наук СССР. 1985.
№3. С. 59-62.
43. Рохлин Г.Н. Разрядные источники света. М.-Л.: Энергия, 1991.
44. Уэймаус Д. Газоразрядные лампы. М.: Энергия, 1977.
45. Импульсные источники света/Под ред. И.С. Маршака. М.: Энергия, 1978.
46. Вугман С.М., Волков В.И. Галогенные лампы накаливания. М.; Энергия,
1980.
47. Бураховский Т., Гизиньский Е., Саля А. Инфракрасные излучатели: Пер. с
польск. М.-Л.: Энергия, 1978.
48. Ициксон Б.С., Денисов Ю.Л. Инфракрасные газовые излучатели. М.: Недра,
1969.
49. Высокоинтенсивные источники ультрафиолетового излучения и их приме-
нение в технологических процессах/Г.С. Сарычев. Г.Н. Гаврилкина, С.Г. Ашурков,
Е.И. Розовский//Светотехника. 1979. № 9. С. 5-8.
50. Brandli G. Neuer Quelle fur intensive kurr.wellige Ultraviolettsstrahlung, Brown
Boveri Mitteilunger, 1975. N 5.S. 202.
51. Номенклатурный каталог НК 09-5.01-87 "Лампы разрядные”. Информ-
электро,1987.
52. Отраслевой каталог 09.70.02-87 "Аппараты пускорегулирующие для газо-
разрядных ламп". Информэлектро, 1987.
53. Yushkov D.D., Troitsky A.M. Theoretical and experimental studies of low-pres-
sure electrodeless fluorescent lamps. Proc. 21st CIE Session, Venice, 25 .lune, 1987,
Publ.CIE. 1987. N 71. Vol. 11. P. 132-133.
54. Шишацкая Л.П. Источники вакуумного ультрафиолетового излучения неп-
рерывного действия//Оптико-механическая промышленность. 1984. № 9. С. 54-59.
55. Сарычев Г.С. Оптическое (некогерентное) излучение в технологических
процессах: Автореф. дис. ... доктора техн. наук. М., 1985.
56. Вассерман А.Л. Ксеноновые трубчатые лампы и их применение. М.: Энерго-
атомиздат, 1989.
57. Bridges J.M., Ott W.R. Appl. Opt. 1979. Vol. 16, N 2. P. 369.
58. Айзенберг Ю.Б. Световые приборы. M.: Энергия, 1980.
59. Трембач В.В. Световые приборы (теория и расчет). М.: Высшая школа,
1972.
60. ГОСТ 17677-82. Светильники. Общие технические условия.
61. ГОСТ 122.007.13-88. Система стандартов безопасности труда. Лампы элект-
рические. Требования безопасности.
62. ГОСТ 12.2.020-76. Электрооборудование взрывозащищенное. Термины и
определения. Классификация. Маркировка.
63. ГОСТ 12.1.004-85. Изделия электротехнические. Пожарная безопасность.
237
64. ГОСТ 17516-72. Изделия электрон. ,-ские. Условия эксплуатации в части
воздействия механических факторов внешней ср лы.
65. ГОСТ 1515069. Машины, приборы и другие технические изделия. Исполне-
ния для различных климатических районов. Категории, условия эксплуатации, хра-
нения и транспортирования в части воздействия климатических факторов внеш-
ней среды.
66. Швецов С.Г. Исследование и разработка осветительных установок на задан-
ную структуру светового поля для селекции растений: Дисс.... канд. техн. наук. М.,
1983.
67. Новые принципы, способы перераспределения оптического излучения в про-
странстве и световые приборы и установки/Е.И. Мудрак, Г.С. Сарычев, В.С. Карма-
за, С Г. Швецов//Тез. докл. VIII Всесоюзн. научн.-техн. конф, по светотехнике. Са-
ранск: Изд-во ВНИИИС. 1981. Ч. 3. С. 29-31.
68. Кущ О.К. Оптический расчет светилызиков и облучательных приборов с при-
менением ЭВМ. М.: Энергоатомиздат, 1991.
69. Ашурков С.Г., Гаврилкина ГЛ., Гунчев А.В. Новые облучатели для фото-
отверждения лакокрасочных материалов//Светотехника. 1986. № И. С. 25-28.
70. Облучательные установки с протяженными отражающими поверхностями/
Г.С. Сарычев, Е.И. Мудрак, А.И. Рымов, В.В. Малышев//Светотехника. 1983. № 3.
С. 17-19.
71. Зусман А.С., Швецов С.Г. Применение искусственного освещения и облуче-
ния в сельском хозяйстве//Электротехн. пр.-ть. Сер. Светотехн, изделия. Обзорн.
информ. 1987. Вып. 2 (8). С. 32.
72. Мазохин-Поршняков Г.А. Зрение насекомых. М.: Наука, 1965.
73. Сарычев Г .С. Классификация облучательных светотехнических установок//
Светотехника. 1982. №2.С.9-10.
74. Зворыкин Д.Б., Прохоров Ю.И. Применение лучистого инфракрасного нагре-
ва в электронной.промышленности. М.: Энергия, 1980.
75. Левитин И.Б. Применение инфракрасной техники в народном хозяйстве.
М.-Л.: Энергоиздат, 1981.
76. Пресс Ф.П. Фотолитография в производстве полупроводниковых приборов.
М.: Энергия, 1968.
77. Квантовый выход фотонитрозирования циклододекана/М.Л. Лазарева,
Г.Н. Гаврилкина, Г.С. Сарычев и др.//ЖФХ. 1975. Т. XLIX. С. 904 -908.
78. Овощеводство защищенного грунта/Под ред. С.Ф. Ващенко. М.: Колос,
1984.
79. Нормирование ОСУ для светокультуры растений/Е.И. Мудрак, Г.С. Сарычев,
Г.Я. Иванов, О.К. Черепанова//Сб. научных трудов. Электрификация и автомати-
зация технологических процессов в Сибири. Новосибирск, СО СибИМЭ, 1990.
80. Сарычев Г.С. Светотехнические проблемы интенсивной светокультуры рас-
тений//Светотехника. 1986. № 2. С. 3-5.
81. Лисовский Г.М., Долгуше в В.А. Очерки частной светокультуры растений.
Новосибирск: Наука, 1986.
82. Artificial lighting in horticulture. N.V. Philips Gloelampenfabrieken, Lighting
Division, Eindhoven, Netherlands, 1987.
83. Method for determining the major lighting characteristics of irradiating installa-
tions for plant growth. Draft-Recommendation (USSR) presented at the 2nd meeting
of CIE TC-1.8, Koln, 1982.
84. Кек Г., Касиер И. Влияние оптического излучения на животных. Сообщение
МКО, 1987.
85. Методические рекомендации по применению оптического излучения в живот-
новодстве. М.: Изд-во ВИЭСХ, 1978.
86. Mehlhorn G. (Editor): Lehrbuch der Tierhygiene, Teil 1. VEB Gustav Fischer
Verlag, Jena, 1979.
87. DIN 18910: Klima in geschlossenen Stallen, Oktober 1974.
238
88. Санитарные нормы проектирования промышленных предприятий. СН-245-71.
М : Госстрой СССР, 1972.
89. Детские дошкольные учреждения. ВСН-49-86. М.: Госгражданстрой. 1988.
90. Профилактическое ультрафиолетовое облучение людей. Методические ука-
зания//Светотехника. 1989. № 5. С. 1-5.
91. Лазарев Д.Н., Матвеев А.Б. Проектирование и расчет фотариев//Светотехни-
ка. 1984. №2. С. 14-19.
92. Mutzhas F. UV irradiation devices for поп-therapeutic use. Meeting TC-06,
21-23 August, 1986, Budapest.
93. Acceptable levels of micrometer radiation. Health Council of the Netherlands,
1979.
94. Bickford ЕЛ., Clark G.W., Spears G.R. Measurement of ultraviolet irradiance
from illuminants in terms of proposed public health standards. Journal of IES, October,
1974. P. 43-45.
95. Кнорринг Г.М. Светотехнические расчеты в установках искусственного ос-
вещения. М.-Л.: Энергия, 1973.
96.IES Lighting Handbook, New York 1972.
97. К расчету коэффициента использования потока излучения погружных ис-
точников света в фотохимических установках/Е.И. Розовский, Г.С. Сарычев,
Г.Н. Гаврилкина и др.//Светотехника. 1979. № 12. С. 17-18.
98. Правила устройства электроустановок/Минэнерго СССР. - 6-е изд., перераб.
и доп. М.: Энергоатомиздат, 1985.
99. Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей и Пра-
вила техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей/Мин-
энерго СССР. - 4-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1986.
100. Моделирование тепловых режимов космического аппарата и окружающей
его среды/Под ред. Г.И. Петрова. М.: Машиностроение, 1971.
101. Bartera R.E., Riise H.N., Miller C.G. Solar simulators at the jet propulsion labo-
ratory, Applied Optics. Vol. 9, N 5. P. 197.
102. Рымов А.И. Имитатор солнечного излучения//Светотехника. 1989. № 9.
С. 4-6.
103. Тельный А.А. Имитация солнечного излучения в лабораторных условиях//
Оптико-механическая промышленность. 1975. № 5. С. 43-47.
104. Schniewind B.J. Bewitterungspriifgerat mit Leuchtstofflampen. Kunststoffe,
1988. Vol. 78. N 11. S. 1039, 1085-1088.
105. Heat lamps and space program by simulating thermal barrier. Electrical Engine-
ering, 1960. Vol. 79, Nil.
106. Никифоров ГД., Опарин М.И., Лопатина Г.Г. Применение лучистого нагре-
ва для сварки, пайки и плавки различных материалов//Исследование материалов в
условиях лучистого нагрева. Киев: Наукова думка. 1975. С. 12.
107. Сасоров В.П. Установка радиационного высокотемпературного нагрева
УРАН-1//Электровакуумная техника. 1967. № 42.С. 87-89.
108. Menges G., Michaeli W., Rudolph К. Regelung der Helbzeug-Temperaturver-
teilung bei Infrarot-Aufheizprozesse, Pap. + Kunstst. Verarb, 1988. Vol. 23,N U.S. 11,
12,14,15,18-20.
109. Болотов А.Б., Смолович M.A. Энергетические параметры процесса триплек-
сирования стекла низкотемпературной плазмой//Электрооборудование промыш-
ленных установок и автоматизация производств и электротехнических комплек-
сов. Вып. 5. Алма-Ата: изд-во Каз. ПТИ им. В.И. Ленина, 1978.
ПО. Асака К. Использование длинноволновых инфракрасных излучателей//
Нэнрёобби нэнсе. 1987. Т. 54. № 10. С. 721-738.
111 • Mintzer J. Oswawa goes infrared, Automotive Ind., 1988. N 2. P. 138, 139, 141.
112. Установка оптического излучения KBAHT-l/P.A. Гаврилюк, M.H. Морозо-
ва, Л.Н. Новикова и др.//Тракторы и сельхозмашины. 1986. № 11. С. 18-20.
239
113- Coste G., Charuel R. Sechage du papier par rayonnement infrarouge court, Re-
vue ATIP, 1984. Vol. 38, N 6, 7. P. 325-332, 259.
114. Le Grand C., Lemaistre J. Les infrarouges en papeterie. Journal Francais de
rElectrothermie, 1987. N 23. P. 31-35.
115. Данилов H.H., Бочаров B.H. Применение ИК-лучей в производстве сборных
железобетонных конструкций и деталей. М.: Госстройиздат, 1960.
116. Применение источников излучения для фотохимических процессов/Инсти-
тут радиационной химии при Институте исследования углерода им. Макса Планка.
Мюльхайм-Рур (ФРГ) 1980.
117. Кано Тадао, Мнцуки Ионтиро. Технологическое применение новых источ-
ников излучения. Дзидока Гидзюцу, Meeh. Automat. 1981. Т. 13, № 8. С. 101-107.
118. Гаврилкина Г.Н. Источники излучения для производства лактамов фото-
нитрозированием//Светотехника. 1973. № 8. С. 4-5.
119. Fischer М. Photochemische Synthesen in technischen Massstab, Angewantte
Chemie. 1978. Vol. 90. S. 17-27.
120. Патенты, Япония, № 64131 (1971 г.), №58147 (1971 г.).
121. Halme В.Е., Marron JJ. The curing of epating by UV-radiation, Paint and Re-
sin. 1984. Vol. 54, N 1. P. 31-41.
122. Иванов P.H. Репрография. Методы и средства копирования и размножения
документов. М.: Советское радио, 1977.
123. Алфимов М.В., Якушева О.Б. Фотохимические способы записи информа-
ции. Первичные фо’топроцессы//Успехи научной фотохимии. 1978. Т. 19. С. 3-57.
124. Введение в фотолитографию/Под ред. В.П. Лаврищева. М.: Энергия, 1977.
125. Дудяк В.А., Лазаренко Э.Т. Полиамиды и их применение при изготовлении
печатных форм. М.: Книга, 1973.
126. Светочувствительные полимерные материалы/Под ред. А.В. Ельцова. Л.:
Химия, 1985.
127. Ашурков С.Г., Морозова С.С., Мхитаров М.А. Использование импульсного
горения ртутных ламп для фотоотверждения покрытий//Деревообрабатывающая
промышленность. 1986. № 4. С. 11-12.
128. Хасэгава Такэхнко. Развитие новой сушильной техники и примеры ее при-
менения. Оборудование для сушки ультрафиолетовым излучением. Ками по пура-
сутикку//Рарег and Plastic. 1981. Т. 9,№ 10. С. 44-49.
129. О. Нага К. Эффективные методы отверждения покрытий ультрафиолето-
вым излучением и потоком электронов//Ро1ут Paint Colour J. 1981. Т. 71. №4038.
С. 11-12; 14-15.
130. Zandvoort S.J.W. Специальные лампы для производственных процессов//
Int. light Rev. 1981. Т. 32, № 2. С. 51 -58.
131. Об унификации УФ-облучателей для "конвейерных” фототехнологических
процессов/С.Г. Ашурков, Г.Н. Гаврилкина, Г.С. Сарычев и др.//Тез. Докл. VIII Все-
союзной научн.-техн. конф, по светотехнике, часть II. Источники света, 1982.
132. Ах. 1326831. Облучательный прибор/С.Г. Ашурков, Г.Н. Гаврилкина,
Г.С. Сарычев и др.//Открытия. Изобретения. 1987. № 28.
133. Гаврилкина Г.Н., Фуфаев Э.Ф., Неклесов А.Н. Эксплуатация ламп
ДРТ12000 в установках УФ-сушки на линиях "Дюрр” и "Лигнакон”//Деревообраба-
тывающая промышленность. 1989. № 5. С. 9-11.
134. Ашурков С.Г., Маковецкий А.А. Об энергоэкономичности облучателей для
УФ-отверждения покрытий волоконных световодов//Светотехника. 1988. № 4.
С. 11-13.
135. Ручной ультрафиолетовый o6ny4aTenb//Elektrotechnik (BRD). 1983. Т. 65,
№7. С. 80.
136. Леманн В.М. Курс светокультуры растений. М.: Высшая школа, 1976.
137. Bernath Jeno, Fischer Tibor, Abranyi Andor. Novcn ykornyezet cs szabalyozasa
Akademiai kiado, Budapest, 1982.
240
\138. Унифицированная серия тепличных облучателей/С.М. Сараев, С.С. Те-
рентьев, В П. Шарунич, Т.С. Шарупич//Светотехника. 1987. № 6. С. 24-29.
I 39. Лебл Д.А., Мудрак Е.И., Личко Н.М. Новые источники излучения для про-
изводства рассады тепличных томатов//Картофель и овощи. 1977. № 2. С. 35 - 36.
140. Расчет параметров комплекса "Светотрон”/Т.В. Безменова, А.И. Митин,
Е.И. Мудрак и др.//Светотехника. 1987. № 6. С. 18-20.
141. Светотехнические устройства для овощеводства/А.К. Федоров, Е.И. Муд-
рак. И.А. Юрьева и др.//Плодоовощное хозяйство. 1986. № 8. С. 39-45.
142. Ермаков Е.И., Черноусов И.Н. Вегетационная установка для интенсивного
культивирования растсний//Механизация и электрификация сельского хозяйства.
1985.№4.С.52-55.
143- Кистибара Хироси. Автоматизация сельского хозяйства в Японии//Курьер.
1987.С. 17-19.
144. Новые принципы возделывания сельскохозяйственных культур на базе
блочно-модульных роторно-конвейерных гидропонных систем//Механизация и ав-
томатизация работ в защищенном грунте. М.: Колос. 1988. С. 65-104.
145. Электрические установки инфракрасного нагрева в животноводстве/
Д.Н. Быстрицкий. ПФ. Кожевникова, А.К. Лямцов и др. М.: Энергоиздат. 1981.
146. Изучение бактерицидного действия УФ-излучения на бактериальную флору
воздуха животноводческих помещений/А.К. Баубинас, В.С. Дорофеев, Р.В. Мика-
люнас и др.//Гигиена и санитария. 1983. № 4. С. 25-27.
147. Знаменский В.Г. Повышение эффективности освещения зданий для содер-
жания крупного рогатого скота: Автореф. дис. канд. техн. наук. М., 1985.
148. Карташова Т.П. Продуктивность индюшат-бройлеров при комплексном
ИК- и УФ-облучении: Автореф. дис. ... канд. сель.хоз. наук. М., 1984.
149. Лазарев Д.Н. Оздоровительное облучение в системе общего освещения по-
мещений//Светотехника. 1974. № 1. С. 8-11.
150. Лазарев Д.Н. Оптическое излучение в лечебных учреждениях//Светотехни-
ка. 1978.№ 11.С.9-12.
151. Лазарев Д.Н. Оптическое излучение в лечебных учреждениях//Светотехни-
ка. 1968.№ 1.С.9-12.
152. Тотарчук Ю.Н. Фотарии с эритемными лампами//Светотехника. 1986. № 6.
С. 19-20.
153. Ускова Г.В., Чупров А.Н. Ультрафиолетовые облучатели//Мсдицинская
техника. 1988. № 3. С. 8-10.
154. Васильев В.И., Вассерман АЛ., Щеголева Ю.А. Ультрафиолетовые облучате-
ли лечебно-профилактического назначения//Электронная промышленность. 1982.
Вып. 8 (114). С. 83-84.
155. Wayne Johnson. Germicidal lamps effective but seldom used in homcs//Air
Conditioning, Heating, Refrigeration News, USA, 1981. N 8. P. 18, 19.
156. К. Уванес Моберг. Желудочно-кишечный тракт в процессах роста и размно-
жсния//5аспНПс American. July 1982. Vol. 261,N l.P. 13-15.
157. Черноусов И.Н. Фотобиологические и агросвстотехнические проблемы ин-
тенсивного выращивания растений в регулируемых условиях. Автореф. дис. ...
канд. техн. наук. Л.. 1990.
158. Матвеев А.Б., Лебедкова С.М., Петров В.И. Электрические облучательные
установки фотобиологического действия//Учсбное пособие. М., МЭИ, 1989.
159. Шахов А.А. Фотоэнергетика растений - наука о световом управлении
растениями: его метаболизмом, наследственностью и продуктивностью: Тезисы
3-й Всесоюзной конференции по фотоэнергетике растений. Алма-Ата, 1974. Вып.2.
160. Муромцев Г. Основные направления развития сельскохозяйственной тех-
нологии//Международный агропромышленный журнал, 1990. № 4. С. 82-92.