Способ повышения эффективности высокочастотной модуляции оптического излучения теплового источника излучения

 

На массивном хорошо теплопроводящем тугоплавком теле создают пленку из тугоплавкого непроводящего электрический ток теплоизолирующего материала. Пленка находится в контакте с массивным телом. На пленке размещают тугоплавкую металлическую часть теплового источника оптического излучения. Нагрев металлической части теплового источника оптического излучения осуществляют переменным электрическим током. Тугоплавкую металлическую часть теплового источника оптического излучения накрывают пластинкой из материала, прозрачного для той или иной необходимой для работы части спектра оптического излучения. Изобретение позволяет повысить эффективность высокочастотной модуляции оптического излучения теплового источника. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относиться к технической физике и, в частности, к способам получения модулированного оптического излучения от тепловых источников излучения, что позволяет получать модулированное оптическое излучение в широком спектральном диапазоне, в том числе в важном для практических приложений ИК-диапазоне 1^oC10 мкм.

Одним из способов получения модулированного оптического излучения от любого источника излучения, в том числе теплового, является использование вращающихся зеркал или экранов со щелями [1]. Недостатками этого способа является необходимость использования в устройствах вращающихся частей и ограничение сверху частоты модуляции оптического излучения, связанное с физическим ограничением сверху скорости вращения соответствующих зеркал или экранов со щелями. Особенно трудно осуществить здесь высокочастотную модуляцию для оптического излучения имеющего достаточно большое поперечное сечение оптического пучка, поскольку это требует увеличения габаритов зеркал или экранов со щелями.

Другим способом, наиболее близким к предлагаемому, является использование тепловых источников, в которых нагревание тугоплавких металлических частей, в частности, нитей накаливания, являющихся источниками теплового оптического излучения, осуществляется переменным электрическим током, удвоенная частота которого Ω = 2Ω₀ и является частотой модуляции оптического излучения. Наиболее простым примером тепловых источников является применение лампы накаливания [2]. В [2] показано, что лампа накаливания СМН-80 6В 0,08А с тонкой и короткой нитью накаливания позволяет получать модулированное оптическое излучение с верхней границей частоты Ω = 7 - 7,5 кГц. В [2] такая лампа использована в качестве источника модулированного теплового оптического излучения для работы светового телефона.

Основным недостатком ламп накаливания является резкое уменьшение КПД преобразования теплового излучения в модулированное оптическое излучение с ростом частоты модуляции. Так в [2] утверждается, что максимальная частота модуляции теплового оптического излучения лампы накаливания СМН-80, при которой возможность ее использовать в световом телефоне, не превышает Ω ≈ 8 кГц.

Вышеназванное подтверждается теоретическим расчетом.

Температуру Т нити накаливания в электрической лампочке как функцию времени t можно оценить из уравнения.

Здесь V = πr²L - объем нити накаливания, где r - радиус поперечного сечения нити; L - длина нити; σ - 5·10^-12 Вт/(см² К⁴) - постоянная Стефана-Больцмана; S = πr²+2πrLʹ≃ 2πrL - площадь поверхности нити; cρ - произведение удельной теплоемкости металла c и его плотности ρ ; P(t) = 2P₀cos²Ω₀t = P₀(1-cosΩt) - мощность электрического тока подводимого к нити накаливания, где
Ω₀= Ω/2 - частота модуляции электрического тока подводимого к нити;
Ω - частота модуляции электрической мощности подводимой к нити накаливания.

Определим КПД преобразования δ мощности теплового оптического излучения в модулированное тепловое оптическое излучение как максимальное по времени t отношение модулированной частоты Ω части этой мощности W к немодулированной ее части W_o .

В случае δ ≪ 1 решение уравнения (1) может быть найдено как сумма двух величин T = T₀ + T₁, где и T₀ и T₁ определяются из уравнений:

В (3) величина получается из (1), если учесть, что (T₀+T₁)⁴≃ T⁴₀+4T³₀T₁ .

Решая уравнения (2) и (3) и, полагая T₁ (0) = 0, имеем

Таким образом, часть излучаемой нитью во всем спектральном диапазоне мощности W, промодулированная частотой Ω , равна
В силу неравенства и с учетом выражений (4) - (6) и того, что нас будут интересовать такие высокие частоты Ω , при которых Ωτ ≫ 1 , для величины КПД получаем

Оценим δ (7), положив значения параметров P₀ ≈ 10 Вт, L≈1 см, r ≈ 10^-2 см, cρ ~ 1Дж/см³K[3], Ω~10⁵Гц .

Получаем

Отметим, что при выбранных значениях параметров
1/τ ~ 10²Гц, т.е. Ωτ ≫ 1.
Итак, согласно (7) КПД δ с ростом частоты Ω сильно убывает и при частоте Ω ~ 10⁵Гц величина W≈0,18 мВт довольна мала в соответствии с утверждением авторов [2].

В принципе, для ламп накаливания возможно теоретически получить КПД δ~1 . Однако, это достигается, как будет показано ниже, при физически нереальных значениях параметров нити накаливания. В самом деле, при величине δ~1 в уравнении (1) объем нити накаливания V = 2πrL в левой части уравнения должен быть настолько малым, что левой частью уравнения (1) можно пренебречь. Из получившегося уравнения имеем:

Результат (9) справедлив при выполнении неравенства

Учитывая, что нить можно нагреть лишь до предельной температуры плавления T_п, имеем ограничение на мощность
P₀(1-cosΩt) ≅ σT⁴_п2πrL
С учетом последнего соотношения, принимая во внимание (9) из неравенства (10) получаем

Полагая T_п ≈ 2·10³К, cρ~1 Дж/см³K, Ω ~ 10⁵Гц, из (11) имеем r < 10^-6 см.

Это означает, что такой источник теплового оптического излучения, допускающий при частоте модуляции Ω ~ 10⁵Гц, величину КПД δ~1 , должен иметь радиус поперечного сечения нити накаливания r ≈ 10^-7 см, что очевидно физически невозможно.

Таким образом, лампы накаливания не позволяют получить КПД δ ~ 1 .

Однако, ниже будет показано, что можно построить тепловой источник излучения, в котором КПД модуляции δ будет δ ~ 1 и мощность модулированной части теплового излучения при тех же параметрах P, Ω и т.д., что и выше, будет существенно превышать величину (8) W ≈ 0,18 мВт.

Целью предполагаемого изобретения является повышение КПД высокачастотной модуляции оптического излучения теплового источника. Речь идет о тепловом источнике, который позволил бы увеличить величину δ КПД модуляции теплового оптического излучения до значения δ ~ 1 , то есть позволил бы приблизиться к единице отношения максимального по времени значения части мощности теплового излучения, промодулированного высокой частотой Ω , к постоянной по времени части мощности теплового излучения. Другими словами цель изобретения в предложении источника теплового оптического излучения с эффективной высокочастотной модуляцией. Очевидно, что при этом повышается и сама величина промодулированной части мощности теплового оптического излучения.

Для достижения поставленной цели в соответствии с предлагаемым способом нагрев тугоплавкой металлической части теплового источника оптического излучения и, тем самым, модуляция с частотой Ω этого излучения осуществляется переменным электрическим током частоты Ω₀= Ω/2 , который пропускают через указанную тугоплавкую металлическую часть, изготовленную из таких материалов с большим электросопротивлением как вольфрам, никель, хром и т.д. При построении теплового источника модулированного оптического излучения создают на массовом хорошо теплоотводящем с температуропроводностью χ₂ и тугоплавком теле, например, из стали, меди, хрома, никеля и т.д., пленку толщиной h из тугоплавкого непроводящего электрический ток и теплоизолирующего материала с температуропроводностью χ₁ , например, керамики, окислов некоторых металлов и т.д., находящуюся в тепловом контакте с упомянутым массивным телом. Затем на этой пленке размещают, например, способом напыления или электроосаждения тугоплавкую металлическую часть теплового источника оптического излучения с характерным максимальным размером вдоль пленки R, обеспечивая при этом ее тепловой контакт с пленкой путем подбора контактирующих материалов и формы тугоплавкой металлической части теплового источника оптического излучения. Кроме того, подбором материалов обеспечивают выполнение условий 10χ₁/χ₂≅ 1,R/h ≥ 10, 10χ₁/Ωh²≥ 1.

Тугоплавкая металлическая часть теплового источника оптического излучения может подвергаться окислению и преждевременному выходу из строя. Для увеличения срока работы этой части ее накрывают пластиной из материала, прозрачного оптического излучения, например, из материалов веществ ZnSe, Si, Ge, GaAs и т.д. При этом обеспечивают вакуумирование области, в которой находится тугоплавкая металлическая часть теплового источника оптического излучения.

Предложенный способ может быть реализован с помощью устройства, представленного на фиг. 1. Устройство содержит массивное хорошо теплопроводящее и тугоплавкое тело a, выполненное например, из какого-либо металла стали, меди, хрома, никеля и т.д. На поверхности тела a имеется пленка b, из тугоплавкого непроводящего электроток теплоизолирующего материала, например, керамики, окислов некоторых металлов, находящаяся в тепловом контакте с телом a.

На поверхности пленки b в тепловом контакте с ней располагается тугоплавкая металлическая часть c теплового источника оптического излучения, состоящая из какого-либо материала вольфрама, хрома, никеля и т.д. и нанесенная на пленку b путем напыления или электроосаждения таким образом и в такой геометрической форме, чтобы обеспечивался тепловой контакт указанной тугоплавкой части c пленкой b.

Устройство содержит также хорошо проводящие электрический ток проводники d, находящиеся в электрическом контакте с тугоплавкой частью c теплового источника оптического излучения и обеспечивающие подвод к части c переменного электрического тока по внешним проводам e.

Наконец, устройство может содержать пластину f, размещенную на поверхности пленки b . Пластина f накрывает собой тугоплавкую металлическую часть c теплового источника оптического излучения, обеспечивая вакуумирование области g на тугоплавкой части c. При этом пластина f является оптическим окном для оптического излучения и выполняется из таких материалов, которые прозрачны для той или иной спектральной области оптического излучения теплового источника. Такими материалами могут быть ZnSe, Si, Ge, GaAs и т.д..

Способ реализуется следующим образом. По внешним проводам и проводникам e к тугоплавкой с большим электрическим сопротивлением части c теплового источника оптического излучения подводится переменный электрический ток частоты Ω₀ . Часть c теплового источника нагревается до температуры T(t) полторы-две тысячи градусов, которая будет переменной во времени t и характерной частотой осцилляции температуры будет частота Ω = 2Ω₀ , поскольку мощность тепловыделения согласно закону Джоуля-Ленца
P(t) = 2P₀cos²Ω₀t = P₀(1-cosΩt)
При этом в силу условий, которым удовлетворяет тело a, пленка c и которые, как будет показано ниже при теоретическом обосновании способа, определяются неравенствами 10χ₁/χ₂≅ 1, R/h ≥ 10, 10χ₁/Ωh²≥ 1, отношение максимального по времени t значения переменной части температуры T к ее независящей от времени части будет порядка единицы. Тем самым, отношение максимального по времени значения переменной доли мощности теплового излучения тугоплавкой части c к доли мощности теплового излучения независящей от времени (при временах, когда неосциллирующая по времени часть температуры выходит на стационарное значение) будет порядка единицы. То есть величина δ КПД преобразования мощности теплового излучения в модулированное по частоте излучение будет δ ~ 1 . Оценить мощность теплового излучения можно по формуле излучения абсолютно черного тела [3].

Тепловое излучение, в том числе его часть, промодулированная высокой частотой, проходит через вакуумный промежуток g и далее с некоторыми потерями на отражение от пластины f и поглощение в ней выходит наружу, где его можно использовать.

Проведем теоретическое обоснование способа повышения эффективности высокочастотной модуляции теплового источника оптического излучения.

Рассмотрим систему, представленную на фиг. 1 и состоящую из керамического слоя толщиной h, контактирующего с металлом, занимающим нижнее полупространство. Поместим начало прямоугольной системы координат на плоскость контакта керамического слоя и металла. При этом направим ось z от поверхности металла по направлению керамического слоя. Пусть для определенности на поверхности керамического слоя с координатой z = h находится источник тепла в виде круга радиуса R с объемной плотностью мощности равной

где
R - радиус круга на внешней керамической плоскости, внутри которого генерируется тепло;
Θ(R-ρ) = 1 при ρ<R и Θ(R-ρ) = 0 при ρ>R;
ρ и z - переменные в цилиндрической системе координат;
δ(z-h+o) - дельта-функция Дирака, означающая, что тепло генерируется в бесконечно тонком слое лежащем на внешней керамической плоскости.

Введение дельта-функции не является существенным моментом, а лишь упрощает математические выкладки.

С учетом (12) и круговой симметрии источника тепла для определения температуры в рассматриваемой системе T(ρ,z,t) имеем уравнение теплопроводности [4]:

где c₁ρ₁,c₂ρ₂ - удельные объемные теплопроводности керамического слоя и металла соответственно;
χ₁ и χ₂ - коэффициенты теплопроводностей тех же материалов соответственно;
- оператор Лапласа в цилиндрической системе координат в случае круговой симметрии.

Уравнение (13) должно быть дополнено граничными условиями, одно из которых соответствует внешней стороне керамической поверхности, граничащей с вакуумной (или атмосферой) можно принять равным

Данное условие следует из того, что отток тепла с внешней стороны керамической поверхности за счет теплоизлучения пренебрежимо мал по сравнению с его оттоком из керамического слоя к металлу вследствие теплопроводности. В самом деле, как будет видно из дальнейшего поток тепла из керамического слоя - потока тепла за счет теплоизлучения с внешней поверхности керамического слоя.

Это очевидно, если принять во внимание, что
T ~ 10³K, R~10^-2см, χ₂~ 1Дж/смсK.
Другие граничные условия согласно [4] имеют вид

Для решения задачи (13) - (15) осуществим в этих выражениях (13) - (15) преобразование Лапласа по времени t. Далее образ Лапласа T(p,ρ,z) в силу круговой симметрии задачи будим искать в виде разложения по собственным функциям оператора

Собственными функциями оператора Δρ являются функции Бесселя нулевого порядка [5] J₀(kρ), которые ортогональны для разных значений собственного числа k с весом ρ , т.е.

Таким образом

Учитывая, что после преобразования Лапласа уравнение (13) принимает вид


для функции T_k(p, z) в (17) получаем с помощью (18) - (21) уравнения

В (22)

что с учетом (12) после интегрирования по переменной ρ , дает
P_к(p,z) = F_к(p)δ(z-h+0), (28)
где

Из (22) получаем

Здесь интегралы по переменной Z' с учетом (28) берутся с помощью соотношения

Из (23) с учетом граничного условия (27) имеем

Подставляя выражения (29), (30) в граничные условия (24) - (26), получаем систему алгебраических уравнений для определения постоянных A, B и C. После определения этих постоянных имеем

Поскольку тепловое излучение происходит с поверхности керамического слоя, нас будет интересовать температура T(ρ,z,t) при z = h. Подставляя найденные выражения для A и B в (29), подставляя (29) в (17) и, полагая z = h, и, осуществляя в (17) обратное преобразование Лапласа, имеем

Здесь T_k (p, z=h) определяется выражением (29) и

.

В выражении (32) имеются две точки ветвления в комплексной плоскости переменной p: p = -χ₁k²,p = -χ₂k² . Пусть χ₂ > χ₁. Осуществляя разрез по оси X на комплексной плоскости p между точками p = -χ₁k² и p = -χ₂k² и, учитывая, что функция F_k(p) в (32) имеет полюса в точках p=0, p = ±iΩ , интеграл по переменной p в (31) можно вычислить, рассмотрев интеграл по замкнутому контуру C на фиг. 2.

Отсюда следует, что приняв за положительные значения радикалов на верхнем берегу разреза в плоскости p на фиг. 2, интеграл по переменной p в (31) может вычислить с помощью теории вычетов [6]. То есть в (31)

Нас будет интересовать поведение температуры как функции времени t при t _→ ∞ . Тогда, очевидно, последний интеграл в (33) при t _→ ∞ пренебрежимо мал и из (33) следует

В (34) величина T_k(p, z=h) дается выражением (32).

При оценке величины мощности теплового оптического излучения, исходящего от рассмотренной системы, следует учесть, что мощность пропорциональна

где
T⁴(ρ,z = h,t), как показывает анализ (34) с учетом (28), сильно убывает при ρ > R и относительно слабо изменяется в пределах источника нагревания, т.е. при ρ < R , поэтому приближенно указанный интеграл равен πT⁴(ρ=0,z=h,t)R² и, следовательно, мощность оптического излучения
W = σT⁴(ρ=0,z=h,t)πR².
Анализ выражения (34) с учетом (28) и (32) показывает, что наибольшая модуляция температуры, следовательно, и оптического излучения будет происходить при выполнении следующих условий

В этом случае из (31) с учетом (28), (32) и того, что
,
имеем для величины

Положим, как и выше во введении при оценки мощности излучения изолированной нити, мощность P_o≈ 10 Вт, частоту Ω ~ 10⁵c^-1,c₁ρ₁≃ c₂ρ₂≃ 1Дж/см³K [8] . Далее учитывая, что для керамики χ₁≃ 10^-2Вт/см K,χ₁≃ 10^-2см²/с [6] для металла χ₂~ 1 см²/c, χ₂~ 1Вт/см K , выберем R ≈ 5·10^-3 см и h ≈ 10^-4 см, для того чтобы максимальное значение температуры T было таким же T ≈ 2,5·10³K как и в случае теплоизолированной металлической нити. Тогда для максимального значения модулированной части оптического излучения имеет оценку
maxW = σT⁴_oδπR² (38)
где

Отметим, что при выбранных значениях параметров все неравенства (36), при которых справедливо выражение (37), выполняются.

Подставляя вышеприведенные значения параметров в выражение (38) получаем, что W ≈ 18 мВт, что на два порядка превосходит мощность излучения изолированной металлической нити (см. (8)). Это и не удивляет, поскольку прогреть модулированным высокой частотой тепловыделением достаточно большую массу металлической нити несравненно более трудная задача, чем прогреть небольшую радиуса R металлическую пленку, нанесенную на керамический слой.

Отметим, что рассмотренный в настоящем разделе модулированный высокой частотой тепловой источник оптического излучения помимо преимущества по мощности излучения имеет еще и то преимущество, что его можно рассматривать практически как точечный. Это позволяет в задачах оптической связи формировать оптические пучки с меньшей расходимостью, что обеспечивает лучшую связь и на большие расстояния.

В настоящее время не известны объекты из анализа научной и патентной литературы, в которых есть признаки, являющиеся отличительными в предложенном техническом решении, то есть техническое свойство анализируемого объекта ново и не присуще известным объектом, в том числе и аналогу.

Таким образом, свойством, заключающимся в том, что согласно предполагаемому изобретению повышается эффективность высокочастотной модуляции оптического излучения теплового источника, обладает объект, характеризуемый совокупностью признаков в полном объеме формулы, то есть техническое решение представляет собой новую совокупность признаков как сочетание известных и неизвестных признаков и нового технического свойства, то есть отвечает критерию "существенные отличия".

Литература.

1. Л.З. Криксунов. Справочник по основам инфракрасной технике, М., Сов. радио, 1978, с. 315-354.

2. Е.Геништа. Приложение к журналу "Юный техник" N 12, 1980, с.6-9.

3.Л.Д.Ландау, Е.М. Лифшиц. Статистическая физика, М., Наука, 1964.

4. Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. Гидродинамика, М., Наука, 1986.

5. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М., наука, 1984.

6. М.А.Лаврентьев, Б.В.Шабат. Методы теории функций комплексного переменного, М., Наука, 1973.

7. И. С.Градштейн, И.М. Рыжик. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. Физ. мат из, М., 1963.

8. Таблицы физических величин, ред. И.К. Кикоин Атомиздат, М., 1976.

Формула изобретения

1. Способ повышения эффективности высокочастотной модуляции оптического излучения теплового источника, заключающийся в том, что нагрев тугоплавкой металлической части этого источника, состоящей из таких материалов как вольфрам, никель, хром, осуществляется переменным с частотой Ω₀ электрическим током, отличающийся тем, что создают на массивном хорошо теплопроводящем с температуропроводностью χ₂ и тугоплавком теле из какого-либо из металлов - стали, меди, хрома, никеля пленку толщины h из тугоплавкого не проводящего электроток и теплоизолирующего материала с теплопроводностью χ, такого, как керамика, окислы некоторых металлов, находящуюся в тепловом контакте с упомянутым массивным телом, затем на пленке размещают способом напыления или электроосаждения тугоплавкую металлическую часть теплового источника оптического излучения с характерным максимальным размером R вдоль пленки, обеспечивая при этом ее тепловой контакт с пленкой путем подбора контактирующих материалов и формы тугоплавкой металлической части теплового источника оптического излучения, кроме того, подбором материалов обеспечивают выполнение условий 10χ₁/χ₂≅ 1; R/h ≥ 10; 10χ₁/Ωh²≥ 1, где Ω = 2Ω₀.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что тугоплавкую металлическую часть теплового источника оптического излучения, размещенную на непроводящей тугоплавкой теплоизолирующей пленке, накрывают пластинкой из материала, прозрачного для той или иной необходимой для работы части спектра оптического излучателя из материалов веществ ZnSe, Ge, GaAs, при этом обеспечивают вакуумирование области, в которой находится тугоплавкая металлическая часть теплового источника оптического излучения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2