Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

СИНГУЛЯРНОСТЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ НИКЕЛЕВОГО КОМПОЗИТА ПРИ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОМ РАВНОВЕСИИ

Матвеев А.С. 1 Гадалов В.Н. 2 Кореневский Н.А. 2 Скрипкина Ю.В. 2 Самойлов В.В. 3 Розина Т.Н. 2 Шеставина С.В. 2
1 ФГБОУ ВПО "Московкий государственный технический университет им. Н.Э. Баумана" (Калужский филиал)
2 ФГБОУ ВПО "Юго-Западный государственный университет", г. Курск
3 ОАО "НПП "Геофизика-Космос"
В работе рассмотрены технологические аспекты применения никелевой ленты, на которую наносились покрытия, для использования в качестве анодов приемно-усилительных ламп (ПУЛ). Предложена методика расчета температуры анодов, основанная на соотношении световых потоков в видимой и инфракрасной части спектра излучения. Световой поток от анода воспринимался двумя фотоприемниками, настроенными на узкий диапазон длин волн в середине видимой и инфракрасной частях спектра излучения. Установлено, что в узких диапазонах длин волн, используемых в эксперименте, наблюдается сингулярность распространения энергии анода, а зависимостью спектральных коэффициентов излучения от температуры можно пренебречь. Результаты расчета температуры излучающего тела по представленной методике показывают хорошее совпадение экспериментальных данных с теоретическими вычислениями предельно-допустимой температуры на аноде.
приемно-усилительные лампы
никелевый композит
предельно допустимая температура анода
1. Царев Б. М. Расчет и конструирование электронных ламп. - М., 1967. - С. 311.
2. Kauhl W.H. Handbook of Materials and Techniques for Vacuum Devices / American Institute of Physics, 1995. 620 p.
3. Матвеев А.С. Технические аспекты применения композита для изготовления анодов отпаянных вакуумных приборов // Наукоемкие технологии. - 2009. - № 7. - С. 15-18.
4. Пошехонов П.В., Соколовский Э.И. Тепловой расчет электронных приборов. - М.: Высшая школа, 1977. - 236 с.
5. Блох А.Г., Журавлев Ю.А., Рыжков Н.Л. Теплообмен излучением: Справочник. - М.: Энергоиздат, 1991. - 200 с.

Аноды приемно-усилительных ламп (ПУЛ) являются одной из наиболее дорогих составных частей ламп. Поверхность анодов рассчитывается на некоторое допустимое рассеяние, зависящее от материала анода и его поверхности. Увеличение срока службы анодов является важной научной и практической задачей. При выборе материалов для анодов ПУЛ необходимо учитывать, что они работают в условиях сильного нагрева, при этом они никогда не нагреваются равномерно и, со временем, разрушаются в месте наибольшего нагрева [1]. Перспективными материалами для данной области применения являются многослойные никелевые композиты, выпускаемые, в частности, в виде ленты [2]. Ключевое значение для подбора материала имеет методика расчета предельной температуры анодов.

Целью работы является разработка методики расчета температуры излучающего тела (анода), основанная на соотношении световых потоков в видимой и инфракрасной частях спектра излучения.

Материалы и методика эксперимента

Все материалы при температуре выше абсолютного нуля имеют электромагнитное излучение за счет теплового движения атомов. Оно имеет непрерывный спектр, определяемый как функция температуры и эмиссии излучающего материала. Для определения предельно допустимых значений эксплуатации технических параметров работы ПУЛов проводилось измерение температуры источника излучения - анодов. Ввиду того, что аноды ПУЛов принимают излучаемые катодом электроны, никелевые заготовки для изготовления анодов предварительно чернят для улучшения охлаждения лучеиспусканием [1, 2]. Нанесенные на никелевую ленту покрытия имели разные коэффициенты теплового излучения.

Источником теплового излучения является никелевый анод приемно-усилительной лампы. Излучение от источника достигает двух фотоприемников, которые находятся внутри блока. Фотоприемники воспринимают излучение в узком диапазоне длин волн, причем середины этих диапазонов лежат в различных частях спектра излучения: λ1 - в видимой области, λ2 - в инфракрасной.

Результаты исследования и их обсуждение

Испускательная способность абсолютно черного тела может быть определена для различных длин волн и температур по формуле Планка.

(1)

где С - скорость света в вакууме; - энергия фотона; - характерное отношение энергии фотона и теплового движения частиц тела.

Следовательно, для узкого диапазона длин волн от λ до λ + d λ, в котором испускательную способность r*(λ, Т) можно считать постоянной, энергетическая светимость абсолютно черного тела равна:

dR* = r*(λ, Т) dλ. (2)

Если тело не является абсолютно черным, то его испускательная способность выражается формулой:

r (λ, Т) = А(λ, Т) r*(λ, Т), (3)

где А(λ, Т) < 1 - спектральный коэффициент излучения тела.

Следовательно, энергетическую светимость тела для диапазона длин волн от λ до λ + dλ найдем по формуле:

dR = А(λ, Т) r*(λ, Т) dλ. (4)

Рассмотрим излучение тела с температурой Т для двух различных длин волн λ1 и λ2 при различных значениях диапазонов dλ1 и dλ2 соответственно:

- для λ1 и dλ1 dR1 = А1r1*dλ1, (5)

- для λ2 и dλ2 dR1 = А2r2*dλ2. (6)

Здесь А1 и А2 - спектральные коэффициенты излучения тела при длинах волн λ1 и λ2 соответственно.

Излучение, дошедшее до приемника (фотодиод, фотосопротивление), составляет некоторую часть от общего излучения источника. Оно определяется размерами приемника, расстоянием от источника до приемника и наличием на пути излучения поглощающих сред, т.е. определяется такими параметрами измерительной системы, которые не изменяются в процессе опыта. Для двух различных приемников, воспринимающих поток падающего на них излучения в различных узких диапазонах длин волн, величины этих потоков будут равны:

Р1 = К1А1r1*dλ1, Р2 = К2 А2r2*dλ2, (7)

где К1 и К2 - коэффициенты использования потока излучения первым и вторым приемником соответственно, которые не изменяются в процессе опыта.

Следовательно, отношение потоков излучения для двух приемников:

 (8)

где величину Z = (К1А1/К2А2) можно считать постоянной при условии, что зависимостью отношения спектральных коэффициентов излучения от температуры можно пренебречь для выбранных λ1 и λ2.

Величины r1*и r2* определяются с помощью формулы Планка (1).

Следовательно,

(9)

где С1 = 2 π h c2 = 3,742·10-16 Вm·м2,

С2 = h c/k = 1,439·10-2 м·К.

Оценим величину exp (С2Т) и сравним ее с единицей.

Возьмем температуру, близкую температуре стеклянного баллона Т = 400 К, λ = 0,9 мкм согласно необходимым предельно-допустимым параметрам работы ПУЛов.

Тогда,

exp (C2Т) = exp(1,439-2/0,9·10-6·400) ≈ 40,

причем понижение температуры и уменьшение длины волны изменит эту оценку в большую сторону. Это означает, что для используемых в опытах температур и длин волн единицей в формуле Планка можно пренебречь (выполняется приближенная формула Вина).

 (10)

Прологарифмируем это выражение и найдем из полученной формулы температуру Т.

 (11)

Учтем, что в процессе сохраняются значения λ1, λ2, dλ1, dλ2.

Поэтому объединим члены, содержащие постоянные величины, в две новые константы L и Z0:

 (12)

 (13)

Тогда формула для определения температуры примет вид:

 (14)

Из формулы (14) видно, что, зная из тарировочных опытов величину Z0 и рассчитав значения L, можно, измерив отношение Р1/Р2, определить соответствующую температуру излучающего тела.

Заключение

Полученную при тарировочных опытах величину Z0 брали равной Z0 = 1,784. Поставив все полученные данные в формулу (14), получили Т = 1200 К, что соответствует данным предельно-допустимой температуры на аноде [4].

Следует отметить, что согласно исследованиям [5], для выбранных длин волн фотоприемников отношение спектральных коэффициентов излучения никеля можно считать постоянным в пределах измеряемого диапазона температур, что является важным условием применимости рабочей формулы (14).

Работа выполнена в рамках реализации Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.

Рецензенты:

  • Серебровский В.И., д.т.н., профессор, проректор по УР ФГБОУ ВПО «Курская государственная сельскохозяйственная академия», г. Курск;
  • Неручев Ю.А., д.ф.-м.н., профессор кафедры общей физики ФГБОУ ВПО «Курский государственный технический университет», г. Курск.

Работа поступила в редакцию 05.06.2012.


Библиографическая ссылка

Матвеев А.С., Гадалов В.Н., Кореневский Н.А., Скрипкина Ю.В., Самойлов В.В., Розина Т.Н., Шеставина С.В. СИНГУЛЯРНОСТЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ НИКЕЛЕВОГО КОМПОЗИТА ПРИ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОМ РАВНОВЕСИИ // Фундаментальные исследования. – 2012. – № 6-3. – С. 655-657;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=30095 (дата обращения: 18.11.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074