Поглощательной способности

Сварочные лазеры, работающие в непрерывном режиме (на алюмоиттриевом гранате и газовые), неодинаковы по своему тепловому воздействию на материал. Так, при одинаковых параметрах сварного шва газовый лазер обеспечивает примерно втрое меньшую скорость сварки, чем на активированном неодимом гранате. Это объясняется различной поглощательной способностью материала, которая для длины волны излучения 1,06 мкм намного выше, чем для 10,6 мкм (табл. 37). Остальная энергия отражается от поверхности детали.

Электромагнитные волны, попадая на окружающие тела, частично поглощаются ими. При этом энергия излучения переходит во внутреннюю энергию поглощающего тела. Доля энергии А электромагнитных волн, поглощенная телом, называется поглощательной способностью тела, доля отраженной энергии R — отражательной способностью и доля энергии D, проходящая сквозь тело,— пропускательной способностью. В соответствии с законом сохранения энергии А + R + D = 1. Тела, для которых А = 1, R = D = О, называются абсолютно черными. В случае D = 1, А = R = 0 тела называются абсолютно проницаемыми или диатермичными (прозрачными). Можно считать, что для большей части твердых тел D = 0.

В общем случае коэффициент отражения от зеркальной поверхности диэлектрика описывается формулами Френеля. При анализе отражения от поверхности металлов необходимо учитывать комплексный характер этого коэффициента, обусловленный большой поглощательной способностью металлов.

Одно-, двухатомные газы (гелий, водород, кислород, азот и др.) практически являются прозрачными (диатермичными) для излучения. Трехатомные газы обладают большей излучательной и поглощательной способностью. К таким газам относятся СО2 и Н^О, имеющие большое

лучистую энергию, но для разных газов эта способность различна. Для одно- и двухатомных газов, в частности для азота (N2), кислорода (О2) и водорода (Н2), она ничтожна; практически эти. газы для тепловых лучей прозрачны — диатермичны. Значительной из-лучательной и поглощательной способностью, имеющей практическое значение, обладают лишь многоатомные газы, в частности углекислота (СО2), водяной пар (Н2О), сернистый ангидрид (SO2), аммиак (NH3) и др. Для теплотехнических расчетов наибольший интерес представляют углекислый газ и водяной пар; эти газы образуются при горении топлива.

Закон Кирхгофа. Закон Кирхгофа устанавливает связь между собственным излучением тела и его поглощательной способностью. Эту связь можно получить из рассмотрения лучистого обмена между двумя поверхностями. Пусть имеются две поверхности, одна из которых — абсолютно черная. Расположены они параллельно и на таком близком расстоянии, что излучение каждой из них обязательно попадает на другую. Температуры, собственное

Эффективность процесса обработки излучением СО2-лазера зависит от поглощательной способности материала на длине волны Я, = 10,6 мкм. Как было показано выше (см. с. 8), большинство чистых металлов обладают очень низкой поглощательной способностью при комнатной температуре и при малых потоках излучения.

Излучение газов. Газы обладают селективной поглощательной способностью, а следовательно, и селективной испускательной способностью; у твёрдых тел поглощение происходит в тонком поверхностном слое, у газов за счёт большей прозрачности для тепловых лучей следует учитывать объёмное поглощение.

Поскольку в процессе обработки материалов происходит взаимодействие излучения лазера с веществом, очень важным вопросом является выбор параметров как первого, так и второго. При использовании лазера не только пространственная когерентность и мощность излучения играют определяющую роль, но и генерируемая длина волны, которая должна рассматриваться в сочетании с поглощательной способностью обрабатываемого материала. Требуется определенный режим работы лазера для того, чтобы получить эффекты нагревания, плавления или испарения при имеющемся сочетании лазер—материал. Существенное влияние на диаметр лазерного пятна, создаваемого оптической системой, оказывает модовый состав излучения лазера.

монотонное снижение величины ?v, являющейся как бы относительной поглощательной способностью слоя. Вначале при увеличении критерия a'vi, коэффициент ?v резко снижается, а затем начинает приближаться к минимальному значению, которое равно, как следует из (4-50) и (4-51), поглощательной способности слоя при его бесконечной оптической толщине (fe'vL->co):

Значения i были подсчитаны по (4-70) в диапазоне изменения критерия Бугера «L=;0-b30 для значений критерия х='1,0; 1,3; 1,6; 2,0; 2,4; 3,0; 4,0; 5,0. Зависимости i=i(aL, x) представлены на рис. 4-6. Из рисунка 1видно, что оба случая :((?B=const и rr=const) дают одинаковый результат (gi~l) лишь при очень малых оптических толщинах слоя (теоретически при aL=0), а далее с увеличением критерия Бугера поглощательцая способность слоя при qv = =const монотонно уменьшается по сравнению с поглощательной способностью при rr=eonst. При этом наиболее слабо это уменьшение проявляется при отсутствии рассеяния (Sc=P/6=0 и х=1). Увеличение критерия х, характеризующего интенсивность процесса рассеяния, приводит к более заметному .уменьшению i с увеличением критерия Бугера.

Для расчета поглощательной способности газов при температуре поверхности труб принимаем 1 0 «^жг -1-40 =450° С. При этой температуре с помощью тех же графиков находим:

поверхности тел — серые (коэффициент черноты е,- не зависит от длины волны и численно равен поглощательной способности а,);

Между способностями тела к излучению и поглощению существует зависимость, известная под названием закона Кирхгофа: отношение излучательной способности тела к его поглощательной способности есть величина постоянная для всех твердых тел. Для излучения серых тел закон Кирхгофа запишется так:

В соответствии с законом Кирхгофа для всех тел, независимо от их физических свойств, отношение плотности потока собственного излучения к его поглощательной способности при одинаковых температурах и длине волны излучения является величиной постоянной и равной плотности потока излучения абсолютно черного тела. Из уравнений (46) и (52) коэффициент теплового излучения топки

Закон Кирхгофа: отношение плотности потока излучения серого тела к его поглощательной способности не зависит от природы тела и равно плотности потока излучения абсолютно черного тела при той же температуре.

Вместо приведенной поглощательной способности в зависимости Д17-18) может быть введен приведенный коэффициент излучения:

Поглощательная способность зависит от тех же факторов, от которых зависит степень черноты. Кроме того, она зависит от природы падающего -излучения. Поэтому непосредственно измеренная величина степени черноты может отличаться от непосредственно измеренной величины поглощательной способности для того же тела при одинаковых условиях. В большинстве практических случаев это различие незначительно и возможно определять значения поглощательной способности А по данным о степенях черноты.

Обычно в опытах измеряется относительный коэффициент излучения, так как непосредственное измерение поглощательной способности связано со значительными трудностями.

Используя ранее полученную зависимость (17-45) для приведенной поглощательной способности запишем: .

Таким образом, для определения поглощательной способности и степени черноты среды необходимо располагать данными по спектрам поглощения и излучения, а также по коэффициентам поглощения для отдельных длин волн. Коэффициент поглощения среды в общем случае зависит от физической природы среды, длины волны, температуры и давления (для газов) . Вследствие этого коэффициенты поглощения оказываются различными не только для отдельных полос спектра, но и существенно изменяются в пределах одной и той же полосы. В. А. Фабрикант применил закон Бугера к средам, усиливающим излучение. Эти среды применяются в лазерах. •

Последнее уравнение позволяет найти средние интегральные значения для поглощательной способности и степени черноты среды: