2. Χαοτικές πηγές φωτός

- 38-2. Χαοτικές πηγές φωτός Η χαοτική εκποµπή ακτινοβολίας σχετίζεται άµεσα µε το φαινόµενο της αυθόρµητης εκποµπής φωτονίων (spontaneous photon emission) ( 3.1). Μας είναι ήδη γνωστές οι στατιστικές ιδιότητες των φωτονίων που παράγονται από τέτοιου είδους πηγές και που ονοµάζονται χαοτικές. Στην περίπτωση αυτή τα αφικνούµενα και µετρούµενα από έναν ανιχνευτή φωτόνια ανά τακτά χρονικά διαστή- µατα ακολουθούν την στατική των Bose Einstein ( 1.2). Χαρακτηριστικό γνώρισµα αυτών των πηγών είναι ότι το φως που εκπέµπουν είναι ασύµφωνο (incoherent) (βλ. Ε.Σ.Σ.Φ. κεφ. 3) δηλ. ο βαθµός συσχετισµού των φωτονίων από δύο δέσµες που προκύπτουν από την ίδια πηγή (κβαντική άποψη) ή πιο απλά των κυµατοσυρµών που συνθέτουν τις δύο δέσµες (ηµικλασική άποψη) είναι πάρα πολύ µικρός. Από πρακτική άποψη αυτό σηµαίνει ότι οι δύο δέσµες που έρχονται σε επαλληλία είναι δύσκολο να µας δώσουν φαινόµενα συµβολής (βλ. Ε.Σ.Σ.Φ. κεφ.7). Κλασικό παράδειγµα χαοτικών πηγών είναι οι θερµικές (thermal sources) (π.χ. ένας λαµπτήρας πυράκτωσης) που περιγράφονται κατά προσέγγιση από τη θεωρία του µέλανος σώµατος ( 2.1). Στις χαοτικές, κατατάσσεται και µια άλλη κατηγορία πηγών, αυτές που η λειτουργία τους στηρίζεται στο φαινόµενο της ηλεκτρικής εκκένωσης (electrical discharge lamps) (ιονισµός αερίων) και τις οποίες θα µελετήσουµε σε επόµενη παράγραφο. Οι χαοτικές ανήκουν στην κατηγορία των παλαιού τύπου πηγών, σε αντιδιαστολή µε αυτές των Lasers (σύµφωνες πηγές φωτός). Χρησιµοποιούνται όµως σε πάρα πολύ µεγάλη κλίµακα εξαιτίας της κάλυψης των πολλών αναγκών µας όσον αφορά τον φωτισµό χώρων, οργάνων µέτρησης κ.λ.π. 2.1 Το µέλαν σώµα και οι ιδιότητές του Μία από τις πλέον γνωστές χαοτικές πηγές φωτός, είναι το µέλαν σώµα. Στην πραγµατικότητα είναι το ιδανικό πρότυπο όλων των πηγών που η ακτινοβολία τους προκύπτει εξαιτίας του ότι βρίσκονται σε θερµική ισορροπία που χαρακτηρίζεται από µια ορισµένη θερµοκρασία Τ. Αυτός ακριβώς είναι και ο λόγος που ονο- µάζονται θερµικές πηγές ( 2.2). Τέτοιες είναι η φλόγα ενός κεριού, ο ήλιος, µια λυχνία πυράκτωσης, το τόξο του άνθρακα, ένα ζεστό αντικείµενο (π.χ. το ηλεκτρικό σίδερο), το σώµα του ανθρώπου, η επιφάνεια της γης κ.λ.π. Η µελέτη της εκποµπής ακτινοβολίας από το µέλαν σώµα αποτέλεσε κυρίαρχο επιστηµονικό ζήτηµα σ όλη τη διάρκεια του δεύτερου µισού του 19 ου αιώνα και οδήγησε κατά τα γνωστά στην ανάδειξη της κβαντικής φύσης του φωτός. Στα επόµενα θα περιγράψουµε σύντοµα όλους τους νόµους ως επί το πλείστον πειραµα-

- 39 - τικούς) που οδήγησαν στο παραπάνω αποτέλεσµα, εκθέτοντας τα πρακτικά τους αποτελέσµατα. Οι νόµοι αυτοί ονοµάζονται νόµοι των ακτινοβολιών (radiation laws). 2.1.1 Νόµος ακτινοβολίας του Kirchhoff Ο νόµος αυτός αναφέρεται στην περίπτωση των σωµάτων εκείνων τα οποία βρίσκονται σε θερµική ισορροπία. (Τ= σταθ.) εκπέµποντας και απορροφώντας α- κτινοβόλο ενέργεια. Η ενέργεια αυτή η οποία είναι Η/Μ φύσης γνωρίζουµε ότι προέρχεται ως επί το πλείστον από εκποµπές των δοµικών στοιχείων της ύλης του µέλανος σώµατος (µ.σ.) (ατόµων και µορίων), που οφείλονται στις µεταπτώσεις των ενεργειακών σταθµών ηλεκτρονικής, δονητικής και περιστροφικής φύσης. Σαν συντελεστή εκποµπής (emission coefficient ) ε λ θεωρούµε την ισχύ που εκπέµπεται από ένα ορισµένο σώµα ανά µονάδα επιφάνειας και ανά µονάδα περιοχής µ.κ. λ. δηλ. (J/s m 2 m). Ο συντελεστής απορρόφησης (absorption coefficient) α λ (αδιάστατο µέγεθος) είναι το κλάσµα της απορροφούµενης ενέργειας ανά µονάδα επιφάνειας στη µονάδα του χρόνου, ανά µονάδα περιοχής µ.κ. λ. Οι συντελεστές ε λ και α λ εξαρτώνται από τη φύση των επιφανειών των σωµάτων όπως π.χ. την υφή, το χρώµα κ.λ.π. καθώς και το µ.κ. της ακτινοβολίας. Ο Kirchhoff (1859) θεώρησε ένα σώµα µε τη µορφή κοιλότητας που βρίσκεται αποµονωµένο και σε σταθερή θερµοκρασία Τ. Τότε το εσωτερικό του σώµατος είναι «γεµάτο» από ακτινοβολίες όλων των µ.κ., οι οποίες απορροφούνται και εκπέµπονται από τα εσωτερικά του τοιχώµατα. Για να υπάρχει θερµική ισορροπία (δηλ. όχι αύξηση ή ελάττωση της θερµοκρασίας του) ο Kirchhoff υπέθεσε ότι υ- πάρχει µια συνάρτηση Ι λ (λ) που εξαρτάται από τη θερµοκρασία Τ, έτσι που η ποσότητα ενέργειας για οποιοδήποτε µ.κ. λ που απορροφάται από τα τοιχώµατα του σώ- µατος να είναι ίδια µε αυτήν που εκπέµπεται δηλ.: ε λ = α λ Ι λ Το ίδιο ενεργειακό ισοζύγιο θα ισχύει ανεξάρτητα από το είδος και την υφή των τοιχωµάτων και τη µορφολογία της κοιλότητας. Η Ι λ δηλ. είναι µια παγκόσµια συνάρτηση του λ της οποίας τη συναρτησιακή µορφή δεν µπόρεσε να προσδιορίσει. Στην περίπτωση που ένα σώµα απορροφά τελείως, α λ = 1 οπότε: ε λ =Ι λ Η Ι λ ονοµάζεται (κυρίως σε εγχειρίδια οπτικής και κβαντοµηχανικής συνάρτηση κατανοµής (distribution function) ενώ στα τεχνικά εγκόλπια, φασµατική ακτινοβόλος αφετικότητα Μ λ (Spectral Radiant Exitance) (ΠΑΡ/ΜΑ 2) ή φασµατική αφετικότητα ( 2.1.4, Σχ. 2.1.4.1). Οι µονάδες µέτρησης του µεγέθους αυτού είναι σε W/m 2 m δηλ. εκφράζει ακτινοβόλο ροή ανά µονάδα επιφάνειας ανά µονά-

- 40 - δα περιοχής µ.κ. που βγαίνει από µια πηγή (ή από µια φωτιζόµενη επιφάνεια). Στα επόµενα για τη περιγραφή της φασµατικής κατανοµής των µελανών σωµάτων θα χρησιµοποιήσουµε τη συνάρτηση κατανοµής Ι λ, ενώ για άλλες πηγές ή φωτιζόµενες επιφάνειες την Σχετική Φασµατική Κατανοµή Ισχύως (Σ.Φ.Κ.Ι.) (Relative Spectral Power Distribution) η οποία µετρείται µε τις ίδιες µονάδες. Η λήψη των κατανοµών αυτών (φασµάτων) γίνεται µέσω ειδικών αναλυτικών οργάνων των φασµατοµέτρων ( 6.3). Εφόσον λοιπόν το σύνολο των ακτινοβολιών που προκύπτουν στην κοιλότητα απορροφούνται (ε λ = Ι λ ) η τελευταία θα φαίνεται µαύρη. Αυτός ακριβώς είναι και ο λόγος που ονοµάζεται «µέλαν σώµα». Ένα θεωρητικά µέλαν σώµα (α λ = 1) και µια αποµονωµένη κοιλότητα στην ίδια θερµοκρασία περιγράφονται κατά προσέγγιση από τις ίδιες Ι λ. Άρα µπορούµε να υποθέσουµε ότι η ενέργεια που αναδύεται από ένα άνοιγµα στην πραγµατική κοιλότητα, είναι ταυτόσηµη µε αυτήν που προέρχεται από την ίδια περιοχή εκποµπής ενός µ.σ. Το γεγονός σηµαίνει για µας ότι µπορούµε πρακτικά να κατασκευάσουµε ένα µ.σ. Πράγµατι µια µεταλλική κοιλότητα επικαλυµµένη εσωτερικά από γραφίτη που διαθέτει µια στενή είσοδο (Σχ. 2.1.1.1) και είναι αποµονωµένη και σε θερµοκρασία Τ συµπεριφέρεται σαν µέλαν (Σχ. 2.1.1.1.) σώµα. Με τη βοήθεια κατάλληλου µονοχρωµάτορα ( 6.3) και ανιχνευτή (κεφ. 7) που απαρτίζουν το σύστηµα του φασµατοµέτρου, έχουµε τη δυνατότητα να αναλύσουµε και να ανιχνεύσουµε τις διάφορες περιοχές του εκπεµπόµενου Η/Μ φάσµατος από την έξοδο του µ.σ. και κατά συνέπεια να προσδιορίσουµε πειραµατικά τις καµπύλες (Ι λ λ) για διάφορες θερµοκρασίες Τ. Στα (Σχ. 2.1.1.2 α,β) φαίνονται οι καµπύλες αυτές για Τ=1000 ο Κ - 6000 ο Κ. Παρατηρούµε ότι ανάλογα µε τη θερµοκρασία Τ οι κατανοµές εκτείνονται από την υπεριώδη και την ορατή µέχρι την κοντινή και µέση υπέρυθρη περιοχή του Η/Μ φάσµατος. Σαν παράδειγµα βλέπουµε την καµπύλη για Τ=1500 ο Κ η οποία κατά προσέγγιση αντιστοιχεί στη θερµοκρασία της φλόγας ενός κεριού (Τ κ 1800 ο Κ) και την καµπύλη για Τ= 6000 ο Κ που αντι-

- 41 - στοιχεί κατά προσέγγιση στη θερµοκρασία της χρωµόσφαιρας του Ηλίου (Τ 5800 ο Κ). Οι δύο προαναφερόµενες πηγές κατ αρχήν είναι κατά προσέγγιση µέλανα σώ- µατα. Παρατηρούµε χαρακτηριστικά ότι το κερί σαν πηγή (χρώµατος κόκκινο πορτοκαλί) εκπέµπει την περισσότερη ενέργεια του στην υπέρυθρη περιοχή του Η/Μ φάσµατος και ελάχιστη στην κόκκινη πορτοκαλί περιοχή του ορατού. Ο Ή- λιος όµως σαν πηγή φωτός έχει το µέγιστο της εκποµπής του στην ορατή περιοχή (λ max 5500 Å) καθώς και αρκετά µεγάλα ποσοστά στην υπεριώδη και την κοντινή υπέρυθρη περιοχή. (Σχ. 2.1.1.2) Στην πραγµατικότητα η κατανοµή που αντιστοιχεί στη θερµοκρασία Τ= 5800 ο Κ της χρωµόσφαιρας του ηλίου αναφέρεται σαν εξωδιαστηµική ακτινοβολία του ηλίου και µετρείται σε µεγάλες σχετικά αποστάσεις από την επιφάνεια της γης όπου δεν υπάρχουν παράγοντες σκέδασης και απορρόφησης που να την επηρεάζουν. Είναι η καµπύλη (1) της Σ.Φ.Κ.Ι. (Σχετικής Φασµατικής Κατανοµής Ισχύως) του (Σχ. 2.1.1.3) σε µονάδες κατά τα γνωστά ισχύως ανά µονάδα επιφάνειας της πηγής και ανά µονάδα περιοχής µ.κ. Η καµπύλη (2) του ίδιου σχήµατος αντιστοιχεί στην κατανοµή µετά τη διέλευση της εξωδιαστηµικής ακτινοβολίας και της σχετικής της απορρόφησης από το στρώµα του όζοντος. Η (3) αντιστοιχεί στην κατανο- µή µετά τη σκέδαση που υφίσταται από τα µόρια της ατµόσφαιρας κάτω από το στρώµα του όζοντος και η (4) µετά τη σκέδαση της τελευταίας από τα αερολύµατα

- 42 - της ατµόσφαιρας. Τέλος η (5) αντιστοιχεί στο γήινο ηλιακό φως που µετρείται στην επιφάνεια της γης. Η κατανοµή αυτή εµφανίζει έντονες ταινίες απορρόφησης που οφείλονται στα µόρια του οξυγόνου και των υδρατµών στα κατώτερα στρώµατα της ατµόσφαιρας (βλ. Πίν. 1.3.7). Εκτός βέβαια από τις ταινίες απορρόφησης που εµφανίζονται κυρίως στην υπέρυθρη περιοχή του φάσµατος, στην ορατή περιοχή θα διακρίνουµε και το σύνολο των γραµµών απορρόφησης Fraunhofer που οφείλονται στη χρωµάσφαιρα του ηλίου. (Σχ. 2.1.1.3) 2.1.2 Νόµος των Stefan Boltzmann Από προϋπάρχοντα πειραµατικά δεδοµένα (J. Τyndall 1865) καθώς και δικούς του υπολογισµούς ο Stefan (1879) συµπέρανε ότι η συνολικά (για όλα τα µ.κ.) εκπεµπόµενη ενέργεια από ένα µέλαν σώµα είναι ανάλογη της Τ 4, όπου Τ η απόλυτη θερµοκρασία. Στο ίδιο ακριβώς αποτέλεσµα κατέληξε και ο Boltzmann (1884) µέσω καθαρά θερµοδυναµικών συλλογισµών χωρίς όµως να κατορθώσει να προσδιορίσει τη σταθερή αναλογίας. Ο νόµος αυτός, ο οποίος ονοµάζεται νόµος των Stefan Boltzmann έχει τη µορφή: Ρ= σατ 4 (2.1.2.1) όπου Ρ η συνολικά εκπεµπόµενη ενέργεια ανά µονάδα χρόνου, Α η επιφάνεια του µ.σ. και σ µια παγκόσµια σταθερή µε τιµή:

- 43 - σ=5.67033x10-8 W/m 2 o K. Για να µπορεί η (σχ. 2.1.2.1) να γραφεί και για σώµατα που δεν µπορούν να θεωρηθούν απόλυτα µελανά θα πρέπει να πολλαπλασιάσουµε το δεύτερο µέλος της µε µια σταθερή ε που ονοµάζεται συνολική εκπεµπτικότητα (total emissivity). Όπου 0 < ε < 1. Τότε η (σχ. 2.1.21) γράφεται: Ρ= εσατ 4. (2.1.2.2) Π.χ. η στιλπνή επιφάνεια ενός υµενίου από αλουµίνιο έχει ε= 0.02 ενώ µια επιφάνεια καλυµµένη µε αιθάλη ε=0.95. Όλα τα σώµατα όµως εκπέµπουν και συγχρόνως απορροφούν. Έστω λοιπόν ότι έχουµε δύο σώµατα της ίδιας επιφάνειας που βρίσκονται κοντά µεταξύ τους και σε διαφορετικές θερµοκρασίες Τ 1 >Τ 2. Τότε για το καθένα θα ισχύει µια σχέση για το ενεργειακό του ισοζύγιο της µορφής: Ρ ολ = εσα(τ 4 1 -Τ 4 2 ) (2.1.2.3) Αν τώρα θεωρήσουµε ένα σώµα και το περιβάλλον του σε θερµική ισορροπία τότε Τ 1 =Τ 2 οπότε Ρ ολ =0. Το γεγονός αυτό σηµαίνει ότι το σώµα εκπέµπει ενέργεια ανά µονάδα χρόνου ίση ακριβώς µε αυτήν που απορροφά από το περιβάλλον. Αυτός ακριβώς είναι και ο λόγος για τον οποίο το σώµα παρά το ότι εκπέµπει συνεχώς κατά το νόµο των Stefan Boltzmann, διατηρεί την ίδια θερµοκρασία. 2.1.3 Νόµος µετατόπισης του Wien Από το (Σχ. 2.1.1.2) βλέπουµε χαρακτηριστικά ότι οι καµπύλες της συνάρτησης κατανοµής Ι λ παίρνουν µια µέγιστη τιµή για ένα ορισµένο µ.κ. λ=λ max. Ο Wien (1893) παρατήρησε ότι το γινόµενο: λ max T =σταθ. (2.1.3.1) Η σταθερή είναι ίση µε 0.002898 m o K. Συνέπεια αυτού του νόµου είναι ότι όσο αυξάνεται η θερµοκρασία του µ.σ. τόσο το λ max µετατοπίζεται προς τα µικρότερα µ.κ. Το γεγονός αυτό θα έχει σαν αποτέλεσµα την αλλαγή του χρώµατος που εµφανίζει το άνοιγµα από όπου βγαίνει η ακτινοβολία του µ.σ. Πράγµατι για τιµές θερ- µοκρασιών όπου τα µέγιστα παρατηρούνται στην ορατή περιοχή, το χρώµα µεταβάλλεται από σκούρο κόκκινο, πορτοκαλί, κίτρινο, λευκό και µπλε για µια τυπική µεταβολή των θερµοκρασιών του µ.σ. από 1000 ο Κ σε 1500 ο Κ, 2000 ο Κ, 3000 ο Κ, 7000 ο Κ και 25000 ο Κ. Η διαδοχή αυτή φαίνεται στο χρωµατικό διάγραµµα C.I.E (C.I.E. chromaticity diagram) της (Εικ. 2.1.3.1) (βλ. ΠΑΡ/ΜΑ 4) και συγκεκριµένα πάνω στην καµπύλη που ονοµάζεται γεωµετρικός τόπος του µ.σ. (black body locus). Πάνω στον ίδιο γεωµετρικό τόπο σηµειώνονται και διάφορες πραγµατικές πηγές φωτός µε την αντίστοιχή τους θερµοκρασία χρώµατος (color temperature). Σαν θερµοκρα-

- 44 - (Εικ. 2.1.3.1) σία χρώµατος µιας πηγής φωτός, ορίζουµε εκείνη τη θερµοκρασία που θα έπρεπε να έχει ένα µέλαν σώµα, προκειµένου το χρώµα που θα εµφάνιζε στην έξοδό του, να ήταν ακριβώς το ίδιο µε αυτό που εµφανίζει η πηγή. Π.χ. το φως που εκπέµπεται από ένα συγκεκριµένο τύπου λαµπτήρα φθορισµού ( 2.3.5) είναι υπόλευκο και στο διάγραµµα C.I.E. αντιπροσωπεύεται περίπου από την ονοµαζόµενη πρότυπη πηγή «C» (Εικ. 2.1.3.1). Αντιστοιχεί σε θερµοκρασία χρώµατος περίπου 7000 ο Κ. Στην πραγµατικότητα όµως η θερµοκρασία λειτουργίας του λαµπτήρα είναι µόλις λίγοι βαθµοί µεγαλύτερη από τη θερµοκρασία περιβάλλοντος. Η Σ.Φ.Κ.Ι. της πηγής «C» δίνεται στο (Σχ. 2.2.1.5). 2.1.4 Νόµος ακτινοβολίας του Planck Στα τέλη του 19 ου αιώνα, υπήρχαν πλήρη και ακριβή πειραµατικά στοιχεία που αφορούσαν την εκποµπή ακτινοβολίας από το µ.σ. Παρά τις επίπονες όµως

- 45 - προσπάθειες για τον θεωρητικό προσδιορισµό της αναλυτικής έκφρασης της συνάρτησης κατανοµής Ι λ αυτό δεν έγινε δυνατό. Ο Wien περιέγραψε το τµήµα της καµπύλης για µικρά µ.κ. αλλά η θεωρία του απέκλινε για µεγάλα. Οι Rayleigh και Jeans επίσης περιέγραψαν ένα τµήµα της καµπύλης µε τη βοήθεια της υπόθεσης ύπαρξης στασίµων Η/Μ κυµάτων µέσα στην κοιλότητα του µ.σ. Το τµήµα όµως αυτό αφορούσε µεγάλα µ.κ. Στα 1900 ο Μ. Planck µε βάση πειραµατικά δεδοµένα κατόρθωσε να παράγει ένα τύπο κατανοµής που επαληθευόταν από αυτά. Μία από τις σταθερές που περιλαµβάνονταν στον τύπο ήταν η h, γνωστή σήµερα σαν σταθερή του Planck. Η προσπάθειά του ήταν να αναπτύξει ένα θεωρητικό µοντέλο µε τελικό σκοπό την ερµηνεία της κατανοµής που είχε παράγει. Για το λόγο αυτό υπέθεσε ότι η ακτινοβολία στο εσωτερικό ενός µ.σ. αλληλεπιδρά µε µικροσκοπικούς ταλαντωτές ορισµένου τύπου (στην πραγµατικότητα αυτοί ήταν τα άτοµα). Ταλαντούµενοι στην επιφάνεια της κοιλότητας απορροφούν και επανεκπέµπουν ακτινοβόλο ενέργεια ανεξάρτητα από το είδος του υλικού των τοιχωµάτων. Επειδή όµως βρίσκονται πολύ κοντά µεταξύ τους, αλληλεπιδρούν µε πάρα πολλούς γειτονικούς τους µε συνέπεια µια συνεχή µεταβολή στις συχνότητες εκποµπής απορρόφησης. Το γεγονός συνεπάγεται µια πλήρη διεύρυνση των φασµατικών γραµµών µε αποτέλεσµα την εκποµπή από το εσωτερικό της κοιλότητας του µ.σ. ακτινοβολίας συνεχούς φάσµατος. Αν όµως δεχόταν σύµφωνα µε τις πάγιες απόψεις της εποχής εκείνης ότι οι ταλαντωτές ανταλλάσσουν ενέργεια µε συνεχή τρόπο, τότε το πρόβληµα της ανάδειξης της συνάρτησης κατανοµής Ι λ γινόταν δισεπίλυτο. Το γεγονός αυτό ανάγκασε τον Planck να δεχθεί ότι η ανταλλαγή αυτή γινόταν κατά διακεκριµένες ποσότητες που τις ονόµασε κβάντα. Το κάθε κβάντο ακτινοβολίας θα είχε τιµή που σχετιζόταν µε τη συχνότητα ν του εκάστοτε ταλαντωτή µε βάση τη γνωστή σχέση: ε= h v (2.1.4.1) Όπου η σταθερή του Planck έχει τιµή: h=6.6260755x10-24 J s. Άρα η ενέργεια που ανταλλάσσει ο κάθε ταλαντωτής είναι κβαντισµένη. Με βάση την υπόθεση αυτή και στηριζόµενος σε γνωστές για την εποχή του στατιστικές µεθόδους που αφορούσαν τα άτοµα (Boltzmann), ο Planck κατόρθωσε να υπολογίσει αναλυτικά την συνάρτηση κατανοµής Ι λ. Η κατανοµή αυτή ταυτιζόταν µε την ίδια που είχε υπολογίσει προηγουµένως µε προσαρµογή πειραµατικών δεδοµένων. Ο υπολογισµός έγινε µε πλέον αυστηρό τρόπο µετέπειτα από τον Einstein (βλ. ΠΑΡ/ΜΑ 6). Η κατανοµή αυτή δίνεται από τη σχέση: 2 2π hc 1 Ι λ = (2.1.4.2) 5 hc λ λkt e 1

- 46 - όπου: k: η σταθερή του Boltzmann: 1.3805x10-23 J/ o K c: η ταχύτητα του φωτός: 2.9979x10 8 m/s h: η σταθερή του Planck: 6.6260755x10-24 J s λ: το µ.κ. και Τ: η απόλυτη θερµοκρασία του µ.σ. Είναι προφανές ότι στον προηγούµενο τύπο συσχετίζονται στοιχεία τα οποία αφενός µεν αφορούν την ατοµική δοµή του σώµατος (h,k) αφετέρου την Η/Μ θεωρία (λ,c). Με κατάλληλη επεξεργασία είναι δυνατόν να προκύψουν οι προαναφερό- µενοι νόµοι των ακτινοβολιών. Πράγµατι µε ολοκλήρωση της Ι λ (λ) από το 0 έως το µας δίνεται η δυνατότητα υπολογισµού της συνολικής ισχύως ανά µονάδα ε- πιφάνειας που εκπέµπεται από το µ.σ. για όλη την περιοχή των µ.κ. δηλ. αναδεικνύεται ο νόµος των Stefan Boltzmann. Επίσης ο µηδενισµός της πρώτης παραγωγής της Ι λ (λ) µας οδηγεί στον υπολογισµό του λ max το οποίο είναι ανάλογο του 1/Τ, δηλ. στην ανάδειξη του νόµου µετατόπισης του Wien. Στο (Σχ. 2.1.4.1) µας δίνεται η συνάρτηση κατανοµής Ι λ (ή όπως διαφορετικά αποκαλείται σε τεχνικά εγχειρίδια φασµατική ακτινοβόλος αφετικότητα Μ λ ) εκφρασµένη σε W/m 2 nm, συναρτήσει του µ.κ. λ (nm) για ένα αρκετά µεγάλο εύρος θερµοκρασιών. (Σχ. 2.1.4.1)

- 47-2.2 Θερµικές πηγές Αντικείµενα των οποίων η θερµοκρασία είναι µεγαλύτερη από 800 ο Κ είναι πυρακτώµενα και εκπέµπουν ακτινοβολίες στην ορατή, υπεριώδη και υπέρυθρη περιοχή του Η/Μ φάσµατος ((βλ. Σχ. 2.1.1.2 α,β) αντίστοιχα µέλανα σώµατα σε διαφορετικές θερµοκρασίες). Τέτοιου είδους πηγές ονοµάζονται θερµικές και τα φάσµατά τους εξαρτώνται από την τιµή της θερµοκρασίας τους. Οι ιδιότητές τους προσοµοιάζουν µε αυτές των αντίστοιχων µελανών σωµάτων της ίδιας θερµοκρασίας αλλά δεν ταυτίζονται απόλυτα. Τέτοιου είδους πηγές είναι οι κλασικοί λα- µπτήρες πυράκτωσης, οι λυχνίες αλογόνου, κάθε είδος πηγές καύσης (καιόµενα ξύλα, κεριά, ερυθροπυρωµένα υλικά) καθώς και η ελάχιστα χρησιµοποιούµενη σήµερα πηγή τόξου άνθρακα (Βολταϊκό τόξο). 2.2.1 Λαµπτήρες πυράκτωσης (Incandescent Lamps) Στο (Σχ. 2.2.1.1) φαίνονται τα βασικά στοιχεία ενός τέτοιου λαµπτήρα. Το κυριότερο από αυτά είναι το νήµα (filament) (1) που πυρακτώνεται προκειµένου να φωτοβολίσει. Συνήθως κατασκευάζεται από Βολφράµιο (Tungsten) του οποίου η θερµοκρασία τήξης είναι µεγαλύτερη των 3800 ο Κ. Είναι πολύ µικρής διαµέτρου και µεγάλου µήκους (σε σπειροειδή µορφή) προκειµένου να παρουσιάζει µεγάλη αντίσταση έτσι ώστε να µπορεί να ερυθροπυρωθεί εύκολα όταν διαρρέεται από η- λεκτρικό ρεύµα. Το νήµα σταθεροποιείται µε κατάλληλες αναρτήσεις (2) για να µην µετακινείται και τα άκρα του συνδέονται µέσω αγωγών (3) µε τους δύο πόλους (4), (5) της βάσης του λαµπτήρα. Οι αγωγοί ενσωµατώνονται µέσω σύντηξης σε γυάλινο φορέα (6). Συνήθως ο πυρήνας των αγωγών αποτελείται από Νικελιούχο χάλυβα που περιβάλλεται από στρώµα χαλκού (Dumet) και µε τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται ίδιος συντελεστής θερµικής διαστολής µετάλλου γυαλιού. Σταθεροποιείται στη βάση (7) η οποία αποτελείται από ορείχαλκο, µε τη βοήθεια πυρίµαχου υλικού του ίδιου συντελεστή διαστολής. Αν το νήµα, εφαρµόζοντας την κατάλληλη τάση στα άκρα του ερυθροπυρωθεί στον ελεύθερο χώρο, τότε σε πολύ σύντοµο χρονικό διάστηµα θα οξειδωθεί και θα καταστραφεί. Για το λόγο αυτό το όλο σύστηµα περιβάλλεται από λεπτό αερόκενο γυάλινο περίβληµα (8). Στον ίδιο χώρο περιέχεται αδρανές αέριο (συνήθως Ar) (9) µε πίεση περίπου 80% της ατµοσφαιρικής. Η πίεση γίνεται ίση µε τη ατµοσφαιρική όταν η λυχνία λειτουργεί. Επειδή το αέριο είναι δυσθερµαγωγό, λίγη σχετικά θερµότητα µεταφέρεται στην επιφάνεια του περιβλήµατος µε συνέπεια η θερµοκρασία του νήµατος να παραµένει σχετικά σταθερή. Ένα δεύτερο σηµαντικό πλεονέκτηµα της ύπαρξης του αδρανούς αερίου

- 48 - είναι η αύξηση κατά πολύ του χρόνου ζωής του λαµπτήρα. Πράγµατι, επειδή όπως προαναφέραµε η θερµοκρασία του νήµατος είναι πάρα πολύ υψηλή, τα άτοµα στην επιφάνειά του δονούνται µε µεγάλα πλάτη, έτσι ώστε πολλά από αυτά να υπερνικούν τις δυνάµεις συνοχής που τα συγκρατεί µε το στερεό και να διαφεύγουν. Συνήθως συσσωρεύονται στην εσωτερική επιφάνεια του γυάλινου περιβλήµατος µε (Σχ. 2.2.1.1) (Σχ. 2.2.1.2) συνέπεια να συντελούν στην αδιαφάνειά του άρα και στην ελάττωση της φωτεινής ροής µέσω του λαµπτήρα. Κατά δεύτερο λόγο η συνεχής διαφυγή ατόµων αδυνατίζει τοπικά ορισµένες περιοχές του νήµατος µε συνέπεια η εφαρµογή τάσης στα ά- κρα του και η στη συνέχεια θέρµανσή του να προκαλεί απότοµη διαστολή, µε επακόλουθο τη θραύση του και την τελική καταστροφή του λαµπτήρα. Τα µόρια όµως του αδρανούς αερίου είναι αυτά που προστατεύουν από τη φθορά το νήµα. Πράγ- µατι, όπως, έχει αποδειχθεί, µεγάλος αριθµός ατόµων Βολφραµίου που διαφεύγουν, συγκρούονται µε τα µόρια του αδρανούς αερίου έτσι πολύ µεγάλο ποσοστό τους να επανατοποθετείται στην επιφάνεια του νήµατος µε συνέπεια την αύξηση της διάρκειας ζωής του. Ένα σηµαντικό µέγεθος που αφορά την ποιότητα των λαµπτήρων είναι η φωτοβόλος απόδοση (luminous efficiency) η οποία ορίζεται σαν ο λόγος της εκπεµπόµενης φωτοβόλου ροής (βλ. ΠΑΡ/ΜΑ 2) προς την ηλεκτρική ισχύ που καταναλώνεται από τον λαµπτήρα (lm/watt). Το µέγεθος αυτό θα πρέπει να διαχωρίζεται από το αντίστοιχο της φωτοβόλου αποτελεσµατικότητας (luminous efficacy) (βλ. ΠΑΡ/ΜΑ 2) το οποίο χαρακτηρίζεται από την εκπεµπόµενη φωτοβόλο ροή

- 49 - προς την αντίστοιχα εκπεµπόµενη ακτινοβόλο ροή (lm/watt). Η ακτινοβόλος ροή κατά τα γνωστά αφορά την ισχύ (σε Watt) όλων των εκπεµπόµενων ακτινοβολιών και όχι µόνο της περιοχής του ορατού φάσµατος. Τα προαναφερόµενα µεγέθη θα αυξάνονται εφόσον αυξάνεται η θερµοκρασία του νήµατος. Πράγµατι µε βάση το νόµο µετατόπισης του Wien όσο αυξάνεται η θερµοκρασία τόσο το µέγιστο της Σ.Φ.Κ.Ι. (η συνάρτηση κατανοµής Ι λ για το αντίστοιχο µέλαν σώµα) θα µετατοπίζεται προς µικρότερα µ.κ. και άρα προς το κέντρο του ορατού τµήµατος του Η/Μ φάσµατος όπου κατά τα γνωστά είναι µεγαλύτερη η ευαισθησία του µατιού. Κατ α- κολουθία θα είναι και µεγαλύτερη και η φωτοβόλος ροή που εκπέµπεται από το λαµπτήρα. Στο (Σχ. 2.2.1.2) δίνεται η φωτοβόλος απόδοση σε συνάρτηση µε τη θερµοκρασία χρώµατος για ένα λαµπτήρα πυράκτωσης. Όπως θα περιµέναµε η απόδοση αυξάνει εφόσον αυξάνει η θερµοκρασία. Το ίδιο ακριβώς συµβαίνει και αν αυξήσουµε τη τάση λειτουργίας του λαµπτήρα. Το γεγονός όµως αυτό µειώνει δραµατικά το χρόνο ζωής του γιατί η συνεπαγώµενη αύξηση της θερµοκρασίας φθείρει ση- µαντικά το νήµα (Σχ. 2.2.1.3). Αν η τάση περάσει ένα όριο θα έχουµε µια απότοµη ισχυρή έκλαµψη και ταυτόχρονα καταστροφή του λαµπτήρα. Θα πρέπει να επαναλάβουµε ότι τουλάχιστον για τους λαµπτήρες πυράκτωσης, οι θερµοκρασίες χρώ- µατος των φωτοβολούντων στοιχείων είναι συγκρίσιµες µε τις θερµοκρασίες των αντιστοίχων µελανών σωµάτων που κατά τα γνωστά εµφανίζουν το ίδιο χρώµα. Π.χ. για το Bολφράµιο µπορούµε να αυξήσουµε οριακά τη θερµοκρασία του έως (Σχ. 2.2.1.3) (Σχ. 2.2.1.4)

- 50 - Τ=3643 ο Κ πριν τακεί. Ταυτόχρονα η θερµοκρασία χρώµατός του είναι Τ c= 3600 o K. Αυτό συµβαίνει επειδή δεν είναι απόλυτα µέλαν σώµα, έτσι ώστε η εκπεµπτικότητά του ( 2.1.2) (για την ορατή περιοχή) να είναι ίση µε τη µονάδα. Για το Βολφράµιο η εκπεµπτικότητα για όλα τα µ.κ. είναι περίπου σταθερή (από 0.4 0.5). Στο (Σχ. 2.2.1.4) φαίνεται (1) η φασµατική ακτινοβόλος αφετικότητα Μ λ (συνάρτηση κατανοµής) ενός µέλανος σώµατος στους 3100 ο Κ. Η (2) µας δείχνει τη Σ.Φ.Κ.Ι. της πηγής του Βολφραµίου. Αν τώρα πολλαπλασιάσουµε κάθε σηµείο της (1) µε τον συντελεστή εκπεµπτικότητας 0.425 του Βολφραµίου, θα πάρουµε την καµπύλη (3) η οποία σχεδόν ταυτίζεται µε την (2). Το Βολφράµιο στην προκεί- µενη περίπτωση ονοµάζεται «γκρίζο σώµα» (gray body). Η θερµοκρασία του νή- µατος ενός κοινού λαµπτήρα πυράκτωσης 100W είναι περίπου Τ= 2814 ο Κ και η αντίστοιχη θερµοκρασία χρώµατος T c = 2854 ο Κ µε συντελεστή εκπεµπτικότητας 0.33. Στο (Σχ. 2.2.1.5) (καµπύλη «Α»), βλέπουµε τη Σ.Φ.Κ.Ι. µιας τέτοιας πηγής η οποία χρησιµοποιείται διεθνώς σαν πρότυπη πηγή µε την ονοµασία πηγή «Α». Από την εµπειρία µας γνωρίζουµε ότι ο φωτισµός της είναι κιτρινωπής απόχρωσης λόγω της µικρής της θερµοκρασίας χρώµατος (βλ. τη θέση της στο χρωµατικό διάγραµµα C.I.E. του (Σχ. 2.1.3.1). Στα ίδια σχήµατα βλέπουµε και τις Σ.Φ.Κ.Ι. των προτύπων πηγών «Β» και «C» και «D». (Σχ. 2.2.1.5)

- 51-2.2.2 Λυχνίες αλογόνου ή λυχνίες Χαλαζία Βολφραµίου Αλογόνου (Quartz Tungsten Halogen) (Q.T.H.) Στις λυχνίες αλογόνου όπως και για τους λαµπτήρες πυράκτωσης, το στοιχείο που φωτοβολεί αποτελείται από Βολφράµιο. Η κατασκευαστική τους όµως δοµή καθώς και ο χρησιµοποιούµενος από αυτές λεγόµενος «κύκλος του αλογόνου» αυξάνει κατά πολύ το χρόνο λειτουργίας τους (τουλάχιστον κατά 5-10 φορές), την κατευθυντικότητα της δέσµης τους καθώς και τις φωτιστικές τους ικανότητες. Στα (Σχ. 2.2.2.1 α,β,γ) φαίνονται τρία τυπικά δείγµατα τέτοιων λυχνιών, καθώς και η µορφή της φωτοβολούσας επιφάνειάς τους. Το περίβληµά τους είναι κατασκευασµένο από διαφανή τετηγµένο χαλαζία (βλ. Πόλωση του φωτός 5.3) ο οποίος είναι πολύ ανθεκτικός σε υψηλές θερµοκρασίες, επιτρέποντας έτσι τη λειτουργία των λυχνιών σε µεγαλύτερες θερµοκρασίες χρώµατος, αυξάνοντας βασικά τη «λευκότητα» του φωτός που εκπέµπεται. Το εσωτερικό της λυχνίας που είναι αερόκενο, γε- µίζει µ ένα αδρανές αέριο (π.χ. Ar) καθώς και από µια πολύ µικρή ποσότητα αλογόνου (π.χ. Βρώµιο ή Ιώδιο). Γνωρίζουµε ήδη ότι λόγω της ερυθροπύρωσης του Βολφραµίου πολλά από τα άτοµα διαφεύγουν από την επιφάνεια του και θα µπορούσαν να προκαλέσουν αµαύρωση της εσωτερικής επιφάνειας της λυχνίας. Το γεγονός αυτό προλαµβάνεται µε τη βοήθεια του αλογόνου. Πράγµατι µε την αύξηση της θερµοκρασίας στο εσωτερικό της το αλογόνο εξαχνώνεται και τα άτοµα του όταν έλθουν στην περιοχή χαµηλότερης θερµοκρασίας σχηµατίζουν ενώσεις WH (Βολφραµίου Αλογόνου) µε τα διαφυγόντα άτοµα του Βολφραµίου. Τα µόρια αυτών των ενώσεων όταν πλησιάσουν προς το νήµα, που είναι περιοχή υψηλότερης θερµοκρασίας, διασπώνται ξανά και αποθέτουν το Βολφράµιο στην επιφάνειά του. Η θερµοχηµική αυτή διαδικασία ονοµάζεται «κύκλος του Αλογόνου» και είναι η αιτία της σηµαντικής αύξησης της ζωής της λυχνίας. Η µορφή του νήµατος των λυχνιών αλογόνου 50, 100, 150 και 250 Watt φαίνεται στο (Σχ. 2.2.2.1α). Έχει σχετικά συµπαγή ορθογώνια µορφή και για το λόγο αυτό µπορεί µέσω απεικόνισης να χρησιµοποιηθεί για τον οµογενή φωτισµό της εισόδου φασµατοσκοπικών οργάνων (π.χ. µονοχρωµατόρων, φασµατοσκοπίων κ.λ.π.). Για µεγαλύτερες ισχείς (500, 1000 Watt ή και µεγαλύτερη) το νήµα έχει τη µορφή µονής ή πολλαπλής σπείρας (Σχ. 2.2.2.1 β,γ). Τα νήµατα από Βολφράµιο στηρίζονται σε σύρµατα Μολυβδαινίου που κατά προέκταση αποτελούν συνήθως τους δύο ηλεκτρικούς πόλους της λυχνίας. Υπάρχουν ειδικές τεχνικές συγκόλλησης µεταξύ των δύο αυτών µετάλλων καθώς και του περιβλήµατος από Χαλαζία και της βάσης της λυχνίας.

- 52 - (Σχ. 2.2.2.1) Οι φασµατικές κατανοµές των λυχνιών αλογόνου οµοιάζουν µεταξύ τους και εξαρτώνται από τις συνθήκες λειτουργίας τους δηλ. από τη θερµοκρασία του νήµατος, τον συντελεστή εκπεµπτικότητάς του καθώς και από την διαπερατότητα του περιβλήµατός τους. Σε βασικές γραµµές έχουµε εκποµπή στην ορατή περιοχή του φάσµατος (λίγο µπλε περισσότερο κόκκινο) ελάχιστη στη υπεριώδη και αρκετά (Σχ. 2.2.2.2.) (Σχ. 2.2.2.3.) µεγάλη στην υπέρυθρη. Στο (Σχ. 2.2.2.2) φαίνεται η Σ.Φ.Κ.Ι. (W/m 2 nm) σε απόσταση περίπου 50cm από πηγή αλογόνου 1000W και για περιοχή από 200-2500 nm. Επίσης στο (Σχ. 2.2.2.3) φαίνεται η Σ.Φ.Κ.Ι. (W/m 2 nm) για την ορατή περιοχή του φάσµατος (µεταξύ 200-500 nm) και σε απόσταση 50cm, µιας πηγής αλογόνου (100W-12V). Τέλος στο (Σχ. 2.2.2.4) φαίνεται σε ηµιλογαρθµική κλίµακα η Σ.Φ.Κ.Ι. (W/m 2 nm) µιας λυχνίας αλογόνου (250W-24V) µετρηµένη όπως και προηγουµένως σε απόσταση 50cm από αυτή.

- 53 - Όταν χρησιµοποιούµε λυχνίες αλογόνου θα πρέπει να προσέχουµε τα εξής: 1) Αν κατά τη διαδικασία της τοποθέτησής τους τις πιάσουµε µε το χέρι µας, θα πρέπει οπωσδήποτε κατόπιν να καθοριστούν µε ακετόνη ή αλκοόλη. Σε διαφορετική περίπτωση τα λίπη που άφησαν τα δάκτυλά µας κατά τη διάρκεια της λειτουργίας τους προσροφούνται από τον χαλαζία, έτσι που αργότερα θα µπορούσαν να αποτελέσουν σηµεία ρωγµών και κατ ακολουθία να οδηγήσουν σε θραύση των λυχνιών. 2) Αν και όπως προαναφέραµε, οι λυχνίες αυτές εκπέµπουν ελάχιστα στην υπεριώδη περιοχή, η παρατεταµένη χρήση τους δεδοµένης της προσθετικότητας (Σχ. 2.2.2.4.) κατά τη διαδικασία της απορρόφησης των ακτινοβολιών µπορεί να προκαλέσουν βλάβες στον οργανισµό του χρήστη (βλ. 2.3.4). Επειδή συνήθως οι λυχνίες αλογόνου τροφοδοτούνται µε εναλλασσσόµενη τάση, παρατηρείται αυξοµείωση των ραδιοµετρικών και φωτοµετρικών µεγεθών τους. Για το λόγο αυτό, προκειµένου για ακριβείς µετρήσεις, θα πρέπει να τροφοδοτούνται µε σταθεροποιηµένη συνεχή τάση. 2.2.3 Πηγές καύσης, τόξου άνθρακα (Βολταϊκό τόξο) και λυχνίες αναλαµπής Παραδείγµατα πηγών καύσης(combustion sources) είναι τα κεριά, οι λά- µπες πετρελαίου, η φωτιά από αναµµένα ξύλα ή κάρβουνα καθώς και διάφορα καιόµενα αέρια (υδρογόνο, ακετυλένιο, κ.λ.π.). Το φως που εκπέµπεται στην προκει- µένη περίπτωση είναι κίτρινο πορτοκαλί ή κόκκινο πορτοκαλί απόχρωσης και

- 54 - οφείλεται κυρίως στις διεγέρσεις των καιοµένων σωµατιδίων του άνθρακα και λιγότερο στα διεγερµένα µόρια των εκλυοµένων αερίων της καύσης. Οι θερµοκρασίες χρώµατος αυτών των πηγών είναι περίπου 1800 ο Κ και το µέγιστο της ενέργειάς τους (95%) εκπέµπεται στην υπέρυθρη περιοχή του Η/Μ φάσµατος. Υπάρχουν επί µέρους αποκλίσεις όπως π.χ. για το καιόµενο Η 2 που η φλόγα του είναι σχεδόν αόρατη. Μια σηµαντική πηγή καύσης που χρησιµοποιούνταν στο παρελθόν κατά κόρρο για πρακτικούς και επιστηµονικούς σκοπούς, αλλά πολύ λίγο σήµερα, είναι αυτή του τόξου άνθρακα (carbon arc). Αποτελείται (Σχ. 2.2.3.1) από δύο ράβδους άνθρακα που συνδέονται µε τους πόλους µιας πηγής συνεχούς τάσης. Η εκκίνηση για την εκποµπή ακτινοβολίας γίνεται φέρνοντας στιγµιαία σε επαφή και κατόπιν αποµακρύνοντας τις ράβδους σε µικρή απόσταση µεταξύ τους. Τότε η εφαρµοζό- µενη τάση προκαλεί τη διαφυγή από το αρνητικό ηλεκτρόδιο ποσότητας ηλεκτρονίων τα οποία κινούνται µε µεγάλη ταχύτητα προς το θετικό, ιονίζοντας τα µόρια (Σχ. 2.2.3.1.) του οξυγόνου που βρίσκονται στον ενδιάµεσο χώρο. Με διαδοχικούς ιονισµούς µορίων δηµιουργείται τελικά µια ισχυρή δέσµη ηλεκτρονίων τα οποία προσκούοντας στον θετικό πόλο του άνθρακα διεγείρουν τα µόρια του σε ακτινοβολία. Με αρχή το χώρο µεταξύ των ραβδών δηµιουργείται µια αποκλίνουσα (40 ο 50 ο ) δέσµη φωτός, η οποία κατ ευθείαν ή µέσω κοίλων κατόπτρων χρησιµοποιείται για φωτισµό. Στο άκρο του θετικού ηλεκτροδίου µε την πάροδο του χρόνου, σχηµατίζεται κρατήρας λόγω της φθοράς του υλικού από τα προσπίπτοντα ηλεκτρόνια. Για το λόγο αυτό µε ειδικό µηχανισµό µετακινείται συνεχώς προκειµένου η απόστασή του από το αρνητικό ηλεκτρόδιο να διατηρείται σταθερή. Η θερµοκρασία χρώµατος του τόξου άνθρακα, που εξαρτάται από τη θερµοκρασία του άκρου του θετικού ηλεκτροδίου, είναι πολύ υψηλή (>5000 ο Κ) µε συνέπεια το φως που εκπέµπεται να προσο- µοιάζει µε φως ηµέρας. Η Σ.Φ.Κ.Ι. της πηγής µπορεί να τροποποιηθεί µε την τοποθέτηση κατάλληλων προσµίξεων στο θετικό ηλεκτρόδιο του άνθρακα.

- 55 - Οι λυχνίες αναλαµπής (flash lamps) µιας χρήσης ή πολλαπλών χρήσεων, είναι πηγές φωτός που µπορούν στιγµιαία να δηµιουργήσουν µεγάλη φωτοβόλο ροή (π.χ. 10 6 lm). Χρησιµοποιούνται κυρίως για φωτισµό στη φωτογραφία και την στροβοσκοπία. Υπάρχει µεγάλος αριθµός τέτοιων πηγών που διαφέρουν στη φωτοβόλο ροή τη διάρκεια εκποµπής και την φασµατική τους κατανοµή. Τουλάχιστον οι λυχνίες αναλαµπής, µιας χρήσης, στηρίζονται στη στιγµιαία καύση, µέσα σε µια πολύ µικρή γυάλινη κάψα που περιέχει οξυγόνο, µιας ποσότητας λεπτού νήµατος Μαγνησίου ή Ζιρκονίου. Η εκκίνηση γίνεται όταν εφαρµόσουµε διαφορά δυναµικού στα άκρα του µεταλλικού νήµατος, έτσι ώστε να το διαπεράσει ηλεκτρικό ρεύ- µα. Μια τυπική διάρκεια αναλαµπής είναι 1/30s. Στη φωτογραφία ανάλογα µε τα films που χρησιµοποιούµε επιλέγουµε και κατάλληλη πηγή αναλαµπής συγκεκρι- µένης θερµοκρασίας χρώµατος. 2.3 Πηγές ηλεκτρικής εκκένωσης (Electrical discharge lamps) Αν και ανήκουν στις χαοτικές πηγές φωτός όπως και οι θερµικές, ο µηχανισµός παραγωγής φωτός σ αυτές δεν εξαρτάται από τη θερµοκρασία των στοιχείων τους. Αντίθετα το έργο που χρειάζεται για τη διέγερση των ατόµων και κατά προέκταση την εκποµπή του φωτός, δίνεται µε τη βοήθεια της διέλευσης ηλεκτρικού ρεύµατος (εκκένωση) µέσω ενός αερίου. ηλ. τα αρχικά επιταχυνόµενα ηλεκτρόνια από τον ένα πόλο της πηγής, συγκρουόµενα µε τα άτοµα του αερίου τα ιονίζουν. Τα νέα ηλεκτρόνια που παράγονται, µε την επίδραση του υπάρχοντος ηλεκτρικού πεδίου, επαναλαµβάνουν το ίδιο κ.ο.κ. µέχρις ότου φθάσουν στον άλλο πόλο, διατηρώντας µ αυτόν τον τρόπο τη ροή του ρεύµατος µέσα στο αέριο. Στην προκείµενη περίπτωση οι θερµοκρασίες των πηγών ηλεκτρικής εκκένωσης είναι πολύ χαµηλές (εκτός αυτών που η ισχύς τους είναι πολύ µεγάλη) και µπορούν να λειτουργούν α- κόµα και σε θερµοκρασίες περιβάλλοντος. 2.3.1 Λαµπτήρες και σωλήνες αίγλης. Στους λαµπτήρες αίγλης (glow tubes) η φωτοβολία παρατηρείται στον ενδιάµεσο χώρο δύο µεταλλικών επιφανειών που συνδέονται στην πηγή µέσω µιας αντίστασης η οποία ρυθµίζει το ρεύµα (Σχ. 2.3.1.1). Το όλο σύστηµα βρίσκεται µέσα σε γυάλινο αερόκενο περίβληµα που περιέχει ευγενές αέριο µε µικρή πίεση. Η διαφορά δυναµικού που εφαρµόζεται στα άκρα των ηλεκτροδίων προκειµένου να επιτευχθεί η εκκένωση αίγλης µέσω ιονισµού των ατόµων του αέριου, εξαρτάται από το υλικό των µεταλλικών ακροδεκτών καθώς και από το ίδιο το αέριο. Μια τυπική τιµή είναι τα 50V και το ρεύµα το οποίο όπως προαναφέραµε ελέγχεται από

- 56 - µία σε σειρά αντίσταση είναι της τάξης των λίγων ma. Οι λαµπτήρες αίγλης που λειτουργούν σε τάση 220V είναι αυτοί που χρησιµοποιούνται σαν ενδεικτικοί στις διάφορες ηλεκτρικές συσκευές. Οι τελευταίοι τείνουν σήµερα ν αντικατασταθούν από διόδους LED (βλ. 3.4.7.4). Μία πολύ κοινή εφαρµογή των λαµπτήρων αίγλης είναι στα δοκιµαστικά κατσαβίδια. (Σχ. 2.3.1.1) (Σχ. 2.3.1.2) Οι σωλήνες εκκένωσης «Νέον» είναι µία πολύ γνωστή εφαρµογή για εµπορικούς σκοπούς και κυρίως για τις φωτεινές επιγραφές. Στην περίπτωση αυτή ένα λογότυπο, διαµορφώνεται από ένα συνεχή γυάλινο σωλήνα (Σχ. 2.3.1.2) ο οποίος περιέχει ένα συγκεκριµένο αέριο σε πίεση περίπου 10 Torr. Στα άκρα του σωλήνα συντήκονται τα δύο ηλεκτρόδια. Λόγω του µεγάλου µήκους του, για να προκληθεί εκκένωση απαιτείται η εφαρµογή υψηλής διαφοράς δυναµικού ( 1KV/m). Η τάση αυτή παρέχεται από µετασχηµατιστή. Όπως και στην περίπτωση του λαµπτήρα αίγλης το ρεύµα θα ρυθµίζεται στο κύκλωµα από κατάλληλη αντίσταση. Η απόχρωση του φωτός που εκπέµπεται από κάθε σωλήνα εξαρτάται από το περιεχόµενο σ αυτόν αέριο. Π.χ. για το Ne (Νέο) η απόχρωση είναι κόκκινη, για το Kr (Κρυπτό) α- παλό µπλε, για τους ατµούς του Na (Νάτριο) κίτρινο και για τους ατµούς του Hg (Υδράργυρος) µπλε πράσινο. Οι χρωµατισµοί αυτοί µπορούν να διαφοροποιηθούν αν χρησιµοποιήσουµε για την κατασκευή των σωλήνων έγχρωµα γυαλιά ή αν επικαλύψουµε την εσωτερική τους επιφάνεια µε φθορίζουσες ουσίες. 2.3.2 Φασµατικές λυχνίες Οι Φασµατικές λυχνίες (spectral lamps) είναι πηγές παραγωγής κατ εξοχήν ψευδοµονοχρωµατικού φωτός δηλ. φωτός που διαθέτει ένα αρκετά σηµαντικό βαθµό χρονικής συµφωνίας (βλ. 3.4.8). Η χρησιµότητά τους είναι πολύ σηµαντική για διάφορες εφαρµογές στην Οπτική όπως: στη συµβολοµετρία την περιθλασι-

- 57 - µετρία κ.λ.π. Ο αριθµός των φασµατικών γραµµών µε διαφορετικά µ.κ., εύρος ζώνης και ένταση που µπορούµε να παράγουµε είναι πολύ µεγάλος και η προέλευσή τους καθορίζεται όπως είναι γνωστό ( 1.3) από τα εκάστοτε διεγειρόµενα άτοµα αερίων ή ατµών µετάλλων. Τέτοια αέρια π.χ. είναι τα ευγενή όπως: He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn και µέταλλα όπως: Na, Hg, Zn, Te, Cd, Cs, K κ.λ.π. Οι περιοχές του Η/Μ φάσµατος στις οποίες εκπέµπουν τα προαναφερόµενα στοιχεία είναι η ορατή, η υ- περιώδης και η εγγύς υπέρυθρη όπως φαίνεται στους (Πιν. 2.3.2.1) και (Πιν. 2.3.2.2). Στον τελευταίο πίνακα είναι ενσωµατωµένη η εικόνα µιας φασµατικής λυχνίας τελευταίου τύπου και στο (Σχ. 2.3.2.3) το ηλεκτρικό κύκλωµα στο οποίο είναι συνδεδεµένη και µε τη βοήθεια του οποίου λειτουργεί. Η βάση όπου τοποθετείται η λυχνία είναι εννεάπινη (Σχ. 2.3.2.3 β) και χρησιµοποιούνται µόνο τέσσερις ακροδέκτες οι: 2,8,3 και 7. Το προς διέγερση αέριο ή τα ίχνη των µετάλλων τα οποία πρόκειται να εξαχνωθούν βρίσκονται στο εσωτερικό αερόκενης κάψας ή οποία περιβάλλεται από άλλο διαφανές γυάλινο περίβληµα. Το δεύτερο αυτό περίβληµα χρησιµοποιείται κυρίως για να προστατέψει το εσωτερικό από απώλειες θερµότητας, έτσι που οι συνθήκες πίεσης και θερµοκρασίας ό- που λαµβάνει χώρα η εκκένωση να είναι σταθερές. Η λειτουργία της λυχνίας απαιτεί τις εξής διαδικασίες: Κατ αρχήν µέσω ενός µετασχηµατιστή διαρροής εφαρµόζουµε στα άκρα 2,8 τη διαφορά δυναµικού των 220 Volt a.c. Η τάση αυτή δεν είναι επαρκής για να προκαλέσει ιονισµό µεταξύ των πόλων της αλλά εφαρµοζόµενη ταυτόχρονα στα άκρα 3,7 ενός εκκινητή προκαλεί φαινόµενο αίγλης. Τότε το διµεταλλικό έλασµα από το οποίο αποτελείται ο εκκινητής θερµαίνεται και κλείνει το κύκλωµα οπότε και οι αντιστάσεις των πόλων της λυχνίας θερµαίνονται µε συνέπεια να συντελείται η εξάχνωση των ιχνών του µετάλλου που περιλαµβάνεται στο εσωτερικό του περιβλήµατος. Την ίδια όµως στιγµή το διµεταλλικό του εκκινητή ψύχεται και το κύκλωµα ανοίγει δηµιουργώντας στα άκρα της λυχνίας υπέρταση λόγω επαγωγής. Την υπέρταση αυτή ενισχύει και το δευτερεύον του µετασχηµατιστή λόγω της απότοµης διακοπής του ρεύµατος στα άκρα του. Κάτω από αυτές τις συνθήκες µεταξύ των πόλων της λυχνίας αναπτύσσεται εκκένωση και αρχίζει να φωτοβολεί. Τότε η διαφορά δυναµικού στα άκρα της είναι µικρότερη από αυτήν που χρειάζεται για τη λειτουργία του εκκινητή µε συνέπεια σ όλη τη διάρκεια της λειτουργίας της να παραµένει ανενεργός. Ίδιες φασµατικές λυχνίες µε διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας µας δίνουν διαφορετικό αριθµό γραµµών εκποµπής εκτός από ορισµένες χαρακτηριστικές. Ε- ντονότερος τρόπος διέγερσης των αερίων ή των ατµών των µετάλλων, προκαλεί συνήθως την εµφάνιση περισσότερων γραµµών εκποµπής αλλά συγχρόνως διευρύνει το πλάτος τους λ (εύρος ζώνης). Για βαθµονόµηση φασµατοσκοπικών οργάνων, χρησιµοποιούνται ειδικές µικρού µεγέθους φασµατικές λυχνίες που λειτουργούν σε χαµηλή συνεχή τάση για σταθεροποιηµένη ένταση της κάθε γραµµής και

- 58 - (Πιν. 2.3.2.1)

- 59 - Μήκος κύµατος (nm) Στοιχείο Μήκος κύµατος (nm) Στοιχείο Μήκος κύµατος (nm) Στοίχειο 178.29 I 430.01 Ar 696.54 Ar 184.91 Hg 431.96 Kr 702.42 Ne 194.17 Hg 433.86 Ar 703.24 Ne 206.24 I 435.84 Hg 705.91 Ne 226.22 Hg 436.26 Kr 706.72 Ar 237.83 Hg 437.61 Kr 717.39 Ne 248.2 Hg 445.39 Kr 724.52 Ne 253.65 Hg 446.37 Kr 727.29 Ar 265.2 Hg 450.24 Kr 738.4 Ar 280.35 Hg 516.12 I 743.89 Ne 289.36 Hg 533.08 Ne 748.89 Ne 294.51 He 534.11 Ne 750.39 Ar 296.93 Hg 540.06 Ne 751.46 Ar 302.15 Hg 456.07 Hg 753.58 Ne 312.57 Hg 546.46 I 754.41 Ne 313.17 Hg 556.22 Kr 758.74 Kr 334.15 Hg 557.03 Kr 760.15 Kr 336.99 He 576.96 Hg 763.51 Kr 341.79 He 579.07 Hg 768.52 Kr 344.77 He 585.25 Ne 769.45 Kr 346.66 He 587.09 Kr 772.38 Ar 347.26 He 588.19 Ne 785.48 Kr 352.05 He 594.48 Ne 794.82 Ar 359.55 He 597.45 Ne 800.62 Ar 365.02 Hg 603 Ne 801.48 Ar 365.44 Hg 607.43 Ne 805.95 Kr 366.33 Hg 609.62 Ne 810.37 Ar 394.9 Ar 614.31 Ne 810.44 Kr 404.44 Ar 616.36 Ne 811.29 Kr 404.66 Hg 621.73 Ne 811.53 Ar 407.78 Hg 626.65 Ne 819.01 Kr 412.08 He 630.48 Ne 823.16 Xe 415.86 Ar 633.44 Ne 826.32 Kr 416.42 Ar 638.3 Ne 826.45 Ar 418.19 Ar 640.23 Ne 828.01 Xe 419.1 Ar 650.65 Ne 829.81 Kr 419.83 Ar 653.29 Ne 837.76 Ne 420.07 Ar 659.9 Ne 840.82 Ar 425.94 Ar 667.83 Ne 842.46 Ar 427.22 Ar 671.7 Ne 427.4 Kr 692.95 Ne (Πιν. 2.3.2.2)

- 60 - το ελάχιστο δυνατό εύρος ζώνης. Όπως προαναφέραµε πολλές από τις φασµατικές λυχνίες εκπέµπουν έντονες γραµµές στην υπεριώδη περιοχή του Η/Μ φάσµατος (βλ. πιν. 2.3.2.1). Τέτοιες είναι του Hg, του Cd, του Zn κ.λ.π. Η για µεγάλο χρονικό διάστηµα έκθεση, µπορεί να γίνει επικίνδυνη για την επιδερµίδα και τα µάτια του χρήστη, όπως θ αναφέρουµε αναλυτικά στην ( 2.3.4) όπου και θα προτείνουµε µέτρα προστασίας. Για την προστασία της ίδιας της λυχνίας από καταστροφές, το κυριότερο που θα πρέπει να προσέχουµε είναι να µην την ανάβουµε αν προηγουµένως δεν έχει κρυώσει. Επίσης, γι αυτές που και το δεύτερο περίβληµά τους είναι από χαλαζία (προκειµένου να διαπερνάται από το υπεριώδες) δεν πρέπει να αφήνουµε επάνω τους ακαθαρσίες και ιδίως τα λίπη των χεριών µας για τους λόγους που εξηγήσαµε κατά την περιγραφή των λυχνιών αλογόνου. Τέλος θα πρέπει να ξέρουµε ότι σταθερή ακτινοβολή από τη λυχνία θα πάρουµε µετά την παρέλευση ενός ορισµένου χρόνου (π.χ. 10min). Περισσότερο αναλυτικοί πίνακες γραµµών εκπο- µπής για διάφορες συνθήκες διέγερσης δίνονται στο (ΠΑΡ/ΜΑ 5) (Πιν. ΙΙΙ) και (Πιν. IV). Η Σ.Φ.Κ.Ι. (Σχετική Φασµατική Κατανοµή Ισχύος) συναρτήσει του µ.κ. των φασµατικών γραµµών µιας λυχνίας Ne (Νέον) φαίνεται στο Σχ. 2.3.2.4. Είναι χαρακτηριστικό εδώ να διαπιστώσουµε ότι το φαινοµενικά κόκκινο φως των διαφηµιστικών φωτεινών επιγραφών ΝΕΟΝ δεν είναι καν µονοχρωµατικό. Πράγµατι το προαναφερόµενο συντίθεται από µία πλειάδα 25 τουλάχιστον φασµατικών γραµ- µών από την κίτρινη µέχρι την βαθιά κόκκινη περιοχή του ορατού φάσµατος. (Σχ. 2.3.2.3.)

- 61 - (Σχ. 2.3.2.4)

- 62-2.3.3 Λυχνίες τόξου συνεχούς ρεύµατος (Arc lamp sources) Πρόκειται για τις µεγαλύτερης λαµπρότητας (αν εξαιρέσουµε τις πηγές Lasers) λυχνίες που έχουν κατασκευαστεί µέχρι σήµερα. Περίπου το 60% της ακτινοβολούµενης ισχύος εξόδου τους περιλαµβάνεται στην ορατή (VIS) και την υπεριώδη (UV) περιοχή του Η/Μ φάσµατος. Η UV περιοχή χρησιµοποιείται για εφαρµογές όπως η φασµατοσκοπία UV η φωτοχηµεία κ.λ.π. Οι ακτινοβολίες της αντίστοιχης λυχνίας µε ενεργό στοιχείο το Xe, θερµοκρασίας χρώµατος T c 5800 o K, είναι κατάλληλη για προσοµοίωση µε αυτήν του ηλιακού φωτός. Επίσης η λυχνία τόξου ατµών Hg εκπέµπει πολύ ισχυρές γραµµές στην UV περιοχή εκτός των γνωστών στην ορατή. Γενικά η εκποµπή τους στην υπέρυθρη περιοχή (IR) είναι σχετικά χα- µηλή. Το χαρακτηριστικό αυτών των λυχνιών είναι η δηµιουργία µεταξύ της ανόδου και της καθόδου πολύ µικρών διαστάσεων τόξου, δηλ. περιοχής µέγιστης ακτινοβολίας. Αυτός είναι ο λόγος που µπορούν να θεωρηθούν σαν σηµειακές πηγές, έτσι που µε τη βοήθεια κατάλληλων φακών να µπορούν να παραχθούν υψηλής έ- ντασης παράλληλες δέσµες φωτός. Οι ισχείς λειτουργίας τέτοιων λυχνιών είναι συνήθως από 50-1000 W αν και µπορούν να κατασκευασθούν και άνω των 5000 W. Το (Σχ. 2.3.3.1) µας δείχνει την κατασκευαστική δοµή τριών τύπων λυχνιών τόξου: α) Xe, β) Xe ή Hg (Xe) και γ) Hg. Η άνοδος και η κάθοδός τους είναι συντετηγµένες µε το περίβληµα από καθαρό χαλαζία. Ο Χαλαζίας εδώ είναι απαραίτητος για µηχανική και θερµική αντοχή καθώς και για λόγους διαπερατότητας της UV περιοχής του φάσµατος. Για να έχουµε όµως διέλευση των UV ακτινοβολιών κάτω των 200nm πρέπει αυτός να είναι µεγάλης καθαρότητας. Τα ηλεκτρόδια της ανόδου και της καθόδου είναι από Βολφράµιο. Της καθόδου έχει προσµίξεις Τh (Θορίου) προκειµένου να διευκολύνεται η εκποµπή ηλεκτρονίων και να είναι λεπτό ώστε να αυξάνεται περισσότερο η θερµοκρασία του. Η άνοδος έχει µεγαλύτερες διαστάσεις και είναι σφαιρική έτσι ώστε να αντιστέκεται στην πρόσκρουση των ηλεκτρονίων και να διαχέει ευκολότερα τη θερµότητα που αναπτύσσεται. Οι σπείρες που συνήθως περιβάλλουν τα ηλεκτρόδια στις λυχνίες Hg µορφοποιούν τη δοµή του τόξου. Τέλος το διάστηµα µεταξύ των ηλεκτροδίων είναι από 0.25 µέχρι µερικά mm ανάλογα µε την ισχύ της λυχνίας. Το εσωτερικό των λυχνιών πληρούται µε ευγενή αέρια σε πίεση πολλών ατµοσφαίρων ή από µία µικρή ποσότητα αερίου και συγκεκριµένη ποσότητα Hg. Όταν η λυχνία λειτουργεί, η πίεση στο εσωτερικό της µπορεί να φθάσει µέχρι και 75 atm. Το γεγονός αυτό την καθιστά πολύ επικίνδυνη γι αυτό θα πρέπει να λειτουργεί στο εσωτερικό ειδικού ανθεκτικού µεταλλικού περιβλήµατος που αν είναι δυνατόν να εξαερίζεται συνεχώς. Η προέκταση των ηλεκτροδίων της είναι από Μολυβδαίνιο και είναι κατάλληλα διαµορφωµένα για τη µηχανική ανάρτηση της λυχνίας.

- 63 - (Σχ. 2.3.3.1) Οι λυχνίες τόξου (ειδικότερα του Xe και του Hg (Xe)) για την απαρχή της εκκένωσης απαιτούν στιγµιαία τάση µερικών kv. Μετά την εκκίνηση, χρειάζεται να τροφοδοτούνται µε συνεχή σταθεροποιηµένη τάση. Ο σπινθήρας προέρχεται από έναν πυροδότη συνήθως στο εσωτερικό της λυχνίας και η συνεχής τάση λειτουργίας από ένα κατάλληλο τροφοδοτικό. Τυπικές τιµές συνεχούς λειτουργίας µίας λυχνίας Hg (Xe) 1000W είναι (30Α 33V). Στα (Σχ. 2.3.3.2) φαίνονται οι ισόφωτες καµπύλες της φωτοβολής (Luminance) (kcd/cm 2 ) (βλ. ΠΑΡ/ΜΑ 2) µετα- (Σχ. 2.3.3.2)

- 64 - ξύ ανόδου και καθόδου των λυχνιών α) Hg και β) Xe. Σαν σηµειακές πηγές µπορούν να χρησιµοποιηθούν οι περιοχές µεγίστης πυκνότητας των ισοφώτων καµπυλών. Στα (Σχ. 2.3.3.3) φαίνονται επίσης οι κατανοµές των φωτοβόλων εντάσεων (Luminous intensity) (σε kcd) για τις λυχνίες α) Hg και β) Xe. Τα διαγράµµατα αυτά είναι πολύ χρήσιµα προκειµένου να επιλέξουµε κάτοπτρα ή φακούς για τη διευθέτηση της εκπεµπόµενης από την πηγή δέσµης. Στα επόµενα εκθέτουµε µε σύντο- µο τρόπο τα φασµατικά χαρακτηριστικά τριών συνήθων λυχνιών τόξου. Στο (Σχ. 2.3.3.4) φαίνεται η µετρούµενη Σ.Φ.Κ.Ι. σε mw/m 2 nm και σε απόσταση 0.5m από την πηγή µιας λυχνίας τόξου Hg 200 Watt. Χαρακτηριστικό αυτού του φάσµατος (Σχ. 2.3.3.3) (Σχ. 2.3.3.4)

- 65 -

- 66 - είναι η έντονη εκποµπή γραµµών στην UV και VIS περιοχή του φάσµατος και η χαµηλού υποβάθρου συνεχής κατανοµή στην ΙR περιοχή. Η λυχνία αυτή περιέχει µικρές ποσότητες ευγενών αερίων Xe ή Ar και συγκεκριµένη ποσότητα Hg. Η εκκένωση (ιονισµός) στο εσωτερικό της λυχνίας βοηθείται κατ αρχήν από τα αέρια µέχρις ότου εξαχνωθεί τελείως ο Hg και αποκατασταθεί η κανονική της λειτουργία. Τότε η πίεση στο εσωτερικό της πλησιάζει τις 75 atm. Η λυχνία του Hg λειτουργεί µε την κάθοδο προς τα πάνω. Στο (Σχ. 2.3.3.5) βλέπουµε το φάσµα εκποµπής µιας λυχνίας Xe 150Watt. ιαθέτει ένα συνεχές υπόβαθρο ακτινοβολιών για τις περιοχές UV-VIS-IR και έντονη παρουσία φασµατικών γραµµών στο εγγύς IR (750-1000nm). Το φάσµα της λυχνίας Xe (εκτός των φασµατικών γραµµών) προσοµοιάζει πολύ µε το φάσµα εκποµπής ενός µέλανος σώµατος θερµοκρασίας Τ µεταξύ 5000-6000 ο Κ. Άρα µε πολύ καλή προσέγγιση µπορούµε να πούµε ότι υποκαθιστά το ηλιακό φάσµα θερµοκρασίας κατά τα γνωστά 4870 ο Κ. Η αρχική πίεση του αερίου Xe στη λυχνία είναι περίπου 5-20atm η οποία τριπλασιάζεται όταν η λυχνία λειτουργεί. Χρησιµοποιείται κατά κόρον σαν πηγή συνεχούς φασµατικής κατανο- µής καθώς και σε πειράµατα εξοµοίωσης ηλιακού φωτός. Το φάσµα εκποµπής µιας λυχνίας Hg (Xe) 200W έχει τα χαρακτηριστικά της σύνθεσης των δύο προηγούµενων (Σχ. 2.3.3.6). ηλ. έντονες φασµατικές γραµµές στις περιοχές UV-VIS και εγγύς IR. Επίσης διαθέτει αυξηµένο συνεχές υπόβαθρο ακτινοβολιών σε σχέση µ αυτό µιας λυχνίας Hg. Τέλος για λόγους σύγκρισης παραθέτουµε το φάσµα (Σχ. 2.3.3.7) µιας λυχνίας αλογόνου (Q.T.H.) 1000Watt. Μέτρα προστασίας Η λειτουργία των λυχνών τόξου συνεχούς ρεύµατος οι οποίες διαθέτουν αξιόλογες ιδιότητες που τις κάνουν πολύ χρήσιµες για επιστηµονικούς και πρακτικούς σκοπούς - κρύβει πολλούς κινδύνους που ο χρήστης θα πρέπει να πάρει σοβαρά υπόψη του. α) κίνδυνος έκρηξης: Γνωρίζουµε ήδη ότι για τις λυχνίες Xe και Hg (Xe) εκτός λειτουργίας ή για τις προηγούµενες συν τη λυχνία Hg κατά τη διάρκεια της λειτουργίας τους ή εσωτερική πίεση των αερίων και των ατµών του Hg µπορεί να φθάσει µέχρι και τις 75atm. Άρα για προφύλαξη από πιθανή έκρηξη θα πρέπει να λειτουργούν µέσα σε κατάλληλα µεταλλικά περιβλήµατα µε συνεχή εξαερισµό. Επίσης όταν πρόκειται να τις αγγίξουµε κατά την αντικατάστασή τους ή τον καθαρισµό θα πρέπει να το κάνουµε χρησιµοποιώντας χονδρά δερµάτινα γάντια και ειδικά προστατευτικά γυαλιά. β) κίνδυνος από την υπεριώδη ακτινοβολία: Γνωρίζουµε ήδη ότι οι λυχνίες αυτές παράγουν µεγάλα ποσά ακτινοβολιών στην U.V. περιοχή του Η/Μ φάσµατος. Τους κινδύνους από την απορρόφηση τέτοιων ακτινοβολιών περιγράφουµε µε λεπτοµέρεια στην επόµενη παράγραφο. γ) κίνδυνος από την

- 67 - παραγωγή όζοντος (O 3 ): Υπεριώδης ακτινοβολία µε µ.κ. µικρότερο των 242nm που έρχεται σε επαφή µε τον ατµοσφαιρικό αέρα παράγει Όζον (O 3 ). Το δραστικό αυτό αέριο που σε µικρές ποσότητες χρησιµοποιείται σαν µικροβιοκτόνο (παράγεται από ειδικές συσκευές που ονοµάζονται οζoνιστήρες που τοποθετούνται σε κοινόχρηστους χώρους), σε µεγαλύτερες γίνεται τοξικό για τον ανθρώπινο οργανισµό οπότε και θα πρέπει να το απάγουµε µακριά από τον χώρο παραγωγής του όπου και διασπάται σε κανονικό αέριο Ο 2. Στις περιπτώσεις που δεν χρειαζόµαστε την U.V. περιοχή του φάσµατος, µπορούµε να χρησιµοποιήσουµε λυχνίες τόξου µε περίβλη- µα γυαλιού (και όχι χαλαζία) το οποίο κατά τα γνωστά απορροφά τις υπεριώδεις ακτινοβολίες. Η παρουσία του Όζοντος γίνεται φανερή από µια έντονη όξυνη µυρωδιά. Μπορούµε να την οσφρανθούµε όταν πλησιάσουµε αρκετά κοντά µια λυχνία Ηg που βρίσκεται σε λειτουργία. 2.3.4 Φάσµα Υπεριωδών ακτινοβολιών και µέτρα προστασίας από αυτές Υπεριώδεις UV (Ultraviolet) ονοµάζουµε τις ακτινοβολίες µε µ.κ. µεταξύ 10 και 400nm. Όµως για µ.κ. κάτω των 180 nm ονοµάζονται UV κενού επειδή αν διαδοθούν στον αέρα απορροφούνται πολύ γρήγορα από τα µόρια του Ο 2 και του Ν 2. Το φάσµα που παραµένει (Σχ. 2.3.4.1) χωρίζεται σε τρία µέρη σύµφωνα µε την καταχώρηση του International Lighting Vocabulary, C.I.E. Publ. No. 17.4. Αυτά είναι: (Σχ. 2.3.4.1) α) το UV A (315-400nm), β) το UV-B (280-315 nm) και γ) το UV-C (180 280 nm). Υπάρχουν και ορισµένοι άλλοι ορισµοί οι οποίοι διαφοροποιούνται στοιχειωδώς µόνο σε σχέση µε τα προηγούµενα αποδεκτά όρια. Η έκθεση στις υπεριώδεις ακτινοβολίες έχει επιβεβαιωθεί ότι προκαλεί σοβαρές βλάβες στους ζωντανούς οργανισµούς άρα και στον άνθρωπο. Το είδος και ο βαθµός της βλάβης εξαρτάται από παράγοντες όπως: α) ο χρόνος έκθεσης (ας µην

- 68 - ξεχνάµε εδώ ότι οι Η/Μ ακτινοβολίες έχουν την προσθετική ιδιότητα) β) την ένταση της ακτινοβολίας (δηλ. την προσπίπτουσα ισχύ ανά µονάδα επιφανείας). γ) το µ.κ. της ακτινοβολίας (όσο µικρότερο είναι το µ.κ. τόσο µεγαλύτερη ενέργεια µεταφέρεται και τόσο περισσότερο διεισδυτική γίνεται η ακτινοβολία. δ) Από την α- τοµική ευαισθησία του καθενός στο είδος αυτό της ακτινοβολίας. Βλάβες στην επιδερµίδα Η έκθεση στις περιοχές UV-B και UV-C προκαλούν έντονο κοκκίνισµα (ερύθηµα) µε επακόλουθο την καταστροφή και την αλλαγή της επιδερµίδας. Παρατεταµένες και διαδοχικές εκθέσεις έχουν σαν αποτέλεσµα την απώλεια της ελαστικότητάς της και την πρόωρη γήρανση. Επίσης είναι επιβεβαιωµένος ο συσχετισµός µεταξύ της έκθεσης σε ακτινοβολίες µε µ.κ. κάτω των 320 nm και τον καρκίνο του δέρµατος (βασικό και λεπιδωτό κυτταρικό καρκίνωµα). Υποψίες καρκινογένεσης υπάρχουν και για µ.κ. µεγαλύτερα των 320 nm, µε ιδιάζον όµως χαρακτηριστικό µ.κ. αυτό των 290 nm.(βλ. Σχ. 2.3.4.2) Βλάβες στα µάτια Η έκθεση στις περιοχές UV-B και UV-C µπορεί να προκαλέσουν επιπεφυκίτιδα και φλεγµονή του κερατοειδή χιτώνα του µατιού γνωστή σαν φωτοκερατίτιδα. Τα αρχικά συµπτώµατα της φωτοκερατίτιδας είναι µια ελαφρά ενόχληση στην περιοχή. Μετά όµως από παρατεταµένη έκθεση, θα έχουµε συνεχή έντονη δυσφορία και αδυναµία να κοιτάξουµε σε φως. Επίσης θα εµφανιστεί φλόγωση της µεµβράνης των βλεφάρων και το πολύ οδυνηρό αίσθηµα ότι µέσα στα µάτια µας υπάρχει άµµος. Παρατεταµένη έκθεση στην περιοχή UV-A µπορεί να προκαλέσει αλλοίωση της διαφάνειας του κρυσταλλώδους φακού ή και καταστροφή του (καταρράκτης). Μ.κ. κοντά στο πάνω όριο της UV-A περιοχής µπορούν επίσης να διαδοθούν µέσω του µατιού και να προσβάλλουν τον αµφιβληστροειδή χιτώνα προκαλώντας τη λεγόµενη «µπλε τύφλωση». Στο (Σχ. 2.3.4.2) δίνεται ένα ενδεικτικό διάγραµµα των ορίων έκθεσης σε ακτινοβολία UV για περίοδο οκτώ ωρών. Εκδόθηκε από την ACGIH (American Conference of Governmental Industrial Hygienists) (ISBN: 0-936712-99-6). Αφορά έκθεση από λυχνίες τόξου και φασµατοσκοπικές, λαµπτήρες φθορισµού και πυράκτωσης καθώς και την ηλιακή ακτινοβολία. Ο ασφαλέστερος τρόπος για να αποφύγουµε την ακτινοβολία UV εφόσον δεν πρόκειται να τη χρησιµοποιήσουµε για συγκεκριµένο σκοπό είναι αυτή ν απορροφηθεί τη στιγµή της παραγωγής της. Αυτό γίνεται µε το να περιβάλλουµε την πηγή µε ένα γυάλινο κλωβό ο οποίος όπως ήδη