Градильня что это: Что такое градирни, виды, типы, предназначение и принцип работы

Содержание

Градирня — это | Группа компаний АКВАНН

Принцип работы.

Градирня представляет собой сооружение для охлаждения воды в оборотных системах водоснабжения.

В промышленности градирни используются для охлаждения холодильных машин, машин-формовщиков пластмасс, при химической очистке веществ, для охлаждением оборудования в целях предохранения его от быстрого разрушения под влиянием высоких температур (например, цилиндров компрессоров, кладки производственных печей) и т. п. В гражданском строительстве градирни используются при кондиционировании воздуха, например, для охлаждения конденсаторов холодильных установок, охлаждения аварийных электрогенераторов.

Процесс охлаждения происходит за счёт испарения части воды при стекании её тонкой плёнкой или каплями по специальному оросителю, вдоль которого в противоположном движению воды направлении подаётся поток воздуха (вентиляторные градирни). При испарении 1 % воды, температура оставшейся массы понижается на 5,48 °C.

Более подробно вы можете посмотреть в данном видео:

 

Основные типы градирен:

 

Градирни типа СК-400

Градирня СК-400, СК-1200 — это специально разработанные модификации круглых вентиляторных градирен площадью орошения 400 м2 (СК-400) и 1200 м2 (СК-1200). 

 

Вентиляторные градирни

Вентиляторная градирня — это наиболее эффективное решение по охладентю оборотной воды с технической точки зрения, так как обеспечивает более глубокое и качественное охлаждение воды, выдерживая большие удельные тепловые нагрузки.

Малогабаритные модульные градирни

Мологабаритная вентиляторная градирня — это готовое и экономичное решение для охлаждения оборотной воды в производственных процессах. Примуществом данных типов градирне является быстрота монтажа, компактность, простота в обслуживании.

   

Башенные градирни

Башенная градирня работает на естественной тяге воздуха. Высокая башня создает тягу воздуха. Вытяжные башни служат для создания естественной тяги благодаря разности удельных весов воздуха, поступающего в градирню, и нагретого воздуха, выходящего из градирни. 

   

 

 

 

Типы градирен Градирни вентиляторные Градирни закрытые закрытого типа

Подробности

 

 

Мы поставляем  Драйкулеры европейского производителя Thermokey
Мы поставляем Мокрые Градирни Открытого типа производства Бельгии
Мы поставляем Мокрые Градирни Закрытого типа производства Германии
Мы предлагаем квалифицированный расчет и подбор всех типов градирен и драйкулеров

 

Типы градирен

   Ввиду большого количества терминов, которыми в России описывают одно и то же оборудование мы опишем типы градирен, происхождение упоминаемых в России названий этого оборудования, и надеемся, что путаницы в понимании какое именно оборудование Вам необходимо — более не будет.

 

1. Вентиляторная градирня — их применяют для охлаждения промышленных систем оборотного водоснабжения за счёт теплообмена с окружающим воздухом, проходящего под напором вентиляторов через теплообменник. Градирни вентиляторные — их называю так, по своей конструкции, они состоят из теплообменного блока — радиатора и вентиляторов, которые его обдувают.

2. Сухая градирня, это не что иное, как описанная выше вентиляторная градирня, но имеющая происхождение своего названия не по принципу устройства, а от сравнения с более древним способом охлаждения жидкости — распылением в воздухе и сбором распылённой и охлаждённой воды в ёмкость. При распылении происходит частичное испарение охлаждаемой воды и воздух от такого устройства увлажняется. В той градирне, в которой охлаждение происходит в закрытом теплообменнике называют градирня закрытая сухая и от неё увлажнение воздуха не происходит.

3.1. Сухие Градирни закрытые (закрытого типа) имеют два варианта исполнения, принципиально отличающиеся. Сухая градирня закрытого типа. Ещё одно название сухой градирни закрытого типа — Драйкулер. Такое название происходит  от английских слов dry — сухой и cooler — охладитель. Ввиду того, что градирни с методом охлаждения распылением воды практически на всех крупных заводах использовались с советских времён, термин — градирня в России чаще всего применяют к оборудованию именно такого типам. По причине того, что все предложения сухих градирен сводятся к предложениям импортного оборудования, то самый распространённый термин характеризующий такое оборудование — является термин — драйкулер. По сути все упомянутые названия градирни имеют право на жизнь и право для их употребления, мы их расшифровали для того чтобы было меньше путаницы. Драйкулер — применяют в ситуациях, когда по технологии производственного процесса требуется охлаждение рабочей среды (воды или иного типа хладоносителя, например, раствора этилен- либо пропиленгликоля) до температуры, немного превышающей температуру окружающего воздуха. При этом начальная температура хладоносителя может быть достаточно высокой. Именно в этих случаях экономически целесообразна реализация системы охлаждения с применением драйкулера. Принцип действия данного основывается на циркуляции хладоносителя через систему оребренных трубок, которая обдувается вентиляторами, за счёт чего происходит отдача тепла воздуху окружающей среды. Поскольку система циркуляции хладоносителя замкнутая и герметичная, в системе практически отсутствуют потери хладоносителя на испарение, чем данный тип отличается от открытых систем, требующих постоянной подпитки воды для компенсации испарения. Кроме того, при использовании в качестве хладоносителя отличной от воды жидкости (незамерзающих растворов), безусловно, допустимо использовать только градирни закрытые. Незамерзающие растворы гликолей применяются для эксплуатации в зимний период, с целью предотвращения повреждения оборудования при размораживании.

3.2. Мокрые градирни закрытого типа — это один из вариантов водоохладителя, в котором применена гибридная схема. В отличии от сухих закрытых градирен в мокрых имеется герметичный теплообменник, по которому протекает жидкость основного контура (например на охлаждение водяного конденсатора) и этот теплообменник орошается водой и обдувается воздухом окружающей среды. Преимущества такого варианта в том, что основной контур охлаждения воды не соприкасается с окружающей средой, и соответственно не насыщается кислородом, не загрязняется и является закрытым, т.е. нет разрыва струи. Мокрая градирня закрытого типа позволяет применять в качестве хладоносителя растворы незамерзающих жидкостей как и в драйкулерах, но в отличие от них конечная температура хладоносителя, которую можно получить в ней — НЕ выше, а ниже температуры окружающей среды и как и в мокрых градирнях открытого типа соответствует температуре влажного термометра.

4. Доступная для герметичной системы конечная температура хладоносителя на несколько градусов превышает температуру «сухого» термометра при температуре окружающего воздуха в процессе эксплуатации. Чем меньше температура окружающего воздуха, тем более эффективно работает данное оборудование, поэтому фактическая мощность такого оборудования изменяется для разных условий окружающей среды. Конструктивные особенности и геометрические характеристики  градирен подбираются с учётом оптимизации итоговых размеров и стоимости оборудования для заданных параметров охлаждения и расчётных значений окружающего воздуха для региона эксплуатации. В регионах с относительно небольшой влажностью в жаркое время года также применяются герметичные охладители с системой орошения, повышающей эффективность эксплуатации оборудования, однако требующей  дополнительного расхода воды на орошение.

5. В целом, вентиляторная градирня представляет значительно менее энерго- затратный способ охлаждения по сравнению с чиллером, однако не позволяют достичь конечной температуры охлаждения ниже температуры окружающей среды и поэтому применим только для систем, удовлетворяющих этому условию.

Вентиляторные градирни

  Существует множество вариантов подбора градирен различных типов, и только специфические знания и большой накопленный опыт могут обеспечить правильный выбор градирни, которая не подведёт и будет выдавать все требуемые от неё технические параметры при любых изменениях значений воздуха окружающей среды.

   Специалисты нашей компании всегда окажут квалифицированную консультацию в выборе варианта исполнения и подборе модели необходимой Вам вентиляторной градирни. Обращайтесь по телефонам указанным на верху экрана или пишите Ваши вопросы On-Line консультанту.


Вентиляторные градирни:

Принципиальная Схема охлаждения воды

в системе без увлажнения воздуха, за счет основного

процесса охлаждения, но имеющая опцию — орошения

для достижения результатов при максимально высоких

температурах окружающей среды.

Это схема — драйкулер с орошением —

аналогом такого решения является мокрая градирня закрытого типа

Вентиляторные градирни

Градирни: история, фото, что это?

16 мая 2013 года в группе «Завода Триумф» в социальной сети «В контакте» был опубликован первый выпуск рубрики «Пятничные градирни», ставшей еженедельной. За это время мы рассказали 31 историю и опубликовали около 100 фотографий этих устройств, которые, как оказалось,  настолько же поэтичны, насколько огромны.

К новогодним праздникам мы решили собрать воедино все самые информативные и необычные публикации, чтобы вместе с вами насладиться величием этих сооружений.

Градирни в истории

1. Знаете ли вы, где и когда впервые появились градирни? Первая охлаждающая башня, какой мы знаем ее сегодня, была построена в 1918 году в Нидерландах, в городе Херлен – на самом юге страны. Создателем гиперболоидной градирни был профессор машиностроения и директор голландских государственных шахт Фредерик ван Итерсон. Именно этому человеку удалось создать максимально технологичное и эффективное изобретение, которое он запатентовал тогда же, в 1918-м.

До этого же охлаждающие конструкции не имели постоянной формы – они могли быть круглыми или прямоугольными. Их располагали не только отдельно, но зачастую на крышах зданий, хотя принцип их работы был также основан на испарении.

2. Во время Второй мировой войны правительство Великобритании для защиты собственных электростанций от возможных ударов немецких войск камуфлировало градирни и стоящие рядом объекты под обычные городские поселения. На стены башен наносились рисунки домов и деревьев, чтобы заметные издалека стратегически важные объекты не были заметны.

3. За новой порцией градирен отправимся в зону отчуждения – на Чернобыльскую АЭС. Как ни странно, но на станции всего 2 градирни – и обе не достроены. Дело в том, что для охлаждения реакторов первой и второй очереди использовался пруд, растянувшийся на 11 километров параллельно Припяти почти до самого Чернобыля. Несмотря на внушительные размеры – 25 квадратных километров, – для третьей очереди его охлаждающей мощности не хватило бы, а увеличивать пруд дальше не было возможности.

Сами же градирни громадные – в диаметре у основания они достигают около 120 метров. Официальные экскурсии внутрь не водят – не из-за радиации, а из-за отваливающихся плит. По словам проводника, когда лаборатория еще работала, он часто слышал, как они падают – удар о землю в гулкой градирне звучал как выстрел из орудия.

Рейтинг мира

4. Самая производительная градирня в мире находится на немецкой АЭС «Изар-1». Эта атомная станция расположена в 14 км от города Ландсхут в Нижней Баварии на реке Изар. Это не самая высокая градирня на свете – ее высота 165 метров, но она охлаждает 216 000 кубометров воды в час, что и делает ее лидером. По крайней мере, делало, поскольку после аварии на японской Фукусиме правительство Германии решило полностью отказаться от атомной энергетики и ликвидировать все существующие станции к 2022 году. Изар обещают демонтировать за 10 лет. Хоть бы градирню оставили.

5. А вот самая высокая градирня в мире на сегодняшний день находится в Индии и принадлежит Калисинд ТЭЦ, что в индийском штате Раджастан. Ее высота – 202 метра.

На самом деле, градирня прекрасна вдвойне – уже потому, что имеет башню-близнеца тоже в 202 метра. Но поскольку саму станцию построили недавно, то блок со второй градирней еще не запустили.

6. Еще одна градирня-рекордсменка высотой в 131 метр находится на уже закрытой станции в Германии и отлично просматривается на 20 км во все стороны. Ее особенность в рисунке, нанесенном на всю площадь ее стены. Автор геокартинки – швейцарский художник Кристоф Рис, а его работа занесена в Книгу рекордов Гиннеса, как самая большая карта мира в мире!

Градирни как предмет изобразительного искусства

7. Зачастую градирни помимо практической функции выполняют еще и эстетическую. Так, во время Чемпионата мира по футболу 2010-го года в ЮАР они стали художественными полотнами. Градирни превратились в живые картины, рассказывая болельщикам со всей планеты о жизни местного населения.

Власти пригорода Йоханнесбурга к началу чемпионата разукрасили градирни рисунками, повествующими об этнических традициях жителей ЮАР. А для всех желающих устроили незабываемый аттракцион – между башен градирен можно было прокатиться на качелях, а также прыгнуть вниз со 100-метровой высоты.

8. Когда громадные градирни разрисовывают профессиональные художники – всегда креативно и здорово. А что будет, если их дизайн поручить детям?

На это в прошлом году решилась Ленинградская область, проведя конкурс творческих проектов «Раскрась градирни атомной станции», приуроченный ко Дню энергетика. Никто и не думал, что поступит более 300 работ от детей до 15 лет. Организаторы говорят, что труднее всего было оценить эти трогательные рисунки и выбрать победителя.

]

Градирни в искусстве

9. Пожалуй, самая знаменитая атомная станция в мире – Спрингфилдская АЭС из телесериала «Симпсоны».

Станция мистера Бёрнса – единственный источник энергии во всем мульт-городке, но ее состояние приведет в ужас всех, кроме ее работников. Помимо уранового стержня, настигающего Гомера в начале каждой серии, в подвалах здания бегают светящиеся крысы, с труб капают радиоактивные отходы, а трещины в градирнях заделывают жвачкой.

В эпизодах предполагаемого будущего станция показана с увеличенным числом градирен – их число возросло с 2-х до 5 – скорее всего, это связано с увеличением населения Спрингфилда.

10. А это самая экологичная градирня за всю историю человечества. Во-первых, потому что она сплетена из лозы, а во-вторых, потому что ее уже нет.

Арт-объект под фееричным названием «Вулкан» был построен художником Николаем Полисским и его соратниками в деревне Никола-Ленивец, что недалеко от Москвы, для фестиваля «Архстояние-2009», а строиться начал аж в 2006 году. Сам Полисский отмечал, что за 3 года плетения градирня ему порядком поднадоела, пока однажды не набекренилась: «И вдруг она стала падать: появился какой-то градус жизни. Укрепили ее контрфорсами. Я её полюбил».

Башня была совсем как настоящая: 12 метров в диаметре и 15 в высоту, а из жерла вырывался столб света и абсолютно экологичного (если верить организаторам) дыма. По словам создателей, градирня предлагала зрителям «задуматься о грани между первозданностью природы и стремлением человека её поработить». Торжественное сожжение свершилось на Масленицу 2012 года после последнего пробуждения «Вулкана».

11. А как вам планета, полностью состоящая из башен и дыма? Мир, состоящий из градирен, представила себе дизайнер Дженни Оделл. Для создания этой картинки она использовала кадры, вырезанные из видов со спутника Google. Любовь к таким фото Дженни объясняет тем, что благодаря нечеловеческой точке зрения Гугла, мы можем лучше прочесть свою человеческую природу. Прочесть и познать ее во всех крошечных и повторяющихся отметинах на лице Земли.

Для Оделл все множественные объекты на планете – иероглифы и знаки, будто кричащие: люди были здесь. Кроме того, обращая внимание на созданный человеком ландшафт, можно обнаружить, что все вещи, которые уже давно стали для нас привычными, с определенного ракурса могут показаться странными, новыми и даже трогательными.

12. Любят градирни и в Нидерландах – там живет Майкл Руверс, который, судя по всему, увлечен этими устройствами не меньше нас. Увлечен настолько, что использует их как модели для своего творчества. И не зря дизайнер говорит о тяге к контрастам – в виде башен, предназначенных для охлаждения, он создал свечи, так или иначе несущие тепло.

Какие подтексты Майкл заложил в свое творение, можно погадать. В любом случае такая свеча станет отличным подарком человеку, работающему на ТЭЦ.

Разрушение градирен

13. Чрезвычайно трогательное видео создала британская компания Ecotricity, занимающаяся развитием экологичных источников энергии. Громадные башни в ролике ожили лишь для того, чтобы под прекрасную музыку через несколько секунд растаять навсегда. Видимо, что-то  похожее ждет в скором времени градирни атомных станций Германии. Прощайте, ребята.

14. Мы знаем о том, что крушение особо крупных объектов всегда зрелище, на которое хочется смотреть и смотреть… Например, на разрушение градирен китайской станции. Это не террористический акт, а плановый снос башен.

Представляем, какую гамму эмоций испытывает спрятавшаяся слева градирня. Эх, пока еще целехонькая..)

15. А это типичные южнокорейские зрители, смотрящие новости по ТВ. На экране – проекция запланированного взрыва градирни атомной станции в Северной Корее. Этот символический жест был сделан с целью того, чтобы показать миру, что страна держит курс на денуклеаризацию.

Градирни в городах

16. Суровая челябинская жизнь, как оказалось, не такая уж и серая! 

Вот, например, энергетическая компания «Фортум» раскрасила градирню ТЭЦ-2 в сине-зеленый. Поскольку станция принадлежит концерну, то и цвета оказались корпоративными. Вторую, кстати, тоже обещали покрасить.

17. А эта фотография символизирует масштаб и мощь российской столицы. 

Снимок сделан с 22 этажа высотки на востоке Москвы. Эти цветастые градирни принадлежат ТЭЦ-23, расположенной недалеко от района «Метрогородок». Станция обеспечивает электричеством и теплом несколько столичных округов с населением более 2 млн человек.

18. Градирни настолько велики, что было бы странно, если бы любители экстремальных видов спорта оставили их незамеченными.

За счет того, что башни имеют головокружительную высоту, их облюбовали роуп-джамперы – люди, прыгающие с высоких объектов на веревке. Охладительные башни также нередко используют для тренировок по слеклайну – хождению по натянутой ленте. На фотографиях – градирня Петербурга, которую активно использовал местный клуб экстремалов, пока ее не пустили в эксплуатацию.

Чуть больше, чем башни

19. А в предприимчивой Германии градирню приспособили под один из самых необычных парков развлечений на планете. В далеком 1969 году в Германии на живописном берегу Рейна, недалеко от городка Калькар, было задумано построить атомную станцию нового типа.

Строительство станции началось в 1972, но общественность, испугавшись экологической катастрофы, вступила в открытую оппозицию. Чернобыльская катастрофа подписала окончательный приговор, и в 1991-ом правительство объявило о прекращении проекта – станция превратилась в самую большую инвестиционную руину Германии, обошедшуюся налогоплательщикам в 3,5 миллиарда евро. На эти деньги можно было построить 20 000 жилых домов, из бетона, залитого здесь, проложить шоссе от Амстердама до Маастриха, а электрическими проводами дважды опутать весь земной шар.

В итоге станцию купил за 2,5 миллиона евро голландский инвестор и превратил в парк развлечений «Вундерланд Калькар». Самым интересным считается аттракцион внутри градирни – карусель поднимается на высоту, с которой на многие километры видны окрестности. А снаружи труба разрисована и переделана в скалодром, а в её нижней внутренней части устроены каналы для лодочных прогулок.  Ну просто ядерный Диснейленд какой-то!

20. Эти фотографии сделаны на металлургическом заводе «Запорожсталь», который считается одним из крупнейших загрязнителей окружающей среды на Украине. Суровые градирни комбината – одно из культовых мест у запорожских сталкеров. Всего на объекте две градирни – действующая и разобранная.

На паутину последней особенно любят залезать местные и приезжие супергерои в поисках экстрима и необычных ракурсов. Фотографу удалось передать всю символичность и своеобразную атмосферу этого места. Ну, просто декорации для постапокалиптического фильма – знакомьтесь, мир после экологической катастрофы. Эх, красиво все-таки..

21. Приятно осознавать, что мы не единственные почитатели и любители градирен. Немецкие фотографы Бернд и Хилла Бехер более 40 лет снимали эти башни по всему миру.

Фотографии этой семейной пары – документальные свидетельства архитектуры промышленных сооружений. Цикл их работ посвящен уже не функционирующим объектам 19 века. За 40 лет путешествий по Европе и США Бехеры успели запечатлеть не только градирни, но и доменные печи, водонапорные башни, нефтеперерабатывающие заводы и т.д. 

По мнению фотографов, прелесть градирен – в простоте их формы, создающей эффект монументальности, которую Бехеры и пытались передать. Сами авторы называли свои работы «анонимными скульптурами», отсылая к реальным американским скульпторам-минималистам своего времени. 

Подборка снимков с градирнями вышла отдельной книгой, где собрано 236 фотографий башен разных типов и форм, по которым они и сгруппированы на страницах. При большом желании сборник можно даже купить.

Градирни без лишних слов

полезно знать

26.12.2014, 17589 просмотров.

Градирни | ТЭМС

Градирни или Охладительные башни: особенности

Градирни — это специальные устройства для охлаждения большого количества  воды посредством  направленного потока воздуха. Второе, наверное, более понятное название  градирен – охладительные башни.

Исторически градирни использовались для добычи соли (ее выпаривали из солевого раствора). Сейчас предназначение градирен несколько изменилось: градирни применяются в системах оборотного водоснабжения для охлаждения теплообменных устройств. Они используются на  атомные  и тепловые электростанциях, ТЭЦ и мини-ТЭС, предприятиях химической и нефтеперерабатывающей промышленности. Градирни чаще всего используют там, где нет возможности применить для этой цели естественные водоёмы (либо из-за того, что попросту нет рядом прудов и озер, либо если есть опасность загрязнения окружающей среды).

Принцип работы градирни

Принцип работы градирни достаточно прост. Процесс охлаждения в градирнях происходит за счет  частичного испарения воды и теплообмена с воздухом. Вода в градирне стекает  тонкой плёнкой или сбегает каплями по оросителю. В это время вдоль оросителя  проходят потоки воздуха. существует такая закономерность: в градирнях  при испарении 1 % воды температура оставшейся понижается на 6 С. Потеря жидкости восполняется за счет внешнего источника. Причем свежая вода при необходимости подвергается обработке (фильтрации).

Типы и особенности градирен

В зависимости от типа оросителя выделяют четыре типа градирен: пленочные, капельные, сухие и брызгальные градирни.

В капельных градирнях по всей высоте оросительного устройства расположены горизонтальные решетки. С них вода стекает относительно большими каплями. В пленочных градирнях вода стекает по вертикальным плоским или  волнистым листам (или другим насадкам) в виде тонкой пленки. В брызгальных градирнях, как видно из названия, вода разбрызгивается при помощи сопел. В сухих градирнях роль оросителя играет радиатор, состоящий из стальных или алюминиевых трубок. Охлаждаемая вода движется по закрытому контуру и оказывается полностью изолированной от атмосферного воздуха. Стоимость сухих градирен значительно превышает стоимость «мокрых». К тому же они неэффективны при высокой температуре охлаждаемой воды. С другой стороны, использование сухих градирен не приводит к повышению влажности воздуха и химическому загрязнению местности. Поэтому такие градирни широко используются в странах, где большое внимание уделяется экологической безопасности.

Градирни отличаются друг от друга не только направлением воздуха и типом оросителя, но и способом подачи воздуха. В зависимости от последнего показателя существует три типа градирен: вентиляторные, башенные, открытые.

В башенных градирнях конвекция воздуха осуществляется за счет естественной тяги или ветра. Высота градирен, изготовленных из бетона, может достигать 100 метров. Площадь орошения в таком случае будет достигать 3500 кв.м.  В основном, башенные градирни используются для охлаждения больших объемов воды ТЭС или АЭС. Основные недостатки подобных градирен: высокая стоимость и большая занимаемая площадь. В то же время башенные градирни  проще в эксплуатации, экономичнее (для их работы не нужна электроэнергия). Еще плюс: такие градирни могут быть размещены достаточно близко к промышленному объекту – отвод влажного воздуха осуществляется на значительной высоте.

Есть особенность у открытой градирни: ее оросительные каналы огорожены со всех сторон жалюзи. Наружный воздух поступает в градирню под действием силы ветра. Таким образом, открытая (или атмосферная) градирня основана на естественной конвекции больших масс воздуха.

По техническим характеристикам самыми эффективными считаются вентиляторные градирни. Тяга воздуха в них создается одним или несколькими вентиляторами. Градирни этого типа обеспечивают более совершенное и качественное охлаждение воды. К тому же вентиляторные градирни переносят высокие тепловые нагрузки. Но существует и весомый недостаток: для двигателей вентиляторов необходима электроэнергия. Т.е. вентиляторные градирни более энергозатратны. В целом, в нашей стране и за рубежом для охлаждения оборотной воды чаще всего используют именно этот тип градирен. Они бывают отдельно стоящими или одновентиляторными, секционными и поперечно-точными.

Функционирование градирен в зимний период

Поскольку в градирнях происходит охлаждение воды, не стоит забывать об особенностях работы градирни в зимний период. При низкой температуре воздуха (от 10 градусов ниже нуля) вполне вероятно обмерзание оросителей и их разрушение. Чтобы этого не происходило, нельзя допускать колебаний тепловой и гидравлической нагрузок градирни. Плотность распыления воды должна быть одинаковой по всей орошаемой площади. Кроме того, для предупреждения большого обмерзания градирен необходимо уменьшать поступление в градирню холодного воздуха. Чем ниже температура входящего воздуха, тем меньше должен быть его расход. В настоящее время многие компании заинтересованы в разработке новых антиобледенительных составов для нанесения на замерзающие части градирен.

Заказать градирни, либо проконсультироваться по вопросам эксплуатации градирен, вы можете в компании «ТЭМС».

Градирни или Охладительные башни. Устройство

Обязательные конструктивные элементы градирни: оросительное устройство, водораспределительное устройство, водоуловитель, резервуар охлажденной воды, вентилятор, а также жалюзи и вытяжная башня. Водораспределительные устройства градирен могут быть безнапорными в виде системы лотков. (Вода просто переливается через края бортов или стекает через отверстия в днище.) Либо напорными в виде системы труб с соплами. Водоуловитель представляет собой горизонтальные решетки — жалюзи.

На рисунке представлен принцип действия, устройство одновентиляторной градирни.

  1. распределительная система
  2. сопла
  3. ороситель
  4. вентилятор
  5. входные окна
  6. каплеуловитель
  7. диффузор
  8. резервуар

Оборотная вода через распределительную систему попадает в сопла градирни, а потом разбрызгивается по поверхности оросителя. Воздух, попадающий в градирню через входные окна, поднимаясь вверх, охлаждает воду. Затем воздух через диффузор уходит в атмосферу. Охлажденная вода стекает в резервуар градирни.

Чтобы увеличить производительность, одновентиляторные градирни устанавливаются группой и объединяются в одну общую систему охлаждения.

Сухая градирня (драйкулер). Преимущества и принцип работы.

 Драйкулер (dry cooler) это устройство для охлаждения жидкости, использующееся в современных системах кондиционирования, так и самостоятельно для обеспечения охлаждения в разных сферах промышленности.

 Включает в себя теплообменник с трубками из меди  либо других металлов и оребрением из алюминия (хотя так же могут использоваться различные металлы и покрытия) и осевые или центробежные вентиляторы, которые осуществляют обдув теплообменника воздухом. В некоторых случаях вентиляторы оснащаются регуляторами скорости вращения для более точного поддержания температуры жидкости.

 Обычно драйкулеры устанавливаются на открытом воздухе, однако некоторые производители, к примеру RC Group, выпускают модели и для внутренней установки, рассчитанные на подключение к системам воздуховодов, что позволяет использовать их в случае, когда по каким-либо причинам наружная установка не возможна (подземные помещения, бункеры, и т.д).     

Рис.1- Cухая градирня а) Наружной установки с V-образным теплообменником производства Alfa Laval ; б) Внутренней установки с центробежными вентиляторами производства RC Group

 

Принцип работы

 Принцип работы драйкулера предельно прост. Жидкость, которую необходимо охладить поступает в теплообменник, продвигаясь по которому она постепенно охлаждается за счет обдува внешним воздухом с помощью вентиляторов. 

 Необходимо помнить, что драйкулеру для охлаждения часто необходимы значительные объемы воздуха, и поэтому его необходимо устанавливать так, чтобы не было препятствий на входе и выходе воздуха из драйкулера. 

 

Рис.2- принцип работы сухой градирни

 

Рис.3-схема работы системы кондиционирования на базе сухой градирни

 

Область применения сухой градирни

 Драйкулеры имеют широкую область применения. Они могут использоваться самостоятельно для охлаждения воды или других технологических жидкостей в химической, пищевой, перерабатывающей и других отраслях промышленности.

 Увеличение стоимости электроэнергии приводит к необходимости использовать оборудование с низким энергопотреблением. Тем самым, возрастает спрос на сухие градирни, которые могут использоваться в зимний период в для работы в системах естественного охлаждения. Данное решение позволяет устраняет необходимость работы чиллеров в зимний период, продлевая их срок службы и обеспечивая значительную экономию электроэнергии.

 Так же драйкулеры могут работать в составе систем кондиционирования, например для охлаждения контура конденсатора для чиллеров с водяным охлаждением.

 

 Получить консультацию специалиста, Рассчитать и приобрести сухую градирню Вы можете в нашем интернет-магазине позвонив по номеру : (044) 50 000 53 или заказать ОБРАТНЫЙ ЗВОНОК.

 

Преимущества и недостатки драйкулера

  Надежная работа трубопроводов и насоса на длительный срок;

  Прост в монтаже и эксплуатации;

  Минимум сервисного обслуживания;

  Достаточно короткий срок окупаемости;

  Энергоноситель не испаряется за счет циркуляции по замкнутому контуру;

  Легкое внедрение новых блоков в функционирующую систему охлаждения;

  Возможность использовать практически любой антифриз;

  При эксплуатации сухая градирня не повышает уровень влажности в воздухе, и не загрязняет окружающую среду химическими соединениями.


 Один из главных недостатков драйкулера- невозможность охлаждать хладоноситель ниже температуры уличного воздуха . В летний период, когда от оборудования требуется максимальная производительность, эффективность его работы уменьшается.

 Драйкулеры не могут охладить жидкость ниже температуры окружающей среды, что сильно ограничивает область их самостоятельного применения 

Мокрые градирни: принцип работы, сфера применения, преимущества и недостатки

Мокрые градирни — это устройства для охлаждения теплоносителя за счёт эффекта адиабатного увлажнения воздуха. Большинство из них относится к числу градирен отрытого типа — контур теплоносителя не замкнут, причём часть теплоносителя постоянно теряется в процессе охлаждения. В таких системах обязательно должен быть предусмотрен механизм подпитки теплоносителя. Тем не менее, мокрые градирни являются наиболее экономичными и эффективными средствами для охлаждения больших объёмов воды.

Виды градирен

Градирни предназначены для охлаждения теплоносителя, который в свою очередь охлаждает какое-либо технологическое оборудование. Охлаждение теплоносителя происходит за счёт окружающей среды, то есть за счёт наружного воздуха. Другими словами можно сказать, что технологическое оборудование отдаёт тепло теплоносителю, а тот «сбрасывает» его в окружающую среду. Чтобы осуществить этот «сброс» тепла и нужны градирни.

Глобально специалисты выделяют два вида градирен — сухие и мокрые. Сухие представляют собой теплообменник, обдуваемый наружным воздухом. Проходя через трубки теплообменника, теплоноситель охлаждается до температур, близких к температуре наружного воздуха. В мокрых градирнях используется эффект испарительного охлаждения: испаряя воду, воздух охлаждается, и именно этот поток воздуха низкой температуры охлаждает теплоноситель.

Далее, мокрые градирни подразделяются на открытые и закрытые, открытые — на оросительные и эжекционные, оросительные — на вентиляторные и башенные, которые, в свою очередь, бывают различного строительного исполнения с различными направлениями движения воды и воздуха.

В рамках данной статьи мы рассмотрим основные виды мокрых градирен — открытые и закрытые, оросительные и эжекционные — схему их работы, сферу применения, преимущества и недостатки.

Принцип работы мокрых градирен

В мокрых градирнях наружный воздух адиабатно увлажняется за счёт воды. При этом его температура снижается на несколько градусов. Например, воздух с температурой 30°С и влажностью 40% при достижении влажности 90% будет иметь температуру 21°С, то есть охладится на 9°С. Воздух с температурой 25°С и влажностью 50% может быть охлажден до 19°С, то есть на 6°С, и так далее.

Суть в том, что охлаждение теплоносителя (в большинстве случаев теплоносителем является вода) происходит тем эффективнее, чем ниже температура воздуха. А для получения воздуха с низкой температурой применяется адиабатное (распылительное) увлажнение воздуха.

Возникает вопрос, какую воду использовать для адиабатного охлаждения воздуха — непосредственно теплоноситель или отдельный поток воды. Так появляются градирни открытого и закрытого типов.

Мокрые градирни закрытого типа

В мокрых градирнях закрытого типа для охлаждения воздуха применяется отдельный поток воды. Теплоноситель течёт по трубкам теплообменника, который обдувается увлажненным наружным воздухом. В свою очередь воздух продувается через градирню вентилятором. Попадая в неё, на пути воздуха распыляется вода. Испаряя её и охлаждаясь, воздух охлаждает трубки с теплоносителем. Далее на пути воздуха стоит каплеуловитель, который удерживает неиспарившуюся воду.

Мокрые градирни закрытого типа, по сути, представляют собой сухие градирни с адиабатным увлажнением наружного воздуха. Они могут быть применены как для сброса тепла от нагревающегося оборудования в промышленности, так и для охлаждения чиллеров с конденсаторами водяного охлаждения в системах холодоснабжения зданий различного назначения.

К преимуществам мокрых градирен закрытого типа относят сам закрытый контур — отсутствие потерь теплоносителя, в контур не попадают внешние загрязнители, единожды подготовленный теплоноситель сохраняет свои качества в течение долгого времени. Однако есть некоторые проблемы при работе таких градирен зимой.

В первую очередь речь идёт об опасности замерзания бассейна с водой в нижней части градирни, и образования наледи поверх трубок с теплоносителем. На самом деле проблема преувеличена, так как увлажнение наружного воздуха актуально только в летнее время. При температурах наружного воздуха ниже 15°С особого смысла в увлажнении нет, поэтому задолго до наступления заморозков система должна быть подготовлена к зимнему режиму — бассейн опорожнён, система подпитки отключена, трубопроводы перекрыты.

Кроме того, для надёжной работы градирни следует избегать обмерзания теплообменника изнутри. Такой риск возможен при отрицательных температурах наружного воздуха и малом протоке теплоносителя. Решение этой проблемы кроется в правильной настройке системы автоматики, то есть в регулировании расхода воздуха, продувающего градирню, а также в регулировании расхода воды и её байпасирования.

Мокрые градирни открытого типа

В мокрых градирнях открытого типа теплоноситель распыляется в воздухе, который продувает градирню. Обычно воздух движется снизу вверх, а теплоноситель распыляется сверху и под действием силы тяжести оседает вниз. В процессе движения через встречный поток распыленного теплоносителя, воздух частично испаряет его, охлаждается сам и охлаждает его. В верхней части градирни наружу выходит горячий влажный воздух. В нижней части скапливается охлажденный теплоноситель. По такому принципу работают оросительные градирни открытого типа.

Движение воздуха снизу вверх в оросительных градирнях может осуществляться как за счёт естественных сил (подобно естественной вытяжке в многоэтажных домах), так и за счёт вентилятора.

В первом случае для воздуха нужен канал большого сечения. Такие установки хороши для охлаждения больших объёмов воды на небольшую дельту по температуре (5-10°С). Они применяются на АЭС, ТЭЦ, в крупных промышленных предприятиях и называются башенными градирнями. Их преимущества — минимальное энергопотребление, большой теплосъём, работа с большими расходами воды. Главный недостаток — масштабная конструкция, требующая немалых затрат при строительстве.

Во втором случае воздух нагнетается вентилятором, поэтому площадь сечения канала для воздуха может быть существенно снижена. Такие градирни называются вентиляторными оросительными градирнями. Теплоноситель подаётся сверху и разбрызгивается на ороситель, после чего в охлаждённом виде собирается в накопителе в нижней части градирни. Воздух всасывается вентилятором снизу и нагнетается вверх навстречу теплоносителю. В верхней части градирни устанавливается каплеуловитель, препятствующий излишнему уносу воды в наружный воздух.

В градирнях с охлаждением теплоносителя на небольшую величину (до 10°С) применяют осевые вентиляторы, с существенным охлаждением теплоносителя (до 40°С) — центробежные вентиляторы. Вентиляторные градирни не зависят от естественной тяги, хорошо поддаются автоматизации, регулированию и наладке различных режимов работы, характеризуются высокой эффективностью охлаждения жидкости. Сфера их применения широка — интенсивное и не очень охлаждение различных объёмов теплоносителя в различных отраслях промышленности.

Наконец, рассмотрим ещё один вид мокрых градирен открытого типа — эжекционные градирни. В них распыление теплоносителя осуществляется снизу вверх, а движение воздуха обеспечивается за счёт эффекта эжекции. В данном случае суть эжекции заключается в том, что распыляемый теплоноситель увлекает за собой потоки воздуха, с которыми он и контактирует — увлажняет их, охлаждает их, за счёт чего охлаждается сам.

Далее нагретый увлажненный воздух покидает градирню через отверстие в верхней зоне. Интересно отметить, что этот процесс также происходит за счёт естественных сил — нагретый воздух легче холодного, поэтому стремится наверх, и влажный воздух легче сухого, поэтому тоже стремится вверх. Соответственно, нагретый влажный воздух, если можно так выразиться, с удвоенной силой стремится вверх. Всё это способствует эффективному воздухообмену внутри градирни.

Охлажденный теплоноситель в виде капель оседает в нижней части градирни, откуда насосом по трубопроводам нагнетается к оборудованию, которое необходимо охлаждать.

Эжекционные градирни способны эффективно охлаждать теплоноситель высокой температуры (до 60°С и более). Среди недостатков — высокая потребляемая мощность насосов для распыления теплоносителя. Чтобы теплоноситель увлекал за собой потоки воздуха, его скорость на выходе из форсунки должна быть велика (более 60км/ч), а для этого нужны в 2-4 раза более мощные насосы, чем в оросительных градирнях. Кроме того, эффекты эжекции и естественного движения воздуха сложно контролировать, а потому такие градирни практически невозможно использовать зимой — из-за риска обмерзания. Основная сфера их применения — промышленные объекты с высокой температурой теплоносителя.

Юрий Хомутский, технический редактор журнала «Мир Климата»

Солевая градирня. | ЕОС-Премиум. Оборудование для саун, хамамов и СПА

Солевая градирня.

СПА индустрия направлена на отдых и оздоровление человека. Для оздоровления применяются как современные технологичные решения, так и возрождаются традиции которые уходят в глубь прошлых веков. Лечение насыщенным солью воздухом было популярно всегда, и существует огромное количество способов сделать это: соляные комнаты и гроты, соляные сауны, турецие бани с морским климатом, галогенераторы для помещений, соляные лампы, и градирня. Именно о последнем сегодня и пойдет речь.

Что же такое градирня?

Город в Германии Bad Salzuflen с середины 11 века упоминается в хрониках, как поставщик «белого золота» соли. Соляные источники в этой области стали поводом для военных вторжений. Помимо солеварен, в этой области добывали соль так же несколько иным способом. Рабочие солевой градирни укладывали ветки тернового кустарника, образуя подобие стены, ветки поливали соленой водой, и с течением времени на коре начинали образовываться соляные наросты. Такой способ добычи соли позволяет сохранить все полезные микроэлементы. Позже, обратили внимание, что работники градирни реже болеют. А все это потому, что в таком пространстве сам воздух насыщается полезными ионами и микроэлементами.

С 19 века Bad Salzuflen получил известность как курорт, а технология градирни используется для оздоровления и сегодня. Специальное оборудование для градирни WDT Gradierwerk отвечает за подачу соляного раствора на ветки. В современной интерпретации градирни можно устанавливать в саунах, соляных комнатах, а так же в отдельном помещении предназначенном именно для градирни. В каждом из предложенных вариантов есть свои достоинства. Высокая температура в сауне, способствует открытию пор, что способствует более глубокому проникновению соляного аэрозоля в организм человека. При комнатной температуре основное воздействие происходит на верхние дыхательные пути.

Чем полезна градирня?

Только представьте, каждый человек ежедневно через свои легкие пропускает 15-25 кг воздуха и это в спокойном состоянии, при физической активности показатели увеличиваются в несколько раз. Воздух в городе наполнен бактериями, вирусами, мельчайшими частицами пыли, клещей, крупные заводы, автомобили – выбрасывают углекислый газ и разные химические примести. Как следствие, большое количество жителей города подвержены заболеваниям, связанным со снижением иммунитета: ОРВИ, аллергии итд.

Насыщенный солью воздух с отрицательно заряженными ионами значительно облегчают легочную вентиляцию, способствуя быстрому усвоению кислорода. При этом они выводят значительные объемы углекислого газа и улучшают работу сердца. Соляной аэрозоль улучшает работоспособность и умственную, и физическую. А также укрепляет костную ткань, ускоряет синтез важных витаминов групп C и B. Таким образом, градирня восстанавливает иммунитет и дыхательную систему.


ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ

Дифракционная решетка | оптика | Britannica

Дифракционная решетка , компонент оптических устройств, состоящий из поверхности, разделенной близкими, равноудаленными и параллельными линиями с целью разделения света на спектры. Решетка называется пропускающей или отражающей решеткой в ​​зависимости от того, прозрачная она или зеркальная, то есть нанесена ли она на стекло или на тонкую металлическую пленку, нанесенную на стеклянную заготовку. Отражательные решетки далее классифицируются как плоские или вогнутые, причем последняя представляет собой сферическую поверхность, ограниченную линиями, которые представляют собой проекции эквидистантных и параллельных линий на воображаемую плоскую поверхность.Преимущество вогнутой решетки перед плоской решеткой заключается в ее способности создавать резкие спектральные линии без помощи линз или дополнительных зеркал. Это делает его полезным в инфракрасной и ультрафиолетовой областях, в которых это излучение в противном случае могло бы поглощаться при прохождении через линзу.

Линии на решетках нанесены с помощью очень точного станка, называемого линовым механизмом, который использует инструмент с алмазным наконечником для нанесения тысяч очень тонких, неглубоких линий на отполированную поверхность.Новые методы управляют линиями фотографически с помощью лазерной интерферометрии.

Дифракционная решетка способна рассеивать луч с различной длиной волны в спектр связанных линий из-за принципа дифракции: в любом конкретном направлении будут сохраняться только те волны данной длины волны, все остальное разрушается из-за вмешательство друг в друга. Решетки дают исключительно высокое разрешение спектральных линий. Разрешающая способность ( R ) оптического прибора представляет собой способность разделять близко расположенные линии в спектре и равна длине волны λ , деленной на наименьшую разность (Δ λ ) на двух длинах волн, которые могут быть обнаружены. ; и.е., R = λ / Δ λ . Таким образом, для решетки шириной 10 сантиметров и линейки из 10000 линий на сантиметр разрешение в первом порядке дифракции будет 100000. Для излучения с длиной волны в ультрафиолете, скажем, λ = 300 нанометров (3 × 10 -7 метров), разность длин волн Δ λ = 3 × 10 -12 метров (около 1 / 100 диаметра атома) теоретически должно быть возможным.

Все, что вам нужно знать о дифракционных решетках.- Oxford Instruments

Дифракционная решетка — это оптический элемент, который разделяет (рассеивает) полихроматический свет на составляющие его длины волн (цвета). Полихроматический свет, падающий на решетку, рассеивается, так что каждая длина волны отражается от решетки под немного другим углом. Дисперсия возникает из-за разделения волнового фронта и интерференции падающего излучения от периодической структуры решетки.

Рассеянный свет затем повторно отображается спектрографом, и требуемый диапазон длин волн направляется в систему обнаружения. Решетки состоят из равномерно расположенных параллельных канавок, сформированных на отражающем покрытии и нанесенных на подложку. Форма канавок (угол блеска) влияет на диапазон длин волн, для которого решетка лучше всего оптимизирована. Форма канавок (угол блеска) влияет на диапазон длин волн, для которого решетка лучше всего оптимизирована.

Дисперсия и эффективность решетки зависят от расстояния между соседними канавками и угла канавки.Решетки, как правило, лучше призм — они более эффективны, они обеспечивают линейную дисперсию длин волн и не страдают от эффектов поглощения, которые имеют призмы, которые ограничивают их полезный диапазон длин волн.

Уравнение решетки

Дисперсия решетки определяется уравнением решетки , которое обычно записывается как:

где: n — порядок дифракции, λ — длина дифрагированной волны; d — постоянная решетки (расстояние между последовательными канавками); θ i — угол падения, измеренный от нормали, а θ d — угол дифракции. измеряется от нормального.На диаграмме выше показаны порядка дифрагированной длины волны . Помимо положительных порядков, свет может также дифрагировать в противоположном направлении (например, n = -1, -2 и т. Д.). Могут появляться и более высокие порядки, но они уменьшаются по интенсивности. Обычно линии первого порядка (n = 1 или n = -1) являются наиболее интенсивными.

Выбор решетки для спектрографа Черни-Тернера

Ключевыми параметрами, которые следует учитывать при выборе решетки для данного приложения, являются требуемое спектральное разрешение (для эффективного определения химических сигнатур или отслеживания незначительных изменений поведения спектральных характеристик), диапазон длин волн , представляющий интерес, , одновременная пропускная способность (диапазон длин волн, проецируемых на фокальную плоскость спектрографа во время одного захвата детектора), поляризация входящего сигнала и спектрографа F / # .

Они влияют на выбор линейной плотности решетки, угла блеска / длины волны , главного (разные эталоны для заданной линейной плотности и угла блеска дают разные характеристики эффективности и поляризации) и размера решетки .

Ожидаемое спектральное разрешение и одновременная полоса пропускания также зависят от того, как свет попадает в спектрограф, центральной интересующей длины волны и соответствующего «рабочего угла» решетки, а также от формата массива пикселей детектора в выходной плоскости.Некоторые из этих компромиссов можно оценить с помощью калькулятора разрешения Andor для спектрографов Kymera и Shamrock Czerny-Turner.

Полезные ссылки

  1. Палмер, Кристофер. (2014). Справочник по дифракционной решетке (издание 7 th ).
  2. Веб-сайт лаборатории решеток

  3. https://www.gratinglab.com/Products/Product_Tables/Tables.aspx

Типы дифракционных решеток и для чего они используются

Изображение предоставлено: https: // www.opcolab.com/

Дифракционные решетки — это оптические устройства, которые используются в таких приборах, как спектрометры, для разделения полихроматического света на составляющие его длины волн, из которых он состоит. Этот процесс рассеивает свет таким образом, чтобы каждая длина волны была направлена ​​под разным углом в результате интерференционной картины, которая возникает в результате отражения падающего света или прохождения через решетчатую структуру.

В этой статье мы рассмотрим различные типы существующих дифракционных решеток и обсудим их применение.Чтобы понять дифракционные решетки как продукт, будет полезно сначала рассмотреть, что такое дифракция и как дифракционная решетка функционирует для разделения различных длин волн света на пространственно отдельные компоненты, которые затем можно будет исследовать и анализировать.

Что такое дифракция и уравнение решетки

Мы знаем, что обычный белый свет полихроматичен, что означает, что он состоит из световой энергии с разными длинами волн, которые наши глаза воспринимают как цвета.Призма — это оптический инструмент, который можно использовать для разделения белого света на разные цвета. Процесс, при котором это происходит, известен как рефракция.

Полихроматический свет можно также разделить на составляющие его цвета с помощью дифракции. Дифракция относится к тому факту, что когда свет от источника встречает препятствие, будь то прозрачное или непрозрачное, область волнового фронта света изменяется по амплитуде или фазе. Сегменты волнового фронта, которые проходят мимо препятствия, будут мешать друг другу и создавать распределение плотности энергии в точке за препятствием, известное как дифракционная картина.Если непрозрачный экран снабжен регулярной серией удлиненных отверстий или щелей, которые равномерно разнесены, то свет, падающий на этот экран, будет изменен, и отдельные волновые фронты, выходящие через каждую из щелей, будут конструктивно мешать и генерировать дифракционную картину. с пиковой интенсивностью, возникающей под определенными углами относительно плоскости экрана и угла падающей световой волны. Итак, дифракционная решетка — это просто поверхность, снабженная серией прорезей или бороздок, которые геометрически разнесены с одинаковым расстоянием между каждой последующей прорезью или бороздкой.

Оказывается, дифракция может происходить как при использовании пропускающего, так и отражающего подхода — это означает, что не имеет значения, отражается ли падающий свет от решетки или проходит через решетку. Когда решетка полностью прозрачна, амплитудная модуляция незначительна, и вместо нее происходит модуляция по фазе, в результате чего возникает так называемая фазовая решетка пропускания. Если конструкция решетки вместо этого напоминает серию непрозрачных и прозрачных областей или щелей, то решетка называется решеткой амплитуды пропускания.Если на дифракционной решетке используется отражающая поверхность, то решетку называют фазовой решеткой отражения.

Таким образом, дифракционная решетка служит устройством угловой дисперсии, то есть разделяет длины волн света в зависимости от угла, под которым они выходят из решетки. Дисперсия, возникающая в результате дифракционной решетки, выражается в терминах уравнения решетки, показанного ниже, которое связывает длину волны дифрагированного света с дифракцией и углами падения света, который направлен от решетки и на нее, а также с расстоянием между канавками:

В приведенном выше выражении:

  • λ представляет длину волны дифрагированного света
  • d представляет собой расстояние между штрихами линий или канавок, которые находятся в дифракционной решетке
  • θ i — угол падения волны, направленной в сторону дифракционной решетки
  • θ d — угол дифракции света с длиной волны λ, который отражается или проходит через решетку
  • n — целое число, обозначающее порядок дифракции

На рисунке 1 ниже показаны углы световых волн и их опорная линия измерения, которая, как видно из рисунка ниже, представляет собой нормаль, проведенную относительно плоскости, представляющей поверхность дифракционной решетки.Случай, проиллюстрированный ниже, относится к типу отражения дифракционной решетки.

Рисунок 1 — Иллюстрация дифракционной решетки со стилем отражения

Изображение предоставлено: https://andor.oxinst.com/

В приведенном выше уравнении решетки член n заслуживает дальнейшего пояснения. Термин n представляет собой целое число, которое означает, что угол дифракции θ d связан с целым числом, кратным длине волны энергии дифрагированного света.Эти углы дифракции соответствуют так называемому порядку дифракции, и, поскольку n может иметь положительные или отрицательные значения, порядок дифракции может быть задан как положительное или отрицательное значение. Ситуация, когда n = 0 (нулевой порядок) — это случай, когда дифракция отсутствует — вместо этого падающий луч отражается от дифракционной решетки, и поэтому угол падения θ i равен углу отражения θ г . По соглашению знак порядка дифракции положительный, когда дифрагированный луч находится слева (или против часовой стрелки) от положения нулевого порядка, и отрицательный, когда он падает вправо (по часовой стрелке) от нулевого порядка. приказ.Если падающий луч света, который падает на дифракционную решетку, является монохроматическим, то дифракционная картина будет давать распределение плотности энергии, происходящее под углами, которые соответствуют целым значениям, таким как… -3, -2, -1, 0, 1 , 2, 3 и т. Д. Для полихроматического света каждая отдельная длина волны будет генерировать дифракционную картину, удовлетворяя приведенному выше уравнению решетки для конкретного значения длины волны λ. На рисунке 2 ниже показан порядок дифракции для отражающей дифракционной решетки и полихроматического света, падающего на решетку.Обратите внимание, что есть несколько различий в номенклатуре на этом рисунке по сравнению с представлением, представленным в этой статье — то, что мы назвали n, обозначено m на рисунке 2; наш θ i обозначен как α, а наш θ d обозначен как β. Однако смысл этих значений в уравнении решетки тот же.

Рисунок 2 — Диаграмма, показывающая порядок дифрагированного света от решетки со стилем отражения

Изображение предоставлено: https: // www.newport.com/

Типы дифракционных решеток

Дифракционные решетки доступны в нескольких различных типах, которые кратко описаны ниже. Производители и поставщики предлагают широкий выбор стандартных решеток и решеток на заказ, воспроизведенных мастерами. С точки зрения конструкции наиболее распространенными типами дифракционных решеток являются линейчатые решетки и голографические решетки.

Линейчатые дифракционные решетки

Линейчатые решетки, также называемые полированными решетками, создаются с помощью линейного механизма, который представляет собой прецизионную машину, использующую инструмент с алмазным наконечником для вдавливания или вырезания мелких параллельных линий на полированной поверхности.Так называемая эталонная решетка обычно создается путем сначала нанесения покрытия из золота или алюминия с помощью процесса испарения на хорошо отполированную поверхность или подложку. Затем алмазный инструмент выглаживает канавки на поверхности с высокой точностью, чтобы поддерживать абсолютную параллельность между последующими канавками, используя систему управления гетеродинным лазером. Помимо параллельности, профиль канавки должен сохраняться по всей поверхности дифракционной решетки. Такой инструмент, как атомно-силовой микроскоп или АСМ, используется для компенсации любого износа инструмента, который может возникнуть при прорезании рисунка канавок на поверхности подложки.Форма профиля, также называемая углом блеска, связана с диапазоном длин волн, для которого оптимизирована решетка.

Важное значение при проектировании дифракционной решетки имеет плотность штрихов (также называемая частотой штрихов), которая обратно пропорциональна расстоянию между штрихами (параметр d в уравнении решетки выше). Это мера количества канавок, содержащихся в решетке, на единицу длины. В дополнение к углу блеска плотность канавок эффективно определяет углы, при которых одна длина волны света будет конструктивно мешать, создавая распределение интенсивности света по порядкам дифракции.Для повышения эффективности желательно, чтобы свет концентрировался в одном порядке, таком как дифракция первого порядка, в отличие от распределения по дифракции более высокого порядка или концентрации в нулевом порядке. Регулировка угла блеска и плотности канавок может привести к более эффективной дифракционной картине для приложений. Это может включать настройку профиля канавки, ее глубины и углов фасок. Длина волны, для которой была оптимизирована решетка, известна как длина волны пламени.

Тип линейчатой ​​решетки, называемой решеткой Эшелле, является относительно ровным, что означает, что плотность штрихов невысока. Эти типы решеток имеют большие углы блеска и используют более высокие порядки дифракции, преимуществом которых является высокая дисперсия и разрешение при компактной конструкции,

Голографические дифракционные решетки

По характеру производственного процесса линейчатые решетки могут страдать от периодических ошибок, ошибок размещения и других нарушений, наличие которых может привести к рассеянному свету и двоению изображения.Голографические решетки предназначены для решения некоторых из этих проблем за счет использования другого метода производства. Голографическая дифракционная решетка создается с помощью процесса интерференционной литографии. Основная решетка создается путем воздействия на светочувствительный материал двух мешающих лазерных лучей. Лучи создают на подложке интерференционный узор, который затем можно обработать для получения синусоидального рисунка канавок на поверхности. Слой фоторезиста покрывается металлическим слоем, который наносится методом вакуумного напыления.Из этого мастера можно создавать формы для создания реплицированных решеток. Помимо традиционного синусоидального рисунка канавок, голографические светящиеся решетки можно изготовить, взяв готовую голографическую решетку и бомбардируя ее наклонным пучком ионов для создания симметричной треугольной канавки или пилообразного профиля.

Голографические решетки используют оптическую технику для создания решетчатого рисунка и, таким образом, решают некоторые проблемы, которые могут возникнуть с линейчатыми решетками, такие как двоение изображения и большое количество рассеянного света.В свое время они достигли этих целей, хотя в некоторых случаях с меньшей эффективностью. Но введение светящихся голографических дифракционных решеток означает, что высокая эффективность, обычно связанная с линейчатой ​​решеткой, может быть достигнута и голографически.

Решетки пропускания и отражения

Как упоминалось ранее, дифракционные решетки можно охарактеризовать как пропускающие или отражающие. Передаточные решетки создают дифракционную картину после прохождения падающего света через решетку, где отражательные решетки имеют дифрагированную световую картину на той же стороне, что и падающий луч.Отражательные решетки имеют отражающее покрытие, как правило, из алюминия или золота, а пропускающие решетки снабжены антибликовым покрытием. Решетки пропускания, как правило, обеспечивают высокую эффективность и предлагают большую простоту юстировки в оптических системах по сравнению с решетками отражения.

Профили решеток обычно бывают плоскими или вогнутыми, однако существуют другие возможные формы профиля, такие как выпуклые и тороидальные, выбор которых определяется конкретными условиями применения.

Применение дифракционной решетки

Дифракционные решетки имеют ряд применений, наиболее распространенным из которых являются монохроматоры и спектрометры. Монохроматоры используются для выбора узкой полосы света из гораздо более широкого диапазона доступных длин волн у источника. Обычная разновидность этих устройств, известная как монохроматор Черни-Тернера, использует дифракционную решетку в сочетании с набором плоских и вогнутых зеркал для выбора длины волны. На рисунке 3 ниже показана основная концепция монохроматора.

Рисунок 3 — Базовая структура монохроматора Черни – Тернера (обратите внимание на дифракционную решетку D)

Изображение предоставлено: https://link.springer.com/

Спектрометр, в частности оптический спектрометр, позволяет ученым и исследователям анализировать свет, излучаемый атомами из образца материала, и при этом получать информацию о составляющих элементах, которые присутствуют в этом образце. Спектрометры используются во множестве приложений, от измерения содержания растворенного кислорода в морских экосистемах до изучения света, излучаемого далекими галактиками.

Помимо монохроматоров и спектрометров, дифракционные решетки могут использоваться в оптических системах связи для разделения или объединения оптических сигналов или для сжатия или растяжения импульсов. Они также используются в лазерах для настройки длины волны, что означает создание выходного лазерного излучения, излучающего желаемую частоту электромагнитной энергии.

Дифракционные решетки также характеризуются определенной частотой или длиной волны света, для которой они предназначены.Сюда входят приложения для ближнего инфракрасного (NIR), среднего инфракрасного, видимого или ультрафиолетового (УФ) света.

Сводка

В этой статье представлен обзор типов дифракционных решеток, их применения и объяснение основного принципа дифракции в оптике. Для получения информации по другим темам обратитесь к нашим дополнительным руководствам или посетите платформу Thomas Supplier Discovery Platform, где вы можете найти потенциальные источники поставок для более чем 70 000 различных категорий продуктов и услуг, включая поставщиков оптических дифракционных решеток.

Источники:
  1. https://www.shimadzu.com/opt/guide/diffraction/15.html
  2. https://andor.oxinst.com/learning/view/article/diffraction-gratings
  3. https://www.newport.com/n/diffraction-grating-physics
  4. https://www.rainbowsymphonystore.com/
  5. https://ssioptics.com/.
  6. https://www.thorlabs.com
  7. https://www.edmundoptics.com/c/gratings/621/
  8. https://www.britannica.com/
  9. https: // www.horiba.com/
  10. https://link.springer.com/
  11. https://www.rp-photonics.com/diffraction_gratings.html
  12. https://www.opcolab.com/capabilities/optical-products/ruled-diffraction-gratings/

Статьи по теме

Больше от Other

Решетки разделяют свет разных цветов

Лори Энн Пич, помощник редактора отдела технологий

Дифракционные решетки — это фундаментальные оптические элементы, на которые нанесен точный рисунок канавок.Эти мельчайшие периодические структуры дифрагируют или рассеивают падающий свет таким образом, что можно различать отдельные длины волн, составляющие падающий свет. Решетки незаменимы, помогая физикам определять структуру атомов или помогая астрономам вычислять химический состав звезд и вращение галактик. Приложения расширяются; Одна из самых быстрорастущих областей для решеток — сжатие лазерных импульсов — не существовало еще несколько лет назад.

Йозеф Фраунгофер впервые применил дифракционные решетки в 1819 году для наблюдения спектра Солнца.Самые ранние устройства представляли собой узлы с множеством щелей, состоящие из сетки из тонкой проволоки или резьбы, намотанной и проходящей между двумя параллельными винтами, которые служили прокладками. Фронт волны, прошедший через систему, встречался с чередующимися непрозрачными и прозрачными областями, так что он подвергался модуляции по амплитуде. РИСУНОК 1. Второй спектр или второй порядок, образованный серией волн, не совпадающих по фазе на две длины волны, равен дважды длиннее (имеет вдвое больший разброс), чем первый. Спектр третьего порядка, который перекрывает второй порядок, имеет в три раза дисперсию первого.Высшие порядки также перекрывают своих соседей и длиннее, но тусклее.

В 1882 году Генри А. Роуленд изобрел процесс линейки, или царапания параллельных надрезов на металле, нанесенном на поверхность плоской прозрачной стеклянной пластины, — метод, позволяющий получать решетки исключительно высокого качества. Современные линейчатые решетки могут быть отражающими или пропускающими и изготавливаются с одним алмазным острием, которое полирует канавки на плоских или вогнутых поверхностях.

«Канавки похожи на углубления, сделанные плугом в почве», — говорит Джон Хуз из Richardson Grating Laboratory (Рочестер, штат Нью-Йорк), за исключением того, что они расположены намного ближе друг к другу.Можно выгравировать от 1 до 10 000 тонких параллельных линий на миллиметр. Световые волны, дифрагированные от этих линий, интерферируют, и все длины волн, кроме одной, подавляются в любом конкретном направлении посредством деструктивной интерференции. Глубина канавки изменяет длину волны дифрагированной световой волны.

Поскольку разные длины волн выходят за решетку под разными углами, они образуют спектр или дифракционный порядок. Решетки могут создавать более одного порядка дифракции одновременно в серии все более широких спектров по обе стороны от яркого центрального изображения; называемые первым порядком, вторым порядком и т. д. (см. рис.1) спектры вызваны интерференцией серии волн, которые не совпадают по фазе на одну или несколько длин волн соответственно. Заказы возникают, когда длина волны дифрагированного света намного меньше, чем расстояние между соседними канавками на решетке; немногие из них возникают, когда длина волны сравнима с шириной промежутка между канавками, и ничего не происходит, кроме отраженного луча, когда длина волны более чем в два раза превышает расстояние между канавками. , причем падающие и дифрагированные лучи остаются на одной стороне решетки (вверху).Свет, падающий на пропускающую решетку, также рассеивается по нескольким путям, но напротив решетки (внизу). Условные обозначения для угла падения a и угла дифракции b зависят от их положения относительно нормали решетки; d — расстояние между канавками.

Решетки с относительно небольшим количеством линий на единицу длины имеют ограниченную разрешающую способность, то есть разделение спектральных компонентов, но дают много дифрагированных порядков, близких друг к другу. Уравнение решетки: ml = d (sina + sinb), где m — порядок дифракции, d — расстояние между канавками, a — угол падения, а b — угол дифракции (см.рис.2). Для источника с широким непрерывным спектром, такого как вольфрамовая нить накала, когда m = 0, или нулевого порядка, изображение соответствует неотклоненному виду источника в белом свете. Для любого значения, где m не равно 0, уравнение решетки зависит от длины волны l, поэтому различные цветные изображения источника, соответствующие немного разным значениям b, распределяются в непрерывный спектр.

Коммерческие решетки с рельефом поверхности производятся с использованием процесса репликации эпоксидного литья, разработанного в середине 1900-х годов.Процесс включает в себя заливку жидкости в форму, позволяющую жидкости затвердеть, а затем удаление затвердевшего материала из формы без повреждения. В процессе репликации получается решетка, которая является оптически идентичной копией оригинала. Два основных типа решетчатых мастеров — это линейчатые и интерференционные.

Линейчатые решетки могут быть блестящими или формованными для определенных длин волн. С помощью интерференционных решеток труднее получить определенные длины волн, потому что процесс изготовления по своей сути не дает острых краев и плоских поверхностей.Но поскольку интерференционные или голографические решетки создаются оптически, создается меньшее рассеяние. Интерференционная полоса или линия на решетке образуется, когда фотопластинка подвергается воздействию двух мешающих лучей одного и того же лазера. После экспонирования узор проявляется, создавая мастер рельефа поверхности. Плотность канавок может составлять от 65 до более 5000 канавок / мм. Производственные трудности ограничивают большинство голографических решеток 600-5000 штрихов / мм. Поскольку голографические решетки имеют синусоидальный профиль, они не так эффективны, как линейчатые решетки (см.рис.3). Однако ионное измельчение, при котором канавки голографической решетки бомбардируются ионами, может изменить профиль с синусоидального на «почти» треугольный.

Применение решеток

Свет, падающий на дифракционную решетку, рассеивается от поверхности решетки под углом, зависящим от ее длины волны, что позволяет использовать решетку для выделения узкой спектральной полосы из гораздо более широкой полосы. Эта способность решетки особенно полезна для настройки лазера, особенно в видимой области спектра.Две основные конфигурации для выбора узкой длины волны — это Литтроу и Литтман. В конфигурации Литтроу интересующая длина волны дифрагирует точно под тем же углом, что и свет, падающий на решетку. Настройка Литтроу выполняется либо с помощью решеток первого порядка с мелким шагом (обычно 1800 или 2400 штрихов / мм, линейчатых или голографических), либо с помощью более грубых решеток, используемых в более высоких порядках. Альтернативный подход заключается в использовании решетки в режиме фиксированного скользящего падения вместе с вращающимся отражающим зеркалом.РИСУНОК 3. Гофра поверхности решетки обычно бывает треугольной или синусоидальной. Треугольный «лестничный» профиль обычно создается механической линией и может рассеивать больше света в определенном порядке (для данного диапазона длин волн), чем синусоидальный профиль.

Пары дифракционных решеток также могут использоваться для сжатия или растяжения лазерного импульса. Когда на дифракционную решетку падает спектрально широкий лазерный импульс, различные длины волн, составляющих импульс, будут дифрагировать от решетки под углами, определяемыми этими длинами волн.Если импульс является чирпированным, так что частота изменяется линейно в течение длительности импульса, то дифракция распространит импульс по второй решетке. Когда свет дифрагирует от второй решетки, которая ориентирована параллельно первой решетке, различные части импульса будут дифрагировать под углами, которые дают импульс, части которого синхронизированы. Это увеличивает пиковую мощность, в то время как общая энергия остается прежней. Сжатие импульсов использует две решетки с одинаковой частотой штрихов и эффективностями, максимальными для поляризации и длины волны лазера.

Если решетки расположены непараллельно, импульс может быть растянут. Для растяжения импульса используются две идентичные решетки, позволяющие передавать более низкую пиковую мощность через лазерную систему и увеличивать количество накопленной энергии, которая может быть извлечена.

С момента изобретения репликационной техники дифракционные решетки заменили призмы во многих коммерческих спектрометрах. Призма изгибает короткие волны больше, чем более длинные (см. Laser Focus World, Jan.1997, стр. 101). Призмы, которые пропускают видимый свет, поглощают большинство длин волн УФ и инфракрасного излучения, тогда как на отражающие решетки можно нанести подходящее покрытие для обеспечения высокой отражательной способности в широких спектральных областях. Во многих приложениях решетки превосходят призмы. Стремясь объединить лучшее из обоих, лаборатория решеток Ричардсона изготовила «гризму», оптический элемент с частичной решеткой и отчасти призмой, полезный в спектрометрах, которые, как в астрономии, требуют линейного представления спектра. Свет, дифрагированный решеткой, изгибается обратно за счет преломляющего эффекта призмы.Дисперсия гризмы не является линейной, потому что дисперсионные эффекты призмы и решетки накладываются друг на друга.

Новые технологии изготовления

Компания Kaiser Optical Systems Inc. (KOSI; Ann Arbor, MI) разработала альтернативу классической или поверхностно-рельефной голографической решетке — голографическую решетку с объемным пропусканием (см. Фото на стр. 93; также Laser Focus World, октябрь 1995 г., стр.95). Решетка создается традиционным способом путем записи интерференционных картин, генерируемых двумя взаимно когерентными лазерными лучами.После того, как узор определен в светочувствительном материале, нанесенном на стекло, и проявлена ​​пленка, добавляется верхний слой стекла, создавая полностью прозрачную решетчатую сборку. Свет падает на решетку с одной стороны и рассеивается с другой.

По словам Джеймса Арнса из KOSI, преимуществом решетки для измерения пропускаемого объема является ее относительная нечувствительность к углу. Структура типа Брэгга следует классическому уравнению решетки относительно положения изображения, но с добавленной способностью регулировать профиль интенсивности в диапазоне длин волн.Чтобы описать возможности, Арнс сравнивает жалюзи с линиями, нарисованными на окне. Когда жалюзи расположены так, чтобы ламели располагались горизонтально, они рассеивают свет так же, как нарисованные линии или решетка с рельефом поверхности. Когда ламели расположены под углом, к тому, как свет рассеивается, добавляется элемент глубины. Благодаря этому дополнительному размеру эффективность решетки можно регулировать в диапазоне длин волн в пользу той или иной стороны. Кроме того, низкая чувствительность к углу падения означает, что решетку можно настраивать под углом, не влияя на положение изображения.

«Он также обладает высокой эффективностью», — говорит Арнс. «В зависимости от конфигурации решетка может обеспечить 90% -ный КПД в первом порядке. Если толщина или частота решетки достаточно высоки, более высокие порядки, которые в противном случае могли бы распространяться, гаснут». Еще одно преимущество, по словам Арнса, заключается в том, что с элементом можно обращаться и чистить так же, как и с высококачественной цементированной линзой, поскольку решетка зажата между двумя слоями стекла. Кроме того, поскольку решетка брэгговского типа является передающим устройством, оптические элементы и инструменты могут быть приближены к ней, что приводит к компактной конструкции.

Голоплексирование, методика, разработанная KOSI, при которой две решетки размещаются вместе в одной структуре для одновременного покрытия нескольких спектральных диапазонов, полезна для получения изображений на камерах с зарядовой связью (CCD) для широкополосных приложений. Голографические пропускающие решетки также используются в рамановской спектроскопии и для сжатия импульсов в сверхбыстрых лазерах.

Голографические решетки также могут быть изготовлены из интерференционных картин, сгенерированных компьютером. Рисунки записываются на хромированную маску с помощью электронно-лучевой машины.Затем узоры на маске вытравливаются на материале, таком как плавленый кварц, с использованием методов фотолитографической маскировки и травления. «Компьютерные решетки действительно только достигли зрелости за последние два года», — говорит Майкл Фельдман из Digital Optics Corp. (Шарлотт, Северная Каролина). «Они очень гибкие и их легко производить».

Их универсальность дает множество преимуществ. «Линейчатые и голографические решетки ограничиваются относительно простыми структурами из-за используемых методов изготовления, — говорит У.Хадсон Велч, также из Digital Optics. «Гибкость, обеспечиваемая компьютерными решетками, позволяет создавать практически произвольные рисунки решеток».

Волоконно-оптические решетки

Волоконно-брэгговские решетки — еще одна недавняя разработка в области применения решеток — изготавливаются внутри оптоволоконного кабеля. Волоконные решетки изготавливаются путем воздействия на сердцевину одномодового волокна толщиной от 8 до 10 мкм периодического рисунка интенсивного ультрафиолетового света. Этот узор создается, когда лазер с длиной волны 248 или 193 нм проходит через специальную дифракционную фазовую маску.Когда волокно помещается в интенсивный ультрафиолетовый световой узор маски, в сердцевине волокна создается постоянная модуляция показателя преломления. Эта генерируемая светом модуляция индекса действует как решетка. РИСУНОК 4. Когда волоконная решетка с внешним резонатором управляет излучением лазерного диода, боковые полосы на многомодовом выходе (слева) подавляются, чтобы получить одномодовый выход (справа).

Свет, проходящий по сердцевине волокна, падает на решетку, и каждая область с различным показателем преломления рассеивает небольшую часть луча.Если длина волны сигнала в два раза превышает расстояние между периодическими преломляющими элементами (обычно

), существуют также длиннопериодные волоконно-оптические решетки с модуляцией показателя преломления с периодами в сотни микрон (см. Laser Focus World, июнь 1996 г., стр. 293) Вместо того, чтобы создавать отраженный сигнал, эти решетки создают фазовое согласование, или условие Брэгга, которое объединяет идущий вперед сигнал с модами оболочки, идущими вперед. Сигналы, поступающие в оболочку, поглощаются покрытием, создавая потери.Таким образом, длиннопериодические решетки действуют как избирательные по длине волны фильтры поглощения и используются в сетях мультиплексирования с разделением по длине волны и в фильтрах формирования усиления для волоконных усилителей, легированных редкоземельными элементами.

Волоконные решетки Брэгга появились в продаже только с 1995 года. Они становятся все более популярными в телекоммуникационной и лазерной промышленности для таких применений, как внешние отражатели для стабилизации полупроводниковых лазеров (см. Рис. 4) и одночастотных волоконных лазеров.

Концепция дифракционных решеток проста, но элегантна.Более ста лет они используются в дисперсионных оптических системах. Применение решеток расширяется по мере развития технологий производства. Эти изменения вызывают такие разнообразные области, как телекоммуникации, астрономия, микролитография, лазеры и анализ металлов. o

БЛАГОДАРНОСТЬ

Автор благодарит Джона Хуса из Richardson Grating Laboratory (Рочестер, штат Нью-Йорк) за помощь в подготовке этой статьи.

Дифракционные решетки — University Physics Volume 3

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Обсудить узор, полученный на дифракционных решетках
  • Объяснение эффектов дифракционной решетки

Анализ интерференции света, проходящего через две щели, дает теоретическую основу интерференции и дает нам историческое представление об экспериментах Томаса Янга.Однако в большинстве современных приложений щелевой интерференции используются не только две щели, а множество, приближающееся к бесконечности для практических целей. Ключевым оптическим элементом является дифракционная решетка, важный инструмент оптического анализа.

Дифракционные решетки: бесконечное количество щелей

Анализ интерференции с несколькими щелями в Интерференции позволяет нам рассмотреть, что происходит, когда количество щелей N приближается к бесконечности. Напомним, что вторичные максимумы появляются между основными максимумами.Мы видим, что появится бесконечное количество вторичных максимумов и бесконечное количество темных полос между ними. Это делает расстояние между полосами и, следовательно, ширину максимумов бесконечно малой. Кроме того, поскольку интенсивность вторичных максимумов пропорциональна, она приближается к нулю, так что вторичные максимумы больше не видны. Остались только основные максимумы, теперь очень яркие и очень узкие ((Рисунок)).

(а) Интенсивность света, проходящего через большое количество щелей.Когда N приближается к бесконечности, только главные максимумы остаются в виде очень ярких и очень узких линий. (б) Лазерный луч прошел через дифракционную решетку. (кредит b: модификация работы Себастьяна Стапельберга)

На самом деле количество щелей не бесконечно, но оно может быть очень большим — достаточно большим, чтобы произвести эквивалентный эффект. Ярким примером является оптический элемент, называемый дифракционной решеткой. Дифракционная решетка может быть изготовлена ​​путем вырезания по стеклу острым инструментом большого количества точно расположенных параллельных линий, при этом нетронутые области действуют как щели ((Рисунок)).Серийное фотографическое производство такого типа решеток довольно дешево. Поскольку на решетке может быть более 1000 линий на миллиметр, когда участок размером всего несколько миллиметров освещается входящим лучом, количество освещаемых щелей фактически бесконечно, обеспечивая очень резкие основные максимумы.

Дифракционная решетка может быть изготовлена ​​путем вырезания по стеклу острым инструментом большого количества точно расположенных параллельных линий.

Дифракционные решетки работают как на пропускание света, как на (Рисунок), так и на отражение света, как на крыльях бабочки и австралийском опале (Рисунок).Естественные дифракционные решетки также встречаются в перьях некоторых птиц, таких как колибри. Крошечные, похожие на пальцы структуры в регулярных узорах действуют как отражающие решетки, создавая конструктивную интерференцию, которая придает цвет перьям не только из-за их пигментации. Это называется радужностью.

(a) Свет, проходящий через дифракционную решетку, дифрагирует по схеме, подобной двойной щели, с яркими областями под разными углами. (б) Картина, полученная для белого света, падающего на решетку.Центральный максимум — белый, а максимумы более высокого порядка рассеивают белый свет на радугу цветов.

(а) Этот австралийский опал и (б) крылья бабочки имеют ряды отражателей, которые действуют как отражающие решетки, отражая разные цвета под разными углами. (кредит а: модификация работы «Opals-On-Black» / Flickr; кредит б: модификация работы «whologwhy» / Flickr)

Применение дифракционных решеток

Где применяются дифракционные решетки? Дифракционные решетки обычно используются для спектроскопической дисперсии и анализа света.Что делает их особенно полезными, так это то, что они образуют более резкий узор, чем двойные прорези. То есть их светлая кайма уже и ярче, а темные области темнее. Дифракционные решетки являются ключевыми компонентами монохроматоров, используемых, например, для получения оптических изображений определенных длин волн из биологических или медицинских образцов. Дифракционная решетка может быть выбрана для специального анализа длины волны, излучаемой молекулами в пораженных клетках в образце биопсии, или для помощи в возбуждении стратегических молекул в образце с помощью выбранной длины волны света.Еще одно важное применение — это технологии оптического волокна, где волокна предназначены для обеспечения оптимальных характеристик на определенных длинах волн. Доступен ряд дифракционных решеток для выбора длин волн для такого использования.

Расчет типичных эффектов дифракционной решетки Легко доступны дифракционные решетки с разрешением 10 000 линий на сантиметр. Предположим, у вас есть один, и вы посылаете через него луч белого света на экран на расстоянии 2,00 м. (а) Найдите углы дифракции первого порядка для самой короткой и самой длинной волн видимого света (380 и 760 нм соответственно).б) Каково расстояние между концами радуги видимого света, излучаемой на экране, для интерференции первого порядка? (См. (Рисунок).)

(а) Дифракционная решетка, рассмотренная в этом примере, создает на экране радугу цветов на некотором расстоянии от решетки. Расстояния вдоль экрана измеряются перпендикулярно направлению x . Другими словами, радужный узор выходит за пределы страницы.
(b) С высоты птичьего полета радужный узор можно увидеть на столе, на котором размещено оборудование.

Стратегия

После определения значения расстояния между щелями дифракционной решетки d углы резких линий можно найти с помощью уравнения

Поскольку на сантиметр 10 000 строк, каждая строка отделяется 1/10 000 сантиметра. Как только мы узнаем углы, мы найдем расстояния по экрану, используя простую тригонометрию.

Решение

  1. Расстояние между щелями. Назовем два угла для фиолетового (380 нм) и красного (760 нм).Решение уравнения

    где для первого порядка и подстановки этих значений дает

    Таким образом, угол

    Аналогично

    Таким образом, угол

    Обратите внимание, что в обоих уравнениях мы представили результаты этих промежуточных вычислений в виде четырех значащих цифр для использования в расчетах в части (b).

  2. Расстояния на экране указаны на (Рисунок).Обратите внимание, что мы можем решить, то есть

    и

    Таким образом, расстояние между ними составляет

Значение Большое расстояние между красным и фиолетовым концами радуги, создаваемой белым светом, указывает на потенциал этой дифракционной решетки как спектроскопического инструмента. Чем больше диапазон длин волн (большая дисперсия), тем больше деталей можно увидеть в спектре. Это зависит от качества дифракционной решетки — она ​​должна быть сделана очень точно в дополнение к наличию близко расположенных линий.

Проверьте свое понимание Если расстояние между линиями дифракционной решетки d точно не известно, мы можем использовать источник света с четко определенной длиной волны для его измерения. Предположим, что конструктивная полоса первого порядка линии излучения водорода измеряется с помощью спектрометра с дифракционной решеткой. Какой межстрочный интервал у этой решетки?

или 300 линий на миллиметр

Сводка

  • Дифракционная решетка состоит из большого количества равномерно расположенных параллельных щелей, которые создают интерференционную картину, аналогичную, но более резкую, чем у двойной щели.
  • Конструктивная интерференция возникает, когда где d — это расстояние между прорезями, — угол относительно направления падения, а м, — порядок интерференции.

Проблемы

Дифракционная решетка имеет 2000 линий на сантиметр. Под каким углом будет максимум первого порядка для зеленого света с длиной волны 520 нм?

Найдите угол максимума третьего порядка для желтого света с длиной волны 580 нм, падающего на дифракционную решетку, имеющую 1500 линий на сантиметр.

Сколько линий на сантиметр на дифракционной решетке, которая дает максимум первого порядка для синего света с длиной волны 470 нм под углом?

Каково расстояние между линиями на дифракционной решетке, которая дает максимум второго порядка для красного света с длиной волны 760 нм под углом?

Рассчитайте длину волны света, которая имеет максимум второго порядка при падении на дифракционную решетку, имеющую 5000 линий на сантиметр.

Электрический ток через газообразный водород производит несколько различных длин волн видимого света.Каковы длины волн водородного спектра, если они образуют максимумы первого порядка под углами и при проецировании на дифракционную решетку, имеющую 10 000 линий на сантиметр?

(a) Во что превратятся четыре угла в предыдущей задаче, если использовать дифракционную решетку с разрешением 5000 линий на сантиметр? (б) Используя эту решетку, каковы будут углы для максимумов второго порядка? (c) Обсудите взаимосвязь между интегральными сокращениями в линиях на сантиметр и новыми углами максимумов различных порядков.

Какое расстояние между структурами в пухе, которое действует как отражающая решетка, при условии, что они создают максимум первого порядка для света 525 нм под углом?

Опал, такой как изображенный на (Рисунок), действует как отражающая решетка с рядами, разделенными примерно расстоянием. Если опал освещен нормально, (а) под каким углом будет виден красный свет и (б) под каким углом будет смотреться синий свет. видимый?

а. используя b. используя

Под каким углом дифракционная решетка дает максимум второго порядка для света, имеющего максимум первого порядка при?

(a) Найдите максимальное количество линий на сантиметр, которое может иметь дифракционная решетка, и получите максимум для наименьшей длины волны видимого света.(б) Может ли такая решетка быть полезной для ультрафиолетовых спектров? (c) Для инфракрасных спектров?

а. 26 300 линий / см; б. да; c. нет

(a) Покажите, что решетка в 30 000 линий на сантиметр не дает максимума для видимого света. (б) Какова самая длинная длина волны, для которой он дает максимум первого порядка? (c) Какое наибольшее количество линий на сантиметр может иметь дифракционная решетка и давать полный спектр второго порядка для видимого света?

Приведенный ниже анализ применим также к дифракционным решеткам с линиями, разделенными расстоянием d .Каково расстояние между полосами, создаваемыми дифракционной решеткой, имеющей 125 линий на сантиметр для света с длиной волны 600 нм, если экран находится на расстоянии 1,50 м? ( Hin t : Расстояние между соседними полосами в предположении, что расстояние между щелями d сопоставимо с)

Глоссарий

дифракционная решетка
большое количество равномерно расположенных параллельных щелей

Дифракционная решетка — разные типы

Типы дифракционной решетки

Дифракционные решетки

Дифракционная решетка — это оптический элемент, который дифрагирует энергию на составляющие ее длины волн.

Плотность штрихов, глубина и профиль дифракционной решетки определяют спектральный диапазон, эффективность, разрешение и характеристики дифракционной решетки.

Обычно существует два разных типа дифракционной решетки — линейчатая решетка и голографическая решетка.

Линейчатая дифракционная решетка создается управляющим механизмом, который вырезает канавки в покрытии на подложке решетки (обычно на стекле, покрытом тонким отражающим слоем) с помощью инструмента с алмазным наконечником.

Голографическая дифракционная решетка изготавливается с использованием интерференционной литографии, что приводит к гладкой поверхности канавок и устраняет периодические ошибки, обнаруживаемые в линейчатых решетках.

Дифракционная решетка может быть отражательной решеткой или решеткой пропускания. Наиболее распространенным типом дифракционной решетки являются плоские решетки и вогнутые решетки, хотя они также могут иметь другие профили, такие как выпуклые или тороидальные, в зависимости от применения.

Отражающие решетки обычно имеют отражающее покрытие, обычно алюминий с защитным покрытием для УФ-ВИД-БИК или золотом для ИК-излучения.Светопропускающие решетки обычно имеют просветляющее покрытие.

Дифракционная решетка может иметь синусоидальный или выпуклый профиль. Синусоидальная решетка, как правило, обеспечивает меньшую эффективность, чем светящаяся решетка, но часто дает более широкий спектральный охват. Резиновая решетка имеет профиль «зуб пилы» и обычно обеспечивает более высокую эффективность.

Коммерческая дифракционная решетка обычно представляет собой реплику решетки, произведенную из вспомогательной дифракционной решетки, которая может быть на несколько поколений ниже основной дифракционной решетки.

Как правило, изготовление эталонной дифракционной решетки обходится дорого, и за счет поставки дублирующих решеток (которые предлагают практически неотличимые характеристики) один эталонный образец может производить тысячи дубликатов, снижая стоимость единицы дифракционной решетки.

типов дифракционных решеток | Что такое дифракционная решетка

Когда вам нужно компактно и эффективно разделить световые волны разных длин с превосходным спектральным разрешением, вы можете рассмотреть дифракционную решетку.

Дифракционные решетки — это широко используемые оптические компоненты с периодической структурой, которые позволяют рассеивать свет в более компактном и удобном формате, чем призма. Они работают по принципу интерференции, разделяя многоспектральный свет на составляющие его длины волн и, подобно призме, рассеивают их в пространстве под разными углами. Наиболее распространенный тип решетчатой ​​структуры использует множество параллельных линеек на поверхности аналогично серии прорезей, что приводит к наложению волн, которые рассеивают свет по длине волны, эффективно разделяя его на цвета.Это не единственный фундаментальный тип дифракционной решетки, но он стал широко используемым стандартом для многих приложений.

Существует много типов дифракционных решеток, которые могут затруднить процесс выбора. Эта статья предназначена для использования в качестве краткого руководства по различным типам дифракционных решеток, чтобы помочь вам выбрать наиболее подходящий вариант для вашего приложения.

Дифракционные решетки отражения и пропускания

Отражение или пропускание — одно из самых фундаментальных различий в терминологии дифракционных решеток.По сути, отражательная решетка дифрагирует свет обратно в плоскость падения, в то время как пропускающие решетки пропускают рассеянный свет. Благодаря способности лучше компенсировать аберрации, оптические системы с пропускающими решетками имеют сравнительно низкую чувствительность юстировки, что может быть значительным преимуществом для приложений, где незначительные ошибки юстировки или изменения температуры могут нанести ущерб результатам. Следовательно, пропускающие решетки предпочтительнее отражающих компонентов для многих OEM-приложений.

Несмотря на свою важность, отношение отражения к пропусканию — не последнее слово в выборе дифракционной решетки.

Принципы проектирования дифракционной решетки

Решетки изменяют фазу отраженного или проходящего света в зависимости от их уникальных структурных свойств. Обычная решетка для рельефа поверхности создается путем нанесения на материал подложки канавок, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга, что создает популярную и легко узнаваемую «блестящую» поверхность. Это дорогостоящий и трудоемкий процесс проектирования, который может потребовать изготовления нескольких испытательных решеток с помощью алмазной оснастки, прежде чем окончательный компонент будет произведен путем репликации.Линейчатые решетки также страдают от достаточно сильного светорассеяния. После изготовления решетки в линейку необходимо обращаться осторожно, так как ее нельзя очистить без значительного риска повреждения. Пыль, отпечатки пальцев или другие загрязнения увеличивают естественный разброс решетки с течением времени.

Голографические решетки предназначены для устранения многих ошибок, связанных с традиционными компонентами рельефа поверхности. Вкратце, они созданы путем выборочного воздействия на подложку или фотореактивный материал на подложке лазерно-оптической интерференционной картиной выдающейся однородности.Затем это действие «записывает» периодическую структуру в выбранный носитель. Голография в настоящее время является золотым стандартом изготовления дифракционных решеток. Узнайте больше о преимуществах решеток VPH.

Но мы можем расширить различные типы дифракционных решеток, чтобы обсудить новые и появляющиеся технологии изготовления голографических решеток. Вытравленные рельефные решетки, состоящие, например, из плавленого кварца и дифракционных решеток с объемно-фазовой голографией (VPH), представляют собой две радикально разные парадигмы проектирования современных оптических систем.В то время как оба предлагают значительно более высокий КПД, чем линейчатые решетки, технология решеток VPH предлагает инженерам-оптикам больше возможностей для достижения желаемого профиля эффективности.

Выбор дифракционной решетки

Выбор дифракционной решетки сводится к нескольким ключевым взаимосвязанным факторам производительности, в том числе:

  • Эффективность: эффективность дифракционной решетки обычно выражается как процент падающего света, преобразованного в желаемый порядок в зависимости от длины волны, при этом большинство обычных решеток дают асимметричные кривые эффективности во всем диапазоне длин волн.
  • Разрешающая способность: Разрешающая способность дифракционной решетки определяет ее способность пространственно разделять две длины волны и определяется в первую очередь периодической структурой решетки.
  • Диапазон длин волн: Спектральный диапазон дифракционной решетки касается области электромагнитного излучения, которое она может эффективно рассеивать, что также характерно для структуры.
Выбор дифракционной решетки с Wasatch Photonics

Wasatch Photonics — один из ведущих поставщиков прецизионных дифракционных решеток для различных оптических систем.Мы ценим проблемы, связанные с выбором правильной оптики для вашего применения, и приветствуем возможность спроектировать решетку в соответствии с вашими конкретными потребностями.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.