Инфракра́сное излуче́ние - электромагнитное излучение , занимающее спектральную область между красным концом видимого света (с длиной волны λ = 0,74 мкм) и микроволновым излучением (λ ~ 1-2 мм).
Оптические свойства веществ в инфракрасном излучении значительно отличаются от их свойств в видимом излучении. Например, слой воды в несколько сантиметров непрозрачен для инфракрасного излучения с λ = 1 мкм. Инфракрасное излучение составляет большую часть излучения ламп накаливания, газоразрядных ламп, около 50 % излучения Солнца; инфракрасное излучение испускают некоторые лазеры. Для его регистрации пользуются тепловыми и фотоэлектрическими приемниками, а также специальными фотоматериалами .
Сейчас весь диапазон инфракрасного излучения делят на три составляющих:
Последнее время длинноволновую окраину этого диапазона выделяют в отдельный, независимый диапазон электромагнитных волн - терагерцовое излучение (субмиллиметровое излучение).
Инфракрасное излучение также называют «тепловым » излучением, так как инфракрасное излучение от нагретых предметов воспринимается кожей человека как ощущение тепла. При этом длины волн, излучаемые телом, зависят от температуры нагревания: чем выше температура, тем короче длина волны и выше интенсивность излучения. Спектр излучения абсолютно чёрного тела при относительно невысоких (до нескольких тысяч Кельвинов) температурах лежит в основном именно в этом диапазоне. Инфракрасное излучение испускают возбуждённые атомы или ионы.
Инфракрасное излучение было открыто в 1800 году английским астрономом У. Гершелем . Занимаясь исследованием Солнца, Гершель искал способ уменьшения нагрева инструмента, с помощью которого велись наблюдения. Определяя с помощью термометров действия разных участков видимого спектра, Гершель обнаружил, что «максимум тепла» лежит за насыщенным красным цветом и, возможно, «за видимым преломлением». Это исследование положило начало изучению инфракрасного излучения.
Ранее лабораторными источниками инфракрасного излучения служили исключительно раскаленные тела либо электрические разряды в газах. Сейчас на основе твердотельных и молекулярных газовых лазеров созданы современные источники инфракрасного излучения с регулируемой или фиксированной частотой. Для регистрации излучения в ближней инфракрасной-области (до ~1,3 мкм) используются специальные фотопластинки. Более широким диапазоном чувствительности (примерно до 25 мкм) обладают фотоэлектрические детекторы и фоторезисторы . Излучение в дальней ИК-области регистрируется болометрами - детекторами, чувствительными к нагреву инфракрасным излучением .
ИК-аппаратура находит широкое применение как в военной технике (например, для наведения ракет), так и в гражданской (например, в волоконно-оптических системах связи). В качестве оптических элементов в ИК-спектрометрах используются либо линзы и призмы, либо дифракционные решетки и зеркала. Чтобы исключить поглощение излучения в воздухе, спектрометры для дальней ИК-области изготавливаются в вакуумном варианте .
Поскольку инфракрасные спектры связаны с вращательными и колебательными движениями в молекуле, а также с электронными переходами в атомах и молекулах, ИК-спектроскопия позволяет получать важные сведения о строении атомов и молекул, а также о зонной структуре кристаллов .
Инфракрасные лучи применяются в физиотерапии .
Инфракрасные диоды и фотодиоды повсеместно применяются в пультах дистанционного управления , системах автоматики, охранных системах, некоторых мобильных телефонах (инфракрасный порт) и т. п. Инфракрасные лучи не отвлекают внимание человека в силу своей невидимости.
Интересно, что инфракрасное излучение бытового пульта дистанционного управления легко фиксируется с помощью цифрового фотоаппарата .
Инфракрасные излучатели применяют в промышленности для сушки лакокрасочных поверхностей. Инфракрасный метод сушки имеет существенные преимущества перед традиционным, конвекционным методом. В первую очередь это, безусловно, экономический эффект. Скорость и затрачиваемая энергия при инфракрасной сушке меньше тех же показателей при традиционных методах.
С помощью инфракрасного излучения стерилизируют пищевые продукты с целью дезинфекции.
Инфракрасные лучи применяются с целью предотвращения коррозии поверхностей, покрываемых лаком.
Особенностью применения ИК-излучения в пищевой промышленности является возможность проникновения электромагнитной волны в такие капиллярно-пористые продукты, как зерно, крупа, мука и т. п. на глубину до 7 мм. Эта величина зависит от характера поверхности, структуры, свойств материала и частотной характеристики излучения. Электромагнитная волна определённого частотного диапазона оказывает не только термическое, но и биологическое воздействие на продукт, способствует ускорению биохимических превращений в биологических полимерах (крахмал , белок , липиды). Конвейерные сушильные транспортёры с успехом могут использоваться при закладке зерна в зернохранилища и в мукомольной промышленности.
Кроме того, инфракрасное излучение повсеместно применяют для обогрева помещений и уличных пространств. Инфракрасные обогреватели используются для организации дополнительного или основного отопления в помещениях (домах, квартирах, офисах и т. п.), а также для локального обогрева уличного пространства (уличные кафе, беседки, веранды).
Недостатком же является существенно большая неравномерность нагрева, что в ряде технологических процессов совершенно неприемлемо.
Инфракрасный излучатель применяется в приборах для проверки денег. Нанесенные на купюру как один из защитных элементов, специальные метамерные краски возможно увидеть исключительно в инфракрасном диапазоне. Инфракрасные детекторы валют являются самыми безошибочными приборами для проверки денег на подлинность. Нанесение на купюру инфракрасных меток, в отличие от ультрафиолетовых, фальшивомонетчикам обходится дорого и соответственно экономически невыгодно. Потому детекторы банкнот со встроенным ИК излучателем, на сегодняшний день, являются самой надежной защитой от подделок.
Сильное инфракрасное излучение в местах высокого нагрева может вызывать опасность для глаз. Наиболее опасно, когда излучение не сопровождается видимым светом. В таких местах необходимо надевать специальные защитные очки для глаз.
Другие способы теплопередачи
Способы регистрации (записи) ИК-спектров.
| Электромагнитный спектр | |
|---|---|
| γ-излучение | рентген | УФ | видимый свет | ИК | терагерцевое излучение | микроволны | радиоволны | |
| Видимый спектр | фиолетовый | синий | голубой | зелёный | жёлтый | оранжевый | красный |
| Микроволны | W | V | Q | K a | | K u | | | | |
| Радиоволны | КВЧ/EHF | СВЧ/SHF | УВЧ/UHF | ОВЧ/VHF | ВЧ/HF | СЧ/MF | НЧ/LF | ОНЧ/VLF | ИНЧ/ULF | СНЧ/SLF | КНЧ/ELF |
Занимающее спектральную область между красным концом видимого света (с длиной полны l, ок. 0,76 мкм) и коротковолновым радиоизлучением (l~1-2 мм). Верх, граница И. и. определяется чувствительностью человеческого глаза к видимому излучению, а нижняя - условна, т. к. ИК-диапазон перекрывается радиодиапазоном длин волн. ИК-область спектра обычно делят на ближнюю (0,76-2,5 мкм), среднюю (2,5-50 мкм) и далёкую (50-2000 мкм). И. и. подчиняется всем законам оптики и относится к оптич. излучению. И. и. не видимо глазом, но создаёт ощущение тепла и поэтому часто наз. тепловым. Спектр И. и. может состоять из отд. линий, полос или быть непрерывным в зависимости от испускающего его источника. Линейчатые
Рис. 1. Инфракрасный спектр излучения ртути. 1-12 - спектральные линии, длины волн которых в мкм равны: 1 - 1,014; 2 - 1,129; 3 - 1,357; 4 - 1,367; 5 - 1,395; 6 - 1,530; 7 - 1,692; 8 - 1,707 и 1,711; 9 - 1,814; 10 - 1,970; 11 - 2,249; 12 - 2,326.
ИК-спектры испускают возбуждённые атомы или ионы при переходах между близко расположенными электронными уровнями энергии (рис. 1; см. Атомные спектры
).Полосатые ИК-спектры наблюдаются в спектрах испускания возбуждённых молекул, возникающих при переходах между колебат. и вращат. уровнями энергии, - колебат. и вращат. спектры (см. Молекулярные спектры
).Колебат. и колебательно-вращат. спектры расположены гл. обр. в средней, а чисто вращательные - в далёкой ИК-области. Непрерывный ИК-спектр излучают нагретые твёрдые и жидкие тела.
Абс. и относит, доля И. и. нагретого твёрдого тела зависит от его темп-ры. При темп-pax ниже 500 К излучение почти целиком расположено в ИК-области (тело кажется тёмным). Однако полная энергия излучения при таких темп-pax мала. При повышении темп-ры доля излучения в видимой области увеличивается, тело становится тёмно-красным, затем красным, жёлтым и, наконец, при темп-pax выше 5000 К белым; при этом вместе с полной энергией излучения растёт и энергия И. п. Строгая зависимость энергии излучения нагретых тел от темп-ры существует только для абсолютно чёрного тела
. всех диапазонов длин
Рис. 2. Кривые излучения абсолютно чёрного тела Л
и вольфрама В
при температуре 2450 °К. Заштрихованная часть - излучение вольфрама в ИК-области; интервал 0,4-0,74 мкм - видимая область.
волн реальных тел меньше, чем излучение абсолютно чёрного тела той же темп-ры, и может носить селективный характер. Напр., излучение накалённого вольфрама в ИК-области отличается от излучения чёрного тела больше, чем в видимой области спектра (рис. 2). Излучение Солнца близко к излучению абсолютно чёрного тела с темп-рои около 6000 8К, причём около 50% энергии излучения расположено в ИК-области. Распределение энергии излучения человеческого тела в ИК-области близко к распределению энергии чёрного излучения с максимумом при l~9,5 мкм.
Источники И. и . Наиболее распространённые источники И. и.- лампы накаливания с вольфрамовой нитью мощностью до 1 кВт, 70-80% излучаемой энергии к-рых приходится на ИК-диапазон (они используются, напр., для сушки и нагрева), а также угольная электрич. дуга, газоразрядные лампы, электрич. спирали из нихромовой проволоки. Для ИК-фотографии и в нек-рых ИК-приборах (напр., приборах ночного видения) для выделения И. и. применяют ИК-светофильтры. В науч. исследованиях (напр., в инфракрасной спектроскопии )применяют разл. спец. источники И. и. в зависимости от области спектра. Так, в ближней ИК-области (l=0,76-2,5 мкм) источником И. и. служит ленточная вольфрамовая лампа, в средней ИК-области (2,5-25 мкм) - штифт Нернста и глобар, в области l~20 -100 мкм - платиновая полоска, покрытая тонким слоем окислов нек-рых редкоземельных металлов; в далёкой ИК-области (100-1600 мкм) - ртутная кварцевая лампа высокого давления. Источниками И. и. являются не-к-рые ИК-лазеры: лазер на ниодимовом стекле (l=1,06 мкм), гелий-неоновый лазер (l=1,15 мкм и 3,39 мкм), СО-лазер (l~5,08-6,66 мкм), СО 2 -лазер (l~9,12-11,28 мкм), лазер на парах воды (l~118,6 мкм), HCN-лазер (l~773 мкм), хим. лазер на смеси Н 2 и С1 2 (l~3,7-3,8 мкм), на GaAs (l~0,83-0,92 мкм), InSb (l~4,8-5,3 мкм), (Pb, Sn) Те (l~6,5-32 мкм) и др. Многие ИК-лазеры могут работать в режиме перестраиваемой частоты излучения.
Методы обнаружения и измерения И. и . основаны на преобразовании энергии И. и. в др. виды энергии, методы регистрации к-рых хорошо разработаны. В тепловых приёмниках поглощённое И. и. вызывает повышение темп-ры термочувствит. элемента, к-рое тем или иным способом регистрируется. Тепловые приёмники могут работать практически во всей области И. и. В фотоэлектрич. приёмниках поглощённое И. и. приводит к появлению или изменению электрич. тока или . Такие приёмники в отличие от тепловых селективны, т. е. чувствительны лишь в определ. ИК-области спектра (см. Приёмники оптического излучения) . Мн. фотоэлектрич. приёмники И. и. особенно для средней и далёкой ИК-области спектра работают лишь в охлаждённом состоянии. В качестве приёмников И. и. также используются приборы, основанные на усилении или тушении люминесценции , под действием И. и., а также т. н. антистоксовы люминофоры (см. Антистоксова люминесценция ),непосредственно преобразующие И. и. в видимое (люминофор с ионами Yb и Еr преобразует излучение l=1,06 мкм в видимое с l=0,7 мкм). Спец. фотоплёнки и пластинки - инфрапластинки - также чувствительны к И. н. (до l=1,3 мкм). Существуют также спец. приборы, к-рые позволяют путём регистрации собств. теплового И. и. получить распределение темп-ры по поверхности объекта, т. е. его тепловое (или температурное) изображение. Это т. н. тепловое изображение можно преобразовать в видимое изображение, в к-ром яркость видимого изображения в отд. точках пропорциональна темп-ре соответствующих точек объекта. Изображение, полученное в этих приборах, не является ИК-изображением в обычном смысле, т. к. даёт лишь картину распределения темн-ры на поверхности объекта. Приборы визуализации И. и. делятся на несканирующие и сканирующие. В первых И. и. регистрируется непосредственно на фотоплёнке или люминесцентном экране, а также на экране с помощью электроннооптических преобразователей (ЭОП) или эвапорографов. К сканирующим приборам относятся тепловизоры или термографы с оптико-механич. сканированием объекта. Область чувствительности ЭОП определяется чувствительностью к И. и. и не превышает l=1,3 мкм. Эвапорографы и тепловизоры могут быть использованы в средней ИК-области, и потому они позволяют получать тепловое изображение низкотемпературных тел. Существуют также методы параметрич. преобразования И. и. в видимое излучение при смешивании И. и. с лазерным излучением в оптически нелинейных кристаллах (см. Параметрический генератор света ).
Оптические свойства веществ в ИК-области спектра
(прозрачность, коэф. отражения, коэф. преломления), как правило, значительно отличаются от оптич. свойств в видимой и УФ-областях спектра. Мн. вещества, прозрачные в видимой области, оказываются непрозрачными в нек-рых областях И. и., и наоборот. Напр., слой
воды толщиной в неск. см непрозрачен для И. и. с l>1 мкм (поэтому вода часто используется как теплозащитный фильтр), пластинки германия и кремния, непрозрачные в видимой области, прозрачны для И. и. (германий для l>1,8 мкм, кремний для l>1,0 мкм). Чёрная бумага прозрачна в далёкой ИК-области. Вещества, прозрачные для И. и. и непрозрачные в видимой области, используются в качестве светофильтров для выделения И. и.
Рис. 3. Отражение инфракрасного излучения
от щёлочно-галоидных кристаллов.
Поглощение И. и. для большинства веществ в тонких слоях носит селективный характер в виде относительно узких областей - полос поглощения. Нек-рые вещества, гл. обр. монокристаллы, даже при толщине до неск. см прозрачны в достаточно больших определённых диапазонах ИК-спектра. В табл. приведена длинноволновая граница l г пропускания нек-рых материалов, применяемых в ИК-области спектра для изготовления призм, линз, окон и пр. оптич. деталей (материалы, помеченные звёздочкой, гигроскопичны).
Полиэтилен, парафин, тефлон, алмаз прозрачны для l>100 мкм (пропускание более 50% при толщине 2 мм).
Отражат. способность для И. и. у большинства металлов значительно больше, чем для видимой области, и возрастает с увеличением l И. и. (см. Металлооптика
).Напр., коэф. отражения Al, Au, Ag, Сu в области l=10 мкм достигает 98%. Жидкие и твёрдые неметаллич. вещества обладают в ИК-области селективным отражением, причём положение максимумов отражения зависит от хим. состава вещества. У нек-рых
Рис. 4. Кривая пропускания атмосферы в области l=0,6-14 мкм. "Окна" прозрачности в области l@2,0-2,5 мкм; 3,2-4,2 мкм; 4,5-5,2 мкм; 8,0-13,5 мкм. Полосы поглощения с максимумами при l@0,93; 1,13; 1,40; 1,87; 2,74; 6,3 мкм принадлежат парам воды; при l=2,7, 4,26 и 15,0 мкм - углекислому газу и при l@9,5 мкм - озону.
кристаллов коэф. отражения в максимуме селективного отражения (рис. 3) достигает больших значений (до 80%), и поэтому пластинки из таких кристаллов могут служить отражат. фильтрами для выделения определ. областей И. и. (т. н. метод остаточных лучей). Прозрачность земной атмосферы для И. и. (так же как и для видимого и УФ-излучения) играет большую роль в процессе теплового радиац. обмена между излучением Солнца, падающим на Землю, и И. и. Земли в мировое пространство (обратное излучение Земли расположено гл. обр. в области спектра с максимумом ок. 10 мкм), а также существенна при практич. использовании И. и. (для связи, в ИК-фотографии, для применения И. и. в военном деле и т. д.). Проходя через земную атмосферу, И. и. ослабляется в результате рассеяния (см. Рассеяние света )и поглощения. Азот и кислород воздуха не поглощают И. и., а ослабляют его лишь в результате рассеяния, к-рое значительно меньше, чем для излучения видимого света (т. к. коэф. рассеяния ~l - 4). Пары воды, СО 2 , озона и др. примеси, имеющиеся в атмосфере, селективно поглощают И. и. Особенно сильно поглощают И. и. пары воды, полосы поглощения к-рых расположены почти во всей ИК-области спектра (рис. 4). Благодаря сильному поглощению И. и. земной атмосферой лишь небольшая часть обратного И. и. Земли выходит за пределы атмосферы, т. е. атмосфера служит теплоизолирующей оболочкой, препятствующей охлаждению Земли. Наличие в атмосфере частиц дыма, пыли, мелких капель воды (дымка, туман) приводит к дополнит, ослаблению И. и. в результате рассеяния на этих частицах, причём величина рассеяния зависит от соотношения размеров частиц и длины волны И. и.
Применение ИК-излучения . И. н. находит широкое применение в науч. исследованиях, при решении большого числа практич. задач, в военном деле и пр. Исследование спектров испускания и поглощения веществ в ИК-области является дополнением к исследованиям в видимой и УФ-областях и используется при изучении структуры электронной оболочки атомов, определения структуры молекул, а также для качеств, и количеств. спектрального анализа . Широкое применение для изучения структуры атомов и молекул н элементного состава вещества нашли ИК-лазеры (особенно с перестраиваемой частотой; см. Лазерная спектроскопия ). Благодаря особенностям взаимодействия И. и. с веществом ИК-фотография имеет ряд преимуществ перед фотографией в видимом излучении. Так, в результате меньшего ослабления И. и. вследствие рассеяния при прохождении через дымку и небольшой туман и при использовании инфраплёнок и ИК-светофильтров удаётся получить ИК-фотографии предметов, удалённых на расстояние в сотни км. Фотографии одного и того же объекта, полученные в И. и. и в видимом свете, вследствие различия коэф. отражения и пропускания объекта могут значительно различаться, и на ИК-фотографии можно увидеть детали, невидимые на обычной фотографии и непосредственно глазом, что используется при фотографировании земной поверхности со спутников Земли, в ботанике, медицине, криминалистике, аэрофоторазведке и т. д. На ИК-фотографиях отд. участков неба часто можно увидеть большее число звёзд, туманностей и др. объектов, чем на обычных фотографиях. Фотографирование в И. и. можно производить и в полной темноте при облучении объектов И. и. В пром-сти И. и. используются для сушки (в т. ч. локальной) разл. материалов и изделий. На основе электронно-оптич. преобразователей, чувствительных к И. и., созданы различного рода приборы ночного видения (бинокли, прицелы и др.), позволяющие при облучении наблюдаемых объектов И. и. от спец. источников со светофильтрами вести наблюдение или прицеливание в полной темноте. Эвапорографы и тепловизоры применяются в пром-сти для обнаружения перегретых участков машин или электронных приборов, для получения температурных карт местности и т. д. Создание высокочувствит. приёмников И. и. (напр., болометров или охлаждаемых фотосопротивлений) позволило построить теплопеленгаторы для обнаружения и пеленгации объектов, темп-pa к-рых выше темп-ры окружающего фона (нагретые трубы кораблей, двигатели самолётов и др.), по их собств. тепловому И. и. Созданы также системы самонаведения на цель снарядов и ракет. ИК-локаторы и дальномеры позволяют обнаружить в темноте любые объекты и измерять расстояния до них. ИК-лазеры используются также для наземной и космич. связи. Лит.: Леконт Ж., Инфракрасное излучение, пер. с франц., М., 1958; Соловьев С. М., Инфракрасная фотография, М., I960; Оптические материалы для инфракрасной техники. [Справочник], М., 1965; Козелкин В. В., Усольцев И. Ф., Основы инфракрасной техники, 3 изд., М., 1985; Марков М. Н., Приемники инфракрасного излучения, М., 1968; Приёмники инфракрасного излучения, пер. с франц., М., 1969; Xадсон Р., Инфракрасные системы, пер. с англ., М., 1972; Ллойд Д ж., Системы тепловидения, пер. с англ., М., 1978; Левитин И. Б., Применение инфракрасной техники в народном хозяйстве. Л., 1981; Гибсон X., Фотографирование в инфракрасных лучах, пер. с англ., М., 1982. В . И. Малышев.
Длина волны инфракрасного излучения
В Интернете распространяется много недостоверной (а порой и откровенно лживой) информации по вопросу проникновения инфракрасного излучения в тело человека. Обычно такую информацию распространяют продавцы кабин с карбоновыми (пленочными) нагревателями, придумывая различные псевдонаучные термины: "резонансное поглощение", "Лучи Жизни" и т.д. Чтобы внести ясность в этот вопрос, мы приводим описание взаимодействия инфракрасного излучения с живыми тканями на основе научной литературы, которая принята во всем мире.
Взаимодействие ИК излучения с живыми тканями
Инфракрасную область спектра, согласно международной классификации, разделяют на ближнюю IR-A (от 0.76 до 1.5 мкм), среднюю IR-B (1.5 - 3 мкм) и далёкую IR-C (свыше 3 мкм).
С точки зрения физиологии человека ближние инфракрасные лучи в той области и в тех пропорциях, в которых мы обычно получаем их от Солнца сквозь атмосферу, не только полезны, но и необходимы. Ближние инфракрасные лучи (до 1,5 мкм) поглощаются в глубине кожных покровов, в то время как инфракрасные лучи с большей длиной волны поглощаются уже на их поверхности.
Действительно, кожа является прозрачной для инфракрасного излучения с длиной волны до 1,5 мкм. Затем она становиться относительно не прозрачной и характеризуется довольно сложным спектром поглощения. Кожу следует рассматривать как комплекс, состоящий из эпидермиса, прозрачность которого может меняться в зависимости от состояния, из пигментов, межклеточных тканей, подкожного жира и т.д. Обладая большой гигроскопичностью и будучи богат сосудами, комплекс кожи представляет собой физиологический экран, прозрачность которого для инфракрасных лучей зависит от длины волны. Следует считать, что для инфракрасных лучей с длиной волны более 5 мкм кожа полностью непрозрачна.
Учитывая физиологические особенности человека, терапевты делят инфракрасный диапазон на 3 категории:
длина волны более 5 мкм - излучение поглощаемое на поверхности кожи;
длина волны 1,5 ÷ 5 мкм - излучение, поглощаемое эпидермисом и соединительно-тканным слоем кожи;
длина волны 0,76 ÷ 1,5 мкм - излучение проникающее в глубь кожи;
Когда нужно воздействовать на поверхность кожи, слизистую оболочку, сосудистую систему, пользуются длинноволновым диапазоном. Для воздействия же в глубину, например на лимфатическую систему или мышечную ткань, применяют инфракрасное излучение с длиной волны 0,76-1,5 мкм. Поглощенная кожей энергия превращается в тепло. Терпимая температура кожи, составляет для коротковолнового диапазона излучения 43,8°С, и доходит для длинноволнового диапазона излучения до 45,5°С,что указывает на различное действие этих двух областей излучений.
Человеческое тело, так же как и любое нагретое тело испускает инфракрасное излучение. Любой биологический объект (в частности человек) представляет собой сложную систему различных молекул, которые имеют собственные спектры излучения, поэтому общее излучение человека будет значительно отличаться от излучения абсолютно черного тела при той же температуре. Это излучение имеет место в диапазоне между 2 и 14 мкм с максимумом у 6 мкм.
Важно! Для эффективного и объемного прогрева тела человека, необходимо облучать его инфракрасным излученим с длинной волны в диапазоне 0.76 - 3 мкм, только в этом случае будет наблюдаться максимальное проникновение ИК излучения. Инфракрасные волны с длинной волны более 5 мкм не проникают в тело человека, а поглощаются верхними слоями кожи.
Для реальных биологических объектов закон Кирхгофа не выполняется , т.е. спектры поглощения и спектры излучения различны. На следующих графиках приведены спектры поглощения для воды и ткани человеческих органов в зависимости от длины волны. Заметим, что ткань человеческого организма состоит из воды на 98% и этот факт объясняет схожесть характеристик поглощения.
Мы специально приводим несколько графиков из различных первоисточников, чтобы исключить какие-либо спекуляции на тему поглощения ИК излучения. Как видно из этих графиков наибольшее проникновение наблюдается в диапазоне от 0,7 до 3 мкм и этот диапазон называется "окном терапевтической прозрачности". Только излучение из этого диапазона может проникнуть на глубину 4 см. При других длинах волн инфракрасное излучение поглащается верхними слоями кожи и не может проникнуть вглубь тела человека.
| График | Источник |
|
|
"LOW REACTIVE-LEVEL LASER THERAPY PRACTICAL APPLICATION" T.Ohshiro (1988 г.), |
|
|
|
|
|
Международная Организация Труда, «Энциклопедия по охране и безопасности труда», 2-е изд., 1988 |
  |
"Биофизические основы физиотерапии", Г.Н. Пономаренко, И.И. Турковский, Москва, "Медицина", 2006 г., стр. 17-18., учебник для ВУЗов |
ВВЕДЕНИЕ
Несовершенство собственной природы, компенсируемое гибкостью интеллекта, непрерывно толкало человека к поиску. Желание летать как птица, плавать как рыба, или, скажем, видеть ночью подобно кошке, воплощались в действительность по мере достижения требуемых знаний и технологий. Научные изыскания часто подстегивались нуждами военной деятельности, а результаты определялись существующим технологическим уровнем.
Расширение диапазона зрения для визуализации недоступной для глаз информации является одной из наиболее трудных задач, так как требует серьезной научной подготовки и значительной технико-экономической базы. Первые успешные результаты в этом направлении были получены в 30-х годах XX века. Особенную актуальность проблема наблюдения в условиях низкой освещенности приобрела в ходе Второй мировой войны.
Естественно, усилия, затраченные в этом направлении, привели к прогрессу в научных исследованиях, медицине, техники связи и других областях.
ФИЗИКА ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Инфракрасное
излучение
- электромагнитное излучение, занимающее
спектральную область между красным
концом видимого света (с длиной волны
(=
м)
и коротковолновым радиоизлучением(
=
м).Открыто инфракрасное излучение было
в 1800 г. английским ученым У. Гершелем.
Спустя 123 года после открытия инфракрасного
излучения советский физик А.А.
Глаголева-Аркадьева получила радиоволны
с длиной волны равной приблизительно
80 мкм, т.е. располагающиеся в инфракрасном
диапазоне длин волн. Это доказало, что
свет, инфракрасные лучи и радиоволны
имеют одинаковую природу, все это лишь
разновидности обычных электромагнитных
волн.
Инфракрасное излучение также называют «тепловым» излучением, так как что все тела, твердые и жидкие, нагретые до определенной температуры излучают энергию в инфракрасном спектре.
ИСТОЧНИКИ ИК ИЗЛУЧЕНИЯ
ОСНОВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ИК ИЗЛУЧЕНИЯ НЕКОТОРЫХ ОБЪЕКТОВ
|
Инфракрасное излучение баллистических ракет и космических объектов |
Инфракрасное излучение самолетов |
Инфракрасное излучение надводных кораблей |
|
Факел маршевого двигателя, предста- вляющий собой поток горящих газов, несущих взвешенные твердые частицы золы и сажи, которые образуются при сгорании ракетного топлива. Корпус ракеты. Земля, которая отражает часть солнечных лучей, попавших на нее. Сама Земля. |
Отраженное от планера самолета излучение Солнца, Земли, Луны и других источников. Собственное тепловое излучение удлинительной трубы и сопла турбореак-тивного двигателя или выхлопных патрубков поршневых двигателей. Собственное тепловое излу-чение струи выхлопных газов. Собственное тепловое излучение обшивки самолета, возникающее за счет аэродина-мического нагрева при полете с большими скоростями. |
Кожух дымовой трубы. Выхлопное отверстие дымовой трубы |
ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ИК ИЗЛУЧЕНИЯ
1. Проходит через некоторые непрозрачные тела, также сквозь дождь,
дымку, снег.
2. Производит химическое действие на фотопластинки.
3. Поглощаясь веществом, нагревает его.
4. Вызывает внутренний фотоэффект у германия.
5. Невидимо.
6. Способно к явлениям интерференции и дифракции.
7. Регистрируют тепловыми методами, фотоэлектрическими и
фотографическими.
ХАРАКТЕРИСТИКИ ИК ИЗЛУЧЕНИЯ
Собственное Отраженное Ослабление Физические
тепловое объектами ИК ИК излучения особенности ИК
излучение излучение в атмосфере излучения фонов
|
Характе-ристики |
Осн. понятия |
|
Собствен-ное тепловое излуче-ние нагретых тел |
Фундаментальное
понятие - абсолютно черное тело.
Абсолютно черным телом называется
тело, поглощающее все падающие на него
излучения на любых длинах волн.
Распределение интенсивности излучения
черного тела (з/н Планка):
С2=1,44* Интегральная
плотность излучения- закон Стефана -
Больцмана:
|
|
Отраженное объек-тами ИК излуче-ние |
Максимум солнечного излучения, определяющий отраженную составляющую, соответствует длинам волн короче 0,75 мкм, а 98% всей энергии излучения Солнца приходится на участок спектра до 3 мкм. Часто эту длину волны считают граничной, разделяющей отраженную (солнечную) и собственную составляющие ИК излучения объектов. Следовательно, можно принять, что в ближней части ИК спектра (до 3 мкм) определяющей является отраженная составляющая и распределение лучистости по объектам зависит от распределения коэффициента отражения и облученности. Для дальней части ИК спектра определяющим является собственное излучение объектов, а распределение лучистости по их площади зависит от распределения коэффициентов излучения и температуры. В средневолновой части ИК спектра необходимо учитывать все четыре параметра. |
|
Ослабле-ние ИК излуче-ния в атмосфе-ре |
В ИК-диапазоне длин волн имеется несколько окон прозрачности и зависимость пропускания атмосферы от длины волны имеет весьма сложный вид. Ослабление ИК излучения определяется полосами поглощения водяных паров и газовых составляющих, главным образом углекислого газа и озона, а также явлениями рассеивания излучения. Смотреть рисунок «Поглощение ИК излучения». |
|
Физи-ческие особен-ности ИК излуче-ния фонов |
ИК излучение имеет две составляющие: собственное тепловое излучение и отраженное (рассеянное) излучение Солнца и других внешних источников. В диапазоне длин волн короче 3 мкм доминирует отраженное и рассеянное солнечное излучение. В этом диапазоне длин волн, как правило, можно пренебречь собственным тепловым излучением фонов. Наоборот, в диапазоне длин волн более 4 мкм преобладает собственное тепловое излучение фонов и можно пренебречь отраженным (рассеянным) солнечным излучением. Диапазон длин волн 3-4 мкм является как бы переходным. В этом диапазоне наблюдается ярко выраженный минимум яркости фоновых образований. |
ПОГЛОЩЕНИЕ ИК ИЗЛУЧЕНИЯ
Спектр пропускания атмосферы в ближней и средней инфракрасной области (1,2-40 мкм) на уровне моря (нижняя кривая на графиках) и на высоте 4000 м (верхняя кривая); в субмиллиметровом диапазоне (300-500 мкм) излучение до поверхности Земли не доходит.
ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ЧЕЛОВЕКА
С древних времен люди хорошо знали благотворную силу тепла или, говоря научным языком, инфракрасного излучения.
В инфракрасном спектре есть область с длинами волн примерно от 7 до 14 мкм(так называемая длинноволновая часть инфракрасного диапазона), оказывающая на организм человека по - настоящему уникальное полезное действие. Эта часть инфракрасного излучения соответствует излучению самого человеческого тела с максимумом на длине волны около 10 мкм. Поэтому любое внешнее излучение с такими длинами волн наш организм воспринимает как «своё». Самый известный естественный источник инфракрасных лучей на нашей Земле - это Солнце, а самый известный на Руси искусственный источник длинноволновых инфракрасных лучей - это русская печь, и каждый человек обязательно испытывал на себе их благотворное влияние. Приготовление пищи с помощью инфракрасных волн делает пищу особенно вкусной, сохраняет витамины и минералы, при этом не имеет ничего общего с микроволновыми печами.
Воздействуя на организм человека в длинноволновой части инфракрасного диапазона, можно получить явление, называемое «резонансным поглощением», при котором внешняя энергия будет активно поглощаться организмом. В результате этого воздействия повышается потенциальная энергия клетки организма, и из нее уходит не связанная вода, повышается деятельность специфических клеточных структур, растет уровень иммуноглобулинов, увеличивается активность ферментов и эстрогенов, происходят и другие биохимические реакции. Это касается всех типов клеток организма и крови.
ОСОБЕННОСТИ ИЗОБРАЖЕНИЙ ОБЪЕКТОВ В ИК ДИАПАЗОНЕ
|
Инфракрасные изображения имеют непривычное для наблюдателя распределение контрастов между известными предметами вследствии иного распределения оптических характеристик поверхностей объектов в ИК диапазоне по сравнению с видимой частью спектра. ИК излучения позволяют обнаружить на ИК снимках предметы, не заметные на обычных фотоснимках. Можно выявлять участки поврежденных деревьев и кустарников, а также вскрывать факты использования свежесрезанной растительности для маскировки объектов. Различная передача тонов на изображениях, привела к созданию так называемой многозональной съемки, при которой один и тот же участок плоскости предметов одновременно фотографируется в разных зонах спектра многозональной камерой. |
|
Другая особенность ИК изображений, свойственная тепловым картам, состоит в том, что в их формировании кроме отраженного излучения участвует и собственное, а в ряде случаев лишь оно одно. Собственное излучение определяется излучательной способностью поверхностей предметов и их температурой. Это дает возможность выявлять на тепловых картах нагретые поверхности или их участки, совершенно не обнаруживающиеся на фотоснимках, и использовать тепловые изображения как источник информации о температурном состо-янии предмета. |
|
ИК изображения позволяют получать информацию и об объектах, которые уже отсутствуют в момент съемки. Так, например, на поверхности площадки в месте стоянки самолета сохраняется в течение некоторого времени его тепловой портрет, который может быть зарегистрирован на ИК снимке. |
|
Четвертой особенностью тепловых карт является возможность регистрации объектов как при отсутствии падающего излучения, так и при отсутствии температурных перепадов; только за счет различий в излучательной способности их поверхностей. Это свойство позволяет наблюдать объекты в полной темноте и в таких условиях, когда темпе-ратурные различия выравнены до невоспринимаемых. В таких условиях особенно четко выявляются неокрашенные металлические поверхности, имеющие низкую излучательную способность, на фоне неметаллических предметов, выглядящих более светлыми ("темными"), хотя их температуры одинаковы. |
|
Еще одна особенность тепловых карт связана с динамичностью тепловых процессов, протекающих в течение суток В связи с естественным суточным ходом температур все предметы на земной поверхности участвуют в постоянно протекающем теплообменном процессе. При этом температура каждого тела зависит от условий теплообмена, физических свойств окружающей среды, собственных свойств данного объекта (теплоемкость, теплопроводность) и др. В зависимости от этих факторов соотношение температур смежных предметов изменяется в течение суток, поэтому тепловые карты, полученные в разное время даже от одних и тех же объектов, отличаются друг от друга. |
ПРИМЕНЕНИЕ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
В двадцать первом веке началось внедрение инфракрасных излучений в нашу жизнь. Теперь оно находит применение в промышленности и в медицине, в быту и сельском хозяйстве. Оно универсально и может применяться для самых разнообразных целей. Используют в криминалистике, в физиотерапии, в промышленности для сушки окрашенных изделий, стен зданий, древесины, фруктов. Получают изображения предметов в темноте, приборах ночного видения (ночные бинокли), тумане.
Приборы ночного видения - история поколений
|
Нулевое поколение |
||
|
«Стакан Холста» |
Трех- и двухэлектродная системы |
|
|
|
Фотокатод Манжета |
|
|
середина 30-х годов |
||
|
вательском центре фирмы "Филипс", Голландия |
За рубежом - Зворыкин, Фарнсворд, Мортон и фон Арденна; в СССР - Г.А. Гринберг, А.А. Арцимович |
|
|
Этот ЭОП представлял собой два вложенных друг в друга стакана, на плоские донышки которых и наносились фотокатод и люминофор. Приложенное к этим слоям высоковольтное напряжение, создавало электростатическое поле, обеспечивающее прямой перенос электронного изображения с фотокатода на экран с люминофором. В качестве фоточувствительного слоя в "стакане Холста" использовался серебряно-кислородно-цезиевый фотокатод, имевший довольно низкую чувствительность, хотя и работоспособный в диапазоне до 1,1 мкм. К тому же, этот фотокатод обладал высоким уровнем шумов, для устранения которых требовалось охлаждение до минус 40 °С. |
Достижения электронной оптики позволили заменить прямой перенос изображения фокусировкой электростатическим полем. Наибольшим недостатком ЭОП с электростатическим переносом изображения является резкий спад разрешающей способности от центра поля зрения к краям из-за несовпадения криволинейного электронного изображения с плоским фотокатодом и экраном. Для решения этой проблемы их стали делать сферическими, что существенно усложнило конструкцию объективов, рассчитываемых обычно на плоские поверхности. |
|
|
Первое поколение |
||
|
Многокаскадные ЭОП |
||
|
|
||
|
СССР, М.М. Бутслов фирмами RCA, ITT (США), Philips (Нидерланды) |
||
|
На базе волоконно-оптических пластин (ВОП), представляющих собой пакет из множества светодиодов, были разработаны плосковогнутые линзы, которые и стали устанавливать взамен входного и выходного окон. Оптическое изображение, спроецированное на плоскую поверхность ВОП, без искажений передается на вогнутую сторону, что и обеспечивает сопряжение плоских поверхностей фотокатода и экрана с криволинейным электронным полем. В результате применения ВОП разрешающая способность стала по всему полю зрения такой же, как и в центре. |
||
|
Второе поколение |
||
|
Вторично-эмиссионный усилитель |
Псевдобинокуляр |
|
|
3- микроканальная пластина 4– экран |
|
|
|
В 70-е годы |
||
|
фирмами США |
фирма "Praxitronic" (ФРГ) |
|
|
Этот элемент представляет собой сито с регулярно расположенными каналами диаметром около 10 мкм и толщиной не более 1 мм. Число каналов равно числу элементов изображения и имеет порядок 10 6 . Обе поверхности микроканальной пластины (МКП) полируются и металлизируются, между ними прикладывается напряжение в несколько сотен вольт. Попадая в канал, электрон испытывает соударения со стенкой и выбивает вторичные электроны. В тянущем электрическом поле этот процесс многократно повторяется, позволяя получить коэффициент усиления NxlO 4 раз. Для получения каналов МКП используется разнородное по химическому составу оптическое волокно. |
Были разработаны ЭОП с МКП бипланарной конструкции, то есть без электростатической линзы, своего рода технологический возврат к прямому, как и в "стакане Холста", переносу изображения. Полученные миниатюрные ЭОП позволили разработать очки ночного видения (ОНВ) псевдобинокулярной системы, где изображение с одного ЭОП разводится на два окуляра с помощью светоделительной призмы. Оборот изображения здесь осуществляется в дополнительных мини-объективах. |
|
|
Третье поколение |
||
|
ЭОП П + и SUPER II + |
||
|
начато в 70-х годах до нашего времени |
||
|
в основном американские компании |
||
|
Длительная научная разработка и сложная технология изготовления, определяющие высокую стоимость ЭОП третьего поколения, компенсируется предельно высокой чувствительностью фотокатода. Интегральная чувствительность некоторых образцов достигает 2000 мА/Вт, квантовый выход (отношение числа эмитированных электронов к числу падающих на фотокатод квантов с длиной волны в области максимальной чувствительности) превышает 30%! Ресурс таких ЭОП составляет около 3 000 часов, стоимость от 600 до 900$, в зависимости от конструкции. |
||
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭОП
|
Поколения ЭОП |
Тип фото-катода |
Интегральная чувствитель-ность, |
Чувствитель-ность на длинах волн 830-850 |
Коэффи-циент усиления, |
Доступная дальность распознования фигуры человека в условиях естественной ночной освещенности, м |
|
|
"Стакан Холста" |
около 1, ИК подсветка | |||||
|
только при свете луны или ИК осветителе | ||||||
|
Super II + или II ++ | ||||||
Инфракрасное
излучение -
электромагнитное излучение в диапазоне
длин волн от
м
до
м.В
качестве источника инфракрасного (ИК)
излучения может рассматриваться любое
тело (газообразное, жидкое, твердое) с
температурой выше абсолютного нуля
(-273°С). Зрительный
анализатор человека не воспринимает
лучи в инфракрасном диапазоне. Поэтому
видовые демаскирующие признаки в этом
диапазоне добываются с помощью специальных
приборов (ночного видения, тепловизоров),
имеющих худшее разрешение, чем глаз
человека. В общем случае к демаскирующим
признакам объекта в ИК-диапазоне
относятся следующие: 1)геометрические
характеристики внешнего вида объекта
(форма, размеры, детали поверхности);
2) температура поверхности. Инфракрасные
лучи абсолютно безопасны для организма
человека в отличие от рентгеновских,
ультрафиолетовых или СВЧ. Нет
такой области, где бы не пригодился
природный метод передачи тепла. Ведь
всем известно, умнее природы человеку
не стать, мы можем лишь подражать ей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Курбатов Л.Н. Краткий очерк истории разработок приборов ночного видения на основе электронных оптических преобразователей и усилителей изображения// Вопр. Оборон. Техники. Сер. 11. - 1994
2. Кощавцев Н.Ф., Волков В.Г. Приборы ночного видения//Вопр. Оборон. Техники. Сер. П.- 1993 - Вып. 3 (138).
3. Леконт Ж., Инфракрасное излучение. М.: 2002. 410 с.
4. Меньшаков Ю.К., М51 Защита объектов и информации от технических средств разведки. М.: Российск. Гос. Гуманит. У-т, 2002. 399 с.
Уильям Гершель впервые заметил, что за красным краем полученного с помощью призмы спектра Солнца есть невидимое излучение, вызывающее нагрев термометра. Это излучение стали позднее называть тепловым или инфракрасным.
Ближнее ИК-излучение очень похоже на видимый свет и регистрируется такими же инструментами. В среднем и дальнем ИК используются болометры, отмечающие изменения.
В среднем ИК-диапазоне светит вся планета Земля и все предметы на ней, даже лед. За счет этого Земля не перегревается солнечным теплом. Но не всё ИК-излучение проходит через атмосферу. Есть лишь несколько окон прозрачности, остальное излучение поглощается углекислым газом, водяным паром, метаном, озоном и другими парниковыми газами, которые препятствуют быстрому остыванию Земли.
Из-за поглощения в атмосфере и теплового излучения предметов телескопы для среднего и дальнего ИК выносят в космос и охлаждают до температуры жидкого азота или даже гелия.
ИК-диапазон - один из самых интересных для астрономов. В нем светит космическая пыль, важная для образования звезд и эволюции галактик. ИК-излучение лучше видимого проходит через облака космической пыли и позволяет видеть объекты, недоступные наблюдению в других участках спектра.
Фрагмент одного из так называемых Глубоких полей «Хаббла» . В 1995 году космический телескоп в течение 10 суток накапливал свет, приходящий с одного участка неба. Это позволило увидеть чрезвычайно слабые галактики, расстояние до которых составляет до 13 млрд световых лет (менее одного миллиарда лет от Большого взрыва). Видимый свет от таких далеких объектов испытывает значительное красное смещение и становится инфракрасным.
Наблюдения велись в области, далекой от плоскости галактики, где видно относительно мало звезд. Поэтому большая часть зарегистрированных объектов - это галактики на разных стадиях эволюции.
Гигантская спиральная галактика, обозначаемая также как M104, расположена в скоплении галактик в созвездии Девы и видна нам почти с ребра. Она обладает огромным центральным балджем (шарообразное утолщение в центре галактики) и содержит около 800 млрд звезд - в 2-3 раза больше, чем Млечный Путь.
В центре галактики находится сверхмассивная черная дыра с массой около миллиарда масс Солнца. Это определено по скоростям движения звезд вблизи центра галактики. В инфракрасном диапазоне в галактике отчетливо просматривается кольцо газа и пыли, в котором активно рождаются звезды.
Главное зеркало диаметром 85 см изготовлено из бериллия и охлаждается до температуры 5,5 К для снижения собственного инфракрасного излучения зеркала.
Телескоп был запущен в августе 2003 года по программе четырех великих обсерваторий NASA
, включающей:
Ожидается, что срок службы телескопа «Спитцер» составит около 5 лет. Свое название телескоп получил в честь астрофизика Лаймана Спитцера (1914–97), который в 1946 году, задолго до запуска первого спутника, опубликовал статью «Преимущества для астрономии внеземной обсерватории», а спустя 30 лет убедил NASA и американский Конгресс начать разработку космического телескопа «Хаббл».
В ближнем инфракрасном диапазоне Галактика просматривается еще более отчетливо, чем в видимом.
А вот в среднем ИК-диапазоне Галактика едва видна. Наблюдениям сильно мешает пыль, находящаяся в Солнечной системе. Она расположена вдоль плоскости эклиптики, которая наклонена к плоскости Галактики под углом около 50 градусов.
Оба обзора получены инструментом DIRBE (Diffuse Infrared Background Experiment) на борту спутника COBE (Cosmic Background Explorer). В ходе этого эксперимента, начатого в 1989 году, были получены полные карты инфракрасной яркости неба в диапазоне от 1,25 до 240 мкм .
В основе прибора лежит электронно-оптический преобразователь (ЭОП), позволяющий значительно (от 100 до 50 тысяч раз) усиливать слабый видимый или инфракрасный свет.
Объектив создает изображение на фотокатоде, из которого, как и в случае ФЭУ , выбиваются электроны. Далее они разгоняются высоким напряжением (10–20 кВ ), фокусируются электронной оптикой (электромагнитным полем специально подобранной конфигурации) и падают на флуоресцентный экран, подобный телевизионному. На нем изображение рассматривают в окуляры.
Разгон фотоэлектронов дает возможность в условиях низкой освещенности использовать для получения изображения буквально каждый квант света, однако в полной темноте требуется подсветка. Чтобы не выдать присутствие наблюдателя, для этого пользуются прожектором ближнего ИК-диапазона (760–3000 нм ).
Существуют также приборы, которые улавливают собственное тепловое излучение предметов в среднем ИК-диапазоне (8–14 мкм ). Такие приборы называются тепловизорами, они позволяют заметить человека, животное или нагретый двигатель за счет их теплового контраста с окружающим фоном.
Вся энергия, потребляемая электрическим обогревателем, в конечном счете, переходит в тепло. Значительная часть тепла уносится воздухом, который соприкасается с горячей поверхностью, расширяется и поднимается вверх, так что обогревается в основном потолок.
Во избежание этого обогреватели снабжают вентиляторами, которые направляют теплый воздух, например, на ноги человека и способствуют перемешиванию воздуха в помещении. Но есть и другой способ передачи тепла окружающим предметам: инфракрасное излучение обогревателя. Оно тем сильнее, чем горячее поверхность и больше ее площадь.
Для увеличения площади радиаторы делают плоскими. Однако при этом температура поверхности не может быть высокой. В других моделях обогревателей используется спираль, разогреваемая до нескольких сотен градусов (красное каление), и вогнутый металлический рефлектор, который создает направленный поток инфракрасного излучения.
,где
-спектральная
яркость излучения при температуре Т,
-длина
волны в мкм, С1 и С2 - постоянные
коэффициенты: С1=1,19*
Вт*мкм
*см
*ср
,
мкм*град. Максимумдлины
волны(закон Вина):
,
где Т-абсолютная температура тела.
1-
фотокатод
