כיצד נוצרת קרינת אינפרא אדומה? תכונות שימושיות ומזיקות של קרינת אינפרא אדום על בני אדם

קרינה אינפרא - אדומה- קרינה אלקטרומגנטית התופסת את האזור הספקטרלי בין הקצה האדום של האור הנראה (עם אורך גל λ = 0.74 מיקרון ותדר של 430 THz) לבין קרינת רדיו מיקרוגל (λ ~ 1-2 מ"מ, תדר 300 GHz).

כל הטווח של קרינת אינפרא אדום מחולק על תנאי לשלושה אזורים:

קצה הגל הארוך של טווח זה מובחן לעיתים לטווח נפרד של גלים אלקטרומגנטיים - קרינת טרה-הרץ (קרינה תת-מילימטרית).

קרינה אינפרא אדומה נקראת גם "קרינה תרמית", שכן קרינת אינפרא אדומה מחפצים מחוממים נתפסת בעור האדם כתחושת חום. במקרה זה, אורכי הגל הנפלטים מהגוף תלויים בטמפרטורת החימום: ככל שהטמפרטורה גבוהה יותר, כך אורך הגל קצר יותר ועוצמת הקרינה גבוהה יותר. ספקטרום הפליטה של ​​גוף שחור לחלוטין בטמפרטורות נמוכות יחסית (עד כמה אלפי קלווין) נמצא בעיקר בטווח הזה. קרינת אינפרא אדומה נפלטת על ידי אטומים או יונים נרגשים.

יוטיוב אנציקלופדית

    1 / 3

    ✪ 36 אינפרא אדום וקרינה אולטרה סגולה סולם גלים אלקטרומגנטיים

    ✪ ניסויים בפיזיקה. השתקפות של קרינת אינפרא אדום

    ✪ חימום חשמלי (חימום אינפרא אדום). באיזו מערכת חימום לבחור?

    כתוביות

היסטוריה של גילוי ומאפיינים כלליים

קרינת אינפרא אדום התגלתה בשנת 1800 על ידי האסטרונום האנגלי W. Herschel. בהיותו עסוק בחקר השמש, חיפש הרשל דרך להפחית את החימום של המכשיר שבעזרתו בוצעו תצפיות. באמצעות מדי חום כדי לקבוע את ההשפעות של חלקים שונים של הספקטרום הנראה, מצא הרשל ש"החום המרבי" נמצא מאחורי הצבע האדום הרווי ואולי "מאחורי השבירה הנראית לעין". מחקר זה סימן את תחילת המחקר של קרינת אינפרא אדום.

בעבר, מקורות מעבדה לקרינת אינפרא אדום היו אך ורק גופי ליבון או פריקות חשמליות בגזים. כעת, על בסיס לייזרים של מצב מוצק וגז מולקולרי, נוצרו מקורות מודרניים של קרינה אינפרא אדומה עם תדר מתכוונן או קבוע. כדי לרשום קרינה באזור האינפרא אדום הקרוב (עד ~1.3 מיקרומטר), משתמשים בלוחות צילום מיוחדים. טווח רגישות רחב יותר (עד כ-25 מיקרון) קיים על ידי גלאים פוטו-אלקטריים ונגדי פוטו. קרינה באזור האינפרא אדום הרחוק נקלטת על ידי בולומטרים - גלאים רגישים לחימום על ידי קרינת אינפרא אדום.

ציוד IR נמצא בשימוש נרחב הן בטכנולוגיה צבאית (לדוגמה, להנחיית טילים) והן בטכנולוגיה אזרחית (לדוגמה, במערכות תקשורת סיבים אופטיים). אלמנטים אופטיים בספקטרומטרים IR הם עדשות ומנסרות, או רשתות עקיפה ומראות. כדי למנוע ספיגת קרינה באוויר, ספקטרומטרים רחוקים מיוצרים בגרסת ואקום.

מכיוון שספקטרום אינפרא אדום קשור לתנועות סיבוב ורטט במולקולה, כמו גם למעברים אלקטרוניים באטומים ומולקולות, ספקטרוסקופיה IR מספקת מידע חשוב על מבנה האטומים והמולקולות, כמו גם על מבנה הרצועה של גבישים.

רצועות אינפרא אדום

עצמים בדרך כלל פולטים קרינה אינפרא אדומה על פני כל ספקטרום אורך הגל, אך לפעמים רק אזור מצומצם של הספקטרום מעניין מכיוון שחיישנים בדרך כלל אוספים קרינה רק ברוחב פס מסוים. לפיכך, טווח האינפרא אדום מחולק לרוב לטווחים קטנים יותר.

ערכת החלוקה הרגילה

החלוקה הנפוצה ביותר לטווחים קטנים יותר היא כדלקמן:

נוֹטָרִיקוֹן אֹרֶך גַל אנרגיית פוטון מאפיין
כמעט אינפרא אדום, NIR 0.75-1.4 מיקרומטר 0.9-1.7 eV ליד IR, מוגבל מצד אחד על ידי אור נראה, מצד שני - על ידי שקיפות מים, שמתדרדרת באופן משמעותי ב-1.45 מיקרומטר. בטווח זה פועלים נוריות אינפרא אדום ולייזרים עבור סיבים ומערכות תקשורת אופטיות מוטסות. גם מצלמות וידאו ומכשירי ראיית לילה המבוססים על שפופרות מעצימות תמונה רגישות בטווח הזה.
אינפרא אדום באורך גל קצר, SWIR 1.4-3 מיקרומטר 0.4-0.9 eV בליעת קרינה אלקטרומגנטית על ידי מים עולה משמעותית ב-1450 ננומטר. טווח 1530-1560 ננומטר שולט באזור למרחקים ארוכים.
אינפרא אדום באורך גל בינוני, MWIR 3-8 מיקרומטר 150-400 meV בטווח הזה, גופים שחוממו לכמה מאות מעלות צלזיוס מתחילים להקרין. בטווח זה, איתור ראשים תרמיים של מערכות הגנה אווירית ומצלמים תרמיים טכניים הם רגישים.
אינפרא אדום באורך גל ארוך, LWIR 8-15 מיקרומטר 80-150 meV בטווח הזה, גופים עם טמפרטורות סביב אפס מעלות צלזיוס מתחילים להקרין. בטווח זה, מצלמים תרמיים למכשירי ראיית לילה הם רגישים.
אינפרא אדום רחוק, FIR 15 - 1000 מיקרומטר 1.2-80 meV

ערכת CIE

הוועדה הבינלאומית לתאורה נציבות בינלאומית על תאורה ) ממליץ לחלק את קרינת האינפרא אדום לשלוש הקבוצות הבאות:

  • IR-A: 700 ננומטר - 1400 ננומטר (0.7 מיקרומטר - 1.4 מיקרומטר)
  • IR-B: 1400 ננומטר - 3000 ננומטר (1.4 מיקרומטר - 3 מיקרומטר)
  • IR-C: 3000 ננומטר - 1 מ"מ (3 מיקרומטר - 1000 מיקרומטר)

סכימת ISO 20473

קרינה תרמית

קרינה תרמית או קרינה היא העברת אנרגיה מגוף אחד למשנהו בצורה של גלים אלקטרומגנטיים הנפלטים על ידי גופים בשל האנרגיה הפנימית שלהם. קרינה תרמית נמצאת בעיקר באזור האינפרא אדום של הספקטרום מ-0.74 מיקרון עד 1000 מיקרון. תכונה ייחודית של העברת חום קורנת היא שהיא יכולה להתבצע בין גופים הממוקמים לא רק בכל מדיום, אלא גם בוואקום. דוגמה לקרינה תרמית היא אור ממנורת ליבון. כוח הקרינה התרמית של עצם העומד בקריטריונים של גוף שחור לחלוטין מתואר בחוק סטפן-בולצמן. היחס בין יכולות הקרינה והספיגה של גופים מתואר על ידי חוק הקרינה קירכהוף. קרינה תרמית היא אחד משלושת הסוגים היסודיים של העברת אנרגיה תרמית (בנוסף למוליכות תרמית ולהסעה). קרינת שיווי משקל היא קרינה תרמית שנמצאת בשיווי משקל תרמודינמי עם החומר.

יישום

מכשיר לראיית לילה

ישנן מספר דרכים לדמיין תמונה אינפרא אדום בלתי נראית:

  • מצלמות וידאו מודרניות מוליכים למחצה רגישות באינפרא אדום הקרוב. כדי למנוע שגיאות צבע, מצלמות וידאו ביתיות רגילות מצוידות בפילטר מיוחד שמנתק את תמונת ה-IR. למצלמות למערכות אבטחה, ככלל, אין מסנן כזה. עם זאת, בלילה אין מקורות טבעיים של קרוב ל-IR, כך שללא תאורה מלאכותית (לדוגמה, נוריות אינפרא אדום), מצלמות כאלה לא יראו דבר.
  • שפופרת מעצימת תמונה - מכשיר פוטואלקטרוניק ואקום המגביר אור בספקטרום הנראה ובקרב אינפרא אדום. יש לו רגישות גבוהה והוא מסוגל לתת תמונה בתאורה נמוכה מאוד. מבחינה היסטורית הם מכשירי ראיית הלילה הראשונים, בשימוש נרחב וכיום במכשירי ראיית לילה זולים. מכיוון שהם עובדים רק ב-IR הקרוב, הם, כמו מצלמות וידאו מוליכים למחצה, דורשות תאורה.
  • בולומטר - חיישן תרמי. בולומטרים למערכות ראייה טכניות ומכשירי ראיית לילה רגישים בטווח אורכי גל של 3..14 מיקרון (אמצע IR), המתאים לקרינת גופים מחוממים מ-500 ל-50 מעלות צלזיוס. לפיכך, מכשירים בולומטריים אינם דורשים תאורה חיצונית, רישום קרינת העצמים עצמם ויצירת תמונה של הפרש הטמפרטורה.

תרמוגרפיה

תרמוגרפיה אינפרא אדום, תמונה תרמית או וידיאו תרמי, היא דרך מדעית לקבלת תרמוגרמה - תמונה בקרני אינפרא אדום המציגה תמונה של התפלגות שדות הטמפרטורה. מצלמות תרמוגרפיות או צילום תרמי מזהות קרינה בטווח האינפרא אדום של הספקטרום האלקטרומגנטי (כ-900-14000 ננומטר או 0.9-14 מיקרומטר) ועל סמך קרינה זו יוצרות תמונות המאפשרות לקבוע מקומות שחוממו יתר על המידה או מקומות מקוררים. מכיוון שקרינת אינפרא אדום נפלטת מכל העצמים שיש להם טמפרטורה, לפי הנוסחה של פלאנק לקרינת גוף שחור, התרמוגרפיה מאפשרת "לראות" את הסביבה עם או בלי אור נראה. כמות הקרינה הנפלטת מעצם גדלה ככל שהטמפרטורה שלו עולה, ולכן התרמוגרפיה מאפשרת לנו לראות הבדלי טמפרטורה. כאשר אנו מסתכלים דרך תמונה תרמית, עצמים חמים נראים טוב יותר מאלה שמקוררים לטמפרטורת הסביבה; בני אדם ובעלי חיים בעלי דם חם נראים בקלות רבה יותר בסביבה, הן ביום והן בלילה. כתוצאה מכך, ניתן לייחס את קידום השימוש בתרמוגרפיה לשירותי הצבא והביטחון.

ביות אינפרא אדום

ראש בות אינפרא אדום - ראש בות הפועל על עיקרון לכידת גלי אינפרא אדום הנפלטים ממטרה שנלכדה. זהו מכשיר אופטי-אלקטרוני שנועד לזהות מטרה על רקע הסביבה ולהנפיק אות לכידה למכשיר ראייה אוטומטי (APU), כמו גם למדוד ולהנפיק אות של מהירות הזווית של קו הראייה ל- טייס אוטומטי.

דוד אינפרא אדום

העברת נתונים

התפשטותם של נוריות אינפרא אדום, לייזרים ופוטודיודות אפשרה ליצור שיטת העברת נתונים אופטית אלחוטית המבוססת עליהם. בטכנולוגיית המחשוב משתמשים בו לרוב לחיבור מחשבים עם מכשירים היקפיים (ממשק IrDA), בניגוד לערוץ הרדיו, ערוץ האינפרא אדום אינו רגיש להפרעות אלקטרומגנטיות, וזה מאפשר שימוש בתנאים תעשייתיים. החסרונות של ערוץ האינפרא אדום כוללים את הצורך בחלונות אופטיים על הציוד, כיוון יחסי נכון של מכשירים, קצבי שידור נמוכים (בדרך כלל אינו עולה על 5-10 Mbps, אך אפשריים קצבים גבוהים משמעותית בשימוש בלייזרי אינפרא אדום). בנוסף, לא מובטחת סודיות העברת המידע. בתנאי קו ראייה, ערוץ אינפרא אדום יכול לספק תקשורת למרחקים של מספר קילומטרים, אך הוא נוח ביותר לחיבור מחשבים הממוקמים באותו חדר, כאשר השתקפויות מקירות החדר מספקות חיבור יציב ואמין. הטופולוגיה הטבעית ביותר כאן היא ה"אוטובוס" (כלומר, האות המשודר מתקבל בו זמנית על ידי כל המנויים). לא ניתן היה לעשות שימוש נרחב בערוץ האינפרא אדום, הוא הוחלף בערוץ הרדיו.

קרינה תרמית משמשת גם לקליטת אותות אזהרה.

שלט רחוק

דיודות אינפרא אדום ופוטודיודות נמצאות בשימוש נרחב בלוחות שלט רחוק, מערכות אוטומציה, מערכות אבטחה, כמה טלפונים ניידים (יציאת אינפרא אדום) וכו'. קרני אינפרא אדום אינן מסיטות את תשומת ליבו של אדם בשל אי נראותן.

מעניין שקרינת האינפרה האדומה של שלט רחוק ביתי נקלטת בקלות באמצעות מצלמה דיגיטלית.

תרופה

קרינת האינפרה האדומה הנפוצה ביותר ברפואה נמצאת בחיישני זרימת דם שונים (PPG).

מדי דופק נרחבים (HR, HR - Heart Rate) וריווי חמצן בדם (Sp02) משתמשים בנורות LED קרינה ירוקות (לדופק) ואדומות ואינפרא אדום (עבור SpO2).

קרינת לייזר אינפרא אדום משמשת בטכניקת DLS (Digital Light Scattering) כדי לקבוע את קצב הדופק ומאפייני זרימת הדם.

קרני אינפרא אדום משמשות בפיזיותרפיה.

השפעת קרינת אינפרא אדום ארוכת גלים:

  • גירוי ושיפור זרימת הדם בחשיפה לקרינת אינפרא אדום ארוכת גלים על העור, קולטני העור מגורים ובשל תגובת ההיפותלמוס, השרירים החלקים של כלי הדם נרגעים, כתוצאה מכך, הכלים מתרחבים.
  • שיפור תהליכים מטבוליים. ההשפעה התרמית של קרינת אינפרא אדום מעוררת פעילות ברמה התאית, משפרת את תהליכי הוויסות העצבי ומטבוליזם.

עיקור מזון

בעזרת קרינת אינפרא אדומה מעקרים מוצרי מזון לצורך חיטוי.

תעשיית המזון

תכונה של השימוש בקרינה אינפרא אדומה בתעשיית המזון היא האפשרות של חדירת גל אלקטרומגנטי למוצרים נקבוביים נימיים כגון דגנים, דגנים, קמח וכו' לעומק של עד 7 מ"מ. ערך זה תלוי באופי המשטח, במבנה, בתכונות החומר ובתגובת התדר של הקרינה. לגל אלקטרומגנטי בטווח תדרים מסוים יש לא רק השפעה תרמית, אלא גם ביולוגית על המוצר, עוזר להאיץ טרנספורמציות ביוכימיות בפולימרים ביולוגיים (

קרינה אינפרא - אדומה (IR) היא קרינה אלקטרומגנטית בעלת אורך גל ארוך יותר מהאור הנראה, המשתרעת מהקצה האדום הנומינלי של הספקטרום הנראה ב-0.74 מיקרון (מיקרון) עד 300 מיקרון. טווח אורכי גל זה מתאים לטווח תדרים של 1 עד 400 THz בקירוב, וכולל את רוב הקרינה התרמית הנפלטת מעצמים בקרבת טמפרטורת החדר. קרינת אינפרא אדומה נפלטת או נספגת על ידי מולקולות כאשר הן משנות את תנועות הסיבוב-רטט שלהן. נוכחותה של קרינת אינפרא אדום התגלתה לראשונה בשנת 1800 על ידי האסטרונום ויליאם הרשל.


רוב האנרגיה מהשמש מגיעה לכדור הארץ בצורה של קרינה אינפרא אדומה. אור השמש בשיאה מספק תאורה של קצת יותר מ-1 קילוואט למ"ר מעל פני הים. מתוך אנרגיה זו, 527 וואט היא קרינת אינפרא אדום, 445 וואט הוא אור נראה, ו-32 וואט היא קרינה אולטרה סגולה.

אור אינפרא אדום משמש ביישומים תעשייתיים, מדעיים ורפואיים. מכשירי ראיית לילה המשתמשים באור אינפרא אדום מאפשרים לאנשים לצפות בבעלי חיים שלא ניתן לראותם בחושך. באסטרונומיה, הדמיית אינפרא אדום מאפשרת לצפות בעצמים המוסתרים על ידי אבק בין כוכבי. מצלמות אינפרא אדום משמשות לאיתור אובדן חום במערכות מבודדות, לצפות בשינויים בזרימת הדם בעור ולזהות התחממות יתר של ציוד חשמלי.

השוואה קלה

שֵׁם

אֹרֶך גַל

תדר הרץ)

אנרגיית פוטון (eV)



קרני גמא

פחות מ-0.01 ננומטר

יותר מ-10 EHZ

124 keV - 300 + GeV



צילומי רנטגן

0.01 ננומטר עד 10 ננומטר

124 eV עד 124 keV



קרניים אולטרא - סגולות

10 ננומטר - 380 ננומטר

30PHZ - 790THz

3.3 eV עד 124 eV



אור נראה

380 ננומטר - 750 ננומטר

790 THz - 405 THz

1.7 eV - 3.3 eV



קרינה אינפרא - אדומה

750 ננומטר - 1 מ"מ

405 THz - 300 GHz

1.24 meV - 1.7 eV



מיקרוגל

1 מ"מ - 1 מטר

300 גיגה-הרץ - 300 מגה-הרץ

1.24 µeV - 1.24 meV



1 מ"מ - 100 ק"מ

300 גיגה-הרץ - 3 הרץ

12.4 Fev - 1.24 meV



תמונות אינפרא אדום נמצאות בשימוש נרחב למטרות צבאיות ואזרחיות. יישומים צבאיים כוללים מעקב, מעקב לילה, הדרכה ומעקב. יישומים שאינם צבאיים כוללים ניתוח יעילות תרמית, ניטור סביבתי, בדיקת מתקן תעשייתי, חישת טמפרטורה מרחוק, תקשורת אלחוטית לטווח קצר, ספקטרוסקופיה וחיזוי מזג אוויר. אסטרונומיה אינפרא אדום משתמשת בחיישן המצויד בטלסקופים כדי לחדור לאזורים מאובקים בחלל כמו עננים מולקולריים ולזהות עצמים כמו כוכבי לכת.

למרות שאזור האינפרא אדום הקרוב של הספקטרום (780-1000 ננומטר) נחשב זמן רב לבלתי אפשרי בגלל רעש בפיגמנטים חזותיים, התחושה של אור אינפרא אדום קרוב שרדה בקרפיונים ובשלושה מינים של ציקלידים. דגים משתמשים בספקטרום הקרוב לאינפרא אדום כדי ללכוד טרף ולהתמצאות פוטוטקטית בזמן שחייה. הספקטרום הקרוב לאינפרא אדום לדגים יכול להיות שימושי בתנאי תאורה חלשים בשעת בין ערביים ובמשטחי מים עכורים.

פוטומודולציה

אור אינפרא אדום קרוב, או פוטומודולציה, משמש לטיפול בכיבים הנגרמות על ידי כימותרפיה וכן בריפוי פצעים. ישנן מספר עבודות הקשורות לטיפול בנגיף ההרפס. פרויקטי מחקר כוללים עבודה על חקר מערכת העצבים המרכזית והשפעות טיפוליות באמצעות ויסות ציטוכרום ואוקסידאזים ומנגנונים אפשריים אחרים.

מפגע בריאותי

קרינת אינפרא אדום חזקה בתעשיות מסוימות ותנאי טמפרטורה גבוהים עלולה להזיק לעיניים, וכתוצאה מכך לנזק לראייה או לעיוורון למשתמש. מכיוון שהקרינה אינה נראית, יש צורך להרכיב משקפי אינפרא אדום מיוחדים במקומות כאלה.

כדור הארץ כפולט אינפרא אדום

פני השטח והעננים של כדור הארץ סופגים קרינה נראית ובלתי נראית מהשמש ומחזירים את רוב האנרגיה בצורה של קרינת אינפרא אדומה בחזרה לאטמוספירה. חומרים מסוימים באטמוספרה, בעיקר טיפות עננים ואדי מים, אך גם פחמן דו חמצני, מתאן, תחמוצת חנקן, הגופרית הקספלואוריד וכלורופלואורופחמן סופגים קרינה אינפרא אדומה ומחזירים אותה שוב לכל הכיוונים, כולל חזרה לכדור הארץ. לפיכך, אפקט החממה שומר על האטמוספירה ועל פני השטח הרבה יותר חמים מאשר אם לא היו בולמים אינפרא אדום באטמוספירה.

היסטוריה של מדע האינפרא אדום

גילוי קרינת אינפרא אדום מיוחס לוויליאם הרשל, אסטרונום, בתחילת המאה ה-19. הרשל פרסם את תוצאות המחקר שלו בשנת 1800 לחברה המלכותית של לונדון. הרשל השתמש במנסרה כדי לשבור אור מהשמש ולגלות קרינה אינפרא אדומה, מחוץ לחלק האדום של הספקטרום, באמצעות עלייה בטמפרטורה שנרשמה במדחום. הוא הופתע מהתוצאה וכינה אותן "קרני חום". המונח "קרינת אינפרא אדום" הופיע רק בסוף המאה ה-19.

תאריכים חשובים נוספים כוללים:

  • 1737: אמילי דו שאטלה חזה את מה שמכונה היום קרינה אינפרא אדומה בעבודת הדוקטורט שלו.
  • 1835: מקדוניו מגליוני מייצר את התרמופילים הראשונים עם גלאי אינפרא אדום.
  • 1860: גוסטב קירכהוף מנסח את משפט הגוף השחור.
  • 1873: ווילובי סמית גילה את הפוטומוליכות של סלניום.
  • 1879: ניסח באופן אמפירי את חוק סטפן-בולצמן, לפיו האנרגיה שמקרין גוף שחור לחלוטין היא פרופורציונלית.
  • שנות ה-80 וה-90: לורד ריילי ווילהלם ווין פותרים חלק ממשוואת הגוף השחור, אך שני הפתרונות הם משוערים. בעיה זו כונתה "קטסטרופה אולטרה סגול ואסון אינפרא אדום".
  • 1901: מקס פלאנק מקס פלאנק פרסם את משוואת הגוף השחור ואת המשפט. הוא פתר את בעיית הקוונטיזציה של מעברי אנרגיה קבילים.
  • 1905: אלברט איינשטיין מפתח את התיאוריה של האפקט הפוטואלקטרי, המגדירה פוטונים. גם ויליאם קובלנץ בספקטרוסקופיה ורדיומטריה.
  • 1917: תיאודור קייס מפתח את חיישן התליום גופרתי; הבריטים מפתחים את מכשיר החיפוש והמעקב האינפרא אדום הראשון במלחמת העולם הראשונה ומזהים מטוסים בטווח של 1 מייל.
  • 1935: מלחי עופרת - הדרכת רקטות מוקדמת במלחמת העולם השנייה.
  • 1938: Tew Ta חזה שניתן להשתמש באפקט הפירואלקטרי כדי לזהות קרינה אינפרא אדומה.
  • 1952: נ. וילקר מגלה אנטימונים, תרכובות של אנטימון עם מתכות.
  • 1950: מכשירי פול קרוז וטקסס יוצרים תמונות אינפרא אדום לפני 1955.
  • שנות ה-50 וה-60: מפרט ותת-חלוקות רדיומטריות שהוגדרו על ידי פרד ניקודמנאס, רוברט קלארק ג'ונס.
  • 1958: W. D. Lawson (Royal Radar Establishment, Malvern) מגלה את תכונות הזיהוי של פוטודיודה אינפראולוגית.
  • 1958: פלקון מפתחת רקטות באמצעות קרינת אינפרא אדום וספר הלימוד הראשון על חיישני אינפרא אדום מופיע על ידי פול קרוז, וחב'.
  • 1961: ג'יי קופר ממציא גילוי פירואלקטרי.
  • 1962: Kruse ו-Rodat מקדמים פוטודיודות; אלמנטים של אותות ומערכי קווים זמינים.
  • 1964: W.G. Evans מגלה קולטני תרמו אינפרא אדום בחיפושית.
  • 1965: מדריך אינפרא אדום ראשון, צילומי תרמית מסחריים ראשונים; מעבדת ראיית לילה הוקמה בצבא ארצות הברית של אמריקה (כיום מעבדה לבקרת ראיית לילה וחיישנים אלקטרוניים.
  • 1970: ווילארד בויל וג'ורג' אי סמית מציעים מכשיר מצמד מטען לטלפון ההדמיה.
  • 1972: נוצר מודול תוכנה גנרי.
  • 1978: אסטרונומיה של דימות אינפרא אדום מגיעה לגיל, מצפה כוכבים מתוכנן, ייצור המוני של אנטימונידים ופוטודיודות וחומרים אחרים.

קרני אינפרא אדום הן גלים אלקטרומגנטיים באזור הבלתי נראה של הספקטרום האלקטרומגנטי, שמתחיל מאחורי אור אדום נראה ומסתיים לפני קרינת מיקרוגל בין תדרים של 1012 ו-5∙1014 הרץ (או נמצא בטווח אורך גל של 1-750 ננומטר). השם בא מהמילה הלטינית infra ופירושו "מתחת לאדום".

השימוש בקרני אינפרא אדום הוא מגוון. הם משמשים להמחשת חפצים בחושך או בעשן, לחימום סאונות ולחימום כנפי מטוסים להסרת הקרח, בתקשורת מטווח קצר ובניתוח ספקטרוסקופי של תרכובות אורגניות.

פְּתִיחָה

קרני אינפרא אדום התגלו בשנת 1800 על ידי המוזיקאי הבריטי והאסטרונום החובב ויליאם הרשל יליד גרמניה. באמצעות מנסרה, הוא חילק את אור השמש למרכיבים המרכיבים אותו ורשם עלייה בטמפרטורה מעבר לחלק האדום של הספקטרום באמצעות מדחום.

קרינת IR וחום

קרינה אינפרא אדומה מכונה לעתים קרובות קרינה תרמית. עם זאת, יש לציין שזו רק התוצאה שלה. חום הוא מדד לאנרגיית התרגום (אנרגיית התנועה) של האטומים והמולקולות של חומר. חיישני "טמפרטורה" אינם מודדים למעשה חום, אלא רק הבדלים בקרינת ה-IR של עצמים שונים.

מורים רבים לפיזיקה מייחסים באופן מסורתי את כל הקרינה התרמית של השמש לקרני אינפרא אדום. אבל זה לא כך. עם אור שמש גלוי מגיע 50% מכל החום, וגלים אלקטרומגנטיים בכל תדר בעוצמה מספקת יכולים לגרום לחימום. עם זאת, זה הוגן לומר שבטמפרטורת החדר, עצמים פולטים חום בעיקר ברצועת האינפרא אדום האמצעית.

קרינת IR נספגת ונפלטת על ידי סיבובים ורעידות של אטומים או קבוצות אטומים הקשורים כימית, ומכאן על ידי סוגים רבים של חומרים. לדוגמה, זכוכית לחלון שקופה לאור הנראה סופגת קרינת אינפרא אדום. קרני אינפרא אדום נספגות במידה רבה במים ובאטמוספרה. למרות שהם בלתי נראים לעין, ניתן להרגיש אותם על העור.

כדור הארץ כמקור לקרינה אינפרא אדומה

פני השטח של כוכב הלכת והעננים שלנו סופגים אנרגיית שמש, אשר רובה משתחרר לאטמוספירה בצורה של קרינת אינפרא אדומה. חומרים מסוימים בו, בעיקר אדי מים וטיפות, וכן מתאן, פחמן דו חמצני, תחמוצת חנקן, כלורופלואורופחמנים והקספלואוריד גופרית, סופגים באזור האינפרא אדום של הספקטרום ונפלטים מחדש לכל הכיוונים, כולל לכדור הארץ. לכן, בגלל אפקט החממה, האטמוספרה ופני השטח של כדור הארץ הרבה יותר חמים מאשר אם לא היו חומרים שסופגים קרני אינפרא אדום באוויר.

לקרינה זו תפקיד חשוב בהעברת חום והיא חלק בלתי נפרד ממה שנקרא אפקט החממה. בקנה מידה עולמי, השפעת קרני האינפרה-אדום משתרעת על מאזן הקרינה של כדור הארץ ומשפיעה כמעט על כל הפעילות הביוספרית. כמעט כל עצם על פני הכוכב שלנו פולט קרינה אלקטרומגנטית בעיקר בחלק זה של הספקטרום.

אזורי IR

טווח ה-IR מחולק לרוב לחלקים צרים יותר של הספקטרום. מכון התקנים הגרמני DIN הגדיר את טווחי אורכי הגל האינפרא אדום הבאים:

  • קרוב (0.75-1.4 מיקרומטר), בשימוש נפוץ בתקשורת סיבים אופטיים;
  • גל קצר (1.4-3 מיקרון), החל ממנו קליטת קרינת IR על ידי מים עולה באופן משמעותי;
  • גל בינוני, הנקרא גם ביניים (3-8 מיקרון);
  • גל ארוך (8-15 מיקרון);
  • רחוק (15-1000 מיקרון).

עם זאת, ערכת סיווג זו אינה בשימוש אוניברסלי. לדוגמה, כמה מחקרים מצביעים על הטווחים הבאים: קרוב (0.75-5 מיקרון), בינוני (5-30 מיקרון) וארוך (30-1000 מיקרון). אורכי גל המשמשים בטלקומוניקציה מחולקים לרצועות נפרדות בשל המגבלות של גלאים, מגברים ומקורות.

הסימון הכללי מוצדק על ידי תגובות אנושיות לקרני אינפרא אדום. אזור האינפרא אדום הקרוב הוא הקרוב ביותר לאורך הגל הנראה לעין האנושית. קרינת אינפרא אדום בינונית ורחוקה מתרחקת בהדרגה מהחלק הגלוי של הספקטרום. הגדרות אחרות עוקבות אחר מנגנונים פיזיקליים שונים (כגון פסגות פליטה וספיגת מים), והחדשות ביותר מבוססות על רגישות הגלאים המשמשים. לדוגמה, חיישני סיליקון קונבנציונליים רגישים באזור של כ-1050 ננומטר, ואינדיום-גליום ארסניד - בטווח שבין 950 ננומטר ל-1700 ו-2200 ננומטר.

גבול ברור בין אינפרא אדום לאור נראה אינו מוגדר. העין האנושית פחות רגישה משמעותית לאור אדום העולה על 700 ננומטר, אולם ניתן לראות אור עז (לייזר) עד כ-780 ננומטר. תחילתו של טווח ה-IR מוגדר באופן שונה בתקנים שונים - איפשהו בין הערכים הללו. בדרך כלל זה 750 ננומטר. לכן, קרני אינפרא אדום גלויות אפשריות בטווח של 750-780 ננומטר.

ייעודים במערכות תקשורת

תקשורת אופטית באזור האינפרא אדום הקרוב מחולקת מבחינה טכנית למספר פסי תדרים. הדבר נובע ממקורות אור שונים, חומרים סופגים ומשדרים (סיבים) וגלאים. אלו כוללים:

  • O-band 1.260-1.360 ננומטר.
  • פס אלקטרוני 1.360-1.460 ננומטר.
  • S-band 1.460-1.530 ננומטר.
  • פס C 1.530-1.565 ננומטר.
  • פס L 1.565-1.625 ננומטר.
  • U-band 1.625-1.675 ננומטר.

תרמוגרפיה

תרמוגרפיה, או הדמיה תרמית, היא סוג של הדמיה אינפרא אדום של עצמים. מכיוון שכל הגופים מקרינים בטווח ה-IR, ועוצמת הקרינה עולה עם הטמפרטורה, ניתן להשתמש במצלמות מיוחדות עם חיישני IR כדי לזהות אותה ולצלם. במקרה של עצמים חמים מאוד באזור האינפרא אדום הקרוב או הנראה, טכניקה זו נקראת פירומטריה.

התרמוגרפיה אינה תלויה בהארת האור הנראה. לכן אפשר "לראות" את הסביבה גם בחושך. בפרט, עצמים חמים, כולל בני אדם וחיות דם חם, בולטים היטב על רקע קר יותר. צילום אינפרא אדום של נוף משפר את העיבוד של אובייקטים בהתבסס על תפוקת החום שלהם: שמיים כחולים ומים נראים כמעט שחורים, בעוד שעלווה ירוקה ועור נראים בהירים.

מבחינה היסטורית, תרמוגרפיה הייתה בשימוש נרחב על ידי הצבא ושירותי הביטחון. בנוסף, הוא מוצא שימושים רבים אחרים. לדוגמה, כבאים משתמשים בו כדי לראות מבעד לעשן, למצוא אנשים ולאתר נקודות חמות בזמן שריפה. תרמוגרפיה יכולה לחשוף גדילה לא תקינה של רקמות ופגמים במערכות ובמעגלים אלקטרוניים עקב ייצור החום המוגבר שלהם. חשמלאים המתחזקים קווי חשמל יכולים לזהות חיבורים וחלקים שהתחממו יתר על המידה, המעידים על תקלה, ולבטל סכנות אפשריות. כאשר בידוד תרמי נכשל, אנשי מקצוע בתחום הבנייה יכולים לראות דליפות חום ולשפר את היעילות של מערכות קירור או חימום. בחלק מכלי רכב יוקרתיים, מותקנים צילומי תמונות תרמיות כדי לסייע לנהג. הדמיה תרמוגרפית יכולה לשמש כדי לנטר תגובות פיזיולוגיות מסוימות בבני אדם ובבעלי חיים בעלי דם חם.

המראה ודרך הפעולה של מצלמה תרמית מודרנית אינם שונים מאלה של מצלמת וידאו קונבנציונלית. היכולת לראות באינפרא אדום היא תכונה כל כך שימושית שהיכולת להקליט תמונות היא לרוב אופציונלית ולא תמיד מקליט זמין.

תמונות אחרות

בצילום IR, הטווח הקרוב לאינפרא אדום נקלט באמצעות מסננים מיוחדים. מצלמות דיגיטליות נוטות לחסום קרינת IR. עם זאת, מצלמות זולות שאין להן מסננים מתאימים מסוגלות "לראות" בטווח הקרוב ל-IR. במקרה זה, אור בלתי נראה בדרך כלל נראה לבן בוהק. הדבר בולט במיוחד בעת צילום ליד עצמים אינפרא אדום מוארים (כגון מנורות), כאשר הרעש שנוצר גורם לתמונה לדהות.

ראוי להזכיר גם הדמיית T-beam, שהיא הדמיה בטווח הטרה-הרץ הרחוק. היעדר מקורות בהירים הופך את התמונות הללו לקשות יותר מבחינה טכנית מרוב טכניקות הדמיה IR אחרות.

לדים ולייזרים

מקורות מעשה ידי אדם לקרינה אינפרא אדומה כוללים, בנוסף לחפצים חמים, נורות לד ולייזרים. הראשונים הם מכשירים אופטו-אלקטרוניים קטנים ולא יקרים העשויים מחומרים מוליכים למחצה כמו גליום ארסניד. הם משמשים כמבודדים אופטיים וכמקורות אור בחלק ממערכות תקשורת סיבים אופטיים. לייזרים IR חזקים שאובים אופטית פועלים על בסיס פחמן דו חמצני ופחמן חד חמצני. הם משמשים כדי ליזום ולשנות תגובות כימיות והפרדת איזוטופים. בנוסף, הם משמשים במערכות לידר לקביעת המרחק לאובייקט. כמו כן, נעשה שימוש במקורות של קרינת אינפרא אדום במדדי טווח של מצלמות אוטומטיות למיקוד עצמי, אזעקות פריצה ומכשירי ראיית לילה אופטיים.

מקלטי IR

גלאי IR כוללים התקנים רגישים לתרמיים כגון גלאי צמד תרמי, בולומטרים (חלקם מקוררים עד קרוב לאפס מוחלט כדי להפחית הפרעות מהגלאי עצמו), תאים פוטו-וולטאיים ופוטו-מוליכים. האחרונים עשויים מחומרים מוליכים למחצה (למשל סיליקון ועופרת גופרית), שמוליכותם החשמלית עולה בחשיפה לקרני אינפרא אדום.

הַסָקָה

קרינת אינפרא אדום משמשת לחימום, כגון חימום סאונות והסרת הקרח של כנפי מטוסים. בנוסף, הוא משמש יותר ויותר להמסת אספלט במהלך סלילת כבישים חדשים או תיקון אזורים פגומים. ניתן להשתמש בקרינת IR בבישול וחימום מזון.

חיבור

אורכי גל IR משמשים להעברת נתונים למרחקים קצרים, כגון בין ציוד היקפי למחשב ועוזרים דיגיטליים אישיים. מכשירים אלו בדרך כלל עומדים בתקני IrDA.

תקשורת IR משמשת בדרך כלל בתוך הבית באזורים עם צפיפות אוכלוסין גבוהה. זוהי הדרך הנפוצה ביותר לשלוט במכשירים מרחוק. התכונות של קרני אינפרא אדום אינן מאפשרות להן לחדור לקירות, ולכן הן אינן מקיימות אינטראקציה עם מכשירי חשמל בחדרים סמוכים. בנוסף, לייזרים IR משמשים כמקורות אור במערכות תקשורת סיבים אופטיים.

ספקטרוסקופיה

ספקטרוסקופיה של קרינה אינפרא אדומה היא טכנולוגיה המשמשת לקביעת המבנים וההרכבים של תרכובות אורגניות (בעיקר) על ידי חקר העברת קרינת אינפרא אדום דרך דגימות. הוא מבוסס על התכונות של חומרים לקלוט חלק מהתדרים שלו, התלויים במתיחה ובכיפוף בתוך המולקולות של הדגימה.

מאפייני הקליטה והפליטה באינפרא אדום של מולקולות וחומרים מספקים מידע חשוב על הגודל, הצורה והקשר הכימי של מולקולות, אטומים ויונים במוצקים. האנרגיות של סיבוב ורטט מקומתות בכל המערכות. קרינת IR של אנרגיה hν, הנפלטת או נספגת על ידי מולקולה או חומר נתון, היא מדד להפרש של כמה מצבי אנרגיה פנימיים. הם, בתורם, נקבעים על ידי משקל אטומי וקשרים מולקולריים. מסיבה זו, ספקטרוסקופיה אינפרא אדום היא כלי רב עוצמה לקביעת המבנה הפנימי של מולקולות וחומרים, או, כאשר מידע כזה כבר ידוע ומסומן בטבלה, כמויותיהם. טכניקות ספקטרוסקופיה אינפראולוגיות משמשות לעתים קרובות כדי לקבוע את ההרכב, ולפיכך את מקורם וגילם, של דגימות ארכיאולוגיות, כמו גם כדי לזהות זיופים של אמנות ופריטים אחרים, כאשר צופים באור גלוי, דומים למקורות.

היתרונות והנזקים של קרני אינפרא אדום

קרינה אינפרא אדום גלית ארוכה משמשת ברפואה למטרות:

  • נורמליזציה של לחץ הדם על ידי גירוי זרימת הדם;
  • ניקוי הגוף ממלחים של מתכות כבדות ורעלים;
  • לשפר את זרימת הדם של המוח והזיכרון;
  • נורמליזציה של רמות הורמונליות;
  • שמירה על איזון מים-מלח;
  • הגבלת התפשטות פטריות וחיידקים;
  • הַרדָמָה;
  • להקל על דלקת;
  • חיזוק חסינות.

יחד עם זאת, קרינה אינפרא אדומה עלולה להזיק במקרה של מחלות מוגלתיות חריפות, דימומים, דלקות חריפות, מחלות דם וגידולים ממאירים. חשיפה ממושכת בלתי מבוקרת מובילה לאדמומיות של העור, כוויות, דרמטיטיס, מכת חום. קרני אינפרא אדום עם גלים קצרים מסוכנות לעיניים - התפתחות של פוטופוביה, קטרקט, ליקוי ראייה אפשרי. לכן, יש להשתמש רק במקורות של קרינה ארוכת גלים לחימום.

מבוא

חוסר השלמות של טבעו שלו, שפיצוי על ידי גמישות האינטלקט, דחף אדם כל הזמן לחפש. הרצון לעוף כמו ציפור, לשחות כמו דג, או, נניח, לראות בלילה כמו חתול, התגלם במציאות עם השגת הידע והטכנולוגיה הנדרשים. המחקר המדעי נבנה לרוב על ידי צורכי הפעילות הצבאית, והתוצאות נקבעו על פי הרמה הטכנולוגית הקיימת.

הרחבת טווח הראייה להמחשת מידע שאינו נגיש לעין היא אחת המשימות הקשות ביותר, שכן היא דורשת הכשרה מדעית רצינית ובסיס טכני וכלכלי משמעותי. התוצאות המוצלחות הראשונות בכיוון זה הושגו בשנות ה-30. בעיית התצפית בתנאי תאורה חלשים קיבלה רלוונטיות מיוחדת במהלך מלחמת העולם השנייה.

מטבע הדברים, המאמצים שהושקעו בכיוון זה הובילו להתקדמות במחקר מדעי, רפואה, טכנולוגיית תקשורת ותחומים נוספים.

פיזיקה של קרינת אינפרא אדום

קרינה אינפרא - אדומה- קרינה אלקטרומגנטית התופסת את האזור הספקטרלי בין הקצה האדום של האור הנראה (בעל אורך גל (= מ') ופליטת רדיו גלי קצר (= מ'). קרינת אינפרא אדומה התגלתה בשנת 1800 על ידי המדען האנגלי W. Herschel. 123 שנים לאחר מכן. בגילוי קרינת אינפרא אדום, הפיזיקאי הסובייטי א.א. גלגולבה-ארקאדייבה קיבל גלי רדיו באורך גל של כ-80 מיקרון, כלומר ממוקמים בטווח אורכי גל אינפרא אדום. זה הוכיח שאור, קרני אינפרא אדום וגלי רדיו הם מאותו אופי, כל אלה הם רק סוגים של גלים אלקטרומגנטיים רגילים.

קרינה אינפרא אדומה נקראת גם קרינה "תרמית", שכן כל הגופים, מוצקים ונוזליים, מחוממים לטמפרטורה מסוימת, מקרינים אנרגיה בספקטרום האינפרא אדום.

מקורות IR

מקורות עיקריים לקרינת IR של כמה אובייקטים

קרינת אינפרא אדום מטילים בליסטיים וחפצי חלל

קרינת אינפרא אדום של מטוסים

קרינת אינפרא אדומה מאוניות שטח

לפיד צועד

מנוע, שהוא זרם של גזים בוערים הנושא חלקיקים מוצקים מרחפים של אפר ופיח, הנוצרים במהלך שריפה של דלק רקטי.

גוף רקטה.

כדור הארץ המשקף חלק מקרני השמש שפוגעות בו.

כדור הארץ עצמו.

קרינה מהשמש, כדור הארץ, הירח ומקורות אחרים המוחזרת ממסגרת המטוס.

קרינה עצמית של צינור ההארכה והזרבובית של מנוע טורבו-סילון או צינורות פליטה של ​​מנועי הדדיות.

קרינה תרמית משלו של סילון גז הפליטה.

קרינה תרמית משלו של עור המטוס, המתרחשת עקב חימום אווירודינמי במהלך טיסה במהירות גבוהה.

מעטפת ארובה.

פְּלִיטָה

חור בארובה

מאפיינים עיקריים של קרינת IR

1. עובר דרך כמה גופים אטומים, גם דרך גשם,

אובך, שלג.

2. מייצר אפקט כימי על לוחות צילום.

3. נספג בחומר, מחמם אותו.

4. גורם לאפקט פוטו-אלקטרי פנימי בגרמניום.

5. בלתי נראה.

6. מסוגל לתופעות של הפרעות ודיפרקציה.

7. הרשמה בשיטות תרמיות, פוטואלקטריות ו

צילום.

מאפייני IR

הנחתה מושתקפת פיזית

אובייקטים תרמיים IR קרינת IR כוללת IR

קרינת קרינה באטמוספירה רקע קרינה

מאפיינים

רָאשִׁי מושגים

קרינה תרמית משל גופים מחוממים

הרעיון הבסיסי הוא גוף שחור לחלוטין. גוף שחור לחלוטין הוא גוף הסופג את כל הקרינה הנכנסת עליו בכל אורך גל. התפלגות עוצמת הקרינה של גוף שחור (z / n Planck): , היכן היא הבהירות הספקטרלית של הקרינה בטמפרטורה T, היא אורך הגל במיקרונים, C1 ו-C2 הם מקדמים קבועים: C1 \u003d 1.19 * W * מיקרון * ס"מ * sr,

С2=1.44*מיקרומטר* מעלות. אורך גל מרבי (חוק וינה): כאשר T היא הטמפרטורה המוחלטת של הגוף.

צפיפות קרינה אינטגרלית - חוק סטפן - בולצמן:

קרינת IR המוחזרת על ידי עצמים

קרינת השמש המקסימלית, הקובעת את הרכיב המוחזר, מתאימה לאורכי גל קצרים מ-0.75 מיקרומטר, ו-98% מכלל אנרגיית קרינת השמש נופלת על האזור הספקטרלי עד 3 מיקרומטר. לעתים קרובות, אורך גל זה נחשב לגבול, המפריד בין המרכיבים המשתקפים (סולאריים) לבין המרכיבים הפנימיים של קרינת ה-IR של עצמים. לכן, ניתן להניח שבחלק הקרוב של ספקטרום ה-IR (עד 3 מיקרומטר) המרכיב המוחזר הוא מכריע והתפלגות הקרינה על עצמים תלויה בהתפלגות מקדם ההשתקפות והקרינה. עבור החלק הרחוק של ספקטרום ה-IR, הקרינה העצמית של עצמים היא הקובעת, והתפלגות הקרינה על שטחם תלויה בהתפלגות הפליטה והטמפרטורה.

בחלק האמצעי של ספקטרום ה-IR, יש לקחת בחשבון את כל ארבעת הפרמטרים.

הנחתה של קרינת IR באטמוספרה

בטווח אורך הגל ה-IR ישנם מספר חלונות שקיפות, והתלות של השידור האטמוספרי באורך הגל היא בעלת צורה מורכבת מאוד. הנחתה של קרינת IR נקבעת על ידי פסי הספיגה של אדי מים ורכיבי גז, בעיקר פחמן דו חמצני ואוזון, כמו גם תופעות של פיזור קרינה. ראה איור "קליטת IR".

מאפיינים פיזיים של רקע קרינת IR

לקרינת IR יש שני מרכיבים: קרינה תרמית משלה וקרינה מוחזרת (מפוזרת) מהשמש וממקורות חיצוניים אחרים. בטווח אורך הגל הקצר מ-3 מיקרומטר שולטת קרינת השמש המוחזרת והמפוזרת. בטווח אורכי גל זה, ככלל, ניתן להזניח את הקרינה התרמית הפנימית של הרקעים. להיפך, בטווח אורכי גל של יותר מ-4 מיקרומטר, הקרינה התרמית הפנימית של הרקעים שולטת, וניתן להזניח את קרינת השמש המשתקפת (המפוזרת). טווח אורכי הגל של 3-4 מיקרון הוא, כביכול, מעברי. בטווח זה, נצפה מינימום בולט של בהירות תצורות רקע.

קליטת IR

ספקטרום השידור האטמוספרי באזור האינפרא אדום הקרוב והבינוני (1.2-40 מיקרומטר) בגובה פני הים (עקומה התחתונה בגרפים) ובגובה של 4000 מ' (עקומה עליונה); בטווח התת-מילימטר (300-500 מיקרון), הקרינה אינה מגיעה לפני השטח של כדור הארץ.

השפעה על בני אדם

מאז ימי קדם, אנשים היו מודעים היטב לכוחו המועיל של חום או, במונחים מדעיים, קרינת אינפרא אדום.

בספקטרום האינפרא אדום ישנו אזור עם אורכי גל של כ-7 עד 14 מיקרון (מה שנקרא חלק אורך הגל הארוך של טווח האינפרא אדום), שיש לו השפעה מועילה ייחודית באמת על גוף האדם. חלק זה של קרינת האינפרא אדום מתאים לקרינת גוף האדם עצמו עם מקסימום באורך גל של כ-10 מיקרון. לכן, הגוף שלנו תופס כל קרינה חיצונית עם אורכי גל כמו "שלו". המקור הטבעי המפורסם ביותר של קרני אינפרא אדום על כדור הארץ שלנו הוא השמש, והמקור המלאכותי המפורסם ביותר של קרני אינפרא אדום ארוכות גל ברוסיה הוא התנור הרוסי, וכל אדם בהחלט חווה את ההשפעות המועילות שלהם. בישול מזון באמצעות גלי אינפרא אדום הופך את האוכל לטעים במיוחד, שומר על ויטמינים ומינרלים, ואין לו שום קשר לתנורי מיקרוגל.

על ידי השפעה על גוף האדם בחלק הארוך של הגלים של תחום האינפרא אדום, ניתן לקבל תופעה הנקראת "ספיגה תהודה", בה אנרגיה חיצונית תיספג באופן פעיל בגוף. כתוצאה מהשפעה זו, האנרגיה הפוטנציאלית של תא הגוף עולה, ומים לא קשורים עוזבים אותו, פעילותם של מבנים תאיים ספציפיים עולה, רמת האימונוגלובולינים עולה, פעילות האנזימים והאסטרוגנים עולה, ומתרחשות תגובות ביוכימיות אחרות. זה חל על כל סוגי תאי הגוף והדם.

תכונות של תמונות IR של אובייקטים

לתמונות אינפרא אדום יש חלוקה יוצאת דופן של ניגודים בין עצמים ידועים עבור המתבונן בשל התפלגות שונה של המאפיינים האופטיים של משטחי העצמים בטווח ה-IR בהשוואה לחלק הגלוי של הספקטרום. קרינת IR מאפשרת לזהות עצמים בתמונות IR שאינם נראים בתצלומים רגילים. אתה יכול לזהות אזורים של עצים ושיחים פגומים, כמו גם לחשוף את השימוש בצמחייה טרייה שנכרתה כדי להסוות חפצים. העברת הטונים השונה בתמונות הובילה ליצירת מה שנקרא צילום רב-אזורי, שבו אותו קטע של מישור העצמים מצולם בו זמנית באזורים שונים של הספקטרום על ידי מצלמה רב-אזורית.

תכונה נוספת של תמונות IR, האופיינית למפות תרמיות, היא שבנוסף לקרינה המוחזרת, היווצרותן כרוכה גם בקרינה פנימית, ובמקרים מסוימים רק היא לבדה. קרינה עצמית נקבעת על ידי הפליטות של משטחי העצמים והטמפרטורה שלהם. זה מאפשר לזהות במפות תרמיות משטחים מחוממים או אזורים שלהם שאינם נראים לחלוטין בצילומים, ולהשתמש בתמונות תרמיות כמקור מידע על מצב הטמפרטורה של עצם.

תמונות IR מספקות גם מידע על עצמים שאינם נמצאים עוד בזמן הצילום. כך, למשל, על פני האתר במגרש החניה של המטוס, הדיוקן התרמי שלו נשמר לזמן מה, שניתן להקליט בתמונת IR.

המאפיין הרביעי של מפות חום הוא האפשרות לרשום עצמים הן בהיעדר קרינה פוגעת והן בהיעדר הפרשי טמפרטורה; רק בשל הבדלים בפליטות המשטחים שלהם. תכונה זו מאפשרת לצפות בעצמים בחושך מוחלט ובתנאים כאלה כאשר הבדלי הטמפרטורה משתווים לבלתי מורגשים. בתנאים כאלה, משטחי מתכת לא צבועים עם פליטות נמוכה מזוהים בבירור במיוחד על רקע עצמים לא מתכתיים שנראים בהירים יותר ("כהים"), אם כי הטמפרטורות שלהם זהות.

מאפיין נוסף של מפות חום קשור לדינמיות של תהליכים תרמיים המתרחשים במהלך היום.בקשר למהלך היומי הטבעי של הטמפרטורות, כל העצמים על פני כדור הארץ משתתפים בתהליך חילופי חום מתמשך. יחד עם זאת, הטמפרטורה של כל גוף תלויה בתנאי העברת החום, התכונות הפיזיקליות של הסביבה, התכונות הפנימיות של עצם זה (קיבולת חום, מוליכות תרמית) וכו'. בהתאם לגורמים אלו, יחס הטמפרטורה של עצמים סמוכים משתנים במהלך היום, ולכן מפות חום המתקבלות בזמנים שונים אפילו מאותם עצמים שונות זו מזו.

יישום קרינת אינפרא אדום

במאה העשרים ואחת החלה הכנסת קרינת אינפרא אדומה לחיינו. כעת הוא מוצא יישום בתעשייה וברפואה, בחיי היומיום ובחקלאות. הוא רב תכליתי וניתן להשתמש בו למגוון רחב של מטרות. הם משמשים במדע משפטי, בפיזיותרפיה, בתעשייה לייבוש מוצרים צבועים, בניית קירות, עץ, פירות. קבל תמונות של עצמים בחושך, מכשירי ראיית לילה (משקפת לילה), ערפל.

מכשירי ראיית לילה - ההיסטוריה של הדורות

דור אפס

"כוס קנבס"

מערכות שלוש ושתי אלקטרודות

    פוטוקטודה

    יָדָה

  1. אלקטרודת מיקוד

אמצע שנות ה-30

מרכז המחקר של פיליפס, הולנד

בחוץ לארץ - זווריקין, פארנסבורד, מורטון ופון ארדן; בברית המועצות - G.A. גרינברג, א.א. ארטסמוביץ'

צינור מגביר תמונה זה היה מורכב משתי כוסות המקוננות זו בזו, שעל תחתיתן השטוחה הופקדו פוטו-קטודה וזרחן. המתח הגבוה המופעל על שכבות אלו נוצר

שדה אלקטרוסטטי המספק העברה ישירה של תמונה אלקטרונית מפוטוקתודה למסך עם זרחן. כשכבה רגישה לאור בזכוכית Holst, נעשה שימוש בפוטוקתודה של כסף-חמצן-צסיום, שהייתה לה רגישות נמוכה למדי, אם כי היא פעלה בטווח של עד 1.1 מיקרומטר. בנוסף, לפוטוקתודה זו הייתה רמת רעש גבוהה, שדרשה קירור למינוס 40 מעלות צלזיוס כדי לחסל אותה.

התקדמות האופטיקה האלקטרונית אפשרה להחליף העברת תמונה ישירה במיקוד בשדה אלקטרוסטטי. החיסרון הגדול ביותר של צינור מגביר תמונה עם העברת תמונה אלקטרוסטטית הוא ירידה חדה ברזולוציה ממרכז שדה הראייה לקצוות עקב אי-צירוף מקרים של תמונת האלקטרון העקמומית עם פוטו-קתודה שטוחה ומסך. כדי לפתור בעיה זו, החלו להפוך אותן לכדוריות, מה שסיבך משמעותית את עיצוב העדשות, המיועדות לרוב למשטחים שטוחים.

דור ראשון

צינורות מעצימים תמונה רב שלבים

ברית המועצות, מ.מ. בוטסלוב

חברות RCA, ITT (ארה"ב), פיליפס (הולנד)

עדשות פלנו-קעורות פותחו על בסיס לוחות סיבים אופטיים (FOP), שהם חבילה של נוריות LED רבות, והחלו להיות מותקנות במקום חלונות הקלט והפלט. התמונה האופטית המוקרנת על פני השטח השטוח של ה-FOP מועברת ללא עיוות לצד הקעור, מה שמבטיח צימוד של המשטחים השטוחים של הפוטוקתודה והמסך עם שדה אלקטרונים עקום. כתוצאה מהשימוש ב-VOP, הרזולוציה על פני כל שדה הראייה הפכה להיות זהה לזו שבמרכז.

דור שני

מגבר פליטה משני

משקפת פסאודו

1- פוטוקטודה

צלחת 3 מיקרו ערוצים

4- מסך

בשנות ה-70

חברות אמריקאיות

חברת "פרקסיטרוניק" (גרמניה)

אלמנט זה הוא מסננת עם תעלות מרווחות בקביעות בקוטר של כ-10 מיקרומטר ובעובי של לא יותר מ-1 מ"מ. מספר הערוצים שווה למספר רכיבי התמונה ויש לו סדר גודל של 10 6 . שני המשטחים של הצלחת המיקרו-ערוצית (MCP) מלוטשים ומתכתיים, ומתח של כמה מאות וולט מופעל ביניהם.

כשהוא נכנס לתעלה, האלקטרון חווה התנגשויות עם הקיר ומפיל אלקטרונים משניים. בשדה חשמלי מושך, תהליך זה חוזר על עצמו פעמים רבות, מה שמאפשר להשיג רווח NxlO של פי 4. כדי להשיג ערוצי MCP, נעשה שימוש בסיב אופטי בהרכב כימי הטרוגני.

פותחו שפופרות מעצימות תמונה עם MCPs בעיצוב דו-מישורי, כלומר ללא עדשה אלקטרוסטטית, מעין חזרה טכנולוגית לכוון, כמו ב"כוס הולסט", העברת תמונה. שפופרות מעצימות התמונה המיניאטוריות שהתקבלו איפשרו לפתח משקפי ראיית לילה (NVGs) של מערכת פסאודובינקולרית, שבה התמונה מצינור מגבר תמונה אחד מפוצלת לשתי עיניות באמצעות פריזמה מפיצה קרן. סיבוב התמונה כאן מתבצע בעדשות מיני נוספות.

דור שלישי

מגביר תמונה P + ו- SUPER II +

התחיל בשנות ה-70 לתקופתנו

בעיקר חברות אמריקאיות

פיתוח מדעי ארוך טווח וטכנולוגיית ייצור מורכבת, הקובעים את העלות הגבוהה של צינור מגביר התמונה מהדור השלישי, מפוצה על ידי הרגישות הגבוהה ביותר של הפוטוקתודה. הרגישות המשולבת של דגימות מסוימות מגיעה ל-2000 mA/W, התשואה הקוונטית (היחס בין מספר האלקטרונים הנפלטים למספר הקוונטים המתרחשים על הפוטוקתודה עם אורך גל באזור הרגישות המרבית) עולה על 30%! המשאב של צינורות מעצימים תמונה כאלה הוא כ-3,000 שעות, העלות היא בין 600 ל-900 דולר, תלוי בעיצוב.

מאפיינים עיקריים של התמונה

דורות מעצימים תמונה

סוג קתודה צילום

בלתי נפרד

רְגִישׁוּת,

רגישות ל

אורכי גל 830-850

לְהַשִׂיג,

במחיר סביר

טווח

הַכָּרָה

דמויות אנושיות ב

תנאים של תאורת לילה טבעית, מ

"כוס קנבס"

בערך 1, תאורת IR

רק תחת אור ירח או תאורת IR

Super II+ או II++

קרינה אינפרא אדומה - קרינה אלקטרומגנטית בטווח אורכי גל מבית מ'. כל גוף (גזי, נוזלי, מוצק) עם טמפרטורה מעל האפס המוחלט (-273 מעלות צלזיוס) יכול להיחשב כמקור לקרינת אינפרא אדום (IR). המנתח החזותי האנושי אינו קולט קרניים בטווח האינפרא אדום. לכן, סימני חשיפת מסיכה ספציפיים בטווח זה מתקבלים באמצעות מכשירים מיוחדים (ראיית לילה, צילומי חום) בעלי רזולוציה גרועה יותר מהעין האנושית. במקרה הכללי, תכונות הסרת המסכה של אובייקט בטווח ה-IR כוללים את הדברים הבאים: 1) מאפיינים גיאומטריים של מראה האובייקט (צורה, מידות, פרטי פני השטח); 2) טמפרטורת פני השטח. קרני אינפרא אדום בטוחות לחלוטין לגוף האדם, בניגוד לקרני רנטגן, אולטרה סגול או גלי מיקרו. אין אזור כזה שבו השיטה הטבעית של העברת חום לא תהיה שימושית. הרי כולם יודעים שאדם לא יכול להיות חכם יותר מהטבע, אנחנו יכולים רק לחקות אותו.

בִּיבּלִיוֹגְרָפִיָה

1. קורבאטוב ל.נ. תיאור קצר של ההיסטוריה של הפיתוח של מכשירי ראיית לילה המבוססים על ממירים אופטיים אלקטרוניים ומעצי תמונה / / Vopr. הֲגָנָה. טכניקות. סר. 11. - 1994

2. Koshchavtsev N.F., Volkov V.G. מכשירי ראיית לילה//Vopr. הֲגָנָה. טכניקות. סר. עמ' - 1993 - גיליון. 3 (138).

3. Lecomte J., קרינה אינפרא אדומה. מ.: 2002. 410 עמ'.

4. Men'shakov Yu.K., M51 הגנה על חפצים ומידע מאמצעי סיור טכניים. מ.: רוסית. מדינה. הומניטית. Ut, 2002. 399 עמ'.

קרינת גמא מייננת שָׂרִיד מְקוּדָשׁ סחיפה מגנטית שני פוטון ספּוֹנטָנִי כָּפוּי

קרינה אינפרא - אדומה- קרינה אלקטרומגנטית, התופסת את האזור הספקטרלי בין הקצה האדום של האור הנראה (עם אורך גל של λ = 0.74 מיקרומטר) לבין קרינת מיקרוגל (λ ~ 1-2 מ"מ).

התכונות האופטיות של חומרים בקרינה אינפרא אדומה שונות באופן משמעותי מתכונותיהם בקרינה הנראית לעין. לדוגמה, שכבת מים של מספר סנטימטרים אטומה לקרינה אינפרא אדומה עם λ = 1 מיקרומטר. קרינת אינפרא אדום מהווה את רוב הקרינה של מנורות ליבון, מנורות פריקת גז, כ-50% מקרינת השמש; חלק מהלייזרים פולטים קרינת אינפרא אדומה. כדי לרשום אותו, הם משתמשים במקלטים תרמיים ופוטואלקטריים, כמו גם בחומרי צילום מיוחדים.

כעת כל הטווח של קרינת אינפרא אדום מחולק לשלושה מרכיבים:

  • אזור גל קצר: λ = 0.74-2.5 מיקרומטר;
  • אזור גל בינוני: λ = 2.5-50 מיקרומטר;
  • אזור גל ארוך: λ = 50-2000 מיקרומטר;

לאחרונה, קצה אורך הגל הארוך של טווח זה הובחן לטווח נפרד ובלתי תלוי של גלים אלקטרומגנטיים - קרינת טרה-הרץ(קרינה תת-מילימטרית).

קרינה אינפרא אדומה נקראת גם קרינה "תרמית", שכן קרינת אינפרא אדומה מחפצים מחוממים נתפסת בעור האדם כתחושת חום. במקרה זה, אורכי הגל הנפלטים מהגוף תלויים בטמפרטורת החימום: ככל שהטמפרטורה גבוהה יותר, כך אורך הגל קצר יותר ועוצמת הקרינה גבוהה יותר. ספקטרום הקרינה של גוף שחור לחלוטין בטמפרטורות נמוכות יחסית (עד כמה אלפי קלווין) נמצא בעיקר בטווח הזה. קרינת אינפרא אדומה נפלטת על ידי אטומים או יונים נרגשים.

היסטוריה של גילוי ומאפיינים כלליים

קרינת אינפרא אדום התגלתה בשנת 1800 על ידי האסטרונום האנגלי W. Herschel. בהיותו עסוק בחקר השמש, חיפש הרשל דרך להפחית את החימום של המכשיר שבעזרתו בוצעו תצפיות. באמצעות מדי חום כדי לקבוע את ההשפעות של חלקים שונים של הספקטרום הנראה, מצא הרשל ש"החום המרבי" נמצא מאחורי הצבע האדום הרווי ואולי "מאחורי השבירה הנראית לעין". מחקר זה סימן את תחילת המחקר של קרינת אינפרא אדום.

בעבר, רק גופי ליבון או פריקות חשמליות בגזים שימשו כמקורות מעבדה לקרינת אינפרא אדום. כעת, על בסיס לייזרים של מצב מוצק וגז מולקולרי, נוצרו מקורות מודרניים של קרינה אינפרא אדומה עם תדר מתכוונן או קבוע. כדי לרשום קרינה באזור האינפרא אדום הקרוב (עד ~1.3 מיקרומטר), משתמשים בלוחות צילום מיוחדים. טווח רגישות רחב יותר (עד כ-25 מיקרון) קיים על ידי גלאים פוטו-אלקטריים ונגדי פוטו. קרינה באזור האינפרא אדום הרחוק נקלטת על ידי בולומטרים - גלאים רגישים לחימום על ידי קרינת אינפרא אדום.

ציוד IR נמצא בשימוש נרחב הן בטכנולוגיה צבאית (לדוגמה, להנחיית טילים) והן בטכנולוגיה אזרחית (לדוגמה, במערכות תקשורת סיבים אופטיים). אלמנטים אופטיים בספקטרומטרים IR הם עדשות ומנסרות, או רשתות עקיפה ומראות. כדי למנוע ספיגת קרינה באוויר, ספקטרומטרים רחוקים מיוצרים בגרסת ואקום.

מכיוון שספקטרום אינפרא אדום קשור לתנועות סיבוב ורטט במולקולה, כמו גם למעברים אלקטרוניים באטומים ומולקולות, ספקטרוסקופיה IR מספקת מידע חשוב על מבנה האטומים והמולקולות, כמו גם על מבנה הרצועה של גבישים.

יישום

תרופה

קרני אינפרא אדום משמשות בפיזיותרפיה.

שלט רחוק

דיודות אינפרא אדום ופוטודיודות נמצאות בשימוש נרחב בשלטים רחוקים, מערכות אוטומציה, מערכות אבטחה, חלק מהטלפונים הניידים (אינפרא אדום) וכו'. קרני אינפרא אדום אינן מסיטות את תשומת לבו של אדם בשל אי נראותן.

מעניין שקרינת האינפרה האדומה של שלט רחוק ביתי נקלטת בקלות באמצעות מצלמה דיגיטלית.

בעת ציור

פולטי אינפרא אדום משמשים בתעשייה לייבוש משטחי צבע. לשיטת הייבוש באינפרא אדום יתרונות משמעותיים על פני שיטת ההסעה המסורתית. קודם כל, מדובר כמובן באפקט כלכלי. המהירות והאנרגיה המושקעים בייבוש אינפרא אדום פחותים מאלה שבשיטות מסורתיות.

עיקור מזון

בעזרת קרינת אינפרא אדומה מעקרים מוצרי מזון לצורך חיטוי.

חומר נגד קורוזיה

קרני אינפרא אדום משמשות למניעת קורוזיה של משטחים מצופים בלכה.

תעשיית המזון

תכונה של השימוש בקרינה אינפרא אדומה בתעשיית המזון היא האפשרות של חדירת גל אלקטרומגנטי למוצרים נקבוביים נימיים כגון דגנים, דגנים, קמח וכו' לעומק של עד 7 מ"מ. ערך זה תלוי באופי המשטח, במבנה, בתכונות החומר ובתגובת התדר של הקרינה. לגל אלקטרומגנטי בטווח תדרים מסוים יש לא רק השפעה תרמית, אלא גם ביולוגית על המוצר, הוא עוזר להאיץ טרנספורמציות ביוכימיות בפולימרים ביולוגיים (עמילן, חלבון, שומנים). ניתן להשתמש בהצלחה במסועים לייבוש מסועים בהנחת תבואה באסנים ובתעשיית טחינת הקמח.

בנוסף, קרינת אינפרא אדום נמצאת בשימוש נרחב לחימום חדרים וחללים חיצוניים. תנורי אינפרא אדום משמשים לארגון חימום נוסף או ראשי בחצרים (בתים, דירות, משרדים וכו'), כמו גם לחימום מקומי של שטח חיצוני (בתי קפה ברחוב, גזיבו, מרפסות).

החיסרון הוא חוסר אחידות גדול יותר באופן משמעותי של חימום, אשר לחלוטין לא מקובל במספר תהליכים טכנולוגיים.

בודק כסף לאותנטיות

פולט האינפרא אדום משמש במכשירים לבדיקת כסף. מיושם על החשבון כאחד ממרכיבי האבטחה, דיו מטאמרי מיוחד ניתן לראות רק בטווח האינפרא אדום. גלאי מטבעות אינפרא אדום הם המכשירים נטולי השגיאות ביותר לבדיקת אותנטיות של כסף. הנחת תגי אינפרא אדום על שטרות, בניגוד לאלו האולטרה סגולים, היא יקרה לזייפנים ולכן אינה משתלמת מבחינה כלכלית. לכן, גלאי שטרות עם פולט IR מובנה, כיום, הם ההגנה האמינה ביותר מפני זיוף.

מפגע בריאותי

קרינת אינפרא אדום חזקה באזורי חום גבוה עלולה להיות מסוכנת לעיניים. זה מסוכן ביותר כאשר הקרינה אינה מלווה באור נראה. במקומות כאלה יש צורך להרכיב משקפי מגן מיוחדים לעיניים.

ראה גם

שיטות העברת חום אחרות

שיטות לרישום (הקלטה) ספקטרום IR.

הערות

קישורים