Інфрачервоне випромінювання. Довідник

ІЧ, інфрачервоні промені, випромінювання, електромагнітне випромінювання, яке займає спектр між червоним кінцем видимого світла (довжина хвилі l = 0,74 мкм) і короткохвильовим радіовипромінюванням (довжина хвилі l = 1-2мкм). Область спектра інфрачервоного випромінювання можна умовно розділити на три групи:

• далеку (50 – 2000мкм)
• середню (2,5-50мкм)
• ближню (0,74-2,5мкм)

Відповідно до системи розподілу ІЧ-випромінювання, виходячи з нормативів.

Міжнародної комісії з освітлення, промені діляться на три групи:

• Ближні ІЧ: 700 нм, 1400 нм (0,7 мкм – 1,4 мкм, 215 ТГц – 430 ТГц)
• Середні ІЧ: IR-B 1400 нм, 3000 нм (1,4 мкм – 3 мкм, 100 ТГц – 215 ТГц)
• Дальні ІЧ: IR-C 3000 нм-1 мм (3 мкм – 1000 мкм, 300 ГГц – 100 ТГц)

Інфрачервоні промені були відкриті в далекому 1800 році відомим вченим з Англії – В.Гершелем. Дослідник виявив, що температура термометра в невидимій частині призми сонячного спектра підвищується.

У дев’ятнадцятому столітті з’явилося відкриття про те, що інфрачервоні промені підкоряються законам оптики, а значить, мають одну і ту ж природу з видимим світлом. Радянський фізик А.А. Глаголєва-Аркадьева в 1923 році отримала радіохвилі, які відповідали інфрачервоному діапазону, тобто – l ~ 80 мкм. Це стало доказом безперервного переходу від видимого випромінювання до ІЧ-випромінювання і радіохвилях: всі ці явища мають електромагнітне походження.

У залежності від природи джерела спектр інфрачервоного випромінювання може бути безперервним або складатися з окремих смуг. Збуджені іони і атоми випускають інфрачервоні спектри лінійного виду. Наприклад, пари ртуті при електророзряді випускають ряд узколінейних хвиль 1,014-2,326 мкм, а атоми водню – лінії 0,95-7,40 мкм. Смугасті ІЧ-спектри з’являються в результаті коливань і обертань порушених молекул. У середній зоні ІЧ-випромінювання розташовані коливально-обертальні спектри, а в далекій – переважно обертальні.

Спектр випромінювання полум’я газу утворює смугу 2,7 мкм за рахунок молекул води і 4,2 мкм за рахунок молекул вуглекислого газу. Тверді і рідкі нагріті тіла випромінюють безперервний ІЧ-спектр. Широке тіло має досить широкий спектр випромінювання інфрачервоних хвиль. Низький температурний режим менш 800К випромінювання твердого нагрітого тіла розташоване в ІЧ-області, тому тіло здається темним. Чим більше підвищується температура випромінювання, тим більше стає теплова енергія: тіло стає темно-червоного кольору, потім жовтого, нарешті, білого.

Що стосується оптичних властивостей речовин – коефіцієнтів відбиття, заломлення, прозорості – в ІЧ-області спектра, то вони мають відмінності від оптичних особливостей ультрафіолетовій і видимій областей. Речовина, яка у видимій області здається прозорой, стає непрозорой в інфрачервоному випромінюванні або навпаки.

Наприклад, шар води завтовшки 1-2 см непрозорий в деяких областях інфрачервоного спектра l > 1 мкм, тому воду використовують в якості теплозахисного фільтра. Пластинки кремнію і германію в видимій області непрозорі, а в ІЧ-діапазоні стають прозорими l > 1,8 мкм для германію, l > 1,0 мкм для кремнію. У далекій ІЧ-області чорний папір прозорий. Прозорі для інфрачервоного спектра променів речовини, які одночасно непрозорі у видимій області – прекрасні світлофільтри для виділення інфрачервоного випромінювання. Використовуючи оптичні властивості речовин, виготовляють деталі для інфрачервоних пристроїв – призми, вікна, лінзи.

Скло є прозорим до 2,7 мкм, кварц – до ІЧ-випромінювання до 4,0 мкм, а йодистий цезій – до 55 мкм. Такі матеріали як парафін, тефлон, алмаз, поліетилен є прозорими для довжини ІЧ-хвиль l > 100 мкм. Відбивна здатність металів для ІЧ-спектра більше, ніж для видимого світла. Зі збільшенням довжини хвиль металооптика зростає. Припустимо, коефіцієнт відображення Al, Au, Ag, Cu при l = 10 мкм досягає 98%.

 

Проходячи через земну атмосферу, інтенсивність інфрачервоного випромінювання слабшає. В результаті розсіювання і поглинання сила хвиль зменшується. Вуглекислий газ, озон і інші атмосферні домішки селективно поглинають ІЧ-хвилі. Найбільш інтенсивне поглинання на інфрачервоне випромінювання надають пари води. У приземних атмосферних шарах є «вікна», прозорі для інфрачервоних променів.

Оскільки в атмосфері міститься велика кількість зважених часток – водних крапель, пилу, диму, то ІЧ-випромінювання слабшає додатково. Величина розсіювання залежить від співвідношення довжини хвиль і розмірів частинок. Наприклад, малі розміри частинок, як при повітряному серпанку, розсіюють ІЧ-промені незначно, а ось великі розміри крапель, як при густому тумані, розсіюють інфрачервоне випромінювання майже так само сильно, як і видиме світло.

Найбільш потужним джерелом інфрачервоних променів є сонце. Половина променів світила перебувають в ІЧ-області. Понад 70% енергії випромінювання ламп розжарювання з ниткою з вольфраму доводиться на ІЧ-випромінювання.

Щоб зробити фото в темряві в приладах нічного спостереження, лампи для підсвічування забезпечують ІЧ-світлофільтром, що пропускає тільки інфрачервоні промені. Ще одне джерело ІЧ-променів -вугільна електродуга з температурою 3900 К. Випромінювання дуги наближається до випромінювання абсолютно чорного тіла. До джерел ІЧ-випромінювання можна віднести газорозрядні лампи безперервного горіння і імпульсні. Радіаційний обігрів приміщень заснований на спіралях з ніхромового дроту з температурою нагріву 950К. Рефлектори дозволяють досягти кращої концентрації ІЧ-випромінювання.

Отримання спектрів ІЧ-поглинання здійснюється за допомогою стрічкових вольфрамових ламп, штифта Нернста, глобар, ртутних ламп високого тиску і інших джерел. Оптичні квантові генератори також випромінюють хвилі в інфрачервоному спектрі. Наприклад, лазер на неодимовому склі має довжину хвилі, 06 мкм, а на вуглекислому газі – 10,6 мкм.

Приймачі інфрачервоного проміння є перетворювачами інфрачервоної енергії в інші види енергії. Існують фотоелектричні і теплові приймачі ІЧ-випромінювання. Фотоелектричні приймачі перетворять ІЧ-промені в напругу або електричний струм. Це селективні приймачі, які мають чутливість тільки до певної області ІЧ-спектра. Теплові приймачі перетворюють ІЧ-випромінювання в тепло. Підвищення температури фіксується термочутливим елементом.

Застосування інфрачервоного випромінювання

Наукові дослідження, вирішення практичних завдань, військова справа – ці та інші галузі людської діяльності зуміли застосувати ІЧ-випромінювання. Завдяки дослідженню спектрів ІЧ-випромінювання, вдалося вивчити структуру атомів, молекул, здійснити якісний аналіз сумішей речовин, що мають складний молекулярний склад. Наприклад, за допомогою ІЧ-спектроскопії можна вивчити склад моторного палива.

Фотографія, отримана в ІЧ-діапазоні, має переваги в порівнянні зі звичайним знімком через коефіцієнти відбиття, розсіювання і пропускання. Інфрачервоні знімки дозволяють побачити деталізацію, недоступну на звичайних фото.

Промислові галузі використовую ІЧ-випромінювання для нагрівання металів і сушки при опроміненні. До речі, ІЧ-спектр дозволяє виявляти приховані дефект виробів, що часто використовують при діагностуванні авто.

Фотокади, чутливі до інфрачервоного випромінювання, стали основою електронно-оптичних перетворювачів. Пристрої можуть невидиме оку ІЧ-зображення об’єкта за допомогою фотокада перетворити на видиме. Цей принцип лежить в основі таких приладів як біноклі, приціли, об’єкти нічного бачення. На базі високочутливих приймачів ІЧ-випромінювання побудовані теплопеленгатори виявлення об’єктів з температурою, що перевищує навколишній фон: двигун літака, труби танків, кораблів. Локатори і далекоміри, що працюють на основі ІЧ-випромінювання, виявляють в темряві об’єкт і відстань до нього. Квантові генератори з ІЧ-випромінюванням використовують в галузях космічної та наземної зв’язку.