Infracrveno zračenje

Iz Wikipedije, besplatne enciklopedije
Idi na navigaciju Idi na pretraživanje
Infracrvena slika psa

Infracrveno zračenje - elektromagnetsko zračenje koje zauzima spektralno područje između crvenog kraja vidljive svjetlosti (s valnom dužinom [1] λ = 0,74 μm [2] i frekvencijom od 430 T Hz ) i mikrotalasnom radijskom emisijom (λ ~ 1-2 mm, frekvencija 300 GHz) [3] .

Infracrveno zračenje čini većinu zračenja žarulja sa žarnom niti , oko 50% zračenja Sunca ; neki laseri emituju infracrveno zračenje. Da biste ga registrirali, upotrijebite termičke i fotoelektrične detektore, kao i posebne fotografske materijale [4] .

Zbog velikog opsega infracrvenog dometa, optička svojstva tvari u infracrvenom zračenju mogu se značajno promijeniti, uključujući i razlikovanje od njihovih svojstava u vidljivom zračenju.

Infracrveno zračenje naziva se i " toplinsko zračenje " jer ljudsku kožu infracrveno zračenje zagrijanih objekata percipira kao osjećaj topline. U ovom slučaju, valne duljine koje tijelo emitira ovise o temperaturi zagrijavanja: što je viša temperatura, kraća je valna duljina i veći je intenzitet zračenja. Spektar emisije apsolutno crnog tijela na relativno niskim (do nekoliko hiljada kelvina ) temperaturama leži uglavnom u ovom rasponu.

Istorija otkrića i opšte karakteristike

Heršelov eksperiment

Infracrveno zračenje otkrio je 1800. godine engleski astronom W. Herschel . Dok je istraživao Sunce, tražio je način da smanji zagrijavanje instrumenta s kojim su vršena zapažanja. Određujući uz pomoć termometara utjecaj različitih dijelova vidljivog spektra, Herschel je otkrio da "maksimalna toplina" leži iza zasićene crvene boje i, možda, "iza vidljivog loma". Ova studija postavila je osnovu za proučavanje infracrvenog zračenja.

Ranije su laboratorijski izvori infracrvenog zračenja bili isključivo tijela sa žarnom niti ili električna pražnjenja u plinovima. U današnje vrijeme, na temelju lasera u čvrstom stanju i molekularnih plinova, stvoreni su moderni izvori infracrvenog zračenja s podesivom ili fiksnom frekvencijom. Za registriranje zračenja u bliskoj infracrvenoj regiji (do ~ 1,3 μm) koriste se posebne fotografske ploče . Fotoelektrični detektori i fotootpornici imaju širi raspon osjetljivosti (do oko 25 mikrona). Zračenje u dalekom infracrvenom području bilježe bolometri - detektori osjetljivi na zagrijavanje infracrvenim zračenjem [5] .

IR oprema se široko koristi i u vojnoj tehnologiji (na primjer, za navođenje projektila) i u civilnoj tehnologiji (na primjer, u optičkim komunikacijskim sistemima). Kao optički elementi u IC spektrometrima koriste se leće i prizme ili difrakcijske rešetke i ogledala. Kako bi se isključila apsorpcija zračenja u zraku, spektrometri za daljnje IC područje proizvode se u vakuumskoj verziji [5] .

Budući da su infracrveni spektri povezani s rotacijskim i vibracijskim kretanjima u molekuli, kao i s elektroničkim prijelazima u atomima i molekulama, IC spektroskopija omogućuje dobivanje važnih informacija o strukturi atoma i molekula, kao io zonskoj strukturi kristala [5] .

Infracrveni opsezi

Objekti obično emitiraju infracrveno zračenje po cijelom spektru valnih duljina, ali ponekad je od interesa samo ograničeno područje spektra, jer senzori obično prikupljaju zračenje samo unutar određene širine pojasa. Stoga se infracrveni domet često dijeli na manje.

Konvencionalna shema podjele

Najčešće se podjela na manje raspone vrši na sljedeći način: [6]

Skraćenica Wavelength Energija fotona Karakteristično
Skoro infracrvena, NIR 0,75-1,4 μm 1,7-0,9 eV Skoro IR, ograničeno s jedne strane vidljivom svjetlošću, s druge strane, prozirnošću vode, koja se značajno pogoršava na 1,45 mikrona. Rasprostranjena infracrveni LED i lasera za vlakna i vazduhu optičkih komunikacijskih sustava rade u ovom opsegu. Video kamere i uređaji za noćno osmatranje zasnovani na cijevima za pojačavanje slike također su osjetljivi u ovom rasponu.
Infracrvena veza kratkih talasnih dužina, SWIR 1,4-3 mikrona 0,9-0,4 eV Apsorpcija elektromagnetskog zračenja vodom značajno se povećava pri 1450 nm. Domet 1530-1560 nm prevladava u području komunikacija na velike udaljenosti.
Infracrvena veza srednje talasne dužine, MWIR 3-8 mikrona 400-150 meV U ovom rasponu, tijela zagrijana na nekoliko stotina stepeni Celzijusa počinju zračiti. U ovom rasponu, termičke glave za navođenje sistema PVO i tehnički termovizijski senzori su osjetljivi.
Infracrvena veza dugog talasa, LWIR 8-15 mikrona 150-80 meV U tom rasponu tijela počinju zračiti s temperaturama oko nula stepeni Celzijusa. Toplotni aparati za uređaje za noćno osmatranje su osjetljivi u ovom rasponu.
Far infracrvena veza, FIR 15-1000 mikrona 80-1,2 meV

CIE shema

Međunarodna komisija za osvjetljenje ( . English International, Commission on Illumination ) preporučuje podjelu infracrvenog zračenja na sljedeće tri grupe [7] :

  • IR -A: 700 nm - 1400 nm (0,7 μm - 1,4 μm)
  • IR -B: 1400 nm - 3000 nm (1,4 μm - 3 μm)
  • IR -C: 3000 nm - 1 mm (3 μm - 1000 μm)

ISO 20473 shema

Međunarodna organizacija za standardizaciju predlaže sljedeću shemu:

Određivanje Skraćenica Wavelength
Blizina infracrvenog NIR 0,78-3 mikrona
Srednji infracrveni opseg MIR 3-50 mikrona
Daleki infracrveni domet FIR 50-1000 mikrona

Astronomski dijagram

Astronomi obično dijele infracrveni spektar na sljedeći način [8] :

Određivanje Skraćenica Wavelength
Blizina infracrvenog NIR (0,7 ... 1) - 5 mikrona
Srednji infracrveni opseg MIR 5 - (25 ... 40) mikrona
Daleki infracrveni domet FIR (25 ... 40) - (200 ... 350) mikrona

Toplotno zračenje

Toplinsko zračenje ili zračenje je prijenos energije s jednog tijela na drugo u obliku elektromagnetskih valova koje tijela emitiraju zbog svoje unutrašnje energije. Toplinsko zračenje uglavnom se javlja u infracrvenom području spektra od 0,74 mikrona do 1000 mikrona . Karakteristična karakteristika zračenja topline je da se može provoditi između tijela koja se nalaze ne samo u bilo kojem mediju, već i u vakuumu . Primjer toplinskog zračenja je svjetlo sa žarulje sa žarnom niti . Snaga toplotnog zračenja objekta koji zadovoljava kriterijume apsolutno crnog tijela opisana je Stefanovim - Bolcmanovim zakonom . Odnos emisivnosti i apsorpcije tijela opisan je Kirchhoffovim zakonom zračenja . Toplinsko zračenje jedan je od tri osnovna tipa prijenosa toplinske energije (pored provođenja topline i konvekcije ). Ravnotežno zračenje - toplinsko zračenje u termodinamičkoj ravnoteži s materijom.

Infracrveni vid

Organi percepcije ljudi i drugih majmuna nisu prilagođeni infracrvenom zračenju (drugim riječima, ljudsko oko ga ne vidi), međutim, neke biološke vrste su sposobne opažati infracrveno zračenje pomoću organa vida . Na primjer, vizija nekih zmija omogućuje im da vide u infracrvenom opsegu i love toplokrvni plijen noću (kada njegova silueta ima najizraženiji kontrast na pozadini ohlađenog terena). Štoviše, obične boe imaju tu sposobnost istovremeno s normalnim vidom, zbog čega mogu vidjeti svoju okolinu istovremeno u dva raspona: normalno vidljive (poput većine životinja) i infracrvene. Među ribama, sposobnost gledanja pod vodom u infracrvenom opsegu odlikuju se ribama poput pirane , koja lovi toplokrvne životinje koje su ušle u vodu, i zlatnim ribicama . Među insektima, komarci imaju infracrveni vid, što im omogućuje da se s velikom preciznošću orijentiraju prema područjima tijela plijena koja su najviše zasićena krvnim žilama [9] .

Aplikacija

Uređaj za noćno osmatranje

Nekoliko je načina prikazivanja nevidljive infracrvene slike:

  • Moderne poluvodičke video kamere osjetljive su na infracrvenu vezu. Kako bi se izbjegle greške u boji, obične kućne video kamere opremljene su posebnim filterom koji odsijeca IC sliku. Sigurnosne kamere obično nemaju takav filter. Međutim, u mraku nema prirodnih izvora bliske infracrvene veze, pa bez umjetne rasvjete (na primjer, infracrvene LED diode) takve kamere neće ništa pokazati.
  • Elektrooptički pretvarač je vakuumski fotoelektronički uređaj koji pojačava svjetlost u vidljivom spektru i blizu IR-a. Ima visoku osjetljivost i može snimati u vrlo slabim svjetlosnim uvjetima. Oni su historijski prvi uređaji za noćni vid, a danas se široko koriste u jeftinim uređajima za noćno osmatranje. Budući da rade samo u skoro infracrvenoj zoni, njima je, poput poluvodičkih video kamera, potrebno osvjetljenje.
  • Bolometar je termički senzor. Bolometri za sisteme tehničkog vida i uređaje za noćno gledanje osjetljivi su u rasponu talasnih dužina od 3-14 mikrona (srednja IC), što odgovara zračenju tijela zagrijanih od 500 do -50 stepeni Celzijusa. Stoga bolometrijski uređaji ne zahtijevaju vanjsko osvjetljenje, registriraju zračenje samih objekata i stvaraju sliku temperaturne razlike.

Termografija

Infracrvena slika djevojke

Infracrvena termografija, termalna slika ili termalni video je naučni način dobijanja termograma - slike u infracrvenim zracima koja prikazuje raspodjelu temperaturnih polja. Termografske kamere ili termovizijske kamere detektiraju zračenje u infracrvenom području elektromagnetskog spektra (približno 900-14.000 nanometara ) i od tog zračenja stvaraju slike koje vam omogućuju da identificirate pregrijana ili prehlađena mjesta. Budući da infracrveno zračenje emituju svi objekti sa temperaturom prema Planckovoj formuli za zračenje crnog tijela , termografija omogućava "gledanje" okoline sa ili bez vidljive svjetlosti. Količina zračenja koju emitira objekt raste s porastom temperature, pa nam termografija omogućava da vidimo razlike u temperaturi. Kada gledate kroz termoviziju, topli predmeti se vide bolje od onih ohlađenih na temperaturu okoline; ljudi i toplokrvne životinje lakše su vidljivi u okruženju, danju i noću. Kao rezultat toga, napredak u upotrebi termografije može se pripisati vojsci i snagama sigurnosti.

Infracrveno navođenje

Infracrveni tragač - tragač koji radi na principu hvatanja infracrvenih talasa koje emituje zarobljena meta . To je optoelektronički uređaj dizajniran za identifikaciju mete u odnosu na okolnu pozadinu i izdavanje signala hvatanja automatskom nišanskom uređaju (AAP), kao i za mjerenje i izdavanje signala kutne brzine linije vidljivosti autopilotu .

Infracrveni grijač

Infracrveno zračenje široko se koristi za grijanje prostorija i vanjskih prostora. Infracrveni grijač je grijaći uređaj koji odaje toplinu uglavnom radijacijom, a ne konvekcijom - koristi se za organizaciju dodatnog ili glavnog grijanja u prostorijama (kuće, stanovi, uredi itd.), Kao i za lokalno grijanje uličnog prostora ( ulični kafići, sjenice, verande) ili prostori u velikim prostorijama (blagajne u hipermarketima) [10] .

Infracrveni grijač u svakodnevnom životu ponekad se neprecizno naziva reflektor. Zračeću energiju apsorbiraju okolne površine, pretvarajući se u toplinsku energiju, zagrijavajući ih, koje zauzvrat odaju toplinu zraku. To daje značajan ekonomski učinak u usporedbi s konvekcijskim grijanjem, gdje se toplina značajno troši na zagrijavanje neiskorištenog prostora ispod stropa. Osim toga, uz pomoć IC grijača, postaje moguće lokalno zagrijati samo one prostore u prostoriji u kojima je to potrebno bez zagrijavanja cijele zapremine prostorije; toplinski učinak infracrvenih grijača osjeća se odmah nakon uključivanja, čime se izbjegava prethodno zagrijavanje prostorije. Ovi faktori smanjuju troškove energije.

Prilikom slikanja

Infracrveni odašiljači često se koriste za sušenje obojenih površina. Infracrvena metoda sušenja ima značajne prednosti u odnosu na tradicionalnu metodu konvekcije . Prije svega, ovo je ekonomski učinak: zbog apsorpcije topline izravno obojanom površinom, proces ide mnogo brže, a energija se troši mnogo manje nego kod tradicionalnih metoda. Osim toga, konvekcija zraka je svedena na minimum, tako da manje prašine ulazi na obojene površine.

Infracrvena astronomija

Grana astronomije i astrofizike koja proučava svemirske objekte vidljive u infracrvenom zračenju. U ovom slučaju, infracrveno zračenje označava elektromagnetske valove s valnom duljinom od 0,74 do 2000 mikrona. Infracrveno zračenje je u rasponu između vidljivog zračenja , čija se talasna dužina kreće od 380 do 750 nanometara, i submilimetarskog zračenja.

Infracrvena astronomija počela se razvijati 1830 -ih, nekoliko decenija nakon otkrića infracrvenog zračenja od strane Williama Herschela . U početku je bilo malo napretka, a do početka 20. stoljeća nije bilo otkrića astronomskih objekata u infracrvenom području osim Sunca i Mjeseca , ali nakon brojnih otkrića u radio astronomiji 1950 -ih i 1960 -ih, astronomi su shvatili prisutnost velike količine informacija izvan vidljivog raspona. Od tada se oblikovala moderna infracrvena astronomija.

Infracrvena spektroskopija

Infracrvena spektroskopija je grana spektroskopije koja pokriva područje dugotalasnih dužina spektra (> 730 nm izvan crvene linije vidljive svjetlosti ). Инфракрасные спектры возникают в результате колебательного (отчасти вращательного) движения молекул, а именно — в результате переходов между колебательными уровнями основного электронного состояния молекул. ИК излучение поглощают многие газы, за исключением таких как О 2 , N 2 , H 2 , Cl 2 и одноатомных газов. Поглощение происходит на длине волны, характерной для каждого определенного газа, для СО, например, таковой является длина волны 4,7 мкм.

По инфракрасным спектрам поглощения можно установить строение молекул различных органических (и неорганических) веществ с относительно короткими молекулами: антибиотиков , ферментов , алкалоидов , полимеров , комплексных соединений и др. Колебательные спектры молекул различных органических (и неорганических) веществ с относительно длинными молекулами ( белки , жиры , углеводы , ДНК , РНК и др.) находятся в терагерцевом диапазоне , поэтому строение этих молекул можно установить с помощью радиочастотных спектрометров терагерцевого диапазона. По числу и положению пиков в ИК спектрах поглощения можно судить о природе вещества ( качественный анализ ), а по интенсивности полос поглощения — о количестве вещества ( количественный анализ ). Основные приборы — различного типа инфракрасные спектрометры .

Передача данных

Распространение инфракрасных светодиодов, лазеров и фотодиодов позволило создать беспроводной оптический метод передачи данных на их основе. В компьютерной технике обычно используется для связи компьютеров с периферийными устройствами (интерфейс IrDA ) В отличие от радиоканала инфракрасный канал нечувствителен к электромагнитным помехам , и это позволяет использовать его в производственных условиях. К недостаткам инфракрасного канала относятся необходимость в оптических окнах на оборудовании, правильной взаимной ориентации устройств. На данный момент существует большое количество производителей сетевого оборудования, основанного на передаче света в атмосфере (FSO), как правило это точка — точка. Сейчас учёными достигнута скорость передачи данных в атмосфере более 4 Тбит/с. При этом известны серийно выпускаемые терминалы связи со скоростью до 100 Гбит/с. В условиях прямой видимости инфракрасный канал может обеспечить связь на расстояниях в несколько километров. О скрытности канала связи не приходится и говорить, так как ИК диапазон не виден человеческому глазу (без использование специального прибора), и угловая расходимость канала связи не превышает 17 мкрад по всем осям.

Тепловое излучение применяется также для приёма сигналов оповещения [11] .

Дистанционное управление

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 дешёвых цифровых фотоаппаратов или видеокамер с ночным режимом, в которых нет специального инфракрасного фильтра.

Медицина

Наиболее широко инфракрасное излучение в медицине применяется в различных датчиках потока крови (PPG).

Широко распространённые измерители частоты пульса (ЧСС, HR — Heart Rate) и насыщения крови кислородом (SpO2) используют светодиоды зелёного (для пульса) и красного и инфракрасного (для SpO2) излучений.

Излучение инфракрасного лазера используется в методике DLS (Digital Light Scattering) для определения частоты пульса и характеристик потока крови.

Инфракрасные лучи применяются в физиотерапии .

Влияние длинноволнового инфракрасного излучения:

  • Стимуляция и улучшение кровообращения. При воздействии длинноволнового инфракрасного излучения на кожный покров происходит раздражение рецепторов кожи и, вследствие реакции гипоталамуса, расслабляются гладкие мышцы кровеносных сосудов, в результате сосуды расширяются.
  • Улучшение процессов метаболизма. При тепловом воздействии инфракрасного излучения стимулируется активность на клеточном уровне, улучшаются процессы нейрорегуляции и метаболизма.

Стерилизация пищевых продуктов

С помощью инфракрасного излучения стерилизируют пищевые продукты с целью дезинфекции [ источник не указан 1137 дней ] .

Пищевая промышленность

Особенностью применения ИК-излучения в пищевой промышленности является возможность проникновения электромагнитной волны в такие капиллярно-пористые продукты, как зерно, крупа и мука, 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.

Недостатком же является существенно большая неравномерность нагрева, что в ряде технологических процессов совершенно неприемлемо.

Проверка денег на подлинность

Инфракрасный излучатель применяется в приборах для проверки денег. Нанесённые 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 [ источник не указан 3807 дней ] . Нанесение на купюру инфракрасных меток, в отличие от ультрафиолетовых, фальшивомонетчикам обходится дорого и соответственно экономически невыгодно [ источник не указан 1137 дней ] . Потому детекторы банкнот со встроенным ИК излучателем, на сегодняшний день, являются самой надёжной защитой от подделок [ источник не указан 1137 дней ] .

Дистанционное зондирование Земли

Инфракрасное излучение широко применяют при дистанционном зондировании Земли из космоса. Совместное использование спутниковой съёмки в ИК диапазоне со съёмками в других участках спектра позволяет применять методы, принципиально схожие со спектроскопией, для анализа земной поверхности. Особенно актуально это для изучения растительности при расчете различных вегетационных индексов .

Опасность для здоровья

Очень сильное инфракрасное излучение в местах высокого нагрева может высушивать слизистую оболочку глаз. Наиболее опасно, когда излучение не сопровождается видимым светом. В таких ситуациях необходимо надевать специальные защитные очки для глаз [12] .

Инфракрасное излучение с длиной волны 1.35 мкм, 2.2 мкм при достаточной пиковой мощности в лазерном импульсе может вызывать эффективное разрушение молекул ДНК, более сильное, чем излучение в ближнем ИК-диапазоне [13] .

Земля как инфракрасный излучатель

Поверхность Земли и облака поглощают видимое и невидимое излучение от Солнца и переизлучают большую часть поглощённой энергии в виде инфракрасного излучения обратно в атмосферу. Некоторые вещества в атмосфере, главным образом капли воды и водяной пар, а также диоксид углерода, метан, азот, гексафторид серы и хлорфторуглерод поглощают это инфракрасное излучение и вновь излучают его во всех направлениях, включая обратно на Землю. Таким образом, парниковый эффект удерживает атмосферу и поверхность в более нагретом состоянии, чем если бы инфракрасные поглотители отсутствовали в атмосфере [14] [15] .

См. также

Примечания

  1. Длина электромагнитной волны в вакууме.
  2. Инфракрасное излучение // Казахстан. Национальная энциклопедия . — Алматы: Қазақ энциклопедиясы , 2005. — Т. II. — ISBN 9965-9746-3-2 .
  3. Большая российская энциклопедия : [в 35 т.] / гл. ред. Ю. С. Осипов . — М. : Большая российская энциклопедия, 2004—2017.
  4. Инфракрасное излучение // Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия
  5. 1 2 3 Спектр // Энциклопедия Кольера
  6. Byrnes, James. Unexploded Ordnance Detection and Mitigation (англ.) . — Springer, 2009. — P. 21 —22. — ISBN 978-1-4020-9252-7 .
  7. Henderson, Roy Wavelength considerations . Instituts für Umform- und Hochleistungs. Дата обращения: 18 октября 2007. Архивировано 28 октября 2007 года.
  8. Near, Mid and Far-Infrared . NASA IPAC. Дата обращения: 4 апреля 2007. Архивировано 28 мая 2013 года.
  9. Animals That Can See Infrared Light By Rebecca Boardman; Sciencing.com . April 25, 2017.
  10. Инфракрасная система отопления
  11. А.И. Бодренко. Патент RU 165421 U1 на полезную модель: Устройство, предназначенное для приема стрелком сигнала оповещения при использовании им индивидуального огнестрельного стрелкового оружия, содержащего рукоятку управления и приклад . ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ (20 октября 2016). (недоступная ссылка)
  12. Monona Rossol. The artist's complete health and safety guide . — 2001. — С. 33. — 405 с. — ISBN 978-1-58115-204-3 .
  13. Иванов Игорь. Губительным для ДНК является весь ближний ИК-диапазон излучения . elementy.ru (2 мая 2014). Дата обращения: 3 мая 2014.
  14. Global Sources of Greenhouse Gases . Emissions of Greenhouse Gases in the United States 2000 . Energy Information Administration (2 мая 2002). Дата обращения: 13 августа 2007. Архивировано 28 мая 2013 года.
  15. Clouds & Radiation . Дата обращения: 12 августа 2007.

Ссылки