Infrapunasäteily - sähkömagneettinen säteily , joka kattaa spektrialueen näkyvän valon punaisen pään (aallonpituudella [1] λ \u003d 0,74 mikronia [ 2] ja taajuudella 430 T Hz ) ja mikroaaltoradiosäteilyn (λ ~ 1-2 mm, taajuus 300 GHz ) [3] .
Infrapunasäteily muodostaa suurimman osan hehkulamppujen säteilystä , noin 50 % Auringon säteilystä ; Jotkin laserit lähettävät infrapunasäteilyä . Sen rekisteröimiseksi he käyttävät lämpö- ja valosähköisiä vastaanottimia sekä erityisiä valokuvamateriaaleja [4] .
Infrapuna-alueen suuresta laajuudesta johtuen aineiden optiset ominaisuudet infrapunasäteilyssä voivat vaihdella merkittävästi, mukaan lukien erot niiden ominaisuuksista näkyvässä säteilyssä.
Infrapunasäteilyn löysi vuonna 1800 englantilainen tähtitieteilijä W. Herschel . Tutkiessaan aurinkoa hän etsi tapaa vähentää havaintoja käyttävän instrumentin kuumenemista. Käyttämällä lämpömittareita määrittämään näkyvän spektrin eri osien vaikutusta, Herschel havaitsi, että "maksimilämpö" on kylläisen punaisen värin takana ja mahdollisesti "näkyvän taittumisen takana". Tämä tutkimus merkitsi alkua infrapunasäteilyn tutkimukselle.
Aikaisemmin infrapunasäteilyn laboratoriolähteet olivat yksinomaan hehkulamppuja tai sähköpurkauksia kaasuissa. Nyt solid-state- ja molekyylikaasulaserien pohjalta on luotu nykyaikaisia infrapunasäteilyn lähteitä säädettävällä tai kiinteällä taajuudella. Säteilyn rekisteröimiseksi lähi-infrapuna-alueella (jopa ~ 1,3 μm) käytetään erityisiä valokuvalevyjä . Valosähköisillä ilmaisimilla ja valovastuksilla on laajempi herkkyysalue (jopa noin 25 mikronia) . Säteily kauko-infrapuna-alueella tallennetaan bolometreillä - ilmaisimilla, jotka ovat herkkiä infrapunasäteilyn kuumenemiselle [5] .
IR-laitteita käytetään laajasti sekä sotilastekniikassa (esimerkiksi ohjusten ohjaukseen) että siviiliteknologiassa (esimerkiksi kuituoptisissa viestintäjärjestelmissä). IR-spektrometrien optisia elementtejä ovat joko linssit ja prismat tai diffraktiohilat ja peilit. Säteilyn absorption poissulkemiseksi kauko-infrapuna-alueelle valmistetaan tyhjiöversio [5] .
Koska infrapunaspektrit liittyvät molekyylin pyörimis- ja värähtelyliikkeisiin sekä atomien ja molekyylien elektronisiin siirtymiin, IR-spektroskopia mahdollistaa tärkeän tiedon saamiseksi atomien ja molekyylien rakenteesta sekä kaistan rakenteesta. kiteet [5] .
Objektit lähettävät tyypillisesti infrapunasäteilyä koko aallonpituusspektrin läpi, mutta joskus vain rajoitettu alue spektristä on kiinnostava, koska anturit keräävät tyypillisesti vain tietyn kaistanleveyden sisällä olevaa säteilyä. Siten infrapuna-alue on usein jaettu pienempiin alueisiin.
Useimmiten jako pienempiin alueisiin tapahtuu seuraavasti: [6]
Lyhenne | Aallonpituus | Fotonienergia | Ominaista |
Lähi-infrapuna, NIR | 0,75-1,4 µm | 1,7-0,9 eV | Lähellä IR:tä rajoittaa toiselta puolelta näkyvä valo, toiselta puolelta veden läpinäkyvyys, joka heikkenee merkittävästi 1,45 µm:ssä. Laajalti levinneitä infrapuna-LED-valoja ja lasereita kuitu- ja ilmassa toimivia optisia viestintäjärjestelmiä varten toimivat tällä alueella. Myös videokamerat ja kuvanvahvistinputkiin perustuvat yönäkölaitteet ovat herkkiä tällä alueella. |
Lyhyen aallonpituuden infrapuna, SWIR | 1,4-3 µm | 0,9–0,4 eV | Veden sähkömagneettisen säteilyn absorptio kasvaa merkittävästi 1450 nm:ssä. Alue 1530-1560 nm hallitsee pitkän matkan alueella. |
Keskiaallonpituus infrapuna, MWIR | 3-8 µm | 400-150 meV | Tällä alueella useisiin satoihin celsiusasteisiin kuumentuneet kappaleet alkavat säteillä. Tällä alueella ilmapuolustusjärjestelmien ja teknisten lämpökameroiden lämpökohdistuspäät ovat herkkiä . |
Pitkän aallonpituus infrapuna, LWIR | 8-15 µm | 150-80 meV | Tällä alueella kappaleet, joiden lämpötila on noin nolla celsiusastetta, alkavat säteillä. Tällä alueella pimeänäkölaitteiden lämpökamerat ovat herkkiä. |
Kauko-infrapuna, FIR | 15 - 1000 µm | 80-1,2 meV |
Kansainvälinen valaistuskomissio ( English International Commission on Illumination ) suosittelee infrapunasäteilyn jakamista kolmeen ryhmään [7] :
Kansainvälinen standardointijärjestö ehdottaa seuraavaa järjestelmää:
Nimitys | Lyhenne | Aallonpituus |
---|---|---|
lähellä infrapunaa | NIR | 0,78-3 µm |
keski-infrapuna | MIR | 3-50 µm |
kauko infrapuna | FIR | 50-1000 µm |
Tähtitieteilijät jakavat infrapunaspektrin yleensä seuraavasti [8] :
Nimitys | Lyhenne | Aallonpituus |
---|---|---|
lähellä infrapunaa | NIR | (0,7…1) – 5 µm |
keski-infrapuna | MIR | 5 — (25...40) µm |
kauko infrapuna | FIR | (25…40) – (200…350) µm |
Lämpösäteily eli säteily on energian siirtymistä kappaleesta toiseen kappaleiden sisäisen energiansa vuoksi säteilemien sähkömagneettisten aaltojen muodossa. Lämpösäteily on pääasiassa infrapuna-alueella 0,74 mikronia ja 1000 mikronia . Säteilylämmönsiirron erottuva piirre on, että se voidaan suorittaa kappaleiden välillä, jotka eivät ole vain missä tahansa väliaineessa, vaan myös tyhjiössä . Esimerkki lämpösäteilystä on hehkulampun valo . Täysin mustan kappaleen kriteerit täyttävän esineen lämpösäteilyteho kuvataan Stefan-Boltzmannin lailla . Kappaleiden säteily- ja absorptiokykyjen suhdetta kuvaa Kirchhoffin säteilylaki . Lämpösäteily on yksi kolmesta lämpöenergiansiirron perustyypistä ( lämmönjohtavuuden ja konvektion lisäksi ). Tasapainosäteily on lämpösäteilyä, joka on termodynaamisessa tasapainossa aineen kanssa.
Ihmisten ja muiden korkeampien kädellisten havaintoelimet eivät ole sopeutuneet infrapunasäteilyyn (eli ihmissilmä ei näe sitä), mutta jotkut biologiset lajit pystyvät havaitsemaan infrapunasäteilyä näköelimillään . Joten esimerkiksi joidenkin käärmeiden visio antaa heille mahdollisuuden nähdä infrapuna-alueella ja metsästää lämminveristä saalista yöllä (kun sen siluetilla on selkein kontrasti jäähdytetyn alueen taustaa vasten). Lisäksi tavallisilla booilla on tämä kyky samanaikaisesti normaalin näön kanssa, minkä seurauksena ne pystyvät näkemään ympäristöä samanaikaisesti kahdella alueella: normaalissa näkyvässä (kuten useimmat eläimet) ja infrapunassa. Kaloista kyky nähdä veden alle infrapuna-alueella erottuu sellaisista kaloista, kuten veteen joutuneiden lämminveristen eläinten saalistaminen piraijasta ja kultakala . Hyönteisten joukossa hyttysillä on infrapunanäkö , jonka ansiosta ne voivat navigoida erittäin tarkasti saaliin ruumiin alueille, jotka ovat eniten kyllästyneitä verisuonilla [9] .
On olemassa useita tapoja visualisoida näkymätön infrapunakuva:
Infrapunatermografia, lämpökuva tai lämpövideo on menetelmä termogrammin saamiseksi - infrapunasäteissä oleva kuva, joka näyttää kuvan lämpötilakenttien jakautumisesta. Lämpökamerat tai lämpökamerat havaitsevat säteilyn sähkömagneettisen spektrin infrapuna-alueella (noin 900-14000 nanometriä ) ja luovat tämän säteilyn perusteella kuvia, joiden avulla voit määrittää ylikuumentuneet tai alijäähtyneet paikat. Koska infrapunasäteilyä lähettävät kaikki kohteet, joilla on lämpötila, Planckin mustan kehon säteilyn kaavan mukaan termografian avulla voit "nähdä" ympäristön näkyvän valon kanssa tai ilman. Kohteen lähettämän säteilyn määrä kasvaa sen lämpötilan noustessa, joten termografian avulla voit nähdä lämpötilaerot. Lämpimät esineet näkyvät paremmin kuin ympäristön lämpötilaan jäähdytetyt; ihmiset ja lämminveriset eläimet näkyvät paremmin ympäristössä sekä päivällä että yöllä.
Puolustusvoimat käyttävät lämpökameroita lämpökontrastikohteiden (työvoiman ja laitteiden) havaitsemiseen milloin tahansa vuorokauden aikana, palo- ja pelastuslaitokset käyttävät niitä uhrien etsimiseen, palolähteiden tunnistamiseen, tilanteen analysointiin ja hakuun. evakuointireittejä, niitä käytetään myös lääketieteessä erilaisten sairauksien diagnosointiin, joiden avulla havaitaan ylikuumenemista nivelistä ja hätätilassa olevista osista jne.
Infrapunakohdistuspää on kohdistuspää , joka toimii periaatteella sieppaamalla siepatun kohteen lähettämät infrapuna-aallot . Se on optis-elektroninen laite , joka on suunniteltu tunnistamaan kohde ympäröivää taustaa vasten ja antamaan sieppaussignaali automaattiseen tähtäyslaitteeseen (APU) sekä mittaamaan ja lähettämään signaalin näkölinjan kulmanopeudesta. autopilotti .
Infrapunasäteilyä käytetään laajalti huoneiden ja ulkotilojen lämmittämiseen. Infrapunalämmitin - lämmityslaite, joka luovuttaa lämpöä pääasiassa säteilyllä, ei konvektiolla - käytetään lisä- tai päälämmityksen järjestämiseen huoneissa (talot, asunnot, toimistot jne.) sekä ulkotilojen paikalliseen lämmitykseen ( katukahvilat, huvimajat, verannat) tai suurien tilojen alueet (hypermarkettien kassatilat) [10] .
Infrapunalämmitintä jokapäiväisessä elämässä kutsutaan joskus epätarkasti heijastimeksi. Säteilyenergia imeytyy ympäröiviin pintoihin, muuttuen lämpöenergiaksi ja lämmittää niitä, mikä puolestaan luovuttaa lämpöä ilmaan. Tämä antaa merkittävän taloudellisen vaikutuksen verrattuna konvektiolämmitykseen, jossa lämpöä kuluu merkittävästi käyttämättömän katon lämmittämiseen. Lisäksi IR-lämmittimien avulla on mahdollista lämmittää paikallisesti vain niitä huoneen alueita, joissa se on tarpeen, lämmittämättä huoneen koko tilavuutta; infrapunalämmittimien lämpövaikutus tuntuu heti päälle kytkemisen jälkeen, jolloin vältetään huoneen esilämmitys. Nämä tekijät vähentävät energiakustannuksia.
MaalattaessaInfrapunasäteilijöitä käytetään usein maalattujen pintojen kuivaamiseen. Infrapunakuivausmenetelmällä on merkittäviä etuja perinteiseen konvektiomenetelmään verrattuna . Ensinnäkin tämä on taloudellinen vaikutus: suoraan maalatun pinnan lämmön imeytymisen vuoksi prosessi etenee paljon nopeammin, ja tässä tapauksessa kuluu paljon vähemmän energiaa kuin perinteisillä menetelmillä. Lisäksi ilman konvektio on minimoitu, mikä vähentää pölyä maalatuilla pinnoilla.
Tähtitieteen ja astrofysiikan ala , joka tutkii infrapunavalossa näkyviä esineitä avaruudessa. Tässä tapauksessa infrapunasäteily tarkoittaa sähkömagneettisia aaltoja , joiden aallonpituus on 0,74 - 2000 mikronia. Infrapunasäteily on näkyvän säteilyn , jonka aallonpituus vaihtelee välillä 380-750 nanometriä, ja submillimetrisen säteilyn välillä.
Infrapunatähtitiede alkoi kehittyä 1830-luvulla, useita vuosikymmeniä sen jälkeen, kun William Herschel löysi infrapunasäteilyn . Aluksi edistyminen oli merkityksetöntä, ja 1900-luvun alkuun asti infrapunasäteilystä ei löydetty tähtitieteellisiä kohteita paitsi Auringon ja Kuun , mutta 1950- ja 1960-luvuilla radioastronomian alalla tehtyjen löytöjen jälkeen tähtitieteilijät huomasivat niiden olemassaolon. suuresta määrästä tietoa, joka oli näkyvän alueen ulkopuolella. Siitä lähtien moderni infrapunatähtitiede on muodostunut.
Infrapunaspektroskopia on spektroskopian haara , joka kattaa spektrin pitkän aallonpituusalueen (> 730 nm näkyvän valon punaisen rajan yli ). Infrapunaspektrit syntyvät molekyylien värähtelevän (osittain pyörivän) liikkeen seurauksena, nimittäin molekyylien elektronisen perustilan värähtelytasojen välisten siirtymien seurauksena. IR-säteilyä absorboivat monet kaasut, lukuun ottamatta sellaisia kuin O 2 , N 2 , H 2 , Cl 2 ja yksiatomiset kaasut. Absorptio tapahtuu kullekin tietylle kaasulle ominaisella aallonpituudella, esimerkiksi CO:n osalta tämä on 4,7 mikronin aallonpituus.
Infrapuna-absorptiospektrien avulla voidaan määrittää erilaisten orgaanisten (ja epäorgaanisten) aineiden molekyylien rakenne suhteellisen lyhyillä molekyyleillä: antibiootit , entsyymit , alkaloidit , polymeerit , kompleksiyhdisteet jne. Erilaisten orgaanisten (ja epäorgaanisten) aineiden molekyylien värähtelyspektrit suhteellisen pitkiä molekyylejä ( proteiinit , rasvat , hiilihydraatit , DNA , RNA jne.) ovat terahertsialueella , joten näiden molekyylien rakenne voidaan määrittää käyttämällä radiotaajuusspektrometrejä terahertsialueella . IR-absorptiospektrien piikkien lukumäärän ja sijainnin perusteella voidaan päätellä aineen luonne ( laadullinen analyysi ) ja absorptiovyöhykkeiden intensiteetistä aineen määrä ( kvantitatiivinen analyysi ). Pääinstrumentteja ovat erilaiset infrapunaspektrometrit .
Infrapuna-LEDien, lasereiden ja valodiodien leviäminen mahdollisti niiden pohjalta luotavan langattoman optisen tiedonsiirtomenetelmän. Tietotekniikassa sitä käytetään yleensä tietokoneiden liittämiseen oheislaitteilla ( IrDA - liitäntä ) Toisin kuin radiokanava, infrapunakanava ei ole herkkä sähkömagneettisille häiriöille , mikä mahdollistaa sen käytön teollisissa olosuhteissa. Infrapunakanavan haittoja ovat optisten ikkunoiden tarve laitteistossa, laitteiden oikea suhteellinen suuntaus. Tällä hetkellä on olemassa suuri joukko ilmakehän valon läpäisyyn (FSO) perustuvien verkkolaitteiden valmistajia, pääsääntöisesti tämä tapahtuu pisteestä pisteeseen. Nyt tiedemiehet ovat saavuttaneet yli 4 Tbps:n tiedonsiirtonopeuden ilmakehässä. Samaan aikaan tunnetaan massatuotettuja tietoliikennepäätteitä, joiden nopeus on jopa 100 Gbit/s. Näkyvyysolosuhteissa infrapunakanava voi tarjota viestintää useiden kilometrien etäisyyksillä. Viestintäkanavan salaisuudesta ei tarvitse puhua, koska IR-alue ei näy ihmissilmälle (ilman erityistä laitetta), ja viestintäkanavan kulmahajoaminen ei ylitä 17 mrad kaikilla akseleilla.
Lämpösäteilyä käytetään myös varoitussignaalien vastaanottamiseen [11] .
Infrapunadiodeja ja valodiodeja käytetään laajalti kauko-ohjaimissa , automaatiojärjestelmissä, turvajärjestelmissä, joissakin matkapuhelimissa ( infrapuna ) jne. Infrapunasäteet eivät häiritse ihmisen huomion näkyvyyden vuoksi.
Mielenkiintoista on, että kotitalouden kaukosäätimen infrapunasäteily on helppo kaapata halvoilla digitaalikameroilla tai yötilassa varustetuilla videokameroilla, joissa ei ole erityistä infrapunasuodatinta.
Lääketieteessä eniten käytetty infrapunasäteily on erilaisissa verenvirtausantureissa (PPG).
Laaja syke (HR, HR - Heart Rate) ja veren happisaturaatio (SpO2) -mittarit käyttävät vihreitä (pulssi) ja punaisia ja infrapunasäteilyn LED-valoja (SpO2).
Infrapunalasersäteilyä käytetään DLS-tekniikassa (Digital Light Scattering) pulssin ja verenvirtauksen ominaisuuksien määrittämiseen.
Infrapunasäteitä käytetään fysioterapiassa .
Pitkäaaltoisen infrapunasäteilyn vaikutus:
Infrapunasäteilyn avulla elintarvikkeet steriloidaan desinfiointia varten. .
Elintarviketeollisuuden infrapunasäteilyn käytön piirre on sähkömagneettisen aallon mahdollisuus tunkeutua sellaisiin kapillaarihuokoisiin tuotteisiin, kuten jyviin, viljoihin ja jauhoihin, jopa 7 mm:n syvyyteen. Tämä arvo riippuu pinnan luonteesta, rakenteesta, materiaalin ominaisuuksista ja säteilyn taajuusvasteesta. Tietyn taajuusalueen sähkömagneettisella aallolla ei ole vain termistä, vaan myös biologista vaikutusta tuotteeseen, se auttaa nopeuttamaan biokemiallisia muutoksia biologisissa polymeereissä ( tärkkelys , proteiini , lipidit ). Kuljetinkuivauskuljettimia voidaan käyttää menestyksekkäästi viljan levittämiseen aitoissa ja jauhoteollisuudessa.
Haittana on huomattavasti suurempi lämmityksen epätasaisuus, mikä on täysin mahdotonta hyväksyä useissa teknisissä prosesseissa.
Infrapunasäteilijää käytetään rahantarkistuslaitteissa. Seteliin yhtenä turvaelementtinä levitetyt erityiset metameeriset musteet näkyvät vain infrapuna-alueella. Infrapunavaluuttatunnistimet ovat virheettömimmät laitteet rahan aitouden tarkistamiseen. . Infrapunatunnisteiden kiinnittäminen seteleihin, toisin kuin ultravioletti, on väärentäjille kallista ja siksi taloudellisesti kannattamatonta. . Siksi setelitunnistimet, joissa on sisäänrakennettu IR-lähetin, ovat nykyään luotettavin suoja väärentämistä vastaan. .
Infrapunasäteilyä käytetään laajasti Maan kaukokartoituksessa avaruudesta. Satelliittikuvien yhteiskäyttö IR-alueella muiden spektrin osien kuvien kanssa mahdollistaa pohjimmiltaan spektroskopiaa muistuttavien menetelmien soveltamisen maan pinnan analysointiin. Tämä pätee erityisesti kasvillisuuden tutkimukseen laskettaessa erilaisia kasvillisuusindeksejä .
Erittäin voimakas infrapunasäteily voi kuumissa paikoissa kuivata silmien limakalvoja. Se on vaarallisinta, kun säteilyyn ei liity näkyvää valoa. Tällaisissa tilanteissa on tarpeen käyttää erityisiä suojalaseja silmille [12] .
Infrapunasäteily, jonka aallonpituus on 1,35 µm, 2,2 µm, ja laserpulssin huipputeho on riittävä, voi aiheuttaa DNA-molekyylien tehokkaan tuhoutumisen, mikä on voimakkaampaa kuin lähi-infrapuna-alueen säteily [13] .
Maan pinta ja pilvet imevät Auringosta näkyvää ja näkymätöntä säteilyä ja säteilevät suurimman osan absorboidusta energiasta infrapunasäteilynä takaisin ilmakehään. Tietyt ilmakehän aineet, pääasiassa vesipisarat ja vesihöyry, mutta myös hiilidioksidi, metaani, typpi, rikkiheksafluoridi ja kloorifluorihiilivedyt, absorboivat tätä infrapunasäteilyä ja säteilevät sitä uudelleen kaikkiin suuntiin, myös takaisin Maahan. Siten kasvihuoneilmiö pitää ilmakehän ja pinnan lämpimämpänä kuin jos ilmakehässä ei olisi infrapuna-absorboijia [14] [15] .
Sanakirjat ja tietosanakirjat | ||||
---|---|---|---|---|
|
sähkömagneettinen spektri | |
---|---|
Näkyvä spektri | |
Mikroaaltouuni | |
radioaallot | |
Aallonpituudet |