Все многообразие излучений, исходящих от Солнца, имеет единую природу - это электромагнитные волны. Разнообразие в их свойствах вызвано отличиями в длине волны. Видимая часть спектра солнечного излучения начинается с самых коротких - фиолетовых волн (0,38 мкм) и завершается самыми длинными волнами (0,76 мкм), которые человеческий глаз воспринимает, как красный цвет.
Немецкий учёный Гершель в 1800 году обнаружил за красной частью спектра некие невидимые лучи, вызывающее значительное повышение температуры термометра, используемого им для исследования. Это излучение было названо - инфракрасным.
Каково влияние инфракрасного излучения на организм человека? Давайте это выясним.
Что такое инфракрасное излучение
Излучение, примыкающее к красной части видимого спектра, не воспринимаемое нашими органами зрения, но обладающее способностью нагревать освещаемые поверхности, было названо инфракрасным. Приставка «инфра» означает «больше». В нашем случае - это электромагнитные лучи с длиной волны большей, чем у видимого красного света.
Что является источником инфракрасного излучения
Его естественным источником является Солнце. Диапазон инфракрасных лучей достаточно широк. Это волны с длиной от 7 и до 14 микрометра (мкм). Частичное поглощение и рассеяние инфракрасных лучей происходит в атмосфере Земли.
О масштабах инфракрасного солнечного излучения говорит тот факт, что на него приходится 58% всего спектра электромагнитных волн, исходящих от нашего светила.
Такой, достаточно широкий диапазон ИК лучей делят на три части:
- длинные волны, излучаемые нагревателем с температурой до 300 °C;
- средние - до 600 °C;
- короткие - более 800 °C.
Все они излучаются возбуждёнными атомами (т. е. обладающими избыточной энергией), а также ионами вещества. Источником ИК излучения являются все тела, если их температура выше абсолютного нуля (минус 273 °C).
Итак, в зависимости от температуры излучателя формируются ИК лучи разной длины волны, интенсивности и проникающей способности. А от этого и зависит, как инфракрасное излучение воздействует на живой организм.
Польза и вред ИК излучения для здоровья человека
Ответить на вопрос - вредно ли для человека инфракрасное излучение, можно, вооружившись некоторыми сведениями.
Длинноволновые ИК лучи, попадая на кожу, воздействует на нервные рецепторы, вызывая ощущение тепла. Поэтому инфракрасное излучение ещё называют тепловым.
Более 90% этого излучения поглощается влагой, содержащейся в верхних слоях кожи. Оно вызывает лишь повышение температуру кожного покрова. Медицинские исследования показали, что длинноволновое излучение не только безопасно для человека, но и повышает иммунитет, запускает механизм регенерации и оздоровления многих органов и систем. Особенно эффективными в этом отношении являются ИК лучи с длиной волны 9,6 мкм. Этими обстоятельствами обусловлено применение инфракрасного излучения в медицине.
Совсем иной механизм воздействия инфракрасных лучей на организм человека, относящегося коротковолновой части спектра. Они способны проникнуть на глубину нескольких сантиметров, вызывая нагревание внутренних органов.
В месте облучения из-за расширения капилляров может появиться покраснение кожи, вплоть до образования волдырей. Особенно опасны короткие ИК лучи для органов зрения. Они могут спровоцировать образования катаракты, нарушения водно-солевого баланса, появления судорог.
Причиной известного эффекта теплового удара служит именно коротковолновое ИК излучение. Повышение температуры головного мозга на 1 °C уже вызывает его признаки:
Перегревание на 2 °C может спровоцировать развитие менингита.
Теперь разберёмся с понятием интенсивности электромагнитного излучения. Этот фактор зависит от расстояния до источника тепла и его температуры. Длинноволновое тепловое излучение малой интенсивности играет важную роль для развития жизни на планете. Человеческий организм нуждается в постоянной подпитке этими длинами волн.
Таким образом, определяется длиной волны и временем воздействия.
Как избежать вредного воздействия ИК лучей
Поскольку мы определились, что негативное влияние на человеческий организм оказывает коротковолновое ИК излучение, выясним, где нас может подстерегать эта опасность.
Прежде всего это тела с температурой, превышающей 100 °C. Такими, могут явиться следующие.
- Производственные источники лучистой энергии (сталеплавильные, электродуговые печи и пр.) Снижение опасности их воздействия достигается специальной защитной одеждой, теплозащитными экранами, применением более новых технологий, а также лечебно-профилактическими мероприятиями для обслуживающего персонала;
- . Самым надёжным и проверенным из них является русская печь. Излучаемое ею тепло не только чрезвычайно приятно, но и целебно. К великому сожалению эта деталь быта почти полностью канула в Лету. На смену ей пришли все возможные электрические обогреватели. Те из них, чья тепловыделяющая спираль защищена теплоизолирующим материалом, излучают мягкое длинноволновое излучение. Оно оказывает благотворное влияние на организм. Обогреватели с открытым нагревательным элементом излучают жёсткое, коротковолновое излучение, которое и может привести к описанным выше негативным последствиям. В техническом паспорте обогревателя производитель обязан указать характер излучения этого прибора.
Если же вы стали обладателем коротковолнового обогревателя, соблюдайте правило - чем ближе обогреватель, тем меньшим должно быть время его воздействия.
Помощь при тепловом ударе
Природа наделила человека очень совершенной системой терморегуляции. Но, если все же имеет место тепловой удар, следует выполнить определённый комплекс мероприятий, минимизирующих его последствия:
Человечество живёт в мире природных и рукотворных источников различных излучений. Неоспоримо воздействие инфракрасного излучения на организм человека. Но нет статистики, доказывающей его вред.
А знание закономерностей его взаимодействия с биологическими объектами позволяет использовать полезное влияние инфракрасного излучения на человека для предотвращения болезней и терапии различных заболеваний.
Инфракрасное излучение является естественным природным видом излучения. Каждый человек ежедневно подвергается его действию. Огромная часть энергии Солнца поступает на нашу планету именно в виде ИК-лучей. Однако в современном мире существует множество приборов, в которых задействовано инфракрасное излучение. На организм человека оно может воздействовать различным образом. Во многом это зависит от типа и целей использования этих самых приборов.
Что это такое
Инфракрасное излучение, или ИК-лучи, - это вид электромагнитного излучения, занимающий спектральную область от красного видимого света (для которого характерна длина волны 0,74 мкм) до коротковолнового радиоизлучения (с длиной волны 1-2 мм). Это довольно обширная область спектра, поэтому ее дополнительно подразделяют на три области:
- ближний (0,74 - 2,5 мкм);
- средний (2,5 - 50 мкм);
- дальний (50-2000 мкм).
История открытия
В 1800 году ученый из Англии В. Гершель сделал наблюдение, что в невидимой части солнечного спектра (за пределами красного света) повышается температура термометра. Впоследствии была доказана подчиненность инфракрасного излучения законам оптики и сделан вывод о его родстве с видимым светом.
Благодаря трудам советского физика А. А. Глаголевой-Аркадьевой, в 1923 году получившей радиоволны с λ=80 мкм (ИК-диапазон), было экспериментально доказано существование непрерывного перехода от видимого излучения к ИК-излучению и радиоволновому. Таким образом, был сделан вывод об их общей электромагнитной природе.
Практически все в природе способно испускать длины волн, соответствующих инфракрасному спектру, а значит, является Тело человека не является исключением. Все мы знаем, что все вокруг состоит из атомов и ионов, даже человек. А эти возбужденные частицы способны испускать Переходить в возбужденное состояние они могут под действием различных факторов, например электрических разрядов или при нагревании. Так, в спектре излучения пламени газовой плиты имеется полоса с λ=2,7 мкм от молекул воды и с λ=4,2 мкм от углекислого газа.
ИК-волны в быту, науке и промышленности
Используя дома и на работе те или иные приборы, мы редко задаемся вопросом о влиянии инфракрасного излучения на организм человека. Между тем довольно популярными сегодня являются ИК-обогреватели. Принципиальным их отличаем от масляных радиаторов и конвекторов является способность нагревать не сам воздух непосредственно, а все объекты, находящиеся в помещении. То есть сначала нагреваются мебель, полы и стены, а затем они отдают свое тепло в атмосферу. При этом оказывает действие инфракрасное излучение и на организмы - человека и его питомцев.
Также широко применяются ИК-лучи при передаче данных и дистанционном управлении. Во многих мобильных телефонах имеются ИК-порты, предназначенные для обмена файлами между ними. А все пульты от кондиционеров, музыкальных центров, телевизоров, некоторых управляемых детских игрушек также используют электромагнитные лучи в инфракрасном диапазоне.
Использование ИК-лучей в армии и космонавтике
Наиболее важное значение инфракрасные лучи имеют для авиакосмической и военной отраслей. На базе фотокатодов, имеющих чувствительность к ИК-излучению (до 1,3 мкм), создаются (различные бинокли, прицелы и т. д.). Они позволяют при одновременном облучении объектов инфракрасным излучением произвести прицеливание или осуществлять наблюдение в абсолютной темноте.
Благодаря созданным высокочувствительным приемникам инфракрасных лучей стало возможным производство самонаводящихся ракет. Датчики в их головной части реагируют на ИК-излучение цели, температура которой, как правило, выше окружающей среды, и направляют ракету в цель. На том же принципе основано обнаружение с помощью теплопеленгаторов нагретых частей кораблей, самолетов, танков.
ИК-локаторы и дальномеры могут обнаруживать в полной темноте различные объекты и соизмерять расстояние до них. Особые приборы - которые излучают в инфракрасной области, применяются для космической и дальней наземной связи.
Инфракрасное излучение в научной деятельности
Одним из самых распространенных является изучение спектров испускания и поглощения в ИК-области. Применяется оно при изучении особенностей электронных оболочек атомов, для определения структур всевозможных молекул, а кроме того, и в качественном и количественном анализе смесей различных веществ.
Из-за различий коэффициентов рассеяния, пропускания и отражения тел в видимых и ИК-лучах фотографии, сделанные в различных условиях, несколько отличаются. На снимках, выполненных в инфракрасном диапазоне, зачастую видно больше деталей. Такие снимки широко распространены в астрономии.
Изучение влияния ИК-лучей на организм
Первые научные данные о влиянии инфракрасного излучения на организм человека датированы 1960 годами. Автором исследований является японский врач Тадаши Ишикава. В ходе своих экспериментов ему удалось установить, что ИК-лучи имеют свойство проникать глубоко внутрь тела человека. При этом происходят процессы терморегуляции, сходные с реакцией на нахождение в сауне. Однако потоотделение начинается при более низкой температуре окружающего воздуха (она составляет порядка 50 °С), а прогревание внутренних органов происходит гораздо глубже.
В ходе такого прогревания происходит усиление кровообращения, расширяются сосуды органов дыхания, подкожной клетчатки и кожи. Вместе с тем длительное воздействие инфракрасного излучения на человека способно вызвать тепловой удар, а сильное ИК-излучение приводит к появлению ожогов различной степени.
Защита от ИК-излучения
Существует небольшой перечень мероприятий, направленных на уменьшение опасности воздействия инфракрасного излучения на организм человека:
- Понижение интенсивности излучения. Достигается оно посредством выбора соответствующего технологического обо-ру-до-ва-ния, своевременной заменой устаревшего, а также его рациональной компоновкой.
- Удаление рабочих от источника излучения. Если позволяет технологическая линия, следует предпочесть дистанционное управление ею.
- Установка защитных экранов на источник или рабочее место. Такие ограждения могут быть устроены двумя способами, позволяющими снизить влияние инфракрасного излучения на организм человека. В первом случае они должны отражать электромагнитные волны, а во втором - задерживать их и преобразовывать энергию излучения в тепловую с последующим ее отведением. В связи с тем, что защитные экраны не должны лишать специалистов возможности вести мониторинг происходящих на производстве процессов, они могут изготавливаться прозрачными или полупрозрачными. Для этого в качестве материалов выбирают силикатные или кварцевые стекла, а также металлические сетки и цепи.
- Теплоизоляция или охлаждение горячих поверхностей. Главной целью тепловой изоляции является снижение риска получения рабочими различных ожогов.
- Средства индивидуальной защиты (разнообразная спецодежда, очки со встроенными светофильтрами, щит-ки).
- Профилактические мероприятия. Если в ходе вышеперечисленных действий уровень воздействия ИК-излучения на организм остается достаточно высоким, то следует подобрать соответствующий режим труда и отдыха.
Польза для организма человека
Инфракрасное излучение, воздействующее на тело человека, приводит к улучшению циркуляции крови вследствие расширения сосудов, лучшему насыщению органов и тканей кислородом. Кроме того, повышение температуры тела оказывает болеутоляющий эффект за счет воздействия лучей на нервные окончания в кожных покровах.
Было подмечено, что хирургические операции, проведенные под действием ИК-излучения, имеют ряд преимуществ:
- несколько легче переносятся боли после операций;
- быстрее идет регенерация клеток;
- влияние инфракрасного излучения на человека позволяет избежать охлаждения внутренних органов в случае выполнения операции на открытых полостях, что понижает риск развития шока.
У больных с ожогами инфракрасное излучение создает возможность удаления некрозов, а также выполнения аутопластики на более раннем этапе. Кроме того, снижается срок лихорадки, в меньшей степени выражены анемия и гипопротеинемия, снижается частота осложнений.
Доказано, что ИК-излучение способно ослабить действие некоторых ядохимикатов, путем повышения неспецифического иммунитета. Многие из нас знают о лечении ринита и некоторых других проявления простуды синими ИК-лампами.
Вред для человека
Стоит отметить, что вред от инфракрасного излучения для организма человека тоже может быть весьма существенным. Наиболее очевидные и распространенные случаи - ожоги кожи и дерматиты. Происходить они могут либо при слишком длительном воздействии слабых волн инфракрасного спектра, либо в ходе интенсивного облучения. Если говорить о медицинских процедурах, то редко, но все же случаются тепловые удары, астении и обострения болей при неправильном лечении.
Одной из современных проблем являются ожоги глаз. Наиболее опасны для них ИК-лучи с длинами волн в пределах 0,76-1,5 мкм. Под их влиянием происходит нагревание хрусталика и водянистой влаги, что может приводить к различным нарушениям. Одним из самых распространенных последствий является светобоязнь. Об этом стоит помнить детям, играющим с лазерными указками, и сварщикам, пренебрегающим средствами индивидуальной защиты.
ИК-лучи в медицине
Лечение с помощью инфракрасного излучения бывает местным и общим. В первом случае осуществляется локальное действие на определенный участок тела, а во втором действию лучей подвергается весь организм. Курс лечения зависит от заболевания и может составлять от 5 до 20 сеансов по 15-30 минут. При проведении процедур обязательным условием является использование защитных средств. Для сохранения здоровья глаз используются особые картонные накладки или очки.
После первой же процедуры на поверхности кожи появляются покраснения с нечеткими границами, проходящие примерно через час.
Действие ИК-излучателей
В условиях доступности многих медицинских приборов люди приобретают их для индивидуального пользования. Однако необходимо помнить, что такие устройства должны соответствовать особым требованиям и использоваться с соблюдением правил безопасности. Но главное - важно понимать, что, как и любой медицинский прибор, излучатели инфракрасных волн нельзя использовать при ряде заболеваний.
| Длина волны, мкм | Полезное действие |
| 9,5 мкм | Иммунокоррегирующее действие при иммунодефицитных состояниях, вызванных голоданием, отравлением четыреххлористым углеродом, применением иммунодепрессантов. Приводит к восстановлению нормальных показателей клеточного звена иммунитета. |
| 16.25 мкм | Антиоксидантное действие. Осуществляется за счет образования свободных радикалов из супероксидов и гидроперекисей, и их рекомбинации. |
| 8,2 и 6,4 мкм | Антибактериальное действие и нормализация микрофлоры кишечника за счет влияния на процесс синтеза гормонов простагландинов, приводящая к иммуномоделирующему эффекту. |
| 22,5 мкм | Приводит к переводу многих нерастворимых соединений, таких как тромбы и атеросклеротические бляшки, в растворимое состояние, позволяющее выводить их из организма. |
Поэтому подбирать курс терапии должен квалифицированный специалист, опытный врач. В зависимости от длины испускаемых инфракрасных волн, приборы могут быть использованы для разных целей.
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. |
,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.
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. |
||
1-
фотокатод
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.
Существуют разные источники инфракрасного излучения. В настоящее время они находятся в бытовой технике, системах автоматики, охраны, а также используются при сушке промышленных изделий. Источники инфракрасного света при правильной эксплуатации не влияют на человеческий организм, поэтому изделия пользуются огромной популярностью.
История открытия
На протяжении многих веков изучением природы и действия света занимались выдающиеся умы.
Инфракрасный свет был обнаружен в начале 19 века с помощью исследований астронома В. Гершеля. Суть его заключалась в изучении нагревательных способностей различных солнечных участков. К ним ученый подносил термометр и следил за возрастанием температуры. Данный процесс наблюдался, когда прибор коснулся красной границы. В. Гершель сделал вывод, что существует некое излучение, которое нельзя увидеть зрительно, но возможно определить с помощью термометра.
Инфракрасные лучи: применение
Они широко распространены в жизни человека и нашли свое применение в разных сферах:
- Военное дело. Современные ракеты и боеголовки, способные самостоятельно наводиться на цель, снабжены которые являются результатом применения инфракрасного излучения.
- Термография. Инфракрасное излучение применяют для изучения перегретых или переохлажденных местностей. Инфракрасные снимки также применяются в астрономии для обнаружения небесных тел.
- Быт. Большую популярность получили , функционирование которых направлено на нагрев предметов интерьера и стен. Затем они отдают тепло пространству.
- Дистанционное управление. Все существующие пульты для телевизора, печей, кондиционеров и т.д. снабжены инфракрасными лучами.
- В медицине инфракрасными лучами проводят лечение и профилактику различных заболеваний.
Рассмотрим, где применяются данные элементы.
Инфракрасные газовые горелки
Инфракрасная горелка служит для обогрева различных помещений.
Сначала она использовалась для теплиц, гаражей (то есть нежилых помещений). Однако современные технологии позволили применять ее даже в квартирах. В народе такую горелку называют прибором солнца, так как во включенном состоянии рабочая поверхность оборудования напоминает солнечный свет. Со временем такие устройства заменили масляные обогреватели и конвекторы.
Главные особенности
Инфракрасная горелка отличается от других приборов способом нагрева. Передача теплоты осуществляется за счет которые не заметны для человека. Такая особенность позволяет теплу проникать не только в воздух, но и на предметы интерьера, которые в дальнейшем также повышают температуру в помещении. Инфракрасный излучатель не сушит воздух, потому что лучи в первую очередь направлены на предметы интерьера и стены. В дальнейшем передача теплоты будет осуществляться от стен или предметов непосредственно пространству комнаты, причем процесс происходит за несколько минут.
Положительные стороны
Главным преимуществом таких приборов является быстрый и легких обогрев помещения. Например, чтобы нагреть холодную комнату до температуры +24ºС, потребуется 20 минут. В процессе не возникает движение воздуха, который способствует образованию пыли и больших загрязнений. Поэтому инфракрасный излучатель устанавливают в помещениях те люди, которые имеют аллергию.
Кроме того, инфракрасные лучи, попадая на поверхность с пылью, не вызывают ее горение, и, как следствие, нет запах горелой пыли. Качество обогрева и долговечность прибора зависит от нагревательного элемента. В таких устройствах используется керамический тип.
Стоимость
Цена таких устройств довольна низка и доступна всем слоям населения. Например, газовая горелка стоит от 800 рублей. Целую печку можно приобрести за 4000 рублей.
Сауна
Что собой представляет инфракрасная кабина? Это специальное помещение, которое строится из натуральных сортов дерева (например, кедра). В него устанавливаются инфракрасные излучатели, действующие на дерево.
Во время нагрева выделяются фитонциды — полезные компоненты, которые предотвращают развитие или появление грибков и бактерий.
Такая инфракрасная кабина в народе называется сауной. Внутри помещения температура воздуха достигает 45ºС, поэтому находиться в нем довольно комфортно. Такая температура позволяет прогреть человеческое тело равномерно и глубоко. Поэтому тепло не воздействует на сердечно-сосудистую систему. Во время процедуры удаляются накопленные токсины и шлаки, ускоряется обмен веществ в организме (за счет быстрого движения крови), также ткани обогащаются кислородом. Однако выделение пота — это не главное свойство инфракрасной сауны. Она направлена на улучшение самочувствия.
Влияние на человека
Такие помещения благотворно сказываются на организме человека. Во время процедуры прогреваются все мышцы, ткани и кости. Ускорение кровообращения влияет на обмен веществ, который помогает насытить мышцы и ткани кислородом. Кроме того, инфракрасную кабину посещают с целью профилактики различных заболеваний. Большинство людей оставляет только положительные отзывы.
Негативное воздействие инфракрасного излучения
Источники инфракрасного излучения могут вызывать не только положительное воздействие на организм, но и наносить ему вред.
При длительном воздействии лучей происходит расширение капилляров, что приводит к появлению покраснения или ожогов. Особый вред источники инфракрасного излучения наносят органам зрения — это образование катаракты. В некоторых случаях у человека появляются судороги.
На организм человека влияют короткие лучи, вызывая При повышении температуры головного мозга на несколько градусов наблюдается ухудшение состояния: потемнение в глазах, головокружение, тошнота. Дальнейший рост температуры может привести к образованию менингита.
Ухудшение или улучшение состояния происходит за счет интенсивности электромагнитного поля. Она характеризуется температурой и расстоянием до источника излучения тепловой энергии.
Длинные волны инфракрасного излучения играют особую роль в разных процессах жизнедеятельности. Короткие же больше влияют на человеческий организм.
Как предотвратить вредное влияние ИК-лучей?
Как говорилось ранее, отрицательное воздействие на человеческий организм оказывает короткое тепловое излучение. Рассмотрим примеры, в которых ИК-излучение опасно.
На сегодняшний день вредить здоровью могут инфракрасные нагреватели, излучающие температуру выше 100ºС. Среди них выделяют следующие:
- Промышленное оборудование, излучающее лучистую энергию. Чтобы предотвратить негативное воздействие, следует использовать спецодежду и теплозащитные элементы, а также проводить профилактические мероприятия среди работающего персонала.
- Инфракрасный прибор. Самым известным обогревателем является печь. Однако она уже давно вышла из обихода. Все чаще в квартирах, загородных домах и дачах стали использовать электрические инфракрасные нагреватели. В его конструкции предусмотрен нагревательный элемент (в виде спирали), который защищен специальным теплоизолирующим материалом. Такое воздействие лучей не вредит человеческому организму. Воздух в обогреваемой зоне не сушится. Нагреть помещение можно за 30 минут. Сначала инфракрасное излучение нагревает предметы, а уже они и всю квартиру.
Инфракрасное излучение широко применяется в различных сферах, начиная с промышленной и заканчивая медициной.
Однако обращаться с ними следует аккуратно, так как лучи могут оказать негативное воздействие на человека. Все зависит от длины волны и расстояния до нагревательного прибора.
Итак, мы выяснили, какие существуют источники инфракрасного излучения.
Инфракрасное излучение (ИК ) - это электромагнитное излучение с большей длиной волны, чем видимый свет , простирающийся от номинального красного края видимого спектра на 0,74 мкм (микрон) до 300 мкм. Этот диапазон длин волн соответствует частоте диапазона примерно от 1 до 400 ТГц, и включает в себя большую часть теплового излучения, испускаемого объектами вблизи комнатной температуры. Инфракрасное излучение испускается или поглощается молекулами, когда они меняют свои вращательно-колебательные движения . Наличие инфракрасного излучения было впервые обнаружено в 1800 году астрономом Уильямом Гершелем.
Большая часть энергии от Солнца поступает на Землю в виде инфракрасного излучения. Солнечный свет в зените обеспечивает освещённость чуть более 1 киловатта на квадратный метр над уровнем моря. Из этой энергии, 527 ватт инфракрасного излучения, 445 Вт является видимым светом, и 32 ватта ультрафиолетовым излучением.
Инфракрасный свет используется в промышленных, научных и медицинских нуждах. Приборы ночного видения с помощью инфракрасной подсветки позволяют людям наблюдать за животными, которые невозможно заметить в темноте. В астрономии изображение в инфракрасном диапазоне позволяет наблюдать объекты скрытые межзвездной пылью. Инфракрасные камеры используются для обнаружения потери тепла в изолированных системах, наблюдать изменение кровотока в коже, а также для обнаружения перегрева электрооборудования.
|
Сравнение света |
|||||||
|
Название |
Длина волны |
Частота (Гц) |
Энергия фотона (эВ) |
|
|
|
|
|
Гамма лучи |
менее 0,01 нм |
более чем на 10 EHZ |
124 кэВ - 300 + ГэВ |
|
|
|
|
|
Рентгеновые лучи |
0,01 нм до 10 нм |
124 эВ до 124 кэВ |
|
|
|
|
|
|
Ультрафиолетовые лучи |
10 нм - 380 нм |
30 PHZ - 790 ТГц |
3,3 эВ до 124 эВ |
|
|
|
|
|
380 нм - 750 нм |
790 ТГц - 405 ТГц |
1,7 эВ - 3,3 эВ |
|
|
|
|
|
|
Инфракрасное излучение |
750 нм - 1 мм |
405 ТГц - 300 ГГц |
1,24 мэВ - 1,7 эВ |
|
|
|
|
|
Микроволны |
1 мм - 1 метр |
300 ГГц - 300 МГц |
1,24 мкэВ - 1,24 мэВ |
|
|
|
|
|
1 мм - 100 км |
300 ГГц - 3 Гц |
12,4 фэВ - 1,24 мэВ |
|
|
|
|
|
Инфракрасные изображения широко используются для военных и гражданских целей. Военные применения включают в себя такие цели как наблюдение, ночное наблюдение, наведение и слежение. Не для военного применения включают тепловую эффективность анализа, мониторинга окружающей среды, промышленной инспекции объектов, дистанционное зондирование температуры, короткодействующую беспроводную связь, спектроскопию и прогноз погоды. Инфракрасная астрономия использует датчик оборудованный телескопами для того, чтобы проникнуть в пыльные области пространства, такие как молекулярные облака, и обнаруживать объекты, такие как планеты .
Хотя ближневолновая инфракрасная область спектра (780-1000 нм) уже давно считается невозможной из-за шума в зрительных пигментах, ощущение ближнего инфракрасного света сохранилось у карпа и в трех видах циклид. Рыбы используют ближневолновую инфракрасную область спектра, чтобы захватить добычу и для фототактической ориентации во время плавания. Ближневолновая инфракрасная область спектра для рыбы может быть полезна в условиях плохой освещенности в сумерках и в мутных поверхностях воды.
Фотомодуляция
Ближний инфракрасный свет, или фотомодуляция, используется для лечения химиотерапией индуцированных язв, а также заживления ран. Существует ряд работ, связанных с лечением вируса герпеса. Исследовательские проекты включают в себя работу над изучением центральной нервной системы и лечебным воздействием через регуляцию цитохром и оксидаз и другие возможные механизмы.
Опасность для здоровья
Сильное инфракрасное излучение в определенной отрасли и режиме высоких температур может быть опасно для глаз, в результате может привести к повреждению зрения или слепоте по отношению к пользователю. Поскольку излучение невидимо, необходимо надевать специальные инфракрасные очки в таких местах.
Земля как инфракрасный излучатель
Поверхность Земли и облака поглощают видимое и невидимое излучение от солнца и вновь возвращают большую часть энергии в виде инфракрасного излучения обратно в атмосферу. Некоторые вещества в атмосфере, главным образом, капли облаков и водяные пары, а также диоксид углерода, метан, окись азота, гексафторид серы и хлорфторуглерод поглощают инфракрасное излучение, и вновь возвращают его во всех направлениях, включая обратно на Землю. Таким образом, парниковый эффект сохраняет атмосферу и поверхность гораздо теплее, чем если бы инфракрасные амортизаторы отсутствовали в атмосфере.
История науки об инфракрасном излучении
Открытие инфракрасного излучения приписывается Уильяму Гершелю, астроному, в начале 19 века. Гершель опубликовал результаты своих исследований в 1800 году до Лондонского королевского общества. Гершель использовал призму, чтобы преломить свет от солнца и обнаружить инфракрасное излучение, вне красной части спектра, через увеличение температуры, зарегистрированной на термометре. Он был удивлён результатом и назвал их «тепловыми лучами». Термин «инфракрасное излучение» появились только в конце 19 века.
Другие важные даты включают:
- 1737: Эмили дю Шатле предсказал, то, что сегодня известно как инфракрасное излучение в своей диссертации.
- 1835: Маседонио Мельони делает первые термобатареи с инфракрасным детектором.
- 1860: Густав Кирхгоф формулирует теорему абсолютно чёрного тела.
- 1873: Уиллоуби Смит обнаружил фотопроводимость селена.
- 1879: Опытным путем сформулирован закон Стефана-Больцмана, согласно которому энергия , излученная абсолютно чёрным телом пропорциональна.
- 1880-е и 1890-е года: Лорд Рэлей и Вильгельм Вин оба решают часть уравнения абсолютно чёрного тела, но оба решения - приблизительные. Эту проблему называли «ультрафиолетовой катастрофой и инфракрасной катастрофой».
- 1901: Макс Планк Макс Планк издал уравнение абсолютно чёрного тела и теорему. Он решил проблему квантования допустимых энергетических переходов.
- 1905: Альберт Эйнштейн разрабатывает теорию фотоэлектрического эффекта, которая определяет фотоны. Также Уильям Коблентз в спектроскопии и радиометрии.
- 1917: Теодор Кейз разрабатывает датчик таллия-сульфида; британцы разрабатывают первый прибор инфракрасного поиска и слежения в Первой мировой войне и обнаруживают самолеты в диапазоне 1,6 км.
- 1935: Свинцовые соли - раннее ракетное руководство во Второй мировой войне.
- 1938: Тью Та предсказал, что пироэлектрический эффект может использоваться, чтобы обнаружить инфракрасную радиацию.
- 1952: Н. Уилкер обнаруживает антимониды, соединения сурьмы с металлами.
- 1950: Поль Круз и техасские инструменты образуют инфракрасные изображения до 1955 года.
- 1950-е и 1960-е годы: Спецификация и радиометрические подразделения, определенные Фредом Никодеменасом, Робертом Кларком Джоунсом.
- 1958: У. Д. Лоусон (Королевское Радарное Учреждение в Мальверне) обнаруживает свойства обнаружения ИК-фотодиодом.
- 1958: Фэлкон разработал ракеты с использованием инфракрасного излучения и появляется первый учебник по инфракрасным датчикам Поля Круза, и др.
- 1961: Джей Купер изобрёл пироэлектрическое обнаружение.
- 1962: Kruse и Родат продвигают фотодиоды; элементы сигналов и линейных массивов доступны.
- 1964: У. Г. Эванс обнаруживает инфракрасные терморецепторы у жука.
- 1965: Первый инфракрасный справочник, первые коммерческие тепловизоры; сформирована лаборатория ночного видения в армии Соединённых Штатов Америки (в настоящее время лаборатория управления ночного видения и электронными датчиками.
- 1970: Уиллард Бойл и Джордж Э.Смит предлагают прибор с зарядовой связью для телефона с изображениями.
- 1972: Создан общий программный модуль.
- 1978: Инфракрасная астрономия изображений достигает совершеннолетия, запланировано создание обсерватории, массовое производство антимонидов и фотодиодов и других материалов.
