Инфракрасное излучение и его применение
Электромагнитное излучение с диапазоном длин волн от 0,74 мкм до 2 мм именуется в физике инфракрасным излучением или инфракрасными лучами, сокращенно «ИК». Оно занимает ту часть электромагнитного спектра, которая находится между видимым оптическим излучением (берущим начало в районе красного цвета) и коротковолновым радиодиапазоном.
Хотя практически инфракрасное излучение не воспринимается человеческим глазом как свет и не обладает каким-то определенным цветом, оно относится, тем не менее, к оптическому излучению, и находит самое широкое применение в современной технике.
Инфракрасные волны, что характерно, нагревают поверхности тел, поэтому инфракрасное излучение еще часто именуют тепловым излучением. Всю инфракрасную область принято условно делить на три части:
далекая ИК область — с длинами волн от 50 до 2000 мкм;
средняя ИК область — с длинами волн от 2,5 до 50 мкм;
ближняя ИК область — от 0,74 до 2,5 мкм.
ИК-излучение было открыто в 1800 году английским астрономом Уильямом Гершелем, а позже, в 1802 году, независимо от него, английским же ученым Уильямом Волластоном.
Спектры в ИК-диапазоне
Атомные спектры, получаемые в виде инфракрасных лучей, — линейчатые; спектры конденсированных сред — непрерывные; молекулярные спектры — полосатые. Суть в том, что для инфракрасных лучей, по сравнению с видимой и ультрафиолетовой областями электромагнитного спектра, оптические свойства веществ, такие как коэффициент отражения, пропускания, преломления, — сильно отличаются.
Многие из веществ хотя и пропускают видимый свет, при этом оказываются непрозрачными для волн части инфракрасного диапазона.
Так, например, слой воды в несколько сантиметров толщиной — непрозрачен для инфракрасной волны с длиной более 1 мкм, и в некоторых условиях может использоваться в качестве теплозащитного фильтра. А слои германия или кремния не пропускают видимый свет, зато хорошо пропускают инфракрасные лучи определенной длины волны. ИК-лучи дальней области черная бумага пропускает легко, и может служить фильтром для их выделения.
Большинство металлов, такие как алюминий, золото, серебро и медь, — отражают инфракрасное излучение с большей длиной волны, например при длине волны ИК-лучей в 10 мкм, отражение от металлов доходит до 98%. Твердые и жидкие вещества неметаллической природы отражают лишь часть диапазона ИК, в зависимости от химического состава конкретного вещества. В силу данных особенностей взаимодействия ИК-лучей с различными средами, они успешно используются во многих исследованиях.
Инфракрасные волны исходящие от Солнца, проходя через атмосферу Земли, частично рассеиваются и ослабляются на молекулах и атомах воздуха. Кислород и азот атмосферы частично ослабляют ИК-лучи, рассеивая их, но не поглощая полностью, как поглощают часть лучей видимого спектра.
Содержащиеся в атмосфере вода, углекислый газ и озон частично поглощают инфракрасные лучи, причем более всего поглощает их вода, так как ее спектры ИК-поглощения приходятся на всю область инфракрасного спектра, а спектры поглощения углекислого газа — попадают лишь на среднюю область.
Слои атмосферы вблизи поверхности Земли пропускают совсем небольшую долю ИК-излучения, так как дым, пыль и вода дополнительно ослабляют его, рассеивая энергию на своих частицах. Чем меньше частицы (дыма, пыли, воды и т.д.) — тем меньше рассеивание ИК и больше рассеивание волн видимого спектра. Данный эффект применяется в инфракрасной фотографии.
Для нас, живущих на Земле, очень мощным естественным источником инфракрасного излучения является Солнце, ведь половина его электромагнитного спектра приходится именно на инфракрасный диапазон. У ламп накаливания ИК-спектр составляет до 80% энергии излучения.
Также к искусственным источникам ИК-излучения относятся: электрическая дуга, газоразрядные лампы, и, конечно, бытовые обогреватели на ТЭНах. В науке для получения ИК-волн применяют штифт Нернста, вольфрамовые нити, а также ртутные лампы высокого давления и даже специальные ИК-лазеры (неодимовое стекло дает длину волны 1,06 мкм, а гелий-неоновый лазер — 1,15 и 3,39 мкм, углекислый газ — 10,6 мкм).
Принцип работы приемников ИК-волн основывается на преобразовании энергии падающего излучения в другие виды энергии, доступные для измерения и использования. Поглощаемое в приемнике, ИК-излучение разогревает термочувствительный элемент, и повышение температуры регистрируется.
Фотоэлектрические приемники ИК-лучей генерируют электрическое напряжение и ток, реагируя на определенную узкую часть ИК-спектра, для работы с которой они предназначены, то есть фотоэлектрические ИК-приемники селективны. Для ИК-волн из диапазона до 1,2 мкм фоторегистрацию осуществляют при помощи специальных фотоэмульсий.
Очень широкое применение находит инфракрасное излучение в науке и технике, особенно для решения практических исследовательских задач. Исследуются спектры поглощения и испускания молекул и твердых тел, которые как раз приходятся на инфракрасную область.
Данный подход к исследованиям называется инфракрасной спектроскопией, позволяющей решать структурные задачи, проводя количественный и качественный спектральный анализ. На далекую ИК-область приходятся излучения, вызываемые переходами между подуровнями атомов. Благодаря ИК-спектрам можно изучать структуры электронных оболочек атомов.
И это не говоря о фотографии, когда один и тот же объект, будучи сфотографирован сначала в видимом, а затем — в инфракрасном диапазоне, будет выглядеть по разному, так как из-за различия в коэффициентах пропускания, рассеяния и отражения для разных областей электромагнитного спектра, некоторые элементы и детали в необычном режиме фотосъемки могут вообще отсутствовать: на обычной фотографии кое-что будет отсутствовать, а на ИК-фото — станет видимым.
Нельзя недооценить промышленное и бытовое использование инфракрасного излучения. Его применяют для сушки и нагрева различных изделий и материалов на производствах. В домах — обогревают помещения.
Электронно-оптические преобразователи используют фотокатоды, чувствительные в инфракрасной области электромагнитного спектра, что позволяет видеть то, что невидимо невооруженным глазом.
Приборы ночного видения позволяют видеть в темноте благодаря облучению объектов ИК-лучами, ИК-бинокли — вести наблюдение ночью, ИК-прицелы — вести прицеливание в полной темноте и т. д. Кстати, с помощью инфракрасного излучения можно воспроизвести точный эталон метра.
Приемники ИК-волн повышенной чувствительности позволяют вести пеленгацию различных объектов по их тепловому излучению, так например работают системы самонаведения ракет, которые дополнительно генерируют собственное ИК-излучение.
Дальномеры и локаторы на основе ИК-лучей дают возможность наблюдать некоторые предметы в темноте, и измерять расстояние до них с высокой точностью. ИК-лазеры используются в научных исследованиях, для зондирования атмосферы, для осуществления космической связи и т.д.
Источник
Способ получения ик-излучения
Использование: в источниках света, излучающих в ИК-области спектра. Сущность изобретения: формируют газовый разряд в атмосфере ксенона при сверхвысоком давлении, температуру разряда повышают путем формирования катодного пятна при токе 150 — 200 А. ИК-излучение катодного пятна пропускают через окно из материала с коэффициентом пропускания 
>0 при 
>2.5мкм. Материал катода выбирают с работой выхода не менее 3 эВ и охлаждают катод до температуры его рабочей поверхности, не превышающей 1273 К. 1 табл.
Изобретение относится к светотехнике, а именно к источникам излучения в ИК-области спектра.
Известен способ получения ИК-излучения, включающий формирование газового разряда на воздухе между двумя угольными электродами [1] .
Недостатком этого способа является низкая интенсивность ИК-излучения, обусловленная температурой в кратере анодного угля, не превышающей 3800 К.
Известен способ получения ИК-излучения, включающий формирование газового разряда в атмосфере ксенона при сверхвысоком давлении в баллоне из кварцевого стекла [2] .
Недостатком этого способа является низкая интенсивность излучения в длинноволновой ( 
2,5 мкм) области спектра, обусловленный отсутствием пропускания кварцевым стеклом излучения с 2,5 мкм и относительно низкой температурой разряда (6000 К).
Целью предложенного способа является повышение интенсивности ИК-излучения при 2,5 мкм.
Цель достигается в способе получения ИК-излучения, включающем формирование газового разряда в баллоне в атмосфере ксенона при сверхвысоком давлении, тем, что повышают температуру разряда путем формирования катодного пятна при токе 150-200 А, пропускают ИК-излучение катодного пятна через окно из материала с коэффициентом пропускания > 0 при 2,5 мкм, при этом материал катода выбирают с работой выхода менее 3 эВ и охлаждают катод до температуры его рабочей поверхности, не превышающей 1273 К.
Для изготовления катода брали чистый вольфрам с работой выхода 4,6 эВ, охлаждали его с помощью воды до температуры его рабочей поверхности 
1073 К, формировали газовый разряд в лампе в атмосфере ксенона при рабочем давлении 21 атм и токе 150 А. При этом на рабочей поверхности катода получали катодное пятно с температурой разряда 10000 К. Затем излучение катодного пятна пропускали через окно из специальной керамики с коэффициентом пропускания = 0,8 при 2,5 мкм.
Как показали анализ и обобщение проведенных экспериментальных исследований, поставленная цель достигается только при одновременном осуществлении всех существенных признаков. Это подтверждается вариантами примеров практического выполнения заявленного способа, которые приведены в таблице 1. Интенсивность излучения определяли по энергетической яркости в относительных единицах (В отн. ). Анализ таблицы показывает следующее.
При использовании материала катода с работой выхода менее 3 эВ катодное пятно не удается сформировать даже при температуре катода 1173 K и токе 150 А, поэтому удается увеличить интенсивность излучения при 2,5 мкм по сравнению с прототипом только за счет пропускания излучения окном из специальных материалов; использование материала катода с работой выхода 3 эВ при токе 150 А приводит к появлению катодного пятна малых размеров, поэтому интенсивность излучения в сравнении с первым вариантом примера увеличивается только в 1,3 раза; использование материала катода с работой выхода более 3 эВ позволяет сформировать устойчивое катодное пятно, размеры которого зависят от тока в диапазоне 150-200 А. В этом случае интенсивность ИК-излучения увеличивается многократно (в 8-10 раз) по сравнению с первым вариантом примера; при токе более 200 А не удается за счет охлаждения снизить температуру катода до величин, не превышающих 1273 К, поэтому разряд переходит в режим работы без катодного пятна и интенсивность излучения соответствует таковой при температуре разряда 6000 K.
Использование предложенного способа по сравнению с существующими позволяет многократно повысить интенсивность ИК-излучения при 2,5 мкм. (56) Усольцев И. Ф. Основы инфракрасной техники. — М. : 1987, с. 35-38.
Рохлин Г. Н. Газоразрядные источники света. — М. -Л. : Энергия, 1966, с. 449-469 (прототип).
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИК-ИЗЛУЧЕНИЯ, включающий формирование газового разряда в баллоне в атмосфере ксенона при сверхвысоком давлении, отличающийся тем, что повышают температуру разряда путем формирования катодного пятна при токе 150 — 200 А, пропускают ИК-излучение катодного пятна через окно из материала с коэффициентом пропускания >0 пpи 2,5 мкм, при этом материал катода выбирают с работой выхода не менее 3 эВ и охлаждают катод до температуры его рабочей поверхности, не превышающей 1273К.
Источник
способ получения инфракрасного излучения
| Классы МПК: | G02F1/00 Устройства или приспособления для управления интенсивностью, цветом, фазой, поляризацией или направлением света, исходящего от независимого источника, например для переключения, стробирования или модуляции; нелинейная оптика G01J1/00 Фотометрия, например фотографические экспозиметры |
| Автор(ы): | Рыбаков Михаил Владимирович (RU) |
| Патентообладатель(и): | Общество с ограниченной ответственностью фирма «Тритон-ЭлектроникС» (RU) |
| Приоритеты: |
