Інфрачервоне випромінювання в методах неруйнівного котроля

Главная » Каталог статей » Статьи на украинском » Голографія » Інфрачервоне випромінювання в методах неруйнівного котроля

Інфрачервоне (ІЧ) випромінювання в методах неруйнівного котроля

Загальні теоретичні відомості та розрахункові співвідношення

У 1800 р. англійський фізик Гершель відзначив, що теплове випромінювання спостерігається не тільки при переході від фіолетового світла до червоного, але і при великих довжинах хвиль. Це випромінювання було названо інфрачервоним. Наступне вивчення інфрачервоних променів визначило їхню широку область застосування і привело до створення їхньої стройної теорії і практичному використанню. Була доведена єдність світлового та інфрачервоного випромінюваннь.

В цей час під терміном оптичне випромінювання розуміють електромагнітні хвилі з довжинами хвиль від ~1 нм до ~1 мм.

Усі тіла з температурою вище абсолютного нуля мають електромагнітне випромінювання, що викликано рухом їхніх атомів і молекул. Спектр і інтенсивність цього випромінювання залежать від температури тіла. Спектральний розподіл випромінювання “абсолютно чорного тіла” може бути виражено рівнянням Планка clip_image002, де Т- абсолютная температура, °К; l– довжина хвилі, см; Wl- спектральна випромінювальна здатність, тобто енергія випромінювання абсолютно чорного тіла з одиниці поверхні, в інтервалі довжин хвиль dl, звичайно вимірюється в вт/см2´мкм; С1= 2phс2 =3,74´10–12 вт´см2; С2=hc/k=1,44 см´град; h- постійна Планка; с- швидкість світла; k- постійна Больцмана.

Залежність спектральної випромінювальної здатності абсолютно чорного тіла Wl від довжини хвилі l, обчислена для діапазону температур 300-6000° К. Видно, що основна частина випромінювання, що може бути використана для виявлення більшості тіл, надається в інфрачервоній області спектра (l= 0,75-1000 мкм). Тіла при температурі вище 1000° К дають достатнє випромінювання у видимій частині спектра і можуть бути виявлені оком, але для виявлення тіл із більш низькою температурою необхідні інфрачервоні детектори.

Повна кількість енергії (променевий потік), яка випромінюється абсолютно чорним тілом, можна визначити шляхом інтегрування Wl у межах від l= 0 до l=¥:

clip_image004.

Звідси утворюється відоме рівняння Стефана-Больцмана: W= sT4, де s=5,67´10-12 вт/см2 град4- постійна Больцмана; W- інтегральна променево-випромінювальна здатність, вт/см2.

Помітимо, що W не залежить від довжини хвилі і пропорційна четвертій ступені абсолютної температури. Для визначення довжини хвилі, що відповідає максимуму випромінювання, необхідно продиференціювати рівняння Планка по l і прирівняти до нуля похідну. У результаті одержимо закон Віна, що виражає залежність lmax=C/T, де постійна С= 2898 мк´град, якщо lmax дана в мікронах, а Т- в градусах Кельвіна. З формули випливає, що при збільшенні Т зменшується lmax. У абсолютно чорних тіл максимумам випромінювання в діапазоні температур 300-6000°Квідповідають хвилі 9,66-0,483 мкм, що відносяться до видимої області спектру.

Криві розподілу випромінювання можуть бути визначені для будь-якого тіла введенням коефіцієнта променевипромінювання (випромінювальної здатності) e. Цей коефіцієнт залежить від властивостей поверхні тіл. Для абсолютно чорних тіл він має максимальне значення e= 1. Для інших тіл значення e може бути визначене як відношення енергії, що випромінюється даним тілом, до енергії, що випромінюється абсолютно чорним тілом при тій же температурі. Якщо променевипромінювання не залежить від довжини хвилі, то тіло називається “сірим”. При цьому криві випромінювання зберігають ту ж форму, а рівняння Стефана — Больцмана приймає вигляд W= e sT4. Прозорі матеріали, гази і полум’я різноманітних матеріалів, випромінюють переважно у вузьких смугах спектра, що відповідають резонансним частотам коливань їхніх молекул, тому їх криві випромінювання складаються з ряду максимумів і мінімумів. Спектральні характеристики такого випромінювання використовуються в хімічному аналізі.

Променевипромінювання непрозорих тіл залежить головним чином від умов на їхній поверхні, хоча до деякої міри може залежати і від температури. Наприклад, у старанно відполірованих металів коефіцієнт променевипромінювання менше 0,1, тоді як у тих же металів, але з окисленою поверхнею, цей коефіцієнт дорівнює 0,5 і більше. Випромінювальна здатність звичайно визначається по зміні відбиваючої здатності.

ВИЯВЛЕННЯ ІНФРАЧЕРВОНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ

Основним елементом будь-якого інфрачервоного приладу є його детектор. Процес виявлення (детектування) вимагає взаємодії падаючого випромінювання з матеріалом детектора, у результаті якого утвориться електричний вихідний сигнал що підлягає виміру. Застосовуються два типи взаємодій, що відповідають двом різноманітним типам детекторів: термічним і фотонним або квантовим.

У першому типі випромінювання поглинається молекулами детектору безпосередньо або через затемнений шар, у результаті чого збільшується температура і виникає вторинний ефект, що може бути вимірений. Наприклад, у термостовпці зміна температури спаїв створює термо-е.р.с., у болометрі змінюється його опір, а в елементі Голея поширення газу приводить до руху світлове реле.

У фотонних детекторах фотони інфрачервоного випромінювання взаємодіють з електронами матеріалу детектору і збільшують їх енергію, у результаті чого відбувається зміна провідності або виникнення фото-е.р.с. Якщо енергія фотонів достатньо велика, то електрони можуть цілком покинути поверхню детектору, як у фотоелементі.

Перевагою термічних детекторів з затемненою приймальною поверхнею є незалежність їх коефіцієнтів передачі від довжини хвилі випромінювання. Фотонні детектори є селективними — вони реагують на випромінювання тільки у визначених ділянках спектру. У термічних детекторів швидкодія мала, постійна часу у них вимірюється мілісекундами (тоді як у фотонних детекторів — мікросекундами) і, крім того, вони менше чутливі, тому що в них відбувається дворазове перетворення енергії.

Спектральна межа чутливості фотонних детекторів залежить від їх матеріалу. У фотоелементах енергія фотонів повинна бути достатньо великою, щоб перевищити роботу виходу електронів. Більшість фотоемісійних поверхонь робиться з цезію, тому що в нього найменша робота виходу електронів (при відповідній обробці поверхні ефективна робота виходу може досягати до 1 ев). Енергія кванта (у електронвольтах) визначається за рівнянням Е=hc/l aбо Е=1,24/l, якщо l дається в мікронах. Це означає, що вказані поверхні можуть бути використані як детектори при довжині хвилі до 1,2 мкм.

Фотоемісійні поверхні використовуються в трубках з перетворенням інфрачервоного зображення у видиме при довжині хвилі до 1,2 мкм. Такі трубки (електронно-оптичні перетворювачі) можуть бути використані для спостереження об’єктів з проміжною температурою, тобто не настільки гарячих, щоб їх випромінювання можна було виявити візуально.

У ближній області інфрачервоного випромінювання в якості детектора може бути використана інфрачервона фотоплівка. Більшість інфрачервоних плівок чутлива тільки до 0,9 мкм, але спеціальною обробкою вони можуть бути сенсибілізовані до 1,2 мкм. До того як проводити зйомку на плівці, сенсибілізованої до червоних променів, необхідно перевірити хроматичні властивості об’єктиву, тому що при більш довгих хвилях фокусна відстань змінюється.

У фотонних детекторах, чутливих до випромінювання з довжиною хвилі більше 1,2 мкм, при збудженні електронів останні переходять з валентної зони в зону провідності і переміщення електронів і дірок створює провідність відповідного типу. Для таких детекторів використовуються напівпровідники ( звичайно у формі тонких монокристалів). Їх чутливість може бути збільшена на декілька порядків шляхом охолодження, наприклад, до 77° К. Напівпровідникові матеріали, що використовуються для детекторів, поділяються на два типи: фотопровідники, у яких при опроміненні збільшується провідність, і напівпровідники фотогальваничного типу, у яких завдяки р-n-переходу виникає невелика е.р.с.

Верхня межа спектральной чутливості таких детекторів може бути знайдена також за рівнянням, але у цьому випадку Е дорівнює енергії, що відповідає ширині забороненої зони напівпровідника. Таким чином, для детектування в області до
12,4 мкм буде потрібен напівпровідник з шириною забороненої зони 0,1 еВ. Критичною властивістю інфрачервоного детектора є його еквівалентна потужність шуму Рш. Вона представляє собою таку потужність модульованого випромінювання визначеної частоти , що падає на детектор, яка необхідна для отримання сигналу, рівного по величині шуму, коли детектор сполучений з підсилювачем із шириною смуги пропускания, рівній одиниці. Таким чином, clip_image006Вт´Гц-1/2, де VS– напруга сигналу; Vn– напруга шуму; В- ширина смуги пропускания підсилювача, Гц, W- питома потужність опромінення детектора, вт/см2 , А- площа детектору, см2.

Чутливість детектору обернено пропорційна РШ. Для зручності порівняння характеристик детекторів введемо поняття “ефективність детектування” clip_image008 см´Гц-1/2×Вт-1.

ОХОЛОДЖЕННЯ

Чутливість напівпровідникових детекторів підвищується зі зниженням температури. Тому для охолодження детекторів застосовують прості і надійні методи. Використовують невеликі — холодильні установки закритого типу, що працюють здебільшого по термодинамічному циклу Стірлинга, але вони відносно дорогі, складні і вимагають ретельного нагляду.

Найпростіший метод охолодження полягає у тому, що детектор встановлюють у сусод Дюара, що містить відповідну кількість рідкого азоту. Азот, що знаходиться в сусоді, віддаленому від дюара на відстань ~2 м, по гнучкому шлангу надходить каплями в дюар під тиском власних парів. Швидкість, надходження азоту можна регулювати відповідно до його витрати.

Інший практичний і надійний метод охолодження полягає у використанні мікрохолодильника Джоуля-Томсона, який поміщають прямо в дюар. Повітря або азот, що знаходиться під високим тиском, при розширенні після проходження через маленький отвір на вході в мікрохолодильник, охолоджується і зріджується.

Література

1. Л.Г.Бебчук, Ю.В.Богачев, Н.П.Заказнов Прикладная оптика 1989. — М:"Машиностроение 312с.

Оставьте комментарий к статье