Infrapunasäteet: ominaisuudet, sovellukset, vaikutus ihmisiin. Infrapunasäteilyn lähteet

Vuonna 1800 tiedemies William Herschel ilmoitti löydöstään Lontoon kuninkaallisen seuran kokouksessa. Hän mittasi lämpötilan spektrin ulkopuolelta ja löysi näkymättömiä säteitä, joilla oli suuri lämmitysteho. Hän suoritti kokeen teleskooppivalosuodattimien avulla. Hän huomasi, että ne imevät auringonsäteiden valoa ja lämpöä eriasteisesti.

30 vuoden kuluttua näkymättömien säteiden olemassaolo näkyvän aurinkospektrin punaisen osan ulkopuolella oli kiistatta todistettu. Ranskalainen becquerel kutsui tätä säteilyä infrapunaiseksi.

IR-säteilyn ominaisuudet

Infrapunasäteilyn spektri koostuu yksittäisistä juovista ja kaistoista. Mutta se voi olla myös jatkuvaa. Kaikki riippuu infrapunasäteiden lähteestä. Toisin sanoen, mikä on tärkeää, on atomin tai molekyylin kineettinen energia tai lämpötila. Kaikilla jaksollisen järjestelmän elementeillä eri lämpötiloissa on erilaiset ominaisuudet.

Esimerkiksi virittyneiden atomien infrapunaspektreillä, johtuen nipun, ytimen suhteellisesta lopputilasta, tulee olemaan tiukasti linja-IR-spektrit. Ja kiihtyneet molekyylit ovat raidallisia, sattumanvaraisesti sijoitettuja. Kaikki ei riipu vain kunkin atomin omien lineaaristen spektrien superpositiomekanismista. Mutta myös näiden atomien vuorovaikutuksesta keskenään.

Lämpötilan noustessa kehon spektriominaisuudet muuttuvat. Siten kuumennetut kiinteät aineet ja nesteet lähettävät jatkuvaa infrapunaspektriä. Alle 300°C lämpötiloissa kuumennetun kiinteän aineen säteily sijaitsee kokonaan infrapuna-alueella. Sekä IR-aaltojen tutkiminen että niiden tärkeimpien ominaisuuksien soveltaminen riippuvat lämpötila-alueesta.

Infrapunasäteiden tärkeimmät ominaisuudet ovat absorptio ja kappaleiden lisälämmitys. Infrapunalämmittimien lämmönsiirron periaate eroaa konvektion tai lämmönjohtavuuden periaatteista. Kuumien kaasujen virrassa esine menettää jonkin verran lämpöä niin kauan kuin sen lämpötila on lämmitetyn kaasun lämpötilaa alhaisempi.

Ja päinvastoin: jos infrapunasäteilijät säteilyttävät esineen, se ei tarkoita, että sen pinta absorboi tätä säteilyä. Se voi myös heijastaa, absorboida tai siirtää säteitä ilman häviötä. Lähes aina säteilytetty esine absorboi osan tästä säteilystä, heijastaa osan ja siirtää osan.

Kaikki valaisevat esineet tai kuumennetut kappaleet eivät lähetä IR-aaltoja. Esimerkiksi loistelampuissa tai kaasulieden liekissä ei ole tällaista säteilyä. Loistelamppujen toimintaperiaate perustuu hehkuun (fotoluminesenssi). Sen spektri on lähinnä päivänvalon spektriä, valkoista valoa. Siksi siinä ei juuri ole IR-säteilyä. Ja kaasuliesin liekin säteilyn suurin intensiteetti putoaa siniselle aallonpituudelle. Luetteloiduissa lämmitetyissä kappaleissa infrapunasäteily on erittäin heikkoa.

On myös aineita, jotka läpäisevät näkyvää valoa, mutta eivät pysty välittämään infrapunasäteitä. Esimerkiksi muutaman senttimetrin paksuinen vesikerros ei päästä infrapunasäteilyä, jonka aallonpituus on yli 1 mikroni, kulkea läpi. Samanaikaisesti henkilö voi erottaa alareunassa olevat esineet paljaalla silmällä.

Sähkömagneettisen spektrin näkymättömällä alueella, joka alkaa näkyvän punaisen valon takaa ja päättyy ennen mikroaaltosäteilyä taajuuksien 10 12 ja 5∙10 14 Hz välillä (tai on aallonpituusalueella 1-750 nm). Nimi tulee latinan sanasta infra ja tarkoittaa "punaisen alapuolella".

Infrapunasäteiden käyttö on monipuolista. Niitä käytetään esineiden visualisointiin pimeässä tai savussa, saunojen lämmittämiseen ja lentokoneiden siipien lämmittämiseen jäänpoistoa varten, lähiviestinnässä sekä orgaanisten yhdisteiden spektroskooppisessa analyysissä.

Avaaminen

Saksalaissyntyinen brittimuusikko ja amatööritähtitieteilijä William Herschel löysi infrapunasäteet vuonna 1800. Hän jakoi prisman avulla auringonvalon sen komponentteihin ja rekisteröi lämpötilan nousun spektrin punaisen osan yli lämpömittarilla.

IR-säteily ja lämpö

Infrapunasäteilyä kutsutaan usein lämpösäteilyksi. On kuitenkin huomattava, että se on vain sen seuraus. Lämpö on aineen atomien ja molekyylien translaatioenergian (liikeenergian) mitta. "Lämpötila"-anturit eivät itse asiassa mittaa lämpöä, vaan vain eroja eri esineiden IR-säteilyssä.

Monet fysiikan opettajat pitävät perinteisesti kaiken auringon lämpösäteilyn infrapunasäteiden ansioksi. Mutta näin ei ole. Näkyvän auringonvalon mukana tulee 50 % kaikesta lämmöstä ja minkä tahansa taajuuden riittävän voimakkaat sähkömagneettiset aallot voivat aiheuttaa kuumenemista. On kuitenkin reilua sanoa, että huoneenlämmössä esineet säteilevät lämpöä pääasiassa keski-infrapunakaistalla.

IR-säteilyä absorboivat ja emittoivat kemiallisesti sitoutuneiden atomien tai atomiryhmien pyöriminen ja värähtely, ja näin ollen monenlaiset materiaalit. Esimerkiksi näkyvälle valolle läpäisevä ikkunalasi absorboi infrapunasäteilyä. Infrapunasäteet absorboituvat suurelta osin veteen ja ilmakehään. Vaikka ne ovat näkymättömiä silmälle, ne voivat tuntua iholla.

Maapallo infrapunasäteilyn lähteenä

Planeettamme pinta ja pilvet imevät aurinkoenergiaa, josta suurin osa vapautuu ilmakehään infrapunasäteilyn muodossa. Tietyt sen sisältämät aineet, pääasiassa vesihöyry ja pisarat, sekä metaani, hiilidioksidi, typpioksidi, kloorifluorihiilivedyt ja rikkiheksafluoridi imeytyvät spektrin infrapuna-alueelle ja emittoivat uudelleen kaikkiin suuntiin, myös Maahan. Siksi kasvihuoneilmiön vuoksi maan ilmakehä ja pinta ovat paljon lämpimämpiä kuin jos ilmassa ei olisi infrapunasäteitä absorboivia aineita.

Tällä säteilyllä on tärkeä rooli lämmönsiirrossa ja se on olennainen osa ns. kasvihuoneilmiötä. Globaalissa mittakaavassa infrapunasäteiden vaikutus ulottuu Maan säteilytasapainoon ja vaikuttaa lähes kaikkeen biosfäärin toimintaan. Lähes jokainen planeettamme pinnalla oleva esine lähettää sähkömagneettista säteilyä pääasiassa tässä spektrin osassa.

IR-alueet

IR-alue on usein jaettu kapeampiin spektrin osiin. Saksan DIN-standardiinstituutti on määritellyt seuraavat infrapuna-aallonpituusalueet:

• lähellä (0,75-1,4 µm), käytetään yleisesti valokuituviestinnässä;
• lyhytaalto (1,4-3 mikronia), josta alkaen IR-säteilyn absorptio vedessä lisääntyy merkittävästi;
• keskiaalto, jota kutsutaan myös keskiasteiseksi (3-8 mikronia);
• pitkäaalto (8-15 mikronia);
• kaukana (15-1000 mikronia).

Tätä luokitusjärjestelmää ei kuitenkaan käytetä yleisesti. Esimerkiksi jotkut tutkimukset osoittavat seuraavat alueet: lähellä (0,75-5 mikronia), keskipitkällä (5-30 mikronia) ja pitkällä (30-1000 mikronia). Tietoliikenteessä käytettävät aallonpituudet on jaettu erillisiin kaistoihin ilmaisimien, vahvistimien ja lähteiden rajoitusten vuoksi.

Yleinen merkintä on perusteltua ihmisten reaktioilla infrapunasäteisiin. Lähi-infrapuna-alue on lähimpänä ihmissilmän näkyvää aallonpituutta. Keski- ja kauko-infrapunasäteily siirtyy vähitellen pois spektrin näkyvästä osasta. Muut määritelmät noudattavat erilaisia ​​fysikaalisia mekanismeja (kuten päästöhuippuja ja veden absorptio), ja uusimmat perustuvat käytettyjen ilmaisimien herkkyyteen. Esimerkiksi tavanomaiset piianturit ovat herkkiä alueella noin 1050 nm ja indium-galliumarsenidi - alueella 950 nm - 1700 ja 2200 nm.

Selkeää rajaa infrapuna- ja näkyvän valon välillä ei ole määritelty. Ihmissilmä on huomattavasti vähemmän herkkä yli 700 nm:n punaiselle valolle, mutta voimakasta (laser)valoa voidaan nähdä noin 780 nm asti. IR-alueen alku on määritelty eri standardeissa eri tavalla - jossain näiden arvojen välissä. Yleensä se on 750 nm. Siksi näkyvät infrapunasäteet ovat mahdollisia alueella 750-780 nm.

Nimitykset viestintäjärjestelmissä

Optinen viestintä lähiinfrapuna-alueella on teknisesti jaettu useisiin taajuuskaistoihin. Tämä johtuu erilaisista absorboivista ja läpäisevistä materiaaleista (kuiduista) ja ilmaisimista. Nämä sisältävät:

• O-kaista 1,260-1,360 nm.
• E-kaista 1,360-1,460 nm.
• S-kaista 1,460-1,530 nm.
• C-kaista 1,530-1,565 nm.
• L-kaista 1,565-1,625 nm.
• U-kaista 1,625-1,675 nm.

termografia

Termografia tai lämpökuvaus on eräänlainen kohteiden infrapunakuvaus. Koska kaikki kappaleet säteilevät IR-alueella ja säteilyn voimakkuus kasvaa lämpötilan myötä, sen havaitsemiseen ja kuvaamiseen voidaan käyttää erikoiskameroita, joissa on IR-anturi. Kun kyseessä ovat erittäin kuumat esineet lähi-infrapuna- tai näkyvällä alueella, tätä tekniikkaa kutsutaan pyrometriaksi.

Termografia on riippumaton näkyvän valon valaistuksesta. Siksi ympäristö on mahdollista "nähdä" myös pimeässä. Erityisesti lämpimät esineet, mukaan lukien ihmiset ja lämminveriset eläimet, erottuvat hyvin kylmempää taustaa vasten. Maiseman infrapunavalokuvaus parantaa kohteiden toistoa niiden lämmöntuoton perusteella: sininen taivas ja vesi näyttävät melkein mustilta, kun taas vihreät lehdet ja iho näyttävät kirkkailta.

Historiallisesti termografia on ollut laajalti sotilas- ja turvallisuuspalveluiden käytössä. Lisäksi se löytää monia muita käyttötarkoituksia. Palomiehet käyttävät sitä esimerkiksi savun läpi näkemiseen, ihmisten löytämiseen ja kuumien kohtien paikantamiseen tulipalon aikana. Termografia voi paljastaa epänormaalin kudoskasvun ja vikoja elektronisissa järjestelmissä ja piireissä niiden lisääntyneen lämmöntuoton vuoksi. Sähkölinjoja huoltavat sähköasentajat voivat havaita ylikuumenevat liitännät ja osat, jotka osoittavat toimintahäiriön, ja eliminoida mahdolliset vaarat. Kun lämmöneristys epäonnistuu, rakennusalan ammattilaiset voivat nähdä lämpövuodot ja parantaa jäähdytys- tai lämmitysjärjestelmien tehokkuutta. Joihinkin huippuluokan ajoneuvoihin on asennettu lämpökamerat kuljettajan avuksi. Termografista kuvantamista voidaan käyttää tiettyjen ihmisten ja lämminveristen eläinten fysiologisten vasteiden seuraamiseen.

Nykyaikaisen lämpökameran ulkonäkö ja toimintatapa eivät poikkea perinteisen videokameran vastaavista. Mahdollisuus nähdä infrapuna on niin hyödyllinen ominaisuus, että mahdollisuus tallentaa kuvia on usein valinnainen ja tallennin ei ole aina saatavilla.

Muut kuvat

IR-kuvauksessa lähi-infrapuna-alue kaapataan erityisillä suodattimilla. Digikamerat yleensä estävät infrapunasäteilyn. Halvat kamerat, joissa ei ole kunnollisia suodattimia, pystyvät kuitenkin "näkemään" lähellä IR-aluetta. Tässä tapauksessa normaalisti näkymätön valo näyttää kirkkaan valkoiselta. Tämä on erityisen havaittavissa kuvattaessa lähellä valaistuja infrapunakohteita (kuten lamppuja), joissa syntyvä kohina saa kuvan haalistamaan.

Mainitsemisen arvoinen on myös T-sädekuvaus, joka kuvaa kaukaa terahertsiä. Kirkkaiden lähteiden puute tekee näistä kuvista teknisesti vaikeampia kuin useimmat muut IR-kuvaustekniikat.

LEDit ja laserit

Keinotekoisia infrapunasäteilyn lähteitä ovat kuumien esineiden lisäksi LEDit ja laserit. Ensimmäiset ovat pieniä, edullisia optoelektronisia laitteita, jotka on valmistettu puolijohdemateriaaleista, kuten galliumarsenidista. Niitä käytetään optoeristeinä ja valonlähteinä joissakin kuituoptisissa viestintäjärjestelmissä. Tehokkaat optisesti pumpatut IR-laserit toimivat hiilidioksidin ja hiilimonoksidin pohjalta. Niitä käytetään kemiallisten reaktioiden ja isotooppierotuksen käynnistämiseen ja muokkaamiseen. Lisäksi niitä käytetään lidar-järjestelmissä etäisyyden määrittämiseen kohteeseen. Infrapunasäteilyn lähteitä käytetään myös automaattisten itsetarkennuskameroiden etäisyysmittareissa, murtohälyttimissä ja optisissa yönäkölaitteissa.

IR-vastaanottimet

IR-ilmaisimiin kuuluvat lämpöherkät laitteet, kuten lämpöpariilmaisimet, bolometrit (jotkut jäähdytetään lähelle absoluuttista nollaa itse ilmaisimen aiheuttamien häiriöiden vähentämiseksi), aurinkokennoja ja valojohteita. Jälkimmäiset on valmistettu puolijohdemateriaaleista (esim. pii ja lyijysulfidi), joiden sähkönjohtavuus kasvaa joutuessaan alttiiksi infrapunasäteille.

Lämmitys

Infrapunasäteilyä käytetään lämmitykseen - esimerkiksi saunojen lämmittämiseen ja lentokoneiden siipien jäänpoistoon. Lisäksi sitä käytetään yhä enemmän asfaltin sulattamiseen uusien teiden rakentamisen tai vaurioituneiden alueiden korjaamisen yhteydessä. IR-säteilyä voidaan käyttää ruoanlaittoon ja lämmitykseen.

Yhteys

IR-aallonpituuksia käytetään tiedon siirtämiseen lyhyillä etäisyyksillä, kuten tietokoneen oheislaitteiden ja henkilökohtaisten digitaalisten avustajien välillä. Nämä laitteet ovat yleensä IrDA-standardien mukaisia.

IR-viestintää käytetään tyypillisesti sisätiloissa alueilla, joilla on suuri väestötiheys. Tämä on yleisin tapa ohjata laitteita etänä. Infrapunasäteiden ominaisuudet eivät salli niiden tunkeutumista seiniin, eivätkä ne siksi ole vuorovaikutuksessa viereisten huoneiden laitteiden kanssa. Lisäksi IR-lasereita käytetään valonlähteinä kuituoptisissa viestintäjärjestelmissä.

Spektroskopia

Infrapunasäteilyspektroskopia on tekniikka, jolla määritetään (pääasiassa) orgaanisten yhdisteiden rakenteita ja koostumuksia tutkimalla infrapunasäteilyn siirtymistä näytteiden läpi. Se perustuu aineiden ominaisuuksiin absorboida tiettyjä taajuuksiaan, jotka riippuvat venymisestä ja taipumisesta näytteen molekyyleissä.

Molekyylien ja materiaalien infrapuna-absorptio- ja emissio-ominaisuudet antavat tärkeää tietoa kiinteiden aineiden molekyylien, atomien ja ionien koosta, muodosta ja kemiallisesta sitoutumisesta. Pyörimis- ja värähtelyenergiat kvantisoidaan kaikissa järjestelmissä. Tietyn molekyylin tai aineen emittoima tai absorboima energian hν IR-säteily on joidenkin sisäisten energiatilojen eron mitta. Ne puolestaan ​​määräytyvät atomipainon ja molekyylisidosten perusteella. Tästä syystä infrapunaspektroskopia on tehokas työkalu molekyylien ja aineiden sisäisen rakenteen määrittämiseen tai, kun tällainen tieto on jo tiedossa ja taulukoitu, niiden määriä. IR-spektroskopiatekniikoita käytetään usein määrittämään arkeologisten näytteiden koostumusta ja siten alkuperää ja ikää sekä havaitsemaan taideväärennöksiä ja muita esineitä, jotka näkyvässä valossa katsottuna muistuttavat alkuperäisiä.

Infrapunasäteiden edut ja haitat

Pitkäaaltoista infrapunasäteilyä käytetään lääketieteessä seuraaviin tarkoituksiin:

• verenpaineen normalisointi stimuloimalla verenkiertoa;
• kehon puhdistaminen raskasmetallien ja toksiinien suoloista;
• parantaa aivojen verenkiertoa ja muistia;
• hormonitason normalisointi;
• vesi-suolan tasapainon ylläpitäminen;
• sienten ja mikrobien leviämisen rajoittaminen;
• anestesia;
• lievittää tulehdusta;
• immuniteetin vahvistaminen.

Samalla infrapunasäteily voi olla haitallista akuuteissa märkiväissä sairauksissa, verenvuodoissa, akuutissa tulehduksessa, verisairauksissa ja pahanlaatuisissa kasvaimissa. Hallitsematon pitkäaikainen altistuminen aiheuttaa ihon punoitusta, palovammoja, ihotulehdusta, lämpöhalvausta. Lyhytaaltoiset infrapunasäteet ovat vaarallisia silmille - voi kehittyä valonarkuus, kaihi ja näkövamma. Siksi lämmitykseen tulee käyttää vain pitkäaaltosäteilyn lähteitä.

Infrapunasäteily on se osa auringon säteilyspektristä, joka on suoraan näkyvän spektrin punaisen osan vieressä. Ihmissilmä ei pysty näkemään tällä spektrin alueella, mutta voimme tuntea tämän säteilyn lämpönä.

Infrapunasäteilyllä on kaksi tärkeää ominaisuutta: säteilyn aallonpituus (taajuus) ja säteilyn intensiteetti. Infrapunasäteilyn aallonpituudesta riippuen erotetaan kolme aluetta: lähellä (0,75-1,5 mikrometriä), keskimmäistä (1,5 - 5,6 mikronia) ja kaukana (5,6-100 mikronia). Kun otetaan huomioon henkilön fysiologiset ominaisuudet, nykyaikainen lääketiede jakaa säteilyspektrin infrapuna-alueen kolmeen alueeseen:

• aallonpituus 0,75-1,5 mikronia - syvälle ihmisen ihoon tunkeutuva säteily (IR-A-alue);
• aallonpituus 1,5-5 mikronia - orvaskeden ja ihon sidekudoskerroksen absorboima säteily, IR-B-alue);
• aallonpituus yli 5 mikronia - ihon pinnalle absorboitunut säteily (IR-C-alue). Lisäksi suurin tunkeutuminen havaitaan alueella 0,75 - 3 mikronia, ja tätä aluetta kutsutaan "terapeuttiseksi läpinäkyvyysikkunaksi".

Kuva 1 (lähde - Journal of Biomedical Optics 12(4), 044012 heinä/elokuu 2007) esittää IR-säteilyn absorptiospektrit veden ja ihmiselinten kudoksille riippuen aallonpituudesta. On huomattava, että ihmiskehon kudos koostuu 98 % vedestä ja tämä tosiasia selittää infrapunasäteilyn absorptio-ominaisuuksien samankaltaisuuden 1,5-10 mikronin spektrialueella.

Jos otetaan huomioon se tosiasia, että vesi itse absorboi intensiivisesti infrapunasäteilyä alueella 1,5-10 mikronia huippujen aallonpituuksilla 2,93, 4,7 ja 6,2 mikronia (Juhnevich G.V. Veden infrapunaspektroskopia, M, 1973), niin tehokkain. Kuumennus- ja kuivausprosesseissa tulisi harkita IR-säteilijöitä, jotka säteilevät keski- ja kauko-infrapunaspektrissä, joiden säteilyn huippuintensiteetti on aallonpituusalueella 1,5-6,5 μm.

Säteilevän pinnan yksikön aikayksikköä kohti lähettämän energian kokonaismäärää kutsutaan IR-säteilijän emissiiviseksi E, W / m². Säteilyenergia riippuu aallonpituudesta λ ja säteilevän pinnan lämpötilasta ja on integraalinen ominaisuus, koska se ottaa huomioon kaikkien aallonpituuksien säteilyenergian. Emissiivisyyttä, jota kutsutaan aallonpituusväliksi dλ, kutsutaan säteilyn intensiteetiksi I, W / (m² ∙ μm).

Lausekkeen (1) integrointi mahdollistaa emissiivisuuden (ominaisen integroidun säteilyenergian) määrittämisen kokeellisesti määritetyn säteilyintensiteettispektrin perusteella aallonpituusalueella λ1 - λ2:

Kuvassa 2 on esitetty NOMACON™ IKN-101 IR-emitterien säteilyintensiteettispektrit, jotka on saatu emitterin eri nimellissähkötehoilla 1000 W, 650 W, 400 W ja 250 W.

Kun emitterin teho ja vastaavasti emittoivan pinnan lämpötila kasvaa, säteilyn intensiteetti kasvaa ja säteilyspektri siirtyy lyhyempien aallonpituuksien alueelle (Wienin siirtymälaki). Tässä tapauksessa säteilyn intensiteetin huippu (85-90 % spektristä) osuu aallonpituusalueelle 1,5-6 μm, mikä vastaa infrapunakuumennus- ja kuivausprosessin optimaalista fysiikkaa tässä tapauksessa.

Infrapunasäteilyn intensiteetti ja vastaavasti säteilyn ominaisenergia pienenee etäisyyden kasvaessa säteilylähteestä. Kuvassa 3 on esitetty NOMACON™ IKN-101 keraamisten säteilijöiden ominaissäteilyenergian muutoskäyrät riippuen säteilevän pinnan ja mittauspisteen välisestä etäisyydestä säteilevän pinnan normaalia pitkin. Mittaukset suoritettiin selektiivisellä radiometrillä aallonpituusalueella 1,5–8 µm, minkä jälkeen integroitiin säteilyintensiteettispektrit. Kuten käyrästä nähdään, ominaissäteilyenergia E, W/m² pienenee käänteisesti etäisyyden L, m kanssa säteilylähteeseen.

Valo on avain elävien organismien olemassaoloon maan päällä. Infrapunasäteilyn vaikutuksesta voi tapahtua valtava määrä prosesseja. Lisäksi sitä käytetään lääketieteellisiin tarkoituksiin. 1900-luvulta lähtien valoterapiasta on tullut merkittävä osa perinteisen lääketieteen.

Säteilyn ominaisuudet

Valoterapia on fysioterapian erityinen osa, joka tutkii valoaallon vaikutuksia ihmiskehoon. Todettiin, että aalloilla on erilainen alue, joten ne vaikuttavat ihmiskehoon eri tavoin. On tärkeää huomata, että säteilyllä on suurin tunkeutumissyvyys. Mitä tulee pintavaikutukseen, ultravioletti on se.

Infrapunaspektrillä (säteilyspektrillä) on vastaava aallonpituus, nimittäin 780 nm. 10 000 nm asti. Mitä tulee fysioterapiaan, ihmisen hoitoon käytetään aallonpituutta, joka vaihtelee spektrissä 780 nm:stä. 1400 nm asti. Tätä infrapunasäteilyn vaihteluväliä pidetään hoidon normina. Yksinkertaisesti sanottuna käytetään sopivaa aallonpituutta, nimittäin lyhyempää, joka pystyy tunkeutumaan kolme senttimetriä ihoon. Lisäksi huomioidaan kvantin erikoisenergia, säteilyn taajuus.

Monien tutkimusten mukaan on havaittu, että valo, radioaallot ja infrapunasäteet ovat luonteeltaan samanlaisia, koska nämä ovat erilaisia ​​sähkömagneettisia aaltoja, jotka ympäröivät ihmisiä kaikkialla. Nämä aallot tehostavat televisioita, matkapuhelimia ja radioita. Yksinkertaisesti sanottuna aallot antavat ihmisen nähdä ympäröivän maailman.

Infrapunaspektrillä on vastaava taajuus, jonka aallonpituus on 7-14 mikronia, jolla on ainutlaatuinen vaikutus ihmiskehoon. Tämä spektrin osa vastaa ihmiskehon säteilyä.

Mitä tulee kvantin esineisiin, molekyyleillä ei ole kykyä värähdellä mielivaltaisesti. Jokaisella kvanttimolekyylillä on tietty joukko energiaa, säteilytaajuuksia, jotka tallentuvat värähtelyhetkellä. On kuitenkin otettava huomioon, että ilmamolekyylit on varustettu laajalla sarjalla tällaisia ​​taajuuksia, joten ilmakehä pystyy absorboimaan säteilyä eri spektreissä.

Säteilylähteet

Aurinko on tärkein IR:n lähde.

Hänen ansiostaan ​​esineet voidaan lämmittää tiettyyn lämpötilaan. Tämän seurauksena lämpöenergiaa säteilee näiden aaltojen spektrissä. Sitten energia saavuttaa esineet. Lämpöenergian siirtoprosessi suoritetaan kohteista, joiden lämpötila on korkea, alhaisempaan. Tässä tilanteessa esineillä on erilaisia ​​säteileviä ominaisuuksia, jotka riippuvat useista kappaleista.

Infrapunasäteilyn lähteitä on kaikkialla, ja ne on varustettu elementeillä, kuten LEDeillä. Kaikki nykyaikaiset televisiot on varustettu kaukosäätimillä, koska se toimii sopivalla infrapunaspektrin taajuudella. Ne sisältävät LEDit. Teollisessa tuotannossa voidaan nähdä erilaisia ​​infrapunasäteilyn lähteitä, esimerkiksi: maalipintojen kuivumisessa.

Näkyvin keinotekoisen lähteen edustaja Venäjällä olivat venäläiset uunit. Melkein kaikki ihmiset ovat kokeneet tällaisen uunin vaikutuksen ja arvostaneet myös sen etuja. Siksi tällainen säteily voidaan tuntea lämmitetystä liesistä tai lämmityspatterista. Tällä hetkellä infrapunalämmittimet ovat erittäin suosittuja. Niillä on luettelo eduista verrattuna konvektiovaihtoehtoon, koska ne ovat taloudellisempia.

Kertoimen arvo

Infrapunaspektrissä on useita kertoimen lajikkeita, nimittäin:

• säteily;
• heijastuskerroin;
• läpimenosuhde.

Joten emissiivisyys on esineiden kyky säteillä säteilyn taajuutta sekä kvantin energiaa. Voi vaihdella materiaalin ja sen ominaisuuksien sekä lämpötilan mukaan. Kertoimella on sellainen maksimikovetus = 1, mutta todellisessa tilanteessa se on aina pienempi. Mitä tulee säteilyn alhaiseen kykyyn, se on varustettu elementeillä, joilla on kiiltävä pinta, sekä metalleja. Kerroin riippuu lämpötila-indikaattoreista.

Heijastuskerroin kertoo materiaalien kyvystä heijastaa tutkimustiheyttä. Riippuu materiaalityypistä, ominaisuuksista ja lämpötila-indikaattoreista. Pohjimmiltaan heijastus esiintyy kiillotetuilla ja sileillä pinnoilla.

Läpäisevyys mittaa esineiden kykyä johtaa infrapunasäteilyä itsensä läpi. Tällainen kerroin riippuu suoraan materiaalin paksuudesta ja tyypistä. On tärkeää huomata, että useimmissa materiaaleissa ei ole tällaista tekijää.

Käyttö lääketieteessä

Infrapunavalohoidosta on tullut melko suosittua moderni maailma. Infrapunasäteilyn käyttö lääketieteessä johtuu siitä, että tekniikalla on lääkinnällisiä ominaisuuksia. Tästä johtuen ihmiskehoon on myönteinen vaikutus. Lämpövaikutus muodostaa kehon kudoksiin, uudistaa kudoksia ja stimuloi korjausta, nopeuttaa fysikaalis-kemiallisia reaktioita.

Lisäksi keho kokee merkittäviä parannuksia, kun seuraavat prosessit tapahtuvat:

• verenkierron kiihtyminen;
• vasodilataatio;
• biologisesti aktiivisten aineiden tuotanto;
• lihasten rentoutuminen;
• hyvä mieliala;
• mukava tila;
• hyvä uni;
• paineen vähentäminen;
• fyysisen, psykoemotionaalisen ylikuormituksen ja niin edelleen poistaminen.

Hoidon näkyvä vaikutus ilmenee muutamassa toimenpiteessä. Mainittujen toimintojen lisäksi infrapunaspektrillä on tulehdusta ehkäisevä vaikutus ihmiskehoon, se auttaa torjumaan infektioita, stimuloi ja vahvistaa immuunijärjestelmää.

Tällaisella lääketieteen terapialla on seuraavat ominaisuudet:

• biostimuloiva;
• anti-inflammatorinen;
• vieroitus;
• parantunut verenkierto;
• kehon toissijaisten toimintojen herääminen.

Infrapunavalosäteilystä tai pikemminkin sen hoidosta on näkyvää hyötyä ihmiskeholle.

Terapeuttiset tekniikat

Hoitoa on kahta tyyppiä, nimittäin - yleistä, paikallista. Paikallisen altistuksen osalta hoito suoritetaan tietylle potilaan kehon osalle. Yleisterapian aikana valohoidon käyttö on suunniteltu koko keholle.

Toimenpide suoritetaan kahdesti päivässä, istunnon kesto vaihtelee 15-30 minuutin välillä. Yleinen hoitokurssi sisältää vähintään viidestä kahteenkymmeneen toimenpidettä. Varmista, että sinulla on infrapunasuojaus valmiina kasvojen alueelle. Silmille on tarkoitettu erikoislasit, vanu tai pahvityynyt. Istunnon jälkeen iho on peitetty punoituksella, nimittäin punoituksella, jossa on epäselviä rajoja. Punoitus häviää tunnin kuluttua toimenpiteestä.

Hoidon indikaatiot ja vasta-aiheet

IC:llä on tärkeimmät käyttöaiheet lääketieteessä:

• ENT-elinten sairaudet;
• neuralgia ja neuriitti;
• tuki- ja liikuntaelimistöön vaikuttavat sairaudet;
• silmien ja nivelten patologia;
• tulehdusprosessit;
• haavat;
• palovammat, haavaumat, ihottumat ja arvet;
• keuhkoastma;
• kystiitti;
• virtsakivitauti;
• osteokondroosi;
• kolekystiitti ilman kiviä;
• niveltulehdus;
• gastroduodeniitti kroonisessa muodossa;
• keuhkokuume.

Valohoidolla on positiivisia tuloksia. Terapeuttisen vaikutuksen lisäksi IR voi olla vaarallista ihmiskeholle. Tämä johtuu siitä, että on olemassa tiettyjä vasta-aiheita, joiden noudattamatta jättäminen voi olla haitallista terveydelle.

Jos on seuraavia vaivoja, tällainen hoito on haitallista:

• raskauden aika;
• veren sairaudet;
• yksilöllinen suvaitsemattomuus;
• krooniset sairaudet akuutissa vaiheessa;
• märkivä prosessit;
• aktiivinen tuberkuloosi;
• taipumus verenvuotoon;
• kasvaimet.

Nämä vasta-aiheet tulee ottaa huomioon, jotta et vahingoita omaa terveyttäsi. Liian voimakas säteily voi aiheuttaa suurta haittaa.

Mitä tulee IR:n haitoihin lääketieteessä ja työssä, voi esiintyä palovammoja ja vakavaa ihon punoitusta. Joissakin tapauksissa ihmisille on kehittynyt kasvaimia kasvoille, koska he ovat olleet kosketuksissa tämän säteilyn kanssa pitkään. Infrapunasäteilyn aiheuttamat merkittävät vauriot voivat johtaa ihotulehdukseen ja lämpöhalvaukseen.

Infrapunasäteet ovat varsin vaarallisia silmille, etenkin 1,5 mikronin alueella. Pitkäaikainen altistuminen aiheuttaa merkittävää haittaa, sillä valonarkuus, kaihi ja näköhäiriöt ilmaantuvat. IR:n pitkäaikainen vaikutus on erittäin vaarallinen paitsi ihmisille myös kasveille. Optisten laitteiden avulla voit yrittää korjata näköongelman.

Vaikutus kasveihin

Kaikki tietävät, että infrapunalla on myönteinen vaikutus kasvien kasvuun ja kehitykseen. Jos esimerkiksi varustat kasvihuoneen infrapunalämmittimellä, voit nähdä upean tuloksen. Kuumennus suoritetaan infrapunaspektrissä, jossa havaitaan tietty taajuus ja aalto on 50 000 nm. 2 000 000 nm asti.

On melko mielenkiintoisia faktoja, joiden mukaan voit saada selville, että auringonvalo vaikuttaa kaikkiin kasveihin, eläviin organismeihin. Auringon säteilyllä on tietty alue, joka koostuu 290 nm:stä. – 3000 nm. Yksinkertaisesti sanottuna säteilyenergialla on tärkeä rooli jokaisen kasvin elämässä.

Mielenkiintoisten ja informatiivisten tosiasioiden perusteella voidaan todeta, että kasvit tarvitsevat valoa ja aurinkoenergiaa, koska ne ovat vastuussa klorofyllin ja kloroplastien muodostumisesta. Valon nopeus vaikuttaa venytykseen, solujen alkuperään ja kasvuprosesseihin, hedelmällisyyden ja kukinnan ajoitukseen.

Mikroaaltouunin ominaisuudet

Kotitalouksien mikroaaltouunit on varustettu mikroaalloilla, jotka ovat hieman alhaisempia kuin gamma- ja röntgensäteily. Tällaiset uunit voivat aiheuttaa ionisoivan vaikutuksen, joka on vaaraksi ihmisten terveydelle. Mikroaallot sijaitsevat infrapuna- ja radioaaltojen välisessä raossa, joten tällaiset uunit eivät voi ionisoida molekyylejä, atomeja. Toimivat mikroaaltouunit eivät vaikuta ihmisiin, koska ne imeytyvät ruokaan ja tuottavat lämpöä.

Mikroaaltouunit eivät voi päästää radioaktiivisia hiukkasia, joten niillä ei ole radioaktiivista vaikutusta ruokaan ja eläviin organismeihin. Siksi sinun ei pitäisi olla huolissasi siitä, että mikroaaltouunit voivat vahingoittaa terveyttäsi!

William Herschel huomasi ensin, että prismalla saadun Auringon spektrin punaisen reunan takana on näkymätöntä säteilyä, joka saa lämpömittarin lämpenemään. Tätä säteilyä kutsuttiin myöhemmin lämpö- tai infrapunaksi.

Lähi-infrapunasäteily on hyvin samanlaista kuin näkyvä valo, ja se havaitaan samoilla instrumenteilla. Keski- ja kauko-IR:ssä bolometreja käytetään osoittamaan muutoksia.

Keski-IR-alueella koko planeetta Maa ja kaikki sen kohteet, jopa jää, loistavat. Tästä johtuen aurinkolämpö ei ylikuumene maapalloa. Mutta kaikki infrapunasäteily ei kulje ilmakehän läpi. Läpinäkyvyysikkunoita on vain muutama, loput säteilystä absorboivat hiilidioksidia, vesihöyryä, metaania, otsonia ja muita kasvihuonekaasuja, jotka estävät maapallon nopean jäähtymisen.

Ilmakehän absorption ja esineiden lämpösäteilyn vuoksi keski- ja kauko-infrapunateleskoopit viedään avaruuteen ja jäähdytetään nestemäisen typen tai jopa heliumin lämpötilaan.

Infrapuna-alue on yksi mielenkiintoisimmista tähtitieteilijöistä. Se loistaa kosmisella pölyllä, joka on tärkeää tähtien muodostumiselle ja galaksien kehitykselle. IR-säteily läpäisee kosmisen pölyn pilvien paremmin kuin näkyvä säteily ja mahdollistaa havainnoimattomien kohteiden näkemisen spektrin muissa osissa.

Lähteet

Fragmentti yhdestä niin kutsutusta Hubble Deep Fieldistä. Vuonna 1995 avaruusteleskooppi kerää valoa yhdestä taivaan osasta 10 päivän ajan. Tämä mahdollisti äärimmäisen himmeitä galakseja, joiden etäisyys on jopa 13 miljardia valovuotta (alle miljardi vuotta alkuräjähdyksestä). Näkyvä valo tällaisista kaukaisista kohteista kokee merkittävän punasiirtymän ja muuttuu infrapunaiseksi.

Havainnot tehtiin alueella kaukana galaksin tasosta, jossa on suhteellisen vähän tähtiä näkyvissä. Siksi suurin osa rekisteröidyistä kohteista on galakseja evoluution eri vaiheissa.

Jättimäinen spiraaligalaksi, jota kutsutaan myös nimellä M104, sijaitsee galaksijoukossa Neitsyt tähdistössä ja on meille lähes reunassa näkyvissä. Sillä on valtava keskimyrsky (pallomainen paksuus galaksin keskustassa) ja se sisältää noin 800 miljardia tähteä - 2-3 kertaa enemmän kuin Linnunrata.

Galaksin keskellä on supermassiivinen musta aukko, jonka massa on noin miljardi auringon massaa. Tämä määräytyy galaksin keskustan lähellä olevien tähtien nopeuksista. Infrapunassa kaasun ja pölyn rengas on selvästi näkyvissä galaksissa, jossa tähdet syntyvät aktiivisesti.

Vastaanottimet

Pääpeilin halkaisija 85 cm valmistettu berylliumista ja jäähdytetty 5,5 °C:seen TO vähentää peilin omaa infrapunasäteilyä.

Teleskooppi laukaistiin elokuussa 2003 ohjelman puitteissa neljä suurta NASA-observatoriota mukaan lukien:

• Compton Gamma Observatory (1991–2000, 20 keV-30 GeV), katso 100 MeV gammasäteilytaivas,
• Röntgenobservatorio "Chandra" (1999, 100 eV-10 keV),
• Hubble-avaruusteleskooppi (1990, 100–2100 nm),
• Spitzer-infrapunateleskooppi (2003, 3–180 mikronia).

Spitzer-teleskoopin käyttöiän odotetaan olevan noin 5 vuotta. Teleskooppi sai nimensä astrofyysikon Lyman Spitzerin (1914-97) kunniaksi, joka vuonna 1946, kauan ennen ensimmäisen satelliitin laukaisua, julkaisi artikkelin "Maan ulkopuolisen observatorion tähtitieteen edut" ja 30 vuotta myöhemmin vakuutti NASA:n. ja Yhdysvaltain kongressi aloittaa Hubble-avaruusteleskoopin kehittämisen.

taivastutkimukset

Lähi-infrapuna taivas 1–4 mikronia ja keski-infrapuna-alueella 25 mikronia(COBE/DIRBE)

Lähi-infrapuna-alueella Galaxy näkyy jopa selkeämmin kuin näkyvässä.

Mutta keski-IR-alueella Galaxy on tuskin näkyvissä. Havaintoja haittaa suuresti aurinkokunnan pöly. Se sijaitsee pitkin ekliptiikan tasoa, joka on kallistettu Galaxyn tasoon noin 50 asteen kulmassa.

Molemmat tutkimukset saatiin DIRBE-laitteella (Diffuse Infrared Background Experiment) COBE-satelliitilla (Cosmic Background Explorer). Tämä vuonna 1989 alkanut kokeilu tuotti täydellisiä infrapunataivaan kirkkauskarttoja, jotka vaihtelivat välillä 1,25 - 240 mikronia.

Maasovellus

Laite perustuu elektroni-optiseen muuntimeen (IOC), jonka avulla voidaan merkittävästi (100-50 tuhatta kertaa) vahvistaa heikkoa näkyvää tai infrapunavaloa.

Linssi luo valokatodille kuvan, josta, kuten PMT:n tapauksessa, elektronit irrotetaan. Sitten niitä kiihdytetään korkealla jännitteellä (10–20 kV), ne on tarkennettu elektronisella optiikalla (sähkömagneettinen kenttä erityisellä konfiguraatiolla) ja ne putoavat fluoresoivalle näytölle, joka muistuttaa televisiota. Siinä kuvaa katsotaan okulaarien läpi.

Valoelektronien kiihtyvyys mahdollistaa heikossa valaistuksessa kirjaimellisesti jokaisen valon kvantin käytön kuvan saamiseksi, mutta täydellisessä pimeydessä tarvitaan valaistus. Jotta tarkkailijan läsnäolo ei paljastuisi, on käytettävä lähellä infrapunavaloa (760–3000 nm).

On myös laitteita, jotka sieppaavat kohteiden oman lämpösäteilyn IR-alueen keskialueella (8-14 mikronia). Tällaisia ​​laitteita kutsutaan lämpökameriksi, niiden avulla voit havaita ihmisen, eläimen tai kuumennetun moottorin niiden lämpökontrastinsa vuoksi ympäröivään taustaan ​​nähden.

Kaikki sähkölämmittimen käyttämä energia muunnetaan lopulta lämmöksi. Merkittävä osa lämmöstä kulkeutuu pois kuuman pinnan kanssa kosketuksissa olevasta ilmasta, joka laajenee ja nousee, joten pääosin katto lämpenee.

Tämän välttämiseksi lämmittimet on varustettu puhaltimilla, jotka ohjaavat lämpimän ilman esimerkiksi ihmisen jalkoihin ja auttavat sekoittamaan huoneen ilmaa. Mutta on toinenkin tapa siirtää lämpöä ympäröiviin esineisiin: lämmittimen infrapunasäteily. Se on mitä vahvempi, sitä kuumempi pinta ja sitä suurempi pinta-ala.

Pinta-alan lisäämiseksi patterit tehdään litteiksi. Pintalämpötila ei kuitenkaan voi olla korkea. Muissa lämmitinmalleissa käytetään useisiin satoihin asteisiin kuumennettua spiraalia (punainen lämpö) ja koveraa metalliheijastinta, joka luo suunnatun infrapunasäteilyvirran.