Elektromagnetické záření

FBI – VŠB-TU Ostrava
Aplikovaná fyzika
Elektromagnetické záření
Elektromagnetické záření
Energie elektromagnetických oscilátorů (= objektů, u nichž dochází k periodickým změnám
velikosti elektrické intenzity E a magnetické indukce B, příkladem je třeba kmitající dipól) se
může šířit prostorem jako elektromagnetické záření. O tomto záření říkáme, že má tzv. duální
charakter, za určitých podmínek se totiž projevuje jako proud částic látky („fotony“: částicový
– korpuskulární charakter), za jiných jako vlnění (vlnový charakter). Základní charakteristikou
c
elektromagnetického vlnění je vlnová délka λ nebo frekvence ν (  ), vlnění se šíří ve

vakuu rychlostí světla, tj. c = 299792458 ms-1  3108 ms-1. Přenášená elektromagnetická
energie není libovolně dělitelná, ale úzce souvisí s frekvencí vlnění. Při dané frekvenci je
nejmenší možná hodnota elektromagnetické energie (kvantum vlnění) energie jednoho fotonu,
hc
, kde h je Planckova konstanta h = 6,62606910-34 Js. Energie Eν je tak třetí
E  h 

charakteristikou záření.
Chování objektů ve vesmíru vůči elektromagnetickému záření popisujeme vyjádřením, že
vysílají (emitují), odrážejí (reflektují) nebo propouštějí záření (transmise = opak absorpce).
Zastoupení jednotlivých vlnových délek v pozorovaném záření přicházejícím od objektu je
dáno materiálovým složením objektu. Podle původu záření rozlišujeme dva typy spekter:
 Je-li spektrum tvořeno především tepelným zářením vyzařovaným samotným objektem,
jedná se o emisní spektrum.
☼ Některá tělesa emitují víceméně souhlasně se zářením absolutně černého tělesa.
 Je-li spektrum tvořeno především zářením pozadí, které objekt zčásti propouští a zčásti
pohlcuje, jedná se o absorpční spektrum.
Elektromagnetická spektroskopie je odvětví fyziky zabývající se charakterizováním látek
pomocí jejich spekter.
Seřazením vlnových délek záření vydávaného určitým zdrojem a zjištěním intenzity záření na
jednotlivých vlnových délkách, dostaneme tzv. elektromagnetické spektrum příslušného
zdroje. Na obrázku 1 jsou schematicky naznačeny jednotlivé obory vlnových délek celého
elektromagnetického spektra. Úzkou oblast ve vlnovém rozsahu mezi 10-6 až 10-7 m, kterou
můžeme vnímat zrakem, nazýváme světlo. Anglické názvosloví pro ostatní druhy záření
seřazené podle klesající frekvence je uvedeno v následující tabulce:
Elektromagnetické spektrum
od
do
λ
Eν
EHF
γ
HX
SX
EUV
NUV
VR
NIR
MIR
FIR
GAMA
HARD X
SOFT
EXTREME
NEAR UV
VISIBLE
NEAR
MODERATE
FAR IR
300EHz
30 EHz
~ pm
~ MeV
30 EHz
3 EHz
3 EHz
300PHz
3 PHz
300THz
~ μm
~ eV
300 THz
30 THz
30 THz
300 GHz
SHF
MICROWAVES
300GHz
30 GHz
30GHz
3 GHz
UHF
ULTRA
300 PHz 30 PHz PHz
30 PHz
3 PHz
~ nm
~ keV
Radiové vlny
VHF
HF
MF
VERY
3 GHz 300MHz
300MHz 30MHz
LF
HIGH…
MIDDLE
LOW…
30MHz
3 MHz
3 MHz
300kHz
300kHz
30 kHz
VLF
ULF
SLF
ELF
SUPER EXTREMELY
30kHz 3kHz 300Hz
3 kHz 300Hz 30 Hz
30 Hz
3 Hz
1
FBI – VŠB-TU Ostrava
Aplikovaná fyzika
Elektromagnetické záření
Roentgenové
Obr.1 – elektromagnetické spektrum dle vlnových délek
☼
Přestože rozčlenění jednotlivých druhů elektromagnetické energie je vymezeno přesně, ve skutečnosti
se jednotlivé oblasti vzájemně překrývají. Např. některé nízkoenergetické  paprsky mají ve
skutečnosti větší vlnovou délku než vysokoenergetické RTG záření.
☼
Mezi jednotlivými typy elektromagnetického záření skutečně neexistují přesně definované hranice,
některé vlnové délky vykazují vlastnosti dvou oblastí spektra. Např. červené světlo se podobá
infračervenému svou schopností rezonance vůči některým chemickým vazbám.
Vedle úseku světelného záření, charakterizovaného vlnovými délkami asi od 380 do 780 nm,
existuje na obě strany od viditelné části energetického slunečního spektra celá řada dalších
druhů záření: ultrafialové UV (ultraviolet) (objeveno německým zakladatelem fotochemie
J.W.Ritterem 1801), X-paprsky,  a kosmické záření na jedné straně, na druhé infračervené
záření a rádiové vlny.
Přehled základních vlastností jednotlivých druhů elektromagnetického záření
Radiové vlny se používají především k přenosu dat prostřednictvím modulace. Používají se
dva základní druhy modulace: frekvenční (FM), kdy se v určitém rozsahu mění kmitočet
nosné vlny podle nízkofrekvenčního (NF) signálu a amplitudová, kdy se podle přenášeného
NF signálu mění amplituda (velikost a tím intenzita) nosné vlny. Vlnová délka radiových vln
se pohybuje v rozmezí od několika km do řádově asi mm. Jsou vyzařovány anténami, jejichž
délka je úměrná délce nosné vlny.
Supervysoké a extrémně vysoké frekvence (viz tabulka - SHF a EHF) neboli mikrovlny tvoří
další část radiového spektra. Jedná se o elektromagnetické vlny s vlnovou délkou v rozmezí
od 1 m do 1 mm. Název tedy nesouvisí přímo s velikostí vlnové délky, ale se skutečností, že
vlnová délka je podstatně menší než vlnová délka běžných radiových vln používaných pro
komunikační účely. V kapalinách jsou velmi dobře absorbovány polárními molekulami,
mechanizmus ohřívání, ale nelze vysvětlit jako prostou absorpci energie fotonů. Mikrovlnný
ohřev je primárně založen na tom, že molekuly látek se stálými dipólovými momenty se
natáčejí do směru elektrického pole tak, aby dosáhly stavu s minimální energií. Ve snaze
sledovat okamžitý směr rychle se měnícího vnějšího pole se tedy tyto molekuly rozkmitávají.
Přitom dochází ke kolizím a tření se sousedním molekulami, tedy ke vzniku tepla. Je-li
rychlost změny směru vnějšího pole srovnatelná s dobou, kterou potřebují molekuly k tomu,
aby se natočily do příslušného směru (tzv. relaxační doba, závislá např. na teplotě, viskozitě a
dalších parametrech), a odpovídá vlastní frekvenci kmitání molekuly, podstatná část
mikrovlnné energie se přemění v teplo, což vede ke zvýšení teploty.
Zdrojem mikrovlnného záření jsou různé typy elektronek, pracujících na principu pohybu
elektronů emitovaných do vakua, jejichž pohyb je řízen vnějším elektrickým nebo magnetickým
polem (magnetron, klystron, gyrotron), případně polovodičová zařízení (transistory, tunelové
diody, Gunnovy diody) nebo masery.
2
FBI – VŠB-TU Ostrava
Aplikovaná fyzika
Elektromagnetické záření
Infračervené záření IR (infra-red), které bylo objeveno britským astronomem Williamem
Fredericem Herschelem 1800, se dělí z technologického hlediska dle vlnového rozsahu na
pásma A, B, C (hranice jednotlivých pásem nejsou vymezena jednoznačně):



krátkovlnné pásmo (A) od 120 do 300 THz (0,8 až 2,5 μm) – svými fyzikálními
vlastnostmi se blíží viditelnému záření
střední pásmo (B) od 30 do 120 THz (2,5 až 10 μm) – oblast silného tepelného
vyzařování, výrazná absorpce na molekulárních vibračních hladinách
vzdálená IR (C) od 300 GHz (1 mm) do 30 THz (10 μm) - nejnižší část pásma lze
ještě zahrnout do mikrovln, záření je výrazně absorbováno tzv. rotačními módy
plynných molekul, molekulárními pohyby v kapalinách i fonony v pevných látkách.
Díky přítomnosti vodních par je téměř zcela absorbováno zemskou atmosférou
s výjimkou určitých "oken" (viz obr. 2), která umožňují částečný průchod některých
vlnových délek a jsou využívána v astronomii.
Obr. 2 –
grafické znázornění propustnosti zemské atmosféry pro různé vlnové délky
elektromagnetického záření
Po infračerveném záření následuje viditelné světlo. Jedná se o oblast, v níž Slunce a hvězdy
jemu podobné vyzařují největší část svého záření. Zároveň je to rovněž oblast největší
citlivosti lidského zrakového orgánu. Viditelné záření je absorbováno a emitováno při
přechodech elektronů v molekulách a atomech z jedné energetické hladiny na druhou.
Barva
červená
oranžová
žlutá
zelená
azurová
modrá
fialová
Vlnová délka ~625 až 740 nm ~590 až 625 nm ~ 565 až 590 nm ~ 520 až 565 nm ~ 500 až 520 nm ~ 430 až 500 nm ~ 380 až 430 nm
Frekvence
480 až 405 THz ~ 510 až 480 THz ~ 530 až 510 THz ~ 580 až 530 THz ~ 600 až 580 THz ~ 700 až 600 THz ~ 790 až 700 THz
Viditelné světlo o vlnových délkách 400 - 800 nm je ta část spektra, na niž je citlivé lidské oko.
pozn.: Dnes se z praktického důvodu pro oblast optiky a optoelektroniky - přestože vlastní význam slova
"optos" spočívá ve viditelnosti - zahrnuje do společného označení pod výraz "optické záření" nejen
krátký úsek okem vnímaného elektromagnetického záření, ale i obě hraniční oblasti, tj. IR a UV.)
3
FBI – VŠB-TU Ostrava
Aplikovaná fyzika
Elektromagnetické záření
Ultrafialové záření je velmi energetické, v důsledku toho narušuje chemické vazby, zvyšuje
reaktivitu molekul nebo působí jejich ionizaci, podstatně mění jejich obecné vlastnosti.
V důsledku přílišného opálení způsobeného ničivým vlivem UV záření na kožní buňky může
docházet ke vzniku rakoviny kůže, pokud dojde k poškození buněčné DNA. Většina UV
záření emitovaného Sluncem je pohlcena ozónovou vrstvou.
Roentgenové záření vzniká v důsledku dopadu katodového záření na těžké kovy nebo např.
při brždění urychlených elektronů v betatronu (při přechodu elektronu z vnější dráhy na
vnitřní dochází k vyzáření přebytečné energie ve formě fotonu X záření). Měkké záření se
používá k diagnostice (lékařství, defektoskopie), tvrdé při jaderném výzkumu nebo
v astronomii při pozorování černých děr a neutronových hvězd.
 záření je tvořeno fotony nejvyšších energií, dolní hranice jejich vlnových délek není
vymezena. V astronomii se toto záření využívá při studiu vysokoenergetických objektů,
v mikrofyzice díky své vysoké pronikavosti a souvislosti s výzkumem radioizotopů. Vlnovou
délku  záření lze s vysokou přesností měřit pomocí Comptonova rozptylu.
Důležité vztahy a pojmy z optiky
Index lomu
n
Zákon lomu
c
v
n1 sin   n2 sin 
Ohyb na štěrbině
Dopadá - li kolmo na úzkou štěrbinu šířky d
rovinná monochromatická vlna, nastane
ohyb. Na stínítku pak pozorujeme světlé
proužky oddělené minimy intenzity záření,
pro něž platí
sin   k

d
kde  je vlnová délka dopadajícího světla,
 je úhel, pod kterým pozorujeme minimum,
k = 1, 2… a určuje, kolikáté minimum
pozorujeme, znaménko určuje polohu od
osy, kde pozorujeme nulté maximum.
Ohyb světla na optické mřížce
sin  
k
 k N
a
Vztah platí pro polohu maxim!
4
FBI – VŠB-TU Ostrava
Aplikovaná fyzika
Elektromagnetické záření
Důležité vztahy a pojmy z kvantové optiky
Rentgenová difrakce
Optické prvky z jakéhokoliv materiálu nelámou ani nerozptylují rentgenové paprsky, protože
jejich index lomu je pro všechny látky téměř roven jedné. Naopak při velmi šikmém dopadu
se paprsky od všech látek odrážejí. Max von Laue přišel s nápadem použít pro rentgenové
paprsky jako mřížky krystaly, jejichž pravidelná struktura vykazuje odpovídající rozměry pro
tento úkol (mřížková konstanta je řádově shodná s vlnovou délkou záření). Vlnová délka
rentgenového záření je toti6 srovnatelná s meziatomovými (meziontovými) vzdálenostmi
v krystalech (10─10 až 10─9 m).
To umožňuje použít k charakterizaci krystalových struktur difrakci rentgenového záření na
přirozených krystalových rovinách (W.L. a W. H. Bragg 1913).
dopadající
vlna
odražená
vlna
d
Braggova rovnice:
Dvě rovnoběžné roviny krystalů a na ně
dopadá rtg záření.
Dopadající paprsky jsou spolu ve fázi.
Na první rovinu dopadne horní paprsek, je
rozptýlen (odražen).
Dolní paprsek je rozptýlen na druhé rovině.
Aby i po rozptylu (odrazu) byly oba
paprsky ve fázi, musí být vzdálenost,
kterou urazí dolní paprsek navíc oproti
hornímu (BC+CD), rovna celočíselnému
násobku n vlnové délky λ dopadajícího
záření:
BC + CD = nλ = 2 d sin Θ
kde Θ je úhel, pod nímž dopadají paprsky
na rovinu krystalu (pozor! Jiné označení než
při odrazu a lomu světla!) a d je vzdálenost
mezi sousedními vrstvami krystalu.
Jsou-li oba paprsky ve fázi, pak spolu
interferují („konstruktivní“ interference sčítají se) => zesilují se.
Comptonův rozptyl
Záření s vysokou energií (řádově několik desítek keV) při průchodu prostředím tvořeným
lehkými atomy (tj. s nižšími protonovými čísly) podléhá absorpci.
Při tomto typu absorpce narazí foton záření gama nebo
rentgenového záření na elektron, který uvolní z jeho dráhy. Při
této pružné srážce předá foton svou energii elektronu, ten si část
ponechá ve formě kinetické energie (začne se pohybovat), zbytek
se vyzáří ve formě rozptýleného záření o větší vlnové délce. Ze
zákona zachování hybnosti plyne, že čím víc energie získal
elektron od fotonu, tím víc se směr jeho pohybu blíží směru
pohybu původního fotonu, rozptýlený foton v tomto případě
vykazuje větší úhel rozptylu. Při předání menší části energie je
tomu naopak: odchýlení dráhy elektronu (po srážce s fotonem) od
původního směru fotonu je větší, odchýlení fotonu je menší.
Matematicky lze tento jev popsat rovnicí:
h
1  cos 
 
me c
me – klidová hmotnost elektronu 9,10910-31 kg, θ - úhel rozptylu fotonu, h - Planckova
konstanta 6,6310-34 J·s nebo 4,1410-15 eV·s, c - rychlost světla - 3108 m/s.
5
FBI – VŠB-TU Ostrava
Aplikovaná fyzika
Elektromagnetické záření
Fotoelektrický jev
Při zkoumání vzájemného působení elektromagnetického záření a kovových materiálů bylo
zjištěno, že dopadající záření uvolňuje z povrchu některých látek elektrony, které pak mohou
přenášet elektrický proud v obvodu. Je zřejmé, že v důsledku absorpce
záření v materiálu dochází k uvolňování elektronů z povrchu kovu. Tento
jev byl nazván fotoelektrický jev (fotoefekt), protože elektrony opouštějí
materiál, jedná se o vnější fotoelektrický jev. Na základě mnoha
experimentů byly vysledovány tyto zákonitosti:
1. Pro každý kov existuje mezní (charakteristická) frekvence 0,
při které k fotoemisi dochází. Je-li  < 0, k fotoelektrickému
jevu nedochází. Pro mezní vlnovou délku je nerovnost opačná.
2. Elektrický proud (počet emitovaných elektronů) je přímo úměrný
intenzitě dopadajícího záření.
3. Rychlost emitovaných elektronů (tedy i jejich kinetická energie)
je přímo úměrná frekvenci dopadajícího záření, závisí na
materiálu katody a nezávisí na intenzitě dopadajícího záření.
Klasická fyzika nedokázala uspokojivě vysvětlit závislost na frekvenci a nezávislost energie
elektronů na intenzitě dopadajícího záření. Vysvětlení podal v roce 1905 Albert Einstein.
Předpokládal, že elektromagnetická vlna o frekvenci  a vlnové délce  je soubor částic,
světelných kvant o určité energii a hybnosti. Pro tato kvanta platí:
E  h
p  mc 
E
h h
c

2
c 
c
Při fotoelektrickém jevu každé kvantum záření předá svou energii pouze jednomu elektronu,
který ji využije k uvolnění z kovu (výstupní práce Av) a na zvýšení své kinetické energie.
Einsteinova rovnice fotoelektrického jevu pak má tvar:
 c

1
 h  Av  Ek  Av  me v 2 , resp.  h  h 0  Av  .

2
 0

Pozn.: Vztah v závorce platí pro mezní fotoelektrický jev, kdy je energie fotonu právě rovna výstupní práci.
h
c
Je-li  > 0, nemá kvantum záření dostatečnou energii na uvolnění elektronu z kovu.
Je-li  ≤ 0, elektrony se ihned (časová prodleva řádově 10-9 s odpovídá době interakce mezi
fotonem a elektronem) uvolňují, jejich počet (velikost fotoproudu) závisí na počtu dopadajících
kvant, tj. na intenzitě záření.
Malou výstupní práci mají kovy se slabě vázanými elektrony (např. u cesia fotoefekt nastává
ve viditelné oblasti – 0 = 642 nm), zinek (0 = 310 nm) nebo stříbro (0 = 264 nm) mají
výstupní práci větší a k fotoefektu dochází až v ultrafialové oblasti.
K analogickému jevu dochází též u polovodičů (vnitřní fotoelektrický jev). V tomto případě
však elektrony pouze opouštějí silové pole svého vlastního jádra, ale zůstávají uvnitř
materiálu jako vodivostní elektrony, jsou tedy schopny vést proud, roste vodivost materiálu.
Fotoelektrický jev se uplatňuje v optoelektrických zařízeních, automatizačních soustavách,
snímacích elektronkách televizních kamer, slunečních bateriích apod. Nejčastěji se využívá
vnitřní fotoelektrický jev v polovodičových součástkách – fotorezistor a fotodioda.
Fotoelektrický jev je jedním ze základních mechanismů, jimiž krátkovlnné elektromagnetické
záření předává svou energii látce.
6
FBI – VŠB-TU Ostrava
Aplikovaná fyzika
Elektromagnetické záření
Infračervené záření, jeho vlastnosti a využití
Viditelné a IR záření, vjem tepla, energie fotonu
Empirické zkušenosti získané při jednoduchých pokusech naznačují, že viditelné a IR záření
spolu úzce souvisí a navíc souvisí s vjemem tepla.
Mějme těleso, jehož teplotu můžeme měnit v širokém rozpětí – např. vlákno žárovky. Při
velmi malém procházejícím proudu se vlákno chová jako odporový drát a zahřeje se.
Zvýšíme-li procházející proud, zvýší se i jeho teplota, vlákno začne temně rudě žhnout, v jeho
blízkosti máme pocit sálajícího tepla. Teplo se přitom šíří i ve vakuu – šíření není tedy
způsobené ohřevem okolního vzduchu, ale zářením. Při větší proudu se vlákno rozžhaví
a vydává žluté světlo, při ještě větším proudu se rozžhaví více a vydává oslňující bílé světlo...
Jev je důsledkem zákonů pro sdílení tepla zářením, velmi zjednodušeně ho lze vysvětlit takto:
Mějme těleso, které energii pouze vyzařuje (absolutně černé těleso). Z vnějšku dodaná
energie (např. elektrická použitá k jeho žhavení) způsobí zvýšení intenzity pohybu molekul
tvořící těleso. Rychleji kmitající a vibrující částice mají více energie, jsou proto méně stabilní
a rády by se této přebytečné energie zbavily. Při vzájemných srážkách molekuly přecházejí na
nižší vibrační a rotační energetické hladiny, přebytečnou energii vyzařují v podobě záření do
okolního prostředí. Energie, kterou částice při srážce ztratí, se rovná energii vzniklého kvanta
záření. Málo rozkmitané částice vyzařují nízkoenergetická kvanta (IR), hodně rozkmitané
atomy a molekuly vyzařují vysokoenergetická kvanta (viditelné světlo, UV záření).
Při absolutní nule by se zastavil pohyb atomů a molekul a těleso by nevydávalo žádné
elektromagnetické záření. Každé těleso, jehož teplota je vyšší než absolutní nula, však
vyzařuje elektromagnetické záření. Vlnová délka tohoto záření závisí na teplotě. Čím je
teplota tělesa vyšší, tím je vlnová délka vydávaného záření kratší. Při nízkých teplotách
vydává těleso tzv. daleké IR záření. Při vyšších teplotách vydává těleso blízké IR záření a my
vnímáme sálavé teplo. Při teplotě okolo 600°C vydává těleso mohutný tok blízkého IR záření
a začíná vydávat červené světlo – vnímáme rudé žhnutí a silné tepelné sálání. Při teplotách
okolo 2000°C vydává těleso mohutný zářivý tok v IR i ve viditelné oblasti.
V této souvislosti se zavádí pojem teplota chromatičnosti světelného zdroje. Má-li žárovka
teplotu chromatičnosti 3200 K, má jí vydávané světlo stejné spektrální složení jako světlo
vydávané absolutně černým tělesem žhaveným na teplotu 3200 K. (Vyšší teplota
chromatičnosti znamená vyšší podíl modrého, tj. krátkovlnného světla.)
Využití IR záření
Již krátce po objevení IR záření byly konány pokusy o jeho zachycení a vizualizaci, tj. jeho
převedení na obrazový, okem viditelný, signál. K tomuto problému je možno přistupovat
v zásadě dvěma způsoby: Snímá se buď vyzařování infračervených paprsků přímo z povrchu
samotného sledovaného objektu, nebo odražené záření z povrchu objektu, kterému je tepelná
energie dodávána z nějakého dalšího vnějšího zdroje (zábleskové lampy, halogenové výbojky,
infrazářiče, laser). Převáděním vyzařovaného nebo odraženého infračerveného záření povrchu
na obrazový signál nebo záznam se zabývá termografie.
Obrazový signál se zobrazuje na monitoru v řadě barevných odstínů, z nichž každý znamená
určitý teplotní rozsah. Na základě vyhodnocování zobrazených teplotních polí lze pak získat
řadu cenných informací o nejrůznějších jevech, které nějakým způsobem souvisejí se změnou
teploty, případně o jejich průběhu. Snímací kamery mohou pracovat na principu tepelných
snímačů (při absorpci fotonů dochází k oteplení citlivé části senzoru, pohlcená energie se
vyhodnocuje nepřímo přes senzory teploty) nebo v provedení jako kvantové snímače
s vyhodnocením infračerveného záření cestou fotoelektrického jevu v polovodičích.
7
FBI – VŠB-TU Ostrava
Aplikovaná fyzika
Elektromagnetické záření
Obrazový záznam umožňuje zachytit okamžité rozložení teplotních polí využitím citlivosti
speciálních fotografických emulzí na různé délky dopadajícího infračerveného záření.
A.
snímání v daleké IR oblasti
Provádí se vizualizace vlastního IR záření těles s teplotou vyšší než absolutní nula. Používaná
elektronická zařízení pomocí složitých detektorů zachycují vlastní IR záření teplých těles,
převádějí je na elektrické signály a digitalizují. Snímače IR záření musí být chlazené na
teplotu podstatně nižší, než je teplota těles, která mají být zobrazena, jinak by snímač sám
sebe „závojoval“, zahltil by se svým vlastním tepelným zářením, proto jsou tato zařízení
velmi drahá.
Na obrázku je snímek rozvodného transformátoru pořízený v daleké IR oblasti. Falešné barvy
korespondují s povrchovou teplotou. Další obrázek schematicky naznačuje princip snímání
vlastního tepelného záření těles v daleké IR oblasti: studené pozadí (1) vydává dlouhovlnné
IR záření. O něco teplejší těleso (2) vydává také dlouhovlnné záření, ale s kratší vlnovou délkou.
IR kamera (3) je schopna toto záření zachytit a vizualizovat je v tzv. falešných barvách (4).
B.
fotografování v blízké IR oblasti
Při fotografování v blízké IR oblasti se používají principy známé z klasické fotografie ve
viditelném světle. Fotografované předměty jsou ozářeny IR zářením. Protože odráží IR záření
v různé míře, získáme obraz ve stupních šedé, odstín šedé odpovídá odrazivosti předmětu
v použité IR oblasti.
Snímače použité při tomto uspořádání mohou být podstatně jednodušší. Při ozařování
snímané scény velmi krátkovlnným IR zářením s vlnovou délkou řádově kratší, než vlnová
délka vlastního IR záření vydávaného snímanými tělesy, nemusí být snímače chlazené. Pro
obrazovou IR fotografii se vyrábějí fotografické emulze, zcitlivěné pro velmi krátkovlnnou IR
oblast (oblast za červeným koncem viditelného spektra).
Princip snímání v krátkovlnné IR oblasti: zdroj IR
záření (1) ozařuje snímanou scénu krátkovlnným IR
zářením, s vlnovou délkou blízkou červenému světlu
(cca 650 nm), IR záření používané v této technice
mívá 750 – 1000 nm. Snímané objekty (2, 3) se liší
svou odrazivostí pro IR záření. Intenzita odraženého
záření je tedy modulována odrazivostí snímaných
předmětů, vlnová délka dopadajícího a odraženého
záření se však nemění! Modulované IR záření
dopadá na detektor (film) (4) a vyvoláním (5) je
vizualizováno. Na fotografii odpovídají nejsvětlejší
místa objektům nejvíce odrážejícím dopadající
záření.
8
FBI – VŠB-TU Ostrava
Aplikovaná fyzika
Elektromagnetické záření
Příklady praktických aplikací IR záření
V průmyslu může termografie barevným zobrazením rozložení teplotních polí prokázat řadu
užitečných služeb (nedestruktivní defektoskopie, kontrola různých strojních dílů
a mechanismů, např. ložisek, kontrola elektrických rozvodů, systémů vytápění, tepelných
izolací; ve stavebnictví kontrola obvodových plášťů staveb z hlediska úniků tepla; snímání
tepelných obrazů zemského povrchu ve vybraných lokalitách). Pomocí termografie lze
zabránit mnoha závadám, ke kterým by mohlo u různých zařízení v provozu dojít.
Termografická technika (termovize) je dnes už v mnoha průmyslových odvětvích
nepostradatelná.
Ve strojírenství patří výhradně termografii např. kontrola lopatek turbín, a to jak kontrola
jednotlivých lopatky ještě před jejich osazením do oběžných kol, tak kontrola lopatek po
montáži do oběžného kola. Sledují se nejen možné materiálové vady v podobě třeba okem
neviditelných trhlinek, ale zároveň i tloušťka a přilnavost keramických vrstev, tloušťka stěny
lopatky a průchodnost vzduchových kanálků, potřebných pro chlazení lopatek.
Při nejčastěji používané impulsní metodě termografie je sledovaný objekt ozářený krátkým
impulsem. Termografický záznam přes infrakameru dovoluje průběžně sledovat tepelné pole
povrchové vrstvy při vzestupu teploty i při následném chladnutí. U homogenního materiálu je
proces ochlazování povrchu plynulý, rozdílný je při výskytu materiálových vad (např.:
nehomogenity materiálu, pórovitost keramické vrstvy, poruchy přilnavosti nebo přítomnost
trhlinek či vnitřních dutin).
V podstatě analogické je využití termografie v medicíně. Infračervené záření (0,8 – 30 μm)
vyzařuje každý předmět v rozsahu teplot od -40 °C výše tedy i člověk. Samotný povrch
lidského těla je zdrojem infračerveného záření s intenzitou asi 100 mW/cm2. Tato hodnota
závisí ovšem na celé řadě faktorů, probíhajícím metabolismu nebo činnosti člověka a je
odlišná na různých částech těla. Termografie se uplatňuje např. v neurologii a pracovním
lékařství (příkladem může být termogram degenerativních změn na přechodu šlach v kost tzv. tenisový loket), v onkologii při diagnostice kožních nádorů případně nádorů uložených
v blízkosti povrchu těla nebo při diagnostice onemocnění štítné žlázy.
IR záření z přirozených nebo umělých zdrojů se dnes využívá v řadě oborů lidské činnosti.
K sušení, vytápění a ohřevu, v infračervené spektroskopii, ve vojenské technice k navádění
raket nebo u přístrojů pro noční vidění, infrafotografii, optoelektronice, pyrometrii, u laserové
techniky. (Lasery mohou emitovat záření o různých vlnových délkách od oblasti X-paprsků
přes ultrafialové a viditelné pásmo až k vlnovým délkám v infračervené oblasti.)
Elektromagnetických vln v oblasti infračerveného záření lze použít vedle ultrazvuku
a elektromagnetických vln v oblasti rozhlasových pásem i pro dálkové ovládání, přiřazením
různých kanálů je nutno zaručit nemožnost vzájemného rušení mezi jednotlivými oblastmi
využití. Optika vysílače rozptyluje paprsek s vyzařovací charakteristikou přibližně
kuželového tvaru s vrcholovým úhlem kolem 30°. Pro šíření infračerveného záření platí
obdobné podmínky jako pro šíření světla - je tedy omezené na konkrétní prostor, ohraničený
neprůhlednými překážkami, ale i dosahem vysílače nebo citlivostí přijímače. Pro šíření IR
signálu je možné použít i odrazů od pevných předmětů odrážejících světlo.
Snímače infračerveného záření patří mezi často používané senzory pro automatizaci
procesů u výrobních linek, pro počítání výrobků na dopravním pásu, kontrolu jejich rozměru
či počítání otáček. Při tomto užití se senzory - v tomto případě aktivní čidla s infračerveným
zdrojem - rozdělují na difuzní, kdy k detekci určité veličiny dochází přerušením toku
infrapaprsků mezi vysílačem a přijímačem, nebo reflexní (odrazové). Pro hlídání a regulaci
polohy - např. při měření hladin sypkých materiálů nebo měření průměru návinu - jsou
vhodné i infrasenzory, pracující na bázi optického principu triangulace.
9
FBI – VŠB-TU Ostrava
Aplikovaná fyzika
Elektromagnetické záření
Často se používají i infrasenzory ve smyslu závory s dosahem až několika desítek metrů
a infrasenzory s optickou usměrňující soustavou pro automatické ovládání dveří vlaků,
autobusů nebo i různých provedení průmyslových vrat. V některých těchto případech je
možné použít i pasivních čidel infračerveného záření, které pouze detekují pohybující se
předmět s odlišnou teplotou (otevírání automatických dveří v supermarketech, často bývají
doplněna alespoň jednoduchým aktivním čidlem, zabraňujícím uzavření dveří, v nichž se
někdo zastavil). Na infračerveném záření jsou založené i nejrůznější bezpečnostní zábrany
u strojních zařízení, kde lze použít jako zdroje infračervených paprsků jak LED diod, tak
i různých typů laserů. Často se využívá infračerveného záření u různých bezpečnostních
systémů, jak identifikačních, tak i ochranných u různých strojních mechanismů.
Infračerveného záření se využívá i v oboru pyrometrie (bezdotykové měření teplot). Měření
povrchové teploty na základě elektromagnetického záření s vlnovou délkou od 0,4 μm do 25
μm mezi tělesem a měřicím přístrojem nebo senzorem pokrývá rozsah od -40 do + 10000 °C
(0,4 - 0,78 μm viditelné spektrum, 0,78 - 1 μm blízké IR, 1 - 3 μm krátkovlnné IR, 3 - 5 μm
středovlnné a 5 - 25 μm dlouhovlnné). Mezi výhody takového bezdotykového měření teplot
patří možnost měřit pohybující se tělesa, rychlé změny, možnost záznamu obrazu i času. Lze
snímat a zobrazovat i teplotní pole celých povrchů těles, objektů i územních celků.
Zajímavé je užití infračerveného záření, vedle rtg a UV záření, i v restaurátorském průzkumu
uměleckých či historických děl, kde může často pomoci při odkrývání různých pozdních
zásahů do těchto děl. V nedávné době se takový průzkum konal cestou zdlouhavého procesu
infračervené fotografie, dnes se realizuje pomocí snímání CCD kamerou a elektronickým
zpracováním dat. Využívá se rozdílné pohltivosti, propustnosti a odrazivosti infračerveného
záření u některých látek, které se ve viditelném světle jeví jako totožné. To umožňuje rozlišit
v infračerveném světle některé pigmenty, lazury, přelakované nebo přemalované vrstvy na
obrazech, zviditelnit vybledlé malby, vyšetřit pravost podpisů a signatur autorů uměleckých
děl. Řada barev se chová odlišně v IR záření než za běžného světla a třeba uhlíkaté pigmenty
s amorfní strukturou je možné prostřednictvím infračerveného záření identifikovat i pod
nánosem jiných barevných vrstev.
Infračerveného záření lze využít ale i v celé řadě jiných oborů. Příkladem mohou být
analyzátory plynů, které využívají odlišného absorbování tohoto záření u různých
anorganických i organických plynů a par. Infrazáření se osvědčuje i pro přesná kontinuální
měření tuhých emisí a prachu v kouřovodech různých spaloven. U tohoto provedení vysílá
dioda modulovaný paprsek infračerveného záření na protilehlý odrážeč. Paprsek prochází tam
i zpět měřeným prostorem a po dopadu na přijímací diodu se z jeho stavu vyhodnocuje stupeň
znečištění prostoru.
Měření infračerveného záření se používá také v astronomických měřeních.
Kompozice intenzit středního a vzdáleného IR
spektra na základě družice Infrared Astronomical
Satellite (IRAS) (1983) ve vlnových pásmech 12,
60, a 100 μm. Jednotlivé snímky jsou zakódovány
pomocí barevných rozsahů - modře (12µm),
zeleně (60µm) a červeně (100µm). Většina záření
je tepelné, z mezihvězdného prachu ohřívaného
absorpcí světla hvězd, včetně oblastí tvorby hvězd
uložených v mezihvězdných mračnech. Snímek je
vytvořen z mozaiky snímků z projektu IRAS Sky
Survey Atlas. Záření z meziplanetárního prachu
ve sluneční soustavě, "zvířetníkové záření", bylo
modelováno a odečteno od dat z Atlasu.
10