INFRARAUDONŲJŲ SPINDULIŲ PRIGIMTIS
Pirmoji mokslinė šviesos teorija buvo sukurta tik XVII amžiaus antrojoje pusėje, kada I.Niutonas įrodė,jog Baltą saulės šviesą sudaro įvairiaspalvių spindulių mišinys (spektras).1800 metais V.Heršelis aptiko nematomuosius spindulius, tirdamas šio spektro šiluminį poveikį. Jis netikėtai pastebėjo, kad termometras rodo aukščiausią temperatūrą ten, kur pasibaigia raudonoji spalva. Taip paaiškėjo, kad Saulė šilumą ir šviesą skleidžia ne tais pačiais spinduliais. Šiluminiai spinduliai- nematomi. Jie buvo pavadinti infraraudonaisiais, pažymint jų vietą šviesos spektre („ infra ” lot. reiškia „ po”). Šie spinduliai turi visas matomosios šviesos savybes ( analogiškus sklidimo, atspindžio, lūžio, difrakcijos ir interferencijos dėsnius) ir skiriasi tik bangų ilgiu.
Infraraudonieji spinduliai įdomūs pirmiausia tuo, kad juose užšifruotos žinios apie smulkiausias molekulių sandaros ypatybes. Antra, jie yra mus supančio pasaulio šiluminiai spinduliai, skleidžiami kūnų, kurių temperatūra yra nuo 4 iki 3000 K. Infraspindulius skleidžia Saulė, žvaigždės, Žemė ir jos atmosfera, žmogaus sukurti įvairūs varikliai ir inžineriniai įrenginiai, pagaliau, augalai ir gyvūnai. Žmogus, pasitelkęs infraraudonuosius spindulius, analizuoja sudėtingiausių organinių junginių sandarą, sugeba matyti tamsoje, gali pasiekti aukštą darbo našumą pramonėje.
INFRARAUDONŲJŲ SPINDULIŲ ŠALTINIAI
Saulės spektre yra 46,5% infraraudonųjų spindulių. Šie spinduliai sukūrė ir maitina gyvybę Žemėje, išjudina didįjį medžiagų apykaitos ratą gamtoje, sukelia vėjus ir vandens cirkuliaciją, formuoja žemės paviršių.
Šiuo metu pagrindiniai infraspindulių šaltiniai naudoja dujas arba elektros energiją.Kad degimo metu išskiriama energija būtų kuo efektyviau išnaudojama, konstruojami specialūs spinduoliai. Čia dujų ir oro mišinys įkaista, eidamas per keramikinių plytelių skylutes, ir sudega virš jų. 70% spindulių srauto sudaro infraraudonieji spinduliai. Jų maksimalus intensyvumas yra ties 3u bangos ilgiu.
Galingus infraspindulių srautus duoda elektros lempos, kurių volframinės spiralės įkaitinamos ne daugiau kaip iki 2600 K.Tuomet matomajai spektro daliai išnaudojama tik 3% energijos. Šių lempų balionai paprastai daromi iš kvarco, kuris praleidžia spindulius iki 4u. Įkaitęs nuo spiralės kvarcas taip pat tampa infraspindulių šaltiniu. Kad lemputė ilgiau tarnautų, jos ertmė užpildoma inertinių dujų (ksenono ar argono) ir jodo mišiniu.
Liuminescencija- dar vienas būdas infraspinduliams gauti. Tai medžiagų spinduliavimas, kurį sukelia koks nors išorinis energijos šaltinis.Cheminė, mechaninė ar elektros enegija čia tiesiog paverčiama šviesa. Liuminescenciniai šaltiniai yra selektyvūs (spinduliuoja tik tam tikrų dažnių bangas), o jų skleidžiamų spindulių dažniai priklauso nuo medžiagos pribimties.
Moderniausias infraspindulių šaltinis yra lazeris. Jis spinduliuoja labai siaurą, nepaprastai intensyvų ir tik vieno bangos ilgio šviesos pluoštelį. Lazerį sudaro rezonatoriuje (tarp dviejų veidrodžių) patalpinta aktyvi medžiaga (stiklai su retųjų žemių, neodimo ar disprozio, priemaišomis, dujos CO2, CO, He+ Ne,puslaidininkis galio arsenidas), kurios molekules į aukštesnę energinę būseną sužadina pagalbinio šaltinio šviesa. Ši būsena nėra ilgalaikė: greitai prasideda savaiminis spinduliavimas.
KAIP PAMATYTI „NEMATOMUOSIUS”
Remiantis daugelio fizikos ir technikos šakų pasiekimais, konstruojami įvairūs infraraudonuojų spindulių davikliai. Šiuose prietaisuose elektromagnetinė spinduliavimo energija paverčiama kitomis energijos rūšimis, kurias lengva matuoti: šilumine, elektros ar mechanine energija.
Infraspindulių davikliai skirstomi į šiluminius ir fotoelektrinius. Šiluminiuose prietaisuose infraspinduliai pakelia temperatūrą. Šie davikliai reaguoja į visą krintančią spindulinę energiją, nepriklausomai nuo jos bangų ilgio, todėl yra neselektyvūs. Fotoelektrinių daviklių veikimas pagrįstas vidinio fotoefekto reiškiniu. Jie yra jautrūs tik tam tikrai spektro daliai.
Absorbcinis daviklis dirba įdomaus fizikinio reiškinio- puslaidininkinės medžiagos skaidrumo priklausomybės nuo temperatūros- pagrindu. Į uždarą kamerą įdedama plona puslaidininkio, pavyzdžiui, seleno plokštelė ir apšviečiama infraspinduliais. Jos skaidrumą „tikrina” pagalbinio šaltinio spindulių pluoštelis, kurį registruoja fotoelementas. Iš pastarojo signalo didumo sprendžiama apie seleną įšildžiusių infraspindulių energiją.
Pneumatiniame daviklyje infraraudonieji spinduliai nukreipiami į nedidelę, pripildytą dujų kamerą, kurios galinė sienelė daroma iš elastingos membranos. Spindulių įšildytos dujos plečiasi ir išgaubia membraną. Deformacijos didumas registruojamas optiniu ar elektriniu būdu, padengiant membraną veidrodiniu sluoksniu ar ją paverčiant viena iš kondensatoriaus plokštelių.
Fotoelektriniai prietaisai yra kur kas jautresni negu geriausieji šiluminiai davikliai. Ypač efektyviai čia panaudojami fotoreiškiniai puslaidininkinėse medžiagose. Dažniausiai pasirenkami puslaidininkiai, turintys specialių priemaišinių atomų. Infraraudonieji fotonai jonizuoja šiuos atomus, o išlaisvinti
elektronai sudaro srovę, kurią lengva išmatuoti. Kiti priemaišiniai atomai jonizacijos metu sugeba prisijungti elektronus iš gretimų pagrindinių medžiagos atomų. Tuomet puslaidininkis įgyja vadinamąjį skylinį laidumą (p), nes elektrono trūkumas yra tarsi teigiama dalelė, kuri dalyvauja, pernešant srovę. Kai fotonas jonizuoja pagrindinį puslaidininkio atomą, tada sukuriami iš karto du srovės nešėjai- elektronas ir skylė. Šiuo principu veikiantys puslaidininkininiai davikliai vadinami fotorezistoriais. Jų spektrinis jautrumo intervalas priklauso nuo puslaidininkio ir priemaišų prigimties. Dažnai naudojami germanio kristalai su aukso, gyvsidabrio, vario, cinko priemaišomis. Kad šie davikliai būtų jautresni, dirbant jie atšaldomi iki labai žemų temperatūrų skystu azotu (-196˚C) ar net skystu heliu (-269˚C).