Сегодня - 12.08.2020

Горячо - холодно

15 марта 2012

Люди всегда соревновались физическими способностями. Когда возможности нашего организма закончились, мы принялись расширять их с помощью механизмов: изобрели машины, чтобы быстро перемещаться по земле, самолеты – чтобы воплотить в жизнь мечту о небе, научились заглядывать во вселенную с помощью телескопа и изучаем микромир через окуляр микроскопа. Тепловизоры  помогают человеку видеть в диапазоне, в котором зрение, данное от природы, не позволяет – в тепловом.


Если мы обратимся к Википедии, то увидим такое определение: «Тепловизор — устройство для наблюдения за распределением температуры исследуемой поверхности». Распределение температур мы видим наглядно – картинками в черно-белом или цветном спектре. Помимо весьма очевидного применения в оборонной промышленности, таким нехитрым способом можно, например, контролировать количество тепла, которое пропускает только что построенное здание через швы и стены. Естественно, наблюдения можно применять на предприятиях, когда нужно следить за температурой объектов, и в исследовательских лабораториях.
 
Такая техника бывает двух видов. Первый – охлаждаемые тепловизоры. Охлаждаемыми они называются, потому что для работы чувствительный элемент нужно сначала довести до определенной минусовой температуры. Он помещен в криостат – запаянную металлическую колбу, у которой с одно стороны располагается термопрозрачное окошко из германия, через которое он и «видит». Температура должна быть  –200 °С. Достичь ее можно, например, с помощью жидкого азота. В первых тепловизорах так и делали: по мере надобности в криостат пенопластовой кружкой заливали азот.

– Сейчас на смену жидкому азоту пришла электромеханика. Однако в лабораториях еще можно встретить старый способ. Например, если ученым нужно проверить работу тепловизора или наблюдать какое-то явление, а охлаждающих элементов нет в наличии, – рассказывает сотрудник КТИ ПМ Гарри Журов.

Охлаждаемые тепловизоры работают на основе фотоэффекта: в материал, который обладает способностью к этому явлению, попадает фотон. Если энергии фотона хватает, чтобы преодолеть красную границу фотоэффекта, то в этом материале образуется свободный электрон, он называется фотоэлектрон. Из множества фотоэлектронов образуется фототок, который преобразовывается с помощью мультиплексора (электроники фотоприемного устройства) в изображение. Аналогичным образом работают матрицы в цифровых фотоаппаратах и видеокамерах.
К преимуществам охлаждаемых тепловизоров относятся скорость съемки и высокая чувствительность. Недостатками таких приборов являются сравнительно небольшое разрешение матрицы, всего 320 на 240 элементов, но при этом большая масса прибора и внушительная цена.
   
Второй вид – тепловизоры, работающие на неохлаждаемых приемниках – микроболометрах. Их принцип работы следующий. Тепловой поток влияет на изменение собственной температуры рабочего элемента. Каждый элемент – терморезистор, то есть его сопротивление меняется в зависимости от температуры, следовательно, можно измерить сопротивление и пересчитать в изменение температуры. Если сделать матрицу из терморезисторов, то с ее помощью можно получить тепловое изображение. За рубежом уже разработаны приборы с числом элементов более 1000 на 1000. Для России предел пока остается 640 на 480. Самое трудное – сделать так, чтобы слабый тепловой поток влиял на изменение собственной температуры элементов.  Для этого приходится создавать их маленькими и тоненькими и малоинерционными. Другая трудность – элементы необходимо изолировать от корпуса матрицы, чтобы они не отдавали ему свое тепло.

В Сибири, в Конструкторско-технологическом институте прикладной микроэлектроники СО РАН (филиале Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова), разрабатывают тепловизоры на базе фотоприемников обоих типов. Каждый вид имеет свое применение. Микроболометрические тепловизоры хороши тем, что их масса невелика, они потребляют меньше электроэнергии, при этом матрицы содержат больше элементов по сравнению с охлаждаемыи тепловизорами. Но микроболометры не позволяют вести наблюдения с высокой скоростью (более 25–30 кадров в секунду), поэтому если необходимо наблюдать какой-нибудь быстрый процесс, например, занимающий 1 миллисекунду, то здесь понадобится прибор на базе охлаждаемой матрицы, способной выдавать до 400 кадров в секунду.

Подготовила Юлия Позднякова

Фото предоставлено сотрудниками Института физики полупроводников СО РАН им. А. В. Ржанова.
Видео предоставлено сотрудниками Конструкторско-технологического института прикладной микроэлектроники.

 

Ваша оценка: Нет Средняя: 5 (1 vote)
Поделись с друзьями: 

Система Orphus