Інфрачервоні фільтри: їх застосування в науці і техніці

Не затихаючи ні на мить, навколо нас і всередині нас клекоче незримий і нечутний хаос електромагнітних хвиль. Кожен вид хвиль має свою довжину – від десятків кілометрів до незначних часток мікрона. Цей довгий проміжок, або, іншими словами, діапазон хвиль, далеко не однорідний. Він як би витканий з окремих шматочків. Одні хвилі несуть телевізійні зображення, інші – ультрафіолетові промені, одні хвилі лікують і зцілюють, інші — разять і гублять…

Фізики давно розібралися в цьому уявному безладді. І на папері все встало на свої місця. Згодився кожен шматочок діапазону, кожному знайшлася важлива справа. Спочатку весь діапазон розрубали на око. Видиме світло і просто темрява. Незабаром з’ясувалося, що темрява не мертва, як здавалося спочатку. На діапазоні електромагнітних хвиль «правіше» світла триває невидима веселка інфрачервоного випромінювання. Ці промені виникають скрізь, де температура хоча б трохи вище абсолютного нуля. Вони чудово вловлюються датчиками. Чуйні прилади виявляють і точно вимірюють найрізноманітніші джерела: випромінювання лазера і теплове дихання далеких галактик.

Далі – більше. Виявилося, що сама інфрачервона область не однорідна за своїми якостями, а теж зіткана зі шматочків, тільки ще більш дрібних. «Міні-шматочки» мають певні властивості, кожен з яких окремо або вкупі з іншими має унікальні особливості. За допомогою інфрачервоних променів вчені навчилися глибше досліджувати будову тіл, молекул, атмосферу далеких планет, бачити крізь туман і нічну імлу, управляти ракетами і супутниками, розкривати таємниці старовинних документів і сліди злочинів. А сушка в інфрачервоних променях знайшла найістотніше застосування.

Хоча інфрачервоні промені старанно працюють в різних областях науки і техніки, майбутнє їх бачиться вченим ще більш привабливим. І тут проста закономірність: чим вужче ділянки інфрачервоного спектра, які вдається вирізати з спектра, тим значніше обсяг загальної інформації, адже таких «шматочків» більше, більш широке поле діяльності відкривається перед цими променями. Але де взяти те сито, яке просівало б тільки потрібні промені, відкидаючи всі інші?

До того часу, коли фізики зайнялися цією проблемою, таке сито вже існувало в образі монохроматорів. Витончене слово «прилад» якось не в’яжеться із зовнішнім виглядом величезної установки величиною і вагою під стать автомобілю, не кажучи вже про дорожнечу. Таку махину не покладеш в кишеню. А практиці потрібні міцні, прості, надійні і, головне, компактні фільтри, здатні працювати в найсуворіших умовах — в теплі, холоді, при вібрації, в космосі і на дні океанів. Фільтрів потрібно багато, і тому, щоб задовольнити попит, вони повинні бути дешевими.

Проблема інфрачервоних фільтрів йде корінням в основоположні закони фізики. Чому ми бачимо предмети навколо себе? Завдяки властивостям відображення і заломлення світла. На кордоні двох різнорідних тіл, наприклад повітря і дерева, світло заломлюється і потрапляє на сітківку ока. Тому ми бачимо предмет. А ось простий дослід, який продемонстрували мені.

У порожню скляну колбу опущений на ниточці кристалик. У колбу заливається прозора рідина, кристалик занурюється в неї і… зникає, ніби розчиняючись. Крізь прозорі стінки колби видно нитку, занурену в рідину, але на кінці немає нічого. Я тягну нитку вгору, і над поверхнею рідини знову з’являється кристалик.

На питання, чому кристалик зникає в рідині, відповідь і проста, і складна. Справа в тому, що оптичні властивості кристалика і рідини в даному досліді однорідні. Якщо як слід пошукати, то можна підібрати пари таких речовин, які, володіючи різними фізичними властивостями, однаково відображають і заломлюють електромагнітні хвилі певної довжини.

Ефект, про який я розповів, отримав вперше датчанин Хрістіансен в кінці XIX століття. Через рік англійський фізик Релей опублікував роботу, де сформулював ідею оптичної однорідності. Якщо пропускати електромагнітні хвилі через кілька різних речовин, то вони, багаторазово заломившись, розсіються. Ну а якщо підібрати речовини з однаковими оптичними властивостями лише для однієї довжини хвиль? Електромагнітні хвилі певного вузького діапазону безперешкодно пройдуть крізь це нагромадження речовин, тоді як інші хвилі розсіються і поглинуться.

У фізиці від ідеї до її практичного застосування принаймні дві вершини, які необхідно подолати. Перша – стабільний фізичний ефект. Друга – технологія виготовлення. Фізикам не раз представлявся випадок переконатися в складності подолання цих вершин.

Слід було подбати спочатку про найпростіше, про найголовніше – про непрозорість фільтрів для всіх електромагнітних хвиль, крім того вузького діапазону, який потрібно виділити. Для цієї мети найкращим чином підходили подрібнені в порошок речовини. Будучи роздробленою на гострі осколки, речовина перетворюється в міріади зібраних воєдино призм. Електромагнітні хвилі, хаотично заломлюючись в цій каші, поглинаються і розсіюються. Значить, інфрачервоний фільтр буде представляти собою суміш двох порошків. Але яких?
Випробували безліч порошків, від складних хімічних сполук до простої солі. Вивчали кристалічні речовини на полімерній основі. Причому пробували не все, що потрапить під руку, — так і тисячі років не вистачить, — а тільки ті речовини, які мали «підозрілі» оптичні властивості. Оптичні властивості багатьох речовин, особливо спеціально для того синтезованих, вивчали заново. Більше того, змішувати порошки доводилося в строго визначеному порядку і пропорціях.

З тих пір, коли почалися ці дослідження, минуло двадцять років. Роки теоретичних пошуків і фундаментальних експериментів завершилися переконливими технологічними рішеннями.

Систему “кристал-кристал” звільняють від непотрібного тут повітря шляхом пресування під тиском в десять тисяч атмосфер. У підсумку – монолітні пластинки, за зовнішнім виглядом і розмірами схожі на скла сонцезахисних окулярів. Їм не страшні ні коливання температури, ні вібрації, властиві багатьом системам сучасної оптики. Вони дешеві, бо при їх виготовленні використовуються відходи оптичного виробництва у вигляді тирси і стружки дорогих матеріалів.

Вже сьогодні нові фільтри в багатьох випадках замінюють старших побратимів – прилади-монохроматори. Нові фільтри успішно впроваджуються в практику. Вони знайшли своє місце в приладах для молекулярного аналізу, для дослідження плазми, в металургії та металообробці.

Вчені-фахівці в галузі фізики атмосфери за допомогою цих фільтрів досліджують забрудненість повітря, визначають, які промислові викиди і в яких дозах шкідливі, а які — ні. Та й самі конструктори фільтрів не залишилися осторонь від застосування фільтрів в різних приладах. Наприклад, на замовлення автомобілістів розробили газоаналізатор для окису вуглецю у вихлопних газах карбюраторних двигунів. Новинка проходить промислову перевірку.

Нові фільтри знайшли застосування в лазерній техніці. Навіть такі науки, як геологія і геофізика, не обійдені. По тепловому випромінюванню поверхні Землі вчені сподіваються отримати цінні відомості про поклади корисних копалин.

А чого варта тільки одна проблема пірометрії – вимірювання температури на відстані! Скажімо, йде плавка металу в домні. Щохвилини потрібні відомості про температурний режим плавки. Але термометр в піч не засунеш. Тому часто весь процес нагріву металу визначає інтуїція і досвід металургів. А прилад, обладнаний новим фільтром, розташований на заданій відстані від печі, здатний дати безперервну і абсолютно точну, до десятих часток градуса, інформацію.

Безперервний дистанційний автоматичний контроль – ось, мабуть, найграндіозніша перспектива застосування нового класу фільтрів. Наприклад, контроль готової продукції на паперовій фабриці. Папір повинен мати строго певну вологість. Пересохне – розсиплеться, намокне понад норму — злипнеться в рулоні. А точно виміряти вологість на відстані можна тільки за допомогою інфрачервоних фільтрів. Або інший приклад. Різець токарного верстата точить деталь, а на місце контакту різця з заготівлею ллється цівка охолоджуючої емульсійної рідини. Скільки треба лити цієї рідини? Справа не тільки в тому, що рідина ця коштує грошей. Від надходження рідини залежить температурний режим обробки, а значить, якість деталі.

Усюди, де виробничі процеси йдуть з виділенням або поглинанням тепла, знадобляться нові фільтри. А таких процесів – неосяжна безліч.

Автор: А. Кічатов.