Tia hồng ngoại và ứng dụng

Tia hồng ngoại ứng dụng GVHD: Th.S Đỗ Quốc Huy I GIỚI THIỆU Giới thiệu chung xạ điện từ Trong lịch sử khoa học: nhà triết học Hy lạp cổ đại xem ánh sáng tia truyền thẳng Vào kỷ thứ 17, nhiều nhà khoa học Châu Âu tin vào giả thuyết: ánh sáng dòng hạt nhỏ , số nhà khoa học khác lại tin rằng: ánh sáng sóng, truyền môi trường chứa đầy ete Sau lý thuyết sóng lý thuyết hạt đời, lý thuyết điện từ James Clerk Maxwell năm 1865, khẳng định lại lần tính chất sóng ánh sáng Đặc biệt, lý thuyết kết nối tượng quang học với tượng điện từ học, cho thấy ánh sáng trường hợp riêng sóng điện từ Các thí nghiệm sau sóng điện từ, Heinrich Rudolf Hertz năm 1887, khẳng định tính xác lý thuyết Maxwell Trang Tia hồng ngoại ứng dụng GVHD: Th.S Đỗ Quốc Huy Như ánh sáng mô tả theo tính chất tính chất sóng điện từ theo tính chất hạt Trong quang phổ học: ánh sáng nhìn thấy, tia hồng ngoại, tia tử ngoại, tia X, sóng radio… thuật ngữ chung xạ điện từ, chúng khác độ dài sóng (bước sóng) Khi mô tả tính chất sóng người ta dùng thuật ngữ bước sóng, băng tần Bức xạ điện từ mô tả theo tính chất sóng hình dung tổ hợp trường dao động điện E từ trường M vuông góc với chuyển động với vận tốc không đổi môi trường định Trang Tia hồng ngoại ứng dụng GVHD: Th.S Đỗ Quốc Huy Bước sóng λ khoảng cách đỉnh sóng kề Đơn vị hay sử dụng nanomet hay đơn vị Angstron Trang Tia hồng ngoại ứng dụng GVHD: Th.S Đỗ Quốc Huy Lịch sử tia hồng ngoại Nhà Thiên văn học, Sir William Herschel khám phá tia hồng ngoại vào năm 1800 Ông tự chế tạo cho kính thiên văn với ống kính gương Ông biết ánh nắng mặt trời vẽ nên nhiều màu sắc phổ nguồn phát nhiệt Herschel muốn biết cụ thể màu phát sinh nhiệt chùm ánh sáng mặt trời Ông ta làm thí nghiệm với lăng kính, bìa giấy nhiệt kế với bóng sơn đen để đo lường nhiệt độ từ màu sắc khác Herschel quan sát gia tăng nhiệt độ ông di chuyển nhiệt kế từ ánh sáng màu tím đến ánh sáng màu đỏ cầu vồng tạo ánh sáng mặt trời qua lăng kính, ông phát rằng, điểm nóng thật nằm phía ánh sáng đỏ Bức xạ phát nhiệt nhìn thấy được, ông đặt tên cho xạ không nhìn thấy “tia nhiệt” (calorific ray) mà ngày gọi tia hồng ngoại Trang Tia hồng ngoại ứng dụng GVHD: Th.S Đỗ Quốc Huy Khái niệm tia hồng ngoại Ánh sáng hồng ngoại (tia hồng ngoại) ánh sáng nhìn thấy mắt thường, có bước sóng khoảng từ 0.86µm đến 0.98µm Tia hồng ngoại có vận tốc truyền vận tốc ánh sáng Bản chất tính chất tia hồng ngoại -Tia hồng ngoại có chất sóng điện từ - Tia hồng ngoại truyền nhiều kênh tín hiệu Nó ứng dụng rộng rãi công nghiệp Lượng thông tin đạt mega bit /s Lượng thông tin truyền với ánh sáng hồng ngoại lớn gấp nhiều lần so với sóng điện từ mà người ta dùng - Tia hồng ngoại dễ bị hấp thụ, khả xuyên thấu Trong điều khiển từ xa tia hồng ngoại, chùm tia hồng ngoại phát hẹp, có hướng, thu phải hướng - Sóng hồng ngoại có đặc tính quan trọng giống ánh sáng (sự hội tụ qua thấu kính, tiêu cự …) Ánh sáng thường ánh sáng hồng ngoại khác rõ xuyên suốt qua vật chất Có vật chất ta thấy màu xám đục với ánh sáng hồng ngoại trở nên xuyên suốt Vì vật liệu bán dẫn “trong suốt” ánh sáng hồng ngoại, tia hồng ngoại không bị yếu vượt qua lớp bán dẫn để Năng lượng hồng ngoại (IR) phần phổ điện từ với đặc tính tương tự ánh sáng nhìn thấy thông thường, chúng có khắp không gian di chuyển với tốc độ ánh sáng, chúng phản xạ, khúc xạ, hấp thu phát xạ Trang Tia hồng ngoại ứng dụng GVHD: Th.S Đỗ Quốc Huy Bước sóng lượng IR nằm dãi độ lớn bước sóng ánh sáng thông thường, 0.7 1000 µm (phần triệu mét) Các dạng chung khác xạ điện từ bao gồm sóng radio, tia cực tím tia X Nguồn phát tia hồng ngoại Tất vật thể phát xạ hồng ngoại đặc tính nhiệt độ chúng Năng lượng hồng ngoại tạo rung động chuyển động quay nguyên tử phân tử, nhiệt độ cao, nguyên tử phân tử chuyển động nhiều, tạo nhiều xạ hồng ngoại Năng lượng camera chụp ảnh hồng ngoại phát hiện, camera hồng ngoại không phát nhiệt độ, chúng phát xạ nhiệt Nhiệt độ không (zero) tuyệt đối (-273.16 oC, -459.67 oF), vật liệu trạng thái lượng thấp phát xạ hồng ngoại thấp Trang Tia hồng ngoại ứng dụng GVHD: Th.S Đỗ Quốc Huy Máy ghi hồng ngoại Từ trái sang phải: ảnh thường, ảnh hồng ngoại đen trắng ảnh hồng ngoại màu Máy ghi hồng ngoại camera chụp đo tia hồng ngoại để “thấy” “đo” lượng xạ nhiệt từ vật thể Chụp ảnh hồng ngoại kỹ thuật tạo ảnh mắt người thấy từ việc phát xạ ánh sáng hồng ngoại vật thể trạng thái nhiệt chúng Hầu hết loại camera hồng ngoại chuẩn giống máy quay phim thông thường, chúng tạo ảnh trực tiếp hình xạ nhiệt Một vài loại camera hồng ngoại tinh vi đo nhiệt độ vật thể hay bề mặt hình ảnh tạo ảnh màu sai để giải thích rõ trạng thái nhiệt cách dễ dàng, ảnh tạo từ camera hồng ngoại gọi ảnh hồng ngoại Nhiệt, hay lượng hồng ngoại loại ánh sáng không nhìn thấy bước sóng dài mà mắt người bắt được, phần phổ điện từ mà biết nhiệt Không giống ánh sáng thường thấy được, giới hồng ngoại, vật có nhiệt độ nhiệt độ không tuyệt đối phát xạ nhiệt chí vật lạnh băng đá phát nhiệt Nhiệt độ cao xạ nhiệt hồng ngoại lớn Hồng ngoại cho ta thấy mà mắt thường không nhìn thấy Chúng ta nhìn giới thường ngày qua nhìn hồng ngoại! Trang Tia hồng ngoại ứng dụng GVHD: Th.S Đỗ Quốc Huy Hãy ý khác biệt màu sắc! Dựa vào tính chất hồng ngoại mà người ta tạo nhiều ứng dụng đời sống II MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA TIA HỒNG NGOẠI 1.Chụp ảnh nhiệt Công nghệ mắt nhìn ban đêm (Night Vision Goggles) khuếch đại lượng nhỏ ánh sáng thông thường (đôi ánh sáng gần với ánh sáng hồng ngoại phổ điện từ) lên đến hàng ngàn lần nhìn vật thể ban đêm Tuy nhiên, để công nghệ hoạt động đòi hỏi phải có ánh sáng thông thường ánh trăng hay ánh sao, không, nhìn thấy vật thể Mắt nhìn ban đêm Ảnh chụp hồng ngoại Ảnh chụp hồng ngoại Trang Tia hồng ngoại ứng dụng GVHD: Th.S Đỗ Quốc Huy Chụp ảnh nhiệt làm việc cách phát lượng nhiệt xạ tự thân vật thể tuyệt đối không cần đòi hỏi phải có ánh sáng thông thường Một điểm vượt trội khác công nghệ chụp ảnh nhiệt so với công nghệ mắt nhìn ban đêm mắt nhìn ban đêm dễ dàng bị “mù” có ánh sáng chiếu trực diện vào, chụp ảnh nhiệt không bị ảnh hưởng loại ánh sáng Chụp ảnh hồng ngoại công cụ giá trị đa mà liệt kê tất ứng dụng nó, công nghệ hồng ngoại với nhiều cách tiên tiến phát triển ngày Chụp ảnh hồng ngoại sử dụng tình nơi nảy sinh vấn đề với thể khác nhiệt độ Với nhiều trường hợp, camera hồng ngoại dễ sử dụng, điều kiện nhiệt phát trình liên quan đến việc phát sinh nhiệt Ví dụ việc kiểm tra điều kiện thiết bị phân phối điện Khi dòng điện chạy qua vật liệu có điện trở, có nhiệt phát sinh Nếu hệ số phát xạ nhiệt đủ, ta thấy nhiệt độ camera hồng ngoại Các kiểu nối lắp ghép hay bulong trở thành chổ có trở kháng cao trường hợp bulong lỏng, ăn mòn nhiều; gia tăng trở kháng đồng nghĩa với việc gia tăng nhiệt độ vị trí tiếp xúc lúc camera hồng ngoại tìm thấy dễ dàng Hình ảnh minh họa mối ghép bulong bị lỏng việc truyền dẫn điện Trang Tia hồng ngoại ứng dụng GVHD: Th.S Đỗ Quốc Huy Thông thường, vấn đề không đơn giản ví dụ chất việc truyền dẫn nhiệt Người sử dụng nên đào tạo để đọc hình ảnh nhiệt ứng dụng đòi hỏi có tính phân tích Một ví dụ đơn giản khác sử dụng camera hồng ngoại, việc kiểm tra lớp bê tông nhựa đường, thông thường, mặt đường sau thời gian sử dụng bắt đầu xuống cấp, bắt đầu tách lớp xuất ổ gà nhỏ, sau phát triển lên ổ gà lớn hơn, điều gây nguy hiểm cho người đường lưu thông đường Để phát khắc phục sớm tượng trước xuất ổ gà, ta dùng camera hồng ngoại kiểm tra mặt đường tác dụng ánh nắng mặt trời, phát nhiệt độ thể khác bề mặt đường dễ dàng tìm thấy ổ gà tiềm tàng trước chúng xuất Ví dụ khác sử dụng ngành hàng không Gần đây, hầu hết cánh phụ máy bay sử dụng vật liệu tổng hợp với độ cứng cao trọng lượng nhẹ Trang 10 Tia hồng ngoại ứng dụng GVHD: Th.S Đỗ Quốc Huy Vật liệu tổng hợp mang tính sống đặc tính khả bay máy bay Tuy nhiên, kết cấu kiểu tổ ong loại vật liệu lại mang đến nguy hiểm tiềm ẩn, dễ bị thấm nước Thực tế cho thấy rằng, để kiểm soát hoàn toàn bề mặt cánh máy bay tránh khỏi bị thấm nước Vấn đề trở nên trầm trọng tác động ánh nắng mưa đá gây nên va chạm mà mắt thường nhận thấy Nước thấm vào cấu trúc tổ ong đọng lại đó, máy bay lên độ cao định, nước đông lại giãn nở ra, phá hỏng cấu trúc tổ ông cánh máy bay Vấn đề tiếp tục phát triển bịnh ung thư theo thời gian, hủy hoại mối liên kết cấu trúc dẫn tới phá hỏng phận cánh máy bay Mãi gần đây, vấn đề kiểm tra phương pháp có hiệu quả, chụp X-quang (radiography), phương pháp có độ xác cao lại có nhiều điểm bất tiện như: tiêu tốn thời gian lâu, thiết bị đắt, đòi hỏi nhiều người ảnh hưởng xấu đến nhân viên kỹ thuật thao tác Chụp ảnh nhiệt công cụ cần thiết cho việc kiểm tra cánh máy bay trường hợp Sau máy bay hạ cánh, phần nước chứa cánh máy bay trạng thái đóng băng 0oC bắt đầu tan ra, phần bề mặt cánh máy bay bắt đầu nóng lên đến nhiệt độ môi trường Điều cung cấp trạng thái khác nhiệt độ lớn, sử dụng camer hồng ngoại phát Trang 11 Tia hồng ngoại ứng dụng GVHD: Th.S Đỗ Quốc Huy trạng thái cánh máy bay Camera hồng ngoại bắt độ phát xạ mục tiêu tầm nhìn nó, độ phát xạ định nghĩa lượng hồng ngoại phát từ mục tiêu bị điều biến ảnh hưởng bầu khí quyển, bao gồm phát xạ, phản xạ độ lan truyền lượng hồng ngoại Một mục tiêu mờ (opaque target) có hệ số lan truyền zero Màu hình ảnh hồng ngoại khác biến đổi độ phát xạ Độ phát xạ mục tiêu mờ khác tùy thuộc vào nhiệt độ, hệ số phát xạ lượng phản xạ mục tiêu Máy chụp ảnh hồng ngoại thấy mục tiêu thể đặc tính tương phản hệ số phát xạ hàng ngày, chụp nhiều mục tiêu khác nhau, dây cáp điện bọc cách điện với đầu nối trần, kim loại mỏng bề mặt sơn… Danh sách vật thể chụp camera hồng ngoại dài, Tất vấn đề xây dựng sở lý thuyết vật thể mờ (opaque ojects), vật thể mờ, hệ số phát xạ hệ số phản xạ có liên quan với Hệ số phát xạ cao độ phản xạ thấp ngược lại Công thức lượng chuyển đổi thể sau: ε + ρ + τ = (a) Trong đó: ε: hệ số phát xạ ρ: hệ số phản xạ τ: hệ số lan truyền Với mục tiêu mờ τ = 0, vậy, công thức lại: ε + ρ = (b) Trang 12 Tia hồng ngoại ứng dụng GVHD: Th.S Đỗ Quốc Huy Ở công thức (b), cho ta thấy rõ ràng hệ số phát xạ cao hệ số phản xạ thấp ngược lại Hệ số phát xạ cao thích hợp cho camera hồng ngoại Thông số đo xác có hệ số phát xạ cao từ mục tiêu Các camera hồng ngoại đại ngày phát mục tiêu với hệ số phát xạ nhỏ Hệ số phát xạ thấp độ xác phép đo thấp, nghiên cứu rằng, với hệ số phát xạ ε