Az infra technológia története

Az infra technológia története

200 évvel ezelőtt még nem is sejtették az elektromágneses spektrum infravörös tartományának létezését. Az infravörös spektrum, eredeti jelentősége ma talán kevésbé nyilvánvaló, mint abban az időben, amikor Herschel 1800-ban felfedezte.

A felfedezés véletlenül történt, egy új optikai anyag keresése közben. Sir William Herschel—III. György angol király királyi csillagásza, aki már híres volt az Uránusz bolygó felfedezéséről—egy optikai szűrőt keresett a nap megfigyeléséhez használt távcsövekbe a nap fényességének csökkentéséhez. A különböző, hasonló fényerőcsökkentést biztosító színezettüveg-minták tesztelése közben érdekes módon azt találta, hogy egyes minták a nap hőjének csak kis részét engedték át, míg mások annyi hőt bocsátottak át, hogy már néhány másodpercnyi megfigyelés után a szemsérülést kockáztatta.

Herschel hamar meggyőződött arról, hogy szisztematikus kísérletre van szükség, amelynek célja egyetlen olyan anyag megtalálása, amely biztosítja a kívánt fényerőcsökkentést, emellett maximálisan csökkenti a hőt. A kísérletet valójában Newton prizmás kísérletének megismétlésével kezdte, azonban a spektrum vizuális intenzitáseloszlása helyett a melegítő hatást vizsgálta. Először tintával elfeketítette az érzékeny higany-üveg hőmérőt, majd ezzel a sugárzásérzékelővel vizsgálta a spektrumban található különböző színek melegítő hatását az asztal tetején, a nap sugarát egy üvegprizmán átengedve. A többi, a nap sugarain kívül eső hőmérő ellenőrzésként szolgált.

Ahogy az elfeketített hőmérőt lassan végigmozgatta a spektrum színein, a leolvasott hőmérséklet folyamatos emelkedést mutatott az ibolya színű végponttól a vörös végpont felé haladva. Ez nem volt teljesen váratlan, miután az olasz kutató, Landriani 1777-ben egy hasonló kísérlet során ugyanezt a hatást tapasztalta. Ugyanakkor Herschel volt az, aki először felismerte, hogy kell lennie egy olyan pontnak, ahol a melegítő hatás eléri a maximális értéket. A spektrum látható részére korlátozódó mérésekkel nem sikerült ezt a pontot megtalálni.

A hőmérő vörös színen túli sötét régióba történő mozgatásával Herschel megerősítette, hogy a melegítő hatás tovább nőtt. Amikor megtalálta a maximum pontot, az jóval túl volt a vörös oldali végponton—ahogy ma ismerjük ‘az infravörös hullámhossz tartományában.’

Amikor Herschel közzétette felfedezését, az elektromágneses spektrum ezen új részét ‘termometriai spektrumként’ említette. Magát a sugárzást időnként ‘sötét hőnek’ vagy egyszerűen ‘láthatatlan sugaraknak’ nevezte. Ironikus módon, és a köztudattal ellentétben, nem Herschel volt az, aki az ‘infravörös’ kifejezést bevezette. Ez a szó nyomtatásban körülbelül 75 évvel később jelent meg, és máig tisztázatlan, hogy kihez köthető.

Az, hogy Herschel eredeti kísérletében üveget használt prizmaként, némi korai vitához vezetett a kortársaival az infravörös hullámhossz tényleges létezését illetően. Különböző kutatók, akik az ő munkáját próbálták ellenőrizni, válogatás nélkül különböző típusú üvegeket használtak, amelyek különböző módon voltak átlátszóak az infravörös sugarak számára. Herschel későbbi kísérletei nyomán tisztában volt az üveg újonnan felfedezett termikus sugárzással szembeni korlátozott mértékű átlátszóságával, és arra a következtetésre kellett jutnia, hogy az infravörös sugarakhoz használandó optikákban valószínűleg kizárólag reflexiós elemek (vagyis sík és görbe tükrök) alkalmazhatók. Ez szerencsére csak 1830-ig bizonyult igaznak, amikor az olasz kutató, Melloni nagyszerű felfedezést tett, miszerint a természetben előfordul kősó (NaCl) – amely kellően nagy méretű természetes kristályok formájában fordult elő lencsék és prizmák készítéséhez – feltűnően átlátszó az infravörös sugarak számára. Ennek eredményeként a kősó vált az infravörös sugarak fő optikai anyagává, és az elkövetkező száz évben ez így is maradt, amíg az 1930-as években ki nem fejlődött a szintetikus kristálynövesztés.

A hőmérők mint sugárzásérzékelők 1829-ig egyedülállóak voltak, ekkor azonban Nobili feltalálta a hőelemet. Herschel saját hőmérője 0,2°C pontosságú volt, a későbbi típusok pedig 0,05°C pontosságúak. Ekkor áttörés következett be, Melloni több hőelemet sorba kapcsolt, létrehozva ezzel az első hőelemoszlopot. Az új eszköz legalább 40-szer érzékenyebb volt az akkori legjobb hőmérőnél, és képes volt egy 3 méterre álló ember hőjét érzékelni.

Az első úgynevezett ‘hőkép’ először 1840-ben vált lehetővé, Sir John Herschel, az infravörös sugarak felfedezőjének fia és maga is híres csillagász munkája nyomán. Ez egy vékony olajréteg rá fókuszált hő hatására történő differenciált párolgásán alapult. A hőkép a visszavert fény által vált láthatóvá, az olaj interferencia hatása által láthatóvá téve a képet a szem számára. Sir John képes volt a hőkép papíron történő kezdetleges rögzítésére is, amelyet ‘termográfnak’ nevezett.

Az infravörös érzékelők érzékenysége lassan fejlődött. Egy másik nagyobb áttörés Langley-nek és 1880-ban a bolométer feltalálásának volt köszönhető. Ez vékony feketített platinacsíkokból állt, amely egy Wheatstone-híd egyik ágához csatlakozott, erre a hídáramkörre volt az infravörös sugárzás fókuszálva, és erre reagált az érzékeny galvanométer. A műszer állítólag 400 méterről képes volt egy tehén hőjét érzékelni.

Egy angol tudós, Sir James Dewar, először vezette be folyékony gázok hűtőközegként való használatát (például −196°C-os folyékony nitrogén) az alacsony hőmérsékletű kutatásban. 1892-ben feltalált egy egyedülálló vákuumszigetelésű tárolót, amelyben napokig lehetett folyékony gázokat tárolni. A közönséges ‘termoszüveg’, amelyet hideg italok tárolására használunk, az ő találmányán alapszik.

1900 és 1920 között a világ feltalálói ‘felfedezték’ az infravörös sugárzást. Számos szabadalom született személyek, tüzérség, repülőgép, hajók, de még jéghegy érzékelésére is. Az első, modern értelemben véve működő rendszerek az 1914–18 közötti háborúban kezdtek fejlődni, amikor mindkét oldal kutatásait az infravörös sugarak katonai kiaknázásának szentelték. Ezekben a programokban szerepeltek kísérleti rendszerek az ellenség behatolásának érzékelésére, a távoli hőérzékelésre, a biztonságos kommunikációra és ‘repülő torpedó’ irányítására. Az ebben az időszakban tesztelt infravörös keresőrendszer 1,5 km-ről képes volt érzékelni egy közeledő repülőgépet, egy embert pedig 300 méterről.

Az addigi legérzékenyebb rendszerek mind a bolométer ötletének változatain alapultak, de a két háború közötti időszak során két forradalmian új infravörös érzékelőt fejlesztettek ki: a képátalakítót és a fotondetektort. A képátalakító először a katonai alkalmazással összefüggésben kapta a legnagyobb figyelmet, mivel a történelem során először lehetővé tette a megfigyelő számára, hogy szó szerint ‘lásson a sötétben’. A képátalakító érzékenysége ugyanakkor a közeli infravörös sugarakra korlátozódott, és a legérdekesebb katonai célpontokat infravörös keresősugarakkal kellett megvilágítani. Mivel ez magában foglalta a megfigyelő által elfoglalt helyzet elárulásának kockázatát a hasonlóan felszerelt ellenséges megfigyelő számára, a katonai érdeklődés érthető módon alábbhagyott.

Az úgynevezett ‘aktív’ (vagyis keresősugaras) termikus képalkotó rendszerek katonai hátrányai lökést adtak a 1939–45 közötti háború utáni kiterjedt titkos katonai infravöröskutatási programok számára, lehetővé téve a ‘passzív’ (keresősugár nélküli), különösen érzékeny fotondetektor köré épült rendszerek fejlesztését. Ez idő alatt a katonai titokvédelmi rendelkezések teljesen megakadályozták az infravörös képalkotási technológia állapotának közzétételét. A titkosságot csak az 1950-es évek közepén oldották fel és azóta a megfelelő termikus képalkotó eszközök a tudomány és az ipar számára is elérhetővé váltak.

Termográfia, Termovízió, Infrakép, Hőkép, Termokép, Infrakamera, Hőkamera, Termokamera