: 31 дек 2012 , Сколько сценариев у Вселенной? , том 47, №5

Тепловизор: лучше один раз увидеть

Удивительно, но первые датчики, реагирующие на инфракрасное излучение, появились еще в 1830 г. В них использовались термопары, которые преобразовывали тепло в электрическое напряжение. Спустя полстолетия были открыты терморезистивные материалы, сопротивление которых зависит от температуры, и с их использованием были разработаны датчики излучений – болометры.

  В 1920 г. появились фотонные датчики излучений (фотосопротивления и фотодиоды) на основе полупроводниковых материалов, в которых падающие кванты излучения непосредственно преобразуются в электрический сигнал. Такие датчики имели уже более высокую чувствительность и быстродействие. А в 1944 г. были созданы фотоприемники на основе сульфида свинца, которые были чувствительны в спектральном диапазоне 1,5—3 мкм.

До середины прошлого века спектральную область чувствительности датчиков удалось расширить до средней инфракрасной области (3—5 мкм), используя датчики на основе антимонида индия, а затем, в 1960-х гг., – и до дальней инфракрасной области (8—14 мкм), при этом использовались датчики на основе сплава кадмий-ртуть-теллур.

Именно с применением таких полупроводниковых фотонных приемников были разработаны современные тепловизионные камеры, которые широко применяются для визуализации в инфракрасной области спектра самых разных объектов.

Первоначально инфракрасное изображение получали с помощью одиночного датчика, сканируя исследуемый объект при помощи вращающихся призм по вертикали и горизонтали. В более поздних разработках стали использоваться многоэлементные датчики излучений – линейки и матрицы.

Наглядно и точно

Появление тепловизоров открыло перед учеными новые возможности в исследовании тепловых процессов. Этот прибор позволяет визуализировать распределения температуры, давая наглядную и, что важно, точную информацию о степени нагрева различных участков изучаемого объекта. А увидев собственными глазами целостную картину происходящих изменений, можно лучше и быстрее понять физический смысл происходящего.

В качестве иллюстрации рассмотрим динамику падения капли нагретой (до 38 °С) воды на поверхность воды комнатной температуры. Трудно представить, какой другой метод исследований, помимо инфракрасного, смог бы дать более подробную картину этого достаточно сложного и быстрого процесса, занимающего не более 0,2 с.

Итак, сначала от кончика пипетки отрывается сферическая теплая капля воды, окруженная тонкой, более холодной водяной оболочкой. По мере падения поверхность капли остывает. Примерно через 0,1 с капля встречается с холодной водой: ее холодная оболочка разрушается, однако внутри капля остается нагретой. В дальнейшем над частью упавшей капли образуется водяной султан, от которого отделяется мелкая капелька, которая движется вверх и также остывает. В какой-то момент эта «дочерняя» капля зависает и ее поверхность нагревается благодаря теплопроводности воды, поскольку внутри капелька остается теплой. Падая, она остывает, но даже при встрече с поверхностью воды тепловизор «видит» ее нагретую сердцевину. Исследование поведения нагретой капли – хорошая модельная задача, очень полезная при изучении теплофизики и гидродинамики струйных течений и формирования эмульсий.

Еще один интересный эффект можно наблюдать при впитывании капли воды комнатной температуры в сухую ткань. При этом в начальный момент видна только ровная, однородно нагретая поверхность ткани. Затем вокруг капли появляется температурный ореол (красное кольцо), температура которого на 6 °С выше температуры середины капли. Ореол смещается по ткани вместе с фронтом впитывающейся воды и существует лишь непродолжительное время.

Наблюдаемый нагрев связан с выделением теплоты адсорбции в капиллярах ткани. Эффект будет тем сильнее, чем выше будет впитывающая способность ткани: например, на синтетических тканях он выражен слабо, либо вовсе отсутствует. Это явление имеет прикладное значение при исследовании разных поглотителей типа цеолитов или разработке спортивных тканей и лечебного белья.

Очень наглядным примером применения тепловизоров является визуализация так называемых ячеек Бенара – диссипативных самоорганизующихся структур, формирующихся в неоднородно нагретых жидкостях при зарождении турбулентных течений. Прибор дает практически моментальную картину распределения температур, помогает увидеть форму и оценить масштаб возникающих конвективных ячеек.

Тепловизор можно эффективно использовать при поиске неисправностей печатных плат по наличию перегрева в электронных компонентах. А добавив к нему специальный инфракрасный микроскопический объектив, можно изготовить инфракрасный сканирующий микроскоп с высоким пространственным разрешением. Такой прибор можно использовать, например, при исследовании неравномерности излучения в ИК-свето­диодах.

«Тепловой портрет» болезни

Тепловизор можно с успехом применять для исследования большинства тепловых процессов, в которых температура поверхности­ неравно­мерна и быстро меняется. А к таким объектам, безусловно, относимся и мы с вами. Термографическая группа исследователей под руковод­ством В. Я. Беленького, В. В. Ивлюшкина (ООО «Хелс-Сервис»), д. м. н. В. В. Ступака и д. м. н. С. В. Пушкарева (ныне ушедшего из жизни) разрабатывает новые тепло­визионные методики диагностики начальных стадий ряда заболеваний.

Что в первую очередь делают при внезапном недомогании? Конечно же, измеряют температуру тела! Диагностика при помощи термографии основана на том, что температура является одним из главных признаков, отражающим состояние здоровья человека. Температурная палитра тела человека характеризует его возможности приспосабливаться к изменениям внешней среды и стрессам, а также отражает его текущее физиологическое состояние.

Температура тела на поверхности тела человека изменяется за счет работы вегетативной нервной системы, регулирующей кровонаполнение подкожной сосудистой сети в рефлексогенных зонах, соответствующих тому или иному внутреннему органу. Наблюдая за этими областями, мы регистрируем не структурные особенности внутренних органов, как это происходит при ультразвуковых, рентгеновских и других методах активной лучевой диагностики, а функциональные изменения, которые и несут информацию о протекании в организме нормальных и патологических процессов.

С помощью такого подхода разработана ранняя диагностика различных заболеваний в широком диапазоне – от онкологии до стоматологии. Тепловизионный метод диагностики абсолютно безопасен. По сути, он не отличается от обычной видеозаписи, однако при этом его можно использовать для контроля за состоянием человека и оценки эффективности лечения. Ведь термограмма практически мгновенно дает настоящий «тепловой портрет» болезни, по которому опытный врач может легко диагностировать и оценить степень развития заболевания.

Инфракрасное око «Свита»

Матричный тепловизор «Свит», позволяющий получать в реальном времени инфракрасное изображение различных объектов с предельным температурным разрешением 7 мК, был разработан в лаборатории микро­электроники Института физики полупроводников СО РАН. Этот уникальный прибор предназначен для измерения поля температуры и визуального анализа статических и меняющихся во времени картин теплового состояния объектов и ориентирован для применения в области медицинской и научной термографии.

Основное достоинство «Свита» по сравнению с его зарубежными аналогами (российских аналогов у прибора нет) – его доступность и меньшая, в три-четыре раза, цена прибора. Кроме этого, он был сертифицирован как медицинский прибор в нашей стране (Росс Ru.AЯ79.Р15452) и в Европе (EC CERTIFICATE N110176QS/NB).

В «Свите» изображение объектов формируется специальным инфракрасным объективом и регистрируется с помощью матричного датчика излучений, установленного в фокальной плоскости объектива. Поскольку величина выходного сигнала с фоточувствительных элементов датчика пропорциональна температуре объекта, можно произвести визуализацию изображения в виде черно-белой или цветной термограммы.

Датчик инфракрасного излучения прибора представляет собой гибридную интегральную схему, состоящую из полупроводниковых конденсаторов на основе арсенида индия (InAs), установленную на охлаждаемом пьедестале криостата. Фоточувствительные элементы полупроводниковой матрицы преобразуют кванты света в электрические заряды, которые считываются еще одним интегральным устройством – кремниевым мультиплексором, а затем усиливаются, преобразуются и передаются в компьютер.

  Минимальному сигналу можно присвоить черный или фиолетовый цвет, максимальному – белый или красный, а промежуточные равномерно распределить по 256 градациям серого или цветного оттенков. В конечном итоге на экране монитора появляется цветное или черно-белое тепловизионное изображение объекта – термограмма, позволяющая видеть объект «в инфракрасных лучах».

Современные технологии позволяют визуализировать невидимое человеческому глазу, значительно расширяя возможности современной науки, производства и медицины. Например, с помощью «инфракрасного глаза» тепло­визора можно распознать болезнь на самых ранних стадиях, не прибегая к другим, более сложным и болезненным процедурам диагностики.

Особое достоинство таких приборов, как тепловизор, в том, что они могут представлять температуру изучаемых объектов не в виде сухого набора цифр, а наглядно. Это позволяет увидеть взаимосвязь между явлениями, уловить общие тенденции происходящих процессов. Но в то же время тепловизор дает и очень точные данные о температуре. Такое уникальное сочетание наглядности и точности открывает перед тепловизорами огромные перспективы для применения в самых разных областях человеческой деятельности.

Литература

Хадсон Р. Инфракрасные системы. М.: Мир, 1972.

Госсорг Ж. Инфракрасная термография. Основы, техника, применение. М.: Мир, 1988 г.

Vainer B. G. Focal plane array based infrared thermography in fine physical experiment // J. Phys. D: Appl. Phys. 2008. V. 41. № 6. P. 065102.

Вайнер Б. Г. Матричное тепловидение в физиологии: Исследование сосудистых реакций, перспирации и термо­регуляции у человека. Новосибирск: Издательство СО РАН, 2004. 96 с.

Фото В. Я. Беленького, д. м. н. С. В. Пушкарева, В. В. Ивлюшкина (ООО «Хелс-Сервис»), д. м. н. В. В. Ступак (НИИТО, Новосибирск)

: 31 дек 2012 , Сколько сценариев у Вселенной? , том 47, №5