Павел Ощепков - Жизнь и мечта
Благодаря такому устройству человек приобретает возможность различать предметы и изображения в инфракрасных лучах так же, как если бы он обладал способностью видеть в этих невидимых для глаза лучах.
В современных электронно-оптических преобразователях между фотокатодом и флюоресцирующим экраном обычно присутствует еще один элемент — электронная линза. Она необходима для более правильного переноса электрона с фотокатода на флюоресцирующий экран, для улучшения четкости передачи электронного изображения. По принципу выполнения линзы бывают электростатические и электромагнитные.
Имея любой из современных электронно-оптических преобразователей, в принципе нетрудно создать инфракрасный интроскоп того или иного назначения.
Общая схема интроскопа
188
Общая схема интроскопа в этом случае должна состоять из следующих основных элементов (см. рис.):
1 — источник инфракрасного излучения (тело накаливания или специальная газоразрядная лампа); 2 — светофильтр, служащий для отделения инфракрасного излучения от видимого света; 3 — объектив, формирующий изображение в инфракрасных лучах; 4 — электронно-оптический преобразователь; 5 — система наблюдения изображения, полученного на экране (непосредственно глазом или фотокамерой, если необходимо сохранить документацию полученного изображения); 6 — непрозрачное для видимого света тело, внутри которого необходимо просматривать структурные неоднородности, посторонние включения или нарушения сплошности.
Само собой разумеется, что такая общая схема в принципе остается справедлива и для любого другого вида излучения, если в качестве приемного элемента будет соответственно использован материал, чувствительный к применяемому виду излучения.
Внешний вид одного из первых инфракрасных интроскопов, построенного в нашей лаборатории по указанной схеме еще в 1955 г., представлен на рисунке (см. вкладку).
Благодаря хорошим оптическим свойствам инфракрасных лучей (преломление на границе сред с различной плотностью и отражение от зеркальных поверхностей) системы инфракрасных интроскопов могут быть построены как для наблюдения в масштабе 1:1, так и с уменьшением или с увеличением. Наблюдение можно производить как в проходящем, так и в отраженном «свете».
Интроскоп, представленный на рисунке, предназначен для работы в области волн инфракрасного спектра до 1,3 микрона, поэтому просматривать на нем можно только те предметы и тела, которые имеют достаточную прозрачность именно в этом диапазоне волн.
Хотя инфракрасные лучи и сами невидимы для глаза, однако в этом диапазоне спектра можно работать по принципу «темного поля». В этом случае источник инфракрасных лучей должен устанавливаться по отношению к изучаемому телу таким образом, чтобы прямого попадания лучей в объектив интроскопа не было. Если внутри изучаемого тела есть какие-либо рассеивающие центры, то направление распространения лучей обязательно изменится и часть их попадет в объектив интроскопа.
189
Тогда рассеивающие центры будут видны как светлые точки или светлые зоны на темном фоне. Таким способом удалось, например, наблюдать растворенный кислород в монокристаллах кремния и его распределение по длине кристалла, связанное с колебаниями температурного режима при выращивании монокристаллов.
Изменяя фокусное расстояние системы, инфракрасный интроскоп можно настраивать по четкости изображения на заданную глубину внутри непрозрачного тела.
Могут быть, конечно, созданы и специальные системы стереоскопического видения внутри непрозрачных тел, однако даже простое изменение фокусного расстояния системы позволяет более четко выделять исследуемые неоднородности на заданной глубине.
Возможности изучения прозрачных и непрозрачных в видимом спектре твердых и жидких тел в данном случае весьма схожи, так как инфракрасные лучи формируются по тем же законам линейной оптики, что и видимые лучи.
При необходимости использовать для целей интроскопии более длинные волны инфракрасного излучения, естественно, встанет вопрос о выборе материала для фокусирующих систем, так как обычное оптическое стекло прозрачно только для волн длиной до 2—2,5 микрона.
В этих случаях можно прибегнуть к помощи специальных стекол и искусственных щелочно-галоидных кристаллов или к зеркальным системам.
Любое тело, обладающее высоким коэффициентом пропускания в инфракрасном участке спектра, в приборах интроскопии представляется совершенно прозрачным. Если это жидкость, то она напоминает собой воду, а если это твердое тело, то оно напоминает собой прозрачный кристалл.
На рисунке (см. вкладку) представлены изображения, полученные в инфракрасном интроскопе при наблюдении стеклянного сосуда с помещенными в него предметами, наполненного совершенно непрозрачной жидкостью. Черная жидкость, наблюдаемая через этот прибор, представляется совершенно чистой водой; в ней отчетливо видны погруженные в кюветку посторонние предметы, зеркальные отражения от этих предметов (блики), а также цифры и надписи, имеющиеся на предметах.
190
Если необходимо изучать непрозрачные предметы с высокой детализацией, то, само собой разумеется, в этом случае необходимо строить системы с большим коэффициентом увеличения, т. е. микроскопы. Внешний вид одного из таких инфракрасных микроинтроскопов МИК-1, разработанного в содружестве с коллективом одного из заводов, представлен на вкладке.
На обороте той же вкладки представлено изображение, полученное из внутренних областей исследуемого материала. В данном случае объектом исследования был полупроводниковый кремний. Наблюдаемые на этом изображении отрезки спиральных линий характеризуют собой зоны скопления дислокаций. (Предварительно исследуемый кристалл кремния был декорирован атомами меди.)
На магистральных нефтепроводах, например, можно будет следить за степенью чистоты нефти, за концентрацией растворенных в ней газов, за образованием эмульсий и т. п. Минералоги смогут изучать твердые и газовые включения в различных минералах, концентрацию и распределение в них примесей и т. д.
Большую помощь инфракрасная интроскопия окажет при изучении внутренних напряжений в различных непрозрачных телах, так как в технике инфракрасной интроскопии возможно применение и поляризованных лучей.
Даже первые успехи интроскопии с ее пока довольно скромными средствами свидетельствовали о неограниченных ее возможностях и огромной ценности для многих отраслей науки и техники.
В настоящее время трудно даже предугадать все области возможного применения инфракрасной интроскопии. С каждым годом они будут все более расширяться.
Особый расцвет интроскопии наступит с освоением более длинноволнового излучения — сначала до 6—8 микрон, а затем и до 15—20 микрон. Если в настоящее время инфракрасная интроскопия применима лишь для изучения таких материалов, как кремний, то с освоением этого диапазона волн можно будет изучать многие интерметаллы и другие соединения, составляющие основу будущих полупроводниковых приборов. Много интересных возможностей применения инфракрасной интроскопии открывается и в области изучения полимеров.
По мере своего развития инфракрасная интроскопия, 191 несомненно, дойдет до использования и субмиллиметровых волн, представляющих промежуточный участок спектра между инфракрасными лучами и миллиметровыми волнами радиоизлучения. Простейшая модель такого интроскопа может быть осуществлена на основе использования ячеек Голея (как приемника, обладающего высокой чувствительностью в широком диапазоне волн) и соответствующей сканирующей системы, установленной в фокальной плоскости приемной оптики (т. е. там, где формируется невидимое изображение).
Я остановился на принципах инфракрасной интроскопии так подробно с единственной целью — показать, что она реальна уже сейчас, на современном этапе развития техники.
Если идти дальше, в сторону увеличения длин волн, то за субмиллиметровым диапазоном мы придем к миллиметровым, сантиметровым и даже многометровым радиоволнам. Оказывается, возможно осуществить видение и в этих диапазонах волн.
Радиолокация с ее многочисленными вариациями методов и приборов также относится к технике видения в невидимом. Однако связь ее с интроскопией может быть прослежена и с более раннего периода ее развития.
В 1934 г., например, еще не было понятия о внутривидении, тогда речь шла только об обнаружении воздушных целей ночью, на больших расстояниях, в облаках и т. п. Тогда не было еще даже самого понятия «интроскопия», однако статья, напечатанная мною в февральском номере сборника ПВО за 1934 г., заканчивалась так:
«Приподнимая завесу над вопросом о возможности обнаружения самолета с помощью электромагнитных волн, можно с уверенностью сказать, что проблема обнаружения самолетов на больших высотах (до 10 км и выше), на значительных дистанциях (порядка 50 км и больше), в условиях, не зависящих от атмосферного состояния и времени суток, на основе использования электромагнитных волн (ультракоротких и дециметровых) будет решена, и это явится одним из замечательнейших вкладов в науку и технику. Это явится доказательством того, что не пройдет и нескольких лет, как разница между электромагнетизмом и оптикой окончательно исчезнет и появится новое средство — электрооптика. Проблема видения ночью и в тумане очень близка к своему разрешению».
