Kroniki termowizyjne (część 1)
William Herschel (1738-1822) Angielski astronom, odkrywca promieniowania podczerwonego. Źródło - pl.wikipedia.org
Następna znacząca osoba w Historie odkrywcą Urana i jego satelitów był angielski astronom William Herschel. Naukowiec odkrył w 1800 roku istnienie promieni niewidzialnych, "posiadających największą moc grzewczą", znajdujących się poza widmem widzialnym dla człowieka. Udało mu się to za pomocą szklanego pryzmatu, który rozkłada światło na jego składniki, oraz termometru, który rejestrował maksymalną temperaturę tuż na prawo od widzialnego czerwonego światła. Będąc zwolennikiem korpuskularnej doktryny Newtona, Herschel mocno wierzył w tożsamość światła i promieniowania cieplnego, jednak po eksperymentach z załamywaniem niewidzialnych promieni podczerwonych jego wiara została dość zachwiana. Ale w żadnej historii nie jest to kompletne bez autorytatywnych mędrców z nauki, którzy psują obraz swoimi fałszywymi przypuszczeniami. Rolę tę odegrał fizyk John Leslie z Edynburga, który ogłosił istnienie ogrzanego powietrza, które w rzeczywistości jest bardzo „mitycznymi promieniami ciepła”. Nie był zbyt leniwy, by powtórzyć eksperyment Herschela, wynalazł w tym celu specjalny różnicowy termometr rtęciowy, który rejestrował maksymalną temperaturę właśnie w strefie widzialnego widma czerwonego. Herschel został ogłoszony niemal szarlatanem, wskazując na niedostateczne przygotowanie eksperymentów i fałszywość wniosków.
Jednak czas oceniał inaczej - do 1830 r. liczne eksperymenty czołowych światowych naukowców dowiodły istnienia "promieni Herschela", które Becquerel nazwał podczerwienią. Badanie różnych ciał pod kątem zdolności do transmitowania (lub nie transmitowania) takiego promieniowania doprowadziło naukowców do zrozumienia, że płyn wypełniający gałkę oczną pochłania widmo podczerwone. Ogólnie rzecz biorąc, właśnie taki błąd natury stworzył potrzebę wynalezienia kamery termowizyjnej. Ale w XIX wieku naukowcy poznali tylko naturę promieniowania przenoszącego ciepło i niewidzialnego, wchodząc we wszystkie niuanse. Okazało się, że różne źródła ciepła - rozgrzany czajnik, gorąca stal, lampa alkoholowa - mają różny skład jakościowy „tortu na podczerwień”. Zostało to eksperymentalnie udowodnione przez włoskiego Macedonio Melloniego za pomocą jednego z pierwszych urządzeń rejestrujących ciepło - termopilara bizmutowo-antymonowego (termomultiplikator). Interferencja promieniowania podczerwonego umożliwiła uporanie się z tym zjawiskiem – w 1847 roku za jego pomocą po raz pierwszy standaryzowano widmo o długości fali do 1,94 mikrona.
Bolometr pajęczyny - rejestrator promieniowania cieplnego. Źródło - pl.wikipedia.org
A w 1881 roku z pomocą fizyce eksperymentalnej przyszedł bolometr - jedno z pierwszych urządzeń do utrwalania energii promieniowania. Cud ten wymyślił szwedzki matematyk i fizyk Adolf-Ferdinand Svanberg, który zainstalował na drodze promieniowania podczerwonego niezwykle cienką, poczerniałą płytkę, zdolną do zmiany przewodnictwa elektrycznego pod wpływem ciepła. Taki odbiornik promieniowania umożliwił osiągnięcie maksymalnej możliwej w tym czasie długości fali do 5,3 mikrona, a do 1923 r. w promieniowaniu małego oscylatora elektrycznego wykryto już 420 mikronów. Początek XX wieku to pojawienie się masy pomysłów dotyczących praktycznej realizacji teoretycznych poszukiwań z poprzednich dekad. W ten sposób pojawia się fotorezystor z siarczku talu potraktowanego tlenem (tlenosiarczek talu), zdolny do zmiany przewodnictwa elektrycznego pod wpływem promieni podczerwonych. Na ich podstawie niemieccy inżynierowie stworzyli odbiorniki Talofide, które stały się niezawodnym środkiem komunikacji na polu bitwy. Do 1942 roku Wehrmacht zdołał utrzymać swój system w tajemnicy, zdolny do działania w odległości do 8 km, dopóki nie został przebity w El Alamein. Ewaporografy to pierwsze prawdziwe systemy termowizyjne, które pozwalają na uzyskanie mniej lub bardziej satysfakcjonujących obrazów termicznych.
Urządzenie wygląda następująco: w komorze znajduje się cienka membrana z przesyconymi parami alkoholu, kamfory lub naftalenu, a temperatura wewnątrz jest taka, że szybkość parowania substancji jest równa szybkości kondensacji. Ta równowaga termiczna jest zaburzona przez układ optyczny, który skupia obraz termiczny na membranie, co prowadzi do przyspieszenia parowania w najgorętszych obszarach - w rezultacie powstaje obraz termiczny. Niekończące się dziesiątki sekund w ewaporografie spędzili na formowaniu obrazu, którego kontrast pozostawiał wiele do życzenia, hałas czasami przysłaniał wszystko, a o wysokiej jakości transmisji poruszających się obiektów nie było nic do powiedzenia. Pomimo dobrej rozdzielczości 10 stopni Celsjusza, połączenie wad nie pozostawiło ewaporografowi miejsca w masowej produkcji. Jednak w ZSRR pojawiło się urządzenie na małą skalę EV-84, w Niemczech - EVA, a eksperymentalne poszukiwania przeprowadzono również w Cambridge. Od lat 30. uwagę inżynierów przykuwają półprzewodniki i ich szczególny związek z widmem podczerwieni. Tutaj wodze władzy przeszły w ręce wojska, pod którego przywództwem pojawiły się pierwsze chłodzone fotorezystory oparte na siarczku ołowiu. Potwierdził się pomysł, że im niższa temperatura odbiornika, tym wyższa jego czułość, i kryształy w kamerach termowizyjnych zaczęto zamrażać stałym dwutlenkiem węgla i ciekłym powietrzem. A już dość zaawansowana jak na te przedwojenne lata, opracowana na Uniwersytecie Praskim, była technologia osadzania wrażliwej warstwy w próżni. Od 1934 r. lampowy wzmacniacz obrazu zerowej generacji, bardziej znany jako „szkło Holsta”, stał się przodkiem masy użytecznego sprzętu – od urządzeń do jazdy nocnej czołgi do poszczególnych lunet snajperskich.
Noktowizor zajął ważne miejsce w marynarce wojennej flota - statki zyskały możliwość poruszania się w strefie przybrzeżnej w całkowitej ciemności, przy zachowaniu trybu zaciemnienia. W 1942 roku rozwój floty w zakresie nawigacji i łączności nocnej został zapożyczony przez lotnictwo. Ogólnie rzecz biorąc, Brytyjczycy jako pierwsi wykryli samolot na nocnym niebie na podstawie jego sygnatury w podczerwieni w 1937 roku. Dystans oczywiście był skromny – około 500 metrów, ale jak na tamte czasy był to niewątpliwy sukces. Najbliższe podejście do kamery termowizyjnej w klasycznym sensie pojawiło się w 1942 roku, kiedy uzyskano nadprzewodnikowy bolometr oparty na tantalu i antymonu chłodzony ciekłym helem. Oparte na nim niemieckie termowizory „Donau-60” umożliwiły rozpoznanie dużych jednostek morskich w odległości do 30 km. Lata czterdzieste stały się swoistym skrzyżowaniem technologii termowizyjnych - jedna ścieżka prowadziła do systemów podobnych do telewizji, ze skanowaniem mechanicznym, a druga do vidiconów w podczerwieni bez skanowania.
Historia krajowego wojskowego sprzętu termowizyjnego sięga końca lat sześćdziesiątych, kiedy rozpoczęto prace w Nowosybirskiej Wytwórni Instrumentów w ramach projektów badawczych Evening i Evening-1960. Część teoretyczną nadzorował Naczelny Instytut Fizyki Stosowanej w Moskwie. Szeregowa kamera termowizyjna nie sprawdziła się wtedy, ale postępy zostały wykorzystane w pracach badawczych Leny, które zaowocowały pierwszą kamerą termowizyjną do rozpoznania 2PN1, wyposażoną w fotodetektor Lena FN. 59 elementów światłoczułych (każdy o wymiarach 50x100 µm) ułożonych w jednym rzędzie z krokiem 100 µm zapewniało pracę urządzenia w zakresie spektralnym fali średniej (MWIR - Middle Wave Infrared) 130-3 µm z zasięg rozpoznawania celu do 5 m. wysokie ciśnienie wchodziło do mikrowymiennika ciepła fotodetektora, schładzało go do -2000°C i wracało do sprężarki. To cecha instrumentów pierwszej generacji – wysoka czułość wymagała niskich temperatur. A niskie temperatury wymagały z kolei dużych gabarytów i imponującego poboru mocy na poziomie 194,5 watów.
Zainstalowano 1PN59 na krajowym wozie rozpoznawczym PRP-4 „Nard”, wykorzystując bazę BMP-1.
Do 1982 roku inżynierowie krajowi postanowili przesunąć roboczy zakres spektralny urządzeń termowizyjnych do 8-14 mikronów (długie fale LWIR - Long Wave Infrared) ze względu na lepszą „przepustowość” atmosfery promieniowania cieplnego w tym segmencie. Produkt o indeksie 1PN71 był wynikiem podobnych prac projektowych w kierunku „Posobie-2”, który jako „wszechwidzące oko” posiada fotodetektor kadmowo-rtęciowy (CdHgTe lub CRT).
Produkt 1PN71. Źródło - army-guide.com
Ten czuły element nazywał się „Weightlessness-64” i miał… tak, 64 kryształy MCT o rozmiarach 50x50 z krokiem 100 mikronów. Konieczne było jeszcze większe zamrożenie "Nieważkości" - do -196,50С, ale wskaźniki wagi i wielkości produktu wyraźnie się zmniejszyły. Wszystko to pozwoliło osiągnąć dalekowzroczność 1PN71 na 3000 metrów i znacznie poprawić obraz przed użytkownikiem. Kamera termowizyjna została zainstalowana na mobilnej stacji rozpoznania artyleryjskiego PRP-4M Deuterium, która oprócz urządzenia 1PN71 jest uzbrojona w pulsacyjny noktowizor, radar i dalmierz laserowy. Rzadki gatunek w armii rosyjskiej - BRM-3 "Ryś" jest również wyposażony w termowizyjne urządzenie rozpoznawcze z Nowosybirskiej Wytwórni Instrumentów. Kamera termowizyjna 1PN126 Argus-AT, opracowana w 2005 r. przez Centralne Biuro Projektowe Tochpribor i wyposażona w mikroskopijne elementy czułe o wymiarach 30x30 mikronów ze sprawdzonego CdHgTe, jest wzywana do zmiany tego wyposażenia w wojsku. Prawdziwą atrakcją sto dwudziestego szóstego termowizora był obracający się, ośmiościenny pryzmat germanu, przezroczysty dla promieniowania podczerwonego. To właśnie ten skaner tworzy dwie klatki w jednym obrocie na fotodetektorze w trybie rejestracji sygnatury termicznej obserwowanego obiektu. Dla porównania - w 1PN71 rolę tę pełniło płaskie lustro - w Związku Radzieckim nie było niedrogich technologii produkcji okularów germanowych. Pod nową krajową kamerą termowizyjną przygotowano frontową platformę rozpoznania PRP-4A lub, jak to często się nazywa, „wszechwidzące oko boga wojny”. Najeżona licznymi soczewkami optycznego sprzętu rozpoznawczego maszyna jest bardzo podobna do starożytnego greckiego wielookiego giganta, na którego cześć została nazwana.
informacja