ما هي مواد الأشعة تحت الحمراء الحرارية المتاحة؟

2026,02,08

يشير تصوير المواد بالأشعة تحت الحمراء الحرارية عادةً إلى التصوير بالأشعة تحت الحمراء (MWIR) في 3-5 μ M وتصوير الأشعة تحت الحمراء البعيدة (LWIR) في 8-10 μ م. في هذه العصابات ، ينصب التركيز على مصادر الحرارة بدلاً من الضوء المرئي. هناك العديد من التطبيقات المختلفة للتصوير بالأشعة تحت الحمراء الحرارية ، مثل الاختبار غير التدميري ، وكاميرات الأشعة تحت الحمراء التي يمكنها التقاط موقع ارتفاع درجة حرارة المعدات أو فقدان الحرارة ، والاختلافات في درجات حرارة سطح الجسم المحلية التي يمكن قياسها في المجال الطبي ، وتحديد سريع ل نقاط تسرب الحرارة في نظام التبريد لمحطات الطاقة النووية ، وحماية السلامة.

هناك العديد من أنواع الزجاج المتاحة لأنظمة الإضاءة المرئية ، ولكن يمكن استخدام عدد محدود للغاية من المواد بشكل فعال في نطاقات MWIR و LWIR. يوضح الشكل 18.107 إرسال مواد الإرسال بالأشعة تحت الحمراء شائعة الاستخدام. تتضمن هذه البيانات فقدان الانعكاس على السطح ، مما يؤدي إلى انتقال مرتفع نسبيًا بعد تطبيق فيلم فعال مضاد للعكس. يمكن استخدام نوع محدود للغاية من المواد الزجاجية بشكل فعال في نطاقات MWIR و LWIR. يسرد الجدول 18.9 المواد البصرية بالأشعة تحت الحمراء الحرارية المستخدمة بشكل شائع وخصائصها الرئيسية. يتم تعريف ثابت ABBE V على أنه (N1 λ- 1) /(N1 λ- NH λ) ، في المعادلة ، مؤشر NC λ عند الطول الموجي المركزي ، N1 λ هو مؤشر الانكسار القصير الطول الموجي ، NH λ هو فهرس الانكسار من أطوال موجية طويلة.

هناك العديد من مواد الأشعة تحت الحمراء الحرارية شائعة الاستخدام:

Germanium هي المادة الأشعة تحت الحمراء الأكثر شيوعًا ويمكن استخدامها في نطاقات LWIR و MWIR. في نطاق LWIR ، هو "لوحة التاج" أو العدسة الإيجابية في العدسات المزدوجة الفاتحة ؛ في MWIR ، هو "الصوان" أو العدسة السلبية في العدسات المزدوجة الأنيقة. هذا يرجع إلى الفرق في خصائص التشتت بين النزفين. في نطاق MWIR ، أصبحت الجرمانيوم قريبة جدًا من نطاق الامتصاص المنخفض ، لذلك يتغير مؤشر الانكسار بسرعة ، مما يؤدي إلى تشتت كبير. هذا يجعلها مناسبة كمكون سلبي للطاقة في العدسات المزدوجة الفاتحة.

(1) مادة الجرمانيوم:

Germanium هي المادة الأشعة تحت الحمراء الأكثر شيوعًا ويمكن استخدامها في نطاقات LWIR و MWIR. في نطاق LWIR ، هو "لوحة التاج" أو العدسة الإيجابية في العدسات المزدوجة الفاتحة ؛ في MWIR ، هو "الصوان" أو العدسة السلبية في العدسات المزدوجة الأنيقة. هذا يرجع إلى الفرق في خصائص التشتت بين النزفين. في نطاق MWIR ، أصبحت الجرمانيوم قريبة جدًا من نطاق الامتصاص المنخفض ، لذلك يتغير مؤشر الانكسار بسرعة ، مما يؤدي إلى تشتت كبير. هذا يجعلها مناسبة كمكون سلبي للطاقة في العدسات المزدوجة الفاتحة.

مواد الجرمانيوم لها معلمتان مهمتان: مؤشر الانكسار و DN/DT. يكون مؤشر الانكسار في الجرمانيوم أكبر قليلاً من 4.0 ، مما يعني أن الأسطح الضحلة معقولة وسهلة لتقليل فروق الطور ، وهو أمر مفيد للتصميم. المعلمة DN/DT هي التغير في فهرس الانكسار ودرجة الحرارة. DN/DT من الجرمانيوم هو 0.000369C. هذه قيمة كبيرة ، DN/DT = 0.000360C للزجاج العادي. يمكن أن يسبب هذا تحولًا كبيرًا بؤرخًا يختلف مع درجة الحرارة ، وعادة ما يتطلب بعض تقنية عدم التدفئة (تعويض النقطة البؤرية بالنسبة لدرجة الحرارة).

الجرمانيوم عبارة عن مادة بلورية يتم إنشاؤها في شكل واحد أو متعدد البلورات. وفقًا لعملية النمو ، فإن Crystal Germanium الفردي أغلى من الجرمانيوم متعدد الكريستالات. مؤشر الانكسار من الجرمانيوم متعدد البلورات ليس موحدًا بدرجة كافية ، ويسبب بشكل رئيسي الشوائب في حدود الجسيمات ، والتي يمكن أن تؤثر على جودة صورة تصوير FPA. لذلك ، الكريستال الجرمانيوم هو المادة المفضلة. في درجات حرارة عالية ، تصبح مواد الجرمانيوم ماصة ، ويقترب النقل الصفر عند 200 درجة مئوية.

معامل عدم التمييز في مؤشر الانكسار من الجرمانيوم الكريستالي المفرد هو 0.00005 ~ 0.0001 ، في حين أن الجرمانيوم متعدد الكريستالات هو 0.0001 ~ 0.00015. لأغراض بصرية ، عادة ώ. يتم تحديد معامل مقاومة الجرمانيوم في CM ، ومعامل المقاومة للفراغ بأكمله هو 5-40 ώ. CM مقبول بشكل عام. يوضح الشكل 18.109 فارغ الجرمانيوم النموذجي مع منطقة متعددة الكريستالات على اليمين. يرجى ملاحظة أن معامل المقاومة في المنطقة البلورية المفردة يتصرف بشكل طبيعي ويتغير ببطء شعاعيًا ، في حين أن معامل المقاومة في منطقة البلورات يتغير بسرعة. إذا تم استخدام كاميرا بالأشعة تحت الحمراء المناسبة لمراقبة المواد ، فيمكن رؤية الصور الغريبة التي تشبه شبكات العنكبوت ، والتي تتركز بشكل أساسي على حدود الجسيمات. هذا بسبب الشوائب المستحثة على الحدود. واحدة من أوجه القصور في السيليكون وبعض المواد البلورية الأخرى هي هشاشة وهشاشة.

Ba1aa10e86d2a03584f1764f4ce87b4 Jpg

(2) مادة السيليكون
السيليكون هو مادة بلورية مماثلة للجرمانيوم. يستخدم بشكل أساسي في نطاق MWIR من 3-5 μ م ، وهناك امتصاص في نطاق LWIR من 8-12 μ م. مؤشر الانكسار في السيليكون أقل قليلاً من معدل الجرمانيوم ، لكنه لا يزال كبيرًا بما يكفي لتسهيل التحكم في الانحراف. بالإضافة إلى ذلك ، فإن تشتت السيليكون منخفض نسبيا. يمكن تحويل السيليكون بواسطة الماس.
(3) كبريتيد الزنك
كبريتيد الزنك هو مادة شائعة الاستخدام في نطاقات MWIR و LWIR. يبدو عمومًا صفرًا صفرًا وشبهًا للضوء المرئي. تسمى العملية الأكثر شيوعًا لإنتاج كبريتيد الزنك هطول الأمطار الكيميائي.
يمكن أن تكون كبريتيد الزنك المصنوع من الضغط الساخن شفافًا للضوء المرئي. يمكن استخدام كبريتيد الزنك الشفاف لتصنيع النوافذ والعدسات المتعددة الأطياف من الضوء المرئي إلى نطاقات LWIR.
(4) زنك سيلينيد
سيلينيد الزنك يشبه كبريتيد الزنك في العديد من الجوانب. مؤشر الانكسار أعلى قليلاً من كبريتيد الزنك ، في حين أن هيكله ليس قويًا مثل كبريتيد الزنك. لذلك ، بالنظر إلى أسباب المتانة البيئية ، يتم إيداع طبقة رقيقة من كبريتيد الزنك في بعض الأحيان على ركيزة سلينيد الزنك السميكة. بالمقارنة مع كبريتيد الزنك ، فإن أهم ميزة لسيلينيد الزنك هي معامل امتصاصه الصغير للغاية ، لذلك عادةً ما يتم استخدام سيلينيد الزنك في أنظمة طاقة ثاني أكسيد الكربون عالية الطاقة.

(5) فلوريد المغنيسيوم
الفلوريد المغنيسيوم هو أيضا مادة بلورية. يمكن أن تنقل مادةها البلورية النطاق الطيفي من الأشعة فوق البنفسجية إلى MWIR. يمكن إنتاج فلوريد المغنيسيوم عن طريق نمو البلورة أو طرق "الضغط الساخن" ، مما يؤدي إلى تكوين مواد زجاجية حليمية. يحتوي على انتقال جيد في نطاق MWIR ، ولكن قد يكون له نثر غير مرغوب فيه ، مما يؤدي إلى انخفاض في النقيض من الضوء الضال. إن نثر الجسيمات يتناسب عكسيا مع القوة الرابعة للطول الموجي ، وبالتالي فإن المظهر اللبني تحت الضوء المرئي سوف يتقلص بمقدار 1/16 في 5um.
C501545f8816da6744a0fe5efc53bb5 Jpg (6) الياقوت

الياقوت هو مادة صلبة للغاية. يمكن أن تنقل الضوء من الأشعة فوق البنفسجية العميقة إلى نطاقات mwir. خاصية فريدة من الياقوت هي انخفاض انبعاثات حرارية منخفضة في درجات حرارة عالية. هذا يعني أن المواد تنبعث من الإشعاع الحراري أقل من المواد الأخرى في درجات حرارة عالية. يمكن استخدام الياقوت لإنشاء نوافذ تجويف تحمل درجات حرارة عالية ، مناسبة للنطاق بالأشعة تحت الحمراء عبر Windows. العيب الرئيسي في الياقوت هو أن صلابة تجعل المعالجة البصرية صعبة. مادة أخرى مماثلة تسمى إسبنيل. يشبه إسبنيل في الواقع الياقوت المضغوط الساخن ويمكن استخدامه كبديل عن الياقوت. الحجارة الإسبنيل لديها أيضا تشتت عالية. يمتلك الياقوت خصائص التنقل ، ومؤشر الانكسار هو وظيفة لسطح الاستقطاب الحادث.

(7) تريسولفيد الزرنيخ

تريسولفيد الزرنيخ هو مادة يمكن استخدامها في نطاقات MWIR و LWIR. لها مظهر أحمر عميق ومكلف للغاية.

(8) المواد الأخرى المتاحة

هناك العديد من المواد الأخرى المتاحة ، بما في ذلك فلوريد الكالسيوم ، فلوريد الباريوم ، فلوريد الصوديوم ، فلوريد الليثيوم ، وبروميد البوتاسيوم. يمكن استخدام هذه المواد في النطاقات من الأشعة فوق البنفسجية العميقة إلى الأشعة تحت الحمراء الموجة المتوسطة. خصائص ألوانها تجعلها جذابة للغاية للتطبيقات الطيفية الواسعة ، وخاصة من الأشعة تحت الحمراء إلى منتصف الأشعة تحت الحمراء وحتى الأشعة تحت الحمراء. العديد من هذه المواد لها بعض الخصائص غير المرغوب فيها ، وخاصة الرطوبة. يلزم الطلاء المناسب لتجنب الأضرار الناجمة عن الرطوبة ، وغالبًا ما يتطلب هيكلها تنقية مع غاز النيتروجين الجاف.