размещено Февраль 23 2015 в Наука(рус) и 0 комментариев

Развитие тепловидения в Украине

На протяжении всей истории развития человек стремился к совершенству: летать как птица, погружаться в бездны океана как рыба и видеть в темноте как кошка.

История создания тепловизоров с чувствительностью в инфракрасной области спектра на основе пироэлектрических материалов благодаря изучению возникновения электрического поля в кристаллах при изменении в них температуры. Первое упоминание о пироэлектрический эффекте содержится в записках Теофрастуса, датированных 314 годом до н. е., который заметил, что при нагревании кристаллы турмалина притягивают к себе соломинки и частицы пепла. Изучение этих свойств турмалина были продлены в 1707 году Иоганном Георгом Шмидтом и дальше Эпинус в 1756 году.

Однако в некоторых авторов начало развития тепловидения считается открытием в 1800 году Уильямом Гершелем теплового излучения за пределами видимого излучения. Пропуская видимое излучение через диспергирующих призму, Гершель обнаружил с помощью термометра невидимое излучение теплового воздействия. Но только в 1881 году Уильямом Абнеем впервые введено понятие "инфракрасные лучи" и понадобилось почти 50 лет для того, чтобы использовать упомянутые инфракрасные лучи вне стен научных лабораторий.

Кроме того, несмотря на то, что явление фотоэффекта было известно еще в конце 19 века, интенсивные работы в области создания фотоэлектрических оптических приборов относятся к 1920-1930 годам.

Первым тепловизором считают евапорограф (1920 г.), что представляет собой тонкий лист бумаги, смоченный спиртом (маслом, камфорой), на одной стороне которого, покрытого сажей, получали тепловое изображение объекта. За счет неравномерности испарения спирта формируется видимое тепловое изображение. Во время второй мировой войны в Германии и США были созданы улучшенные варианты евапорографив, которые относили к классу несканируючих тепловизоров, имеющих температурное разделение Δ Т = 1 о С и частоту кадров f = 0,01 .. . 0,1 Гц.

В класс нескануючих тепловизоров относят и еджеографы, в основе работы которых лежит смещение спектральной границы коэффициента поглощения в зависимости от температуры среды. Если через пленку селена пропускать монохроматическое излучение, которое соответствует границе поглощения, интенсивность пройденного света будет зависеть от температуры пленки. Такие еджеографы имели следующие характеристики: Δ Т = 10 о С, пространственное разделение 2 мм -1 и частота кадров f = 50 Гц.

Такие евапорографы и еджеографы не удовлетворяли пользователей за температурным и пространственным параметрам, а также скоростью работы, поэтому в 50-х годах ХХ века появились два пути развития тепловидения: использование инфракрасных передающих трубок (пироконив) в тепловизионных системах и дискретных чувствительных элементов с оптико-механическим развертыванием.

Было разработано чувствительные элементы с мишенью из сульфида свинца и длинноволновой границей в 2 мкм и приемлемой чувствительностью в инфракрасной области спектра. Однако использование таких мишеней требует низкой температурной работы, и соответственно, - охлаждение системы. Приборы ночного видения (ПНВ) развивались поэтапно с постепенным улучшением дальности обнаружения и лучшим качеством изображения, снижением массы и габаритов, увеличением времени работы, повышением устойчивости к световым помехам и целым рядом других усовершенствований.

Дальнейшее развитие тепловидения продолжалось с появлением багатолужних фотокатодов. При этом возросла светочувствительность ЭОП и срок службы усилительной трубки вырос до 2000 часов, однако отсутствие автоматической защиты ЭОП от ярких вспышек мешало их использования во время боевых действий. Поэтому, начиная с середины 60-х годов с появлением пластины вакуумной микроэлектроники из более чем 2 миллионов параллельных и слегка наклоненных микроканалов достигнуто более сильное усиление картинки и срок службы увеличен до 5000 ч, а после свечением устранены искажения изображения.

Следующим этапом развития тепловидения было применение в ЭОП нового фотокатода S-20R и люминесцентного экрана P-22, что привело к увеличению качества приборов ночного видения и стали сравнимы с американскими тепловизорами 3-го поколения. Далее за счет специального фотокатодного покрытия на основе арсенида галлия в тепловизорах достигнуто значительное увеличение светочувствительности и срока их службы до 10000 часов в условиях низкой освещенности. Многие разработки ученых КПИ позволили увеличить время жизни ЭОП до 15000 часов и улучшить защиту от яркого света, проникнуто даже американскими исследователями для увеличения чувствительности ПНБ и достижения большей производительности.

Значительно лучшие результаты получены при использовании триглицинсульфату (ТОС) для повышения чувствительности мишеней. Приборы с использованием таких мишеней назвали пировидиоконамы или пироконамы. Они равномерную спектральную чувствительность в диапазоне от 2 до 16 мкм и не требуют охлаждения.

Воронов С.А.. Первые пироконы были начаты в Киевском политехническом институте в 60-х годах ХХ века на кафедре электронных и ионных приборов под руководством старшего научного сотрудника, к.т.н. Цыкунов Т.В. С 1981 года коллектив возглавил доктор технических наук, профессор Воронов Сергей Александрович, сейчас заведующий кафедрой прикладной физики Физико-технического института Национального технического университета Украины "Киевский политехнический институт" (НТУУ КПИ).

Коллектив научных сотрудников под его руководством создал совместно с учеными НИИ "Электрон" (Ленинград, ныне С.-Петербург) приборы ночного видения ИК диапазона с чувствительностью 8-12 мкм. У истоков создания пироконив и тепловые зрений на их базе были такие ученые КПИ, как Матахнюк А.Х., Семенов Ф., Цыкунов Т.В., Рабышко В.А., Зашивайло Т.В., Балановская А.Ю . и другие. Эти приборы были многократно запатентованы авторским коллективом.

Главным достижением коллектива ученых из КПИ есть, начиная с 1981 года, внедрение запатентованных первых промышленных тепловизоров и доведение их до серийного производства на Азовском оптико-механическом и заводе и электровакуумном заводе в. Нальчик. Уже тогда предлагаемая профессором Вороновым С.А. к внедрению технология производства тепловизионных компонентов выгодно отличается от абсолютного большинства представленных на рынке технологий, параметры, которые опережали лучшие зарубежные аналоги на 7-8 лет и легли в основу процесса производства тепловизионных приборов широкого применения, в т.ч. ПНБ для обороны.

Рассмотрим, что может дать тепловизор Украины. Во время энергетического кризиса позволяет контролировать и предотвращать излишние выбросы горячих газов в атмосферу большого количества, а также заранее выявлять трещины и разрушение футеровки дымовых труб с целью продлевать срок их эксплуатации в теплоэнергетике. Так, на мониторе тепловизора в цветном виде шкале можно мгновенно видеть изменения температуры по всей высоте трубы и вне ее в газовых выбросах, что позволяет оперативно исправить и уменьшить ложное слишком лишнее использование топлива, а также заблаговременно проводить необходимый по температурному режиму отбор выбросов последующей рекуперации и планировать локальные точки ремонта дымовой трубы. Пример приведен далее на рисунке.


Тепловизионная картина контроля газовых выбросов на промышленных предприятиях для улучшения работы тепловых станций и экономии топлива.

Во-вторых, диагностировать градирни, колонны химического синтеза для планового ремонта, прогаров, сварных швов, коррозии в котлах, сокрытия кислот и их контроля, приведены на рисунках


Тепловизионные картины контроля и диагностики колонн химического синтеза и градирни.

В-третьих, много можно предотвратить аварий оборудования газоперекачивающих станций, систем охлаждения различного назначения, лопастей турбин, двигателей, электрических машин, узлов, деталей машин и трения в машиностроении, а также в различных узлах автомобилей, тепловозов и других объектов железнодорожного , речного, морского и авиационного транспорта, выявление дефектов в печатных платах и т.

В-четвертых, тепловидения позволяет постоянно отслеживать и контролировать тепловые потери в жилых домах, давать рекомендации по воплощению и термоизоляции окон, дверей, дефектных стен, выявление очага, пожаров и т.



Тепловизионное обнаружения потери тепловой энергии в жилых многоэтажных домах.

В-пятых, тепловизоры позволяют находить засоленные и не рабочие секции радиаторов и батарей отопления в комнатах и домах для выполнения плановой очистки и ремонта.


Тепловизионное обнаружения засоления радиаторов и батарей отопления.

В-шестых, находить порывы теплотрасс, выбросы тепловых и охладительных веществ из под земли, в том числе с помощью авиации и беспилотных устройств.


Тепловизионное обнаружения порывов теплотрасс, трубопроводов и локальных тепловых источников.

В-седьмых, тепловидения позволяет диагностировать электрическое и электронное оборудование, и находить сульфитацию в аккумуляторных батареях, выявлять избыточные перегрев от перекоса фаз, или в предохранителей, обмоток электродвигателей, узлов щеток, нарушений контактных соединений и тому подобное.



Тепловизионное обнаружения дефектов фаз трансформаторов тока, нарушений контактов ЛЭП.

В-восьмых, тепловидения позволяет в медицине диагностировать заболевания, в том числе онкологические, решать проблемы кровообращения конечностей и тому подобное.


Тепловизионное выявления различных заболеваний у людей и животных.

Современные тепловизоры нового поколения основаны на Болометрическая матрицах, изобрел американский ученый Самуэль Пирпонт Лэнгли, и впервые создал итальянский физик Меллона. К настоящему времени совершенствования технологии производства ПНБ позволило создавать матричные приемники большой размерности без использования оптико-механического сканирования в реальном режиме.

Использование матрицы большой размерности, учитывая особенности формирования сигнала с тепловизора, требует применения специальных алгоритмов и высокопроизводительного спецпроцессора, обеспечивающих высокоточную обработку сигналов, при большом объеме потока информации в реальном масштабе времени и применении средств цифровой обработки сигналов позволили создать тепловизор с приемлемыми массой, габаритами и энергопотреблением.

Если компьютер стал откровением от технологий XX века, то в ХХ1 веке - это станет тепловизор. Такой прибор позволяет проводить все типы поисковых работ, системы неразрушающего контроля зданий, машин и механизмов, раннюю диагностику заболеваний, поиск полезных ископаемых, охранные и противопожарные системы. Это далеко не полный перечень возможностей, которые открывают тепловизоры для Человечества в целом.

Такие современные тепловизоры нового поколения, основанных на Болометрическая матрицах нашли широкое применение в ходе антитеррористических операций на востоке Украины с разрешением 2500x2500 пикселей и чувствительностью до 0,01 о К, что на порядок превышает конкурирующие изделия.

Было бы целесообразно продолжать научные работы в НТУУ КПИ, Институте полупроводников НАН Украины и других украинскими учеными, что в состоянии значительно поднять экономику государства с перспективным направлениям их использования в следующих областях:

  • В медицинской сфере - построение динамической и статической температурной картины поверхности организма для ран@


Добавить комментарий

Авторизуйтесь для добавления комментария.
Комментариев нет.
Оценка доступна только для участников. Пожалуйста, перейдите на страницу Вход или Регистрация для оценивания.
Отлично! ()0 %
Хорошо ()0 %
Средне ()0 %
Неважно ()0 %
Плохо ()0 %