Мы видим невидимое
Большинство окружающих нас тел и сред непрозрачны. Причиной этого является то, что природа “обидела” человека, наделив его спо-собностью видеть только в очень узком участке спектра. Так как видимая область спектра очень мала по сравнению с остальной частью спектра, то прозрачных тел оказалось в природе очень мало. Их буквально можно пересчитать по пальцам: воздух, вода, кварц, каменная соль, слюда, стекло, светлые пластмассы , спирт, бензин, ацетон, уксус и т.п.
Значит, большая часть известных человеку сред и материалов непрозрачна! Но человек всегда хочет знать больше, чем он знает сейчас. Много веков он мечтал видеть сквозь непрозрачные предметы. И человек решил: чтобы заглянуть внутрь непрозрачных тел и сред, их надо сде-лать прозрачными! И появилось “волшебное око” — интроскопия с ее блестящими возможностями.
Что же такое интроскопия? Создателем этого направления в науке является советский ученый проф. П.К. Ощепков. Термин “интроскопия” происходит от латинского слова “интро” — внутри и греческого слова “скопио” — вижу. В самом общем смысле интроскопия означает непо-средственное видение внутри непрозрачных тел и сред. Это достигается благодаря использованию универсального преобразователя, который позволяет превращать любые невидимые излучения в оптически види-мые. Приборы, использующие средства интроскопии, называются интро- скопами.
Интроскопия базируется на самом широком использовании различных видов проникающих излучений. Чтобы заглянуть внутрь различных непрозрачных тел и сред, необходимо правильно подобрать вид излуче-ния и длину его волны. Оказалось, что одни тела пропускают инфракрас-ные лучи, другие ультразвук, третьи радиоволны, четвертые становятся прозрачными в магнитных и электрических полях и тд. В зависимости от того, какой вид проникающего излучения мы используем, понятие прозрачности становится условным. Например, чистая вода прозрачна? Да, но только для световых волн. Если же изменить длину волны, например до 2—2,5 мкм, то чистая вода станет такой же непрозрачной, как мрамор. Кристаллы кремния непрозрачны для видимого света, а прозрачны для инфракрасных лучей. Бетон непрозрачен для видимого света, но прозрачен для ультразвука и радиоволн. Интроскопия использует все виды проникающих излучений: инфракрасные лучи, ультразвуковые волны, радиоволны, рентгеновы и гамма-лучи и т.п. В каком случае следует применять тот или иной вид проникающего излучения — зависит от физических свойств исследуемого материала.
Наше знакомство с интроскопией начнем с инфракрасной интроско-пии. Если посмотреть на шкалу электромагнитного спектра, то мы уви-дим, что инфракрасные лучи расположены между радиоволнами и види-мым светом. Они охватывают значительный диапазон от 0,75 до 500 мкм и разделяются на ближнюю, дальнюю и сверхдальнюю зоны.
Особенностью инфракрасных лучей является то, что они формиру-ются по тем же законам геометрической оптики, что и видимые лучи.
А это означает, что можно формировать ифракрасные изображения обычными оптическими средствами. Для этой цели служат электронно-оптические приборы, которые позволяют преобразовывать инфракрасные изображения в видимые. Благодаря этому была решена проблема “внутривидения” в инфракрасных лучах. В настоящее время существует два основных направления инфракрасной интроскопии: прямое оптическое видение внутри непрозрачных тел и сред, которые оказываются “прозрачными” для инфракрасных лучей, и термоинтро-скопия (тепловидение). Ее задача – получение картины распределения температуры в непрозрачных для видимого света объектах (изделиях, конструкциях). Такая “тепловая” картина позволит получить информацию о внутреннем состоянии изделия или конструкции, ус-тановить наличие возможных теплопотерь в ней, а также выявить де-фекты и их размеры. Для этого используются термоинтроскопы или “тепловизоры”, а для инфракрасной интроскопии – инфракрасные интроскопы.
Все интроскопы независимо от проникающего излучения, работают на общем принципе. Этот принцип заключается в преобразовании этих излучений сначала в скрытое электрическое изображение, а затем — в зримое. Поэтому “сердцем” любого интроскопа служат преобразователи невидимого излучения в видимое. В инфракрасном интро- скопе таким преобразователем служит электронно-оптический преобразователь (ЭОП).
Электронно-оптический преобразователь представляет собой стек-лянный баллон, внутри которого находится вакуум. В этот баллон помещены две параллельные стеклянные пластины. Они обращены друг к другу своими поверхностями, на которые нанесен тонкий слой особого вещества. Первая по ходу лучей пластина называется фотокатодом, а вторая — флуоресцирующим экраном. Фотокатод чувствителен к лучам определенной волны.
Под действием ифракрасных лучей из него вылетают электроны. Если между фотокатодом и флуоресцирующим экраном поместить поле высокого напряжения, то вылетающие с фотокатода электроны ускоря-ются, приобретают большую скорость и попадают на флуоресцирующий экран. Под ударами электронов экран начинает светиться, и скрытое электронное изображение становится видимым.
Условием прозрачности тел и жидкостей для инфракрасного интроскопа является высокий коэффициент пропускания в инфракрасном участке спектра, причем если это твердое тело, то оно напоминает собой прозрачный кристалл, а если жидкость — то воду или какую- либо светлую жидкость.
А как быть, если нужно выявить очень малые дефекты или примеси в телах, не различимые глазом при обычном свете? Если эти тела прозрачны для инфракрасных лучей, то используют инфракрасный микроскоп. Он отличается от обычного микроскопа тем, что в нем вместо электролампочки, излучающей световые волны, применяют источник инфракрасных лучей. Для преобразования этих лучей в видимые используют ЭОП, чувствительный к данному диапазону инфракрасных волн. Такой инфракрасный микроскоп позволяет выделять исследуемые не-однородности на требуемой глубине. Первые шаги инфракрасной ин-троскопии, позволившей заглянуть в непрозрачное, подтвердили ее неограниченные возможности. Оказалось, что она с успехом может быть использована во многих отраслях науки и техники, в том числе и в строительстве.
А термоинтроскопия? Чтобы узнать, нагрет ли предмет, мы используем осязание. Так, например, чтобы установить, не повышена ли у нас температура, мы ощупываем рукой лоб. А в технике, чтобы выявить плохую изоляцию между металлическими пластинами электрического генератора, его нагревают токами Фуко. Затем ощупывают в поисках го-рячих участков, что является признаком плохой изоляции между пластинами.
Значит, осязание помогает нам судить о степени нагретости тела. Но насколько это чувство беднее зрения! Давно люди стремились найти средства, позволяющие точно определить температуру. Уже не удовлетворяют потребности науки и производства даже самые точные и быстродействующие термометры и другие приборы, измеряющие тем-пературу в отдельных точках. Нужно иметь наглядную картину окру-жающего пространства со всеми оттенками и переходами. И на помощь ученым пришла термоинтроскопия. Она позволила видеть тепло.
Для этого надо превратить тепловое излучение в электрические сигна-лы. Затем эти сигналы усилить и подать в электронно-лучевую трубку, похожую на телевизионную. На экране этой трубки возникает картина распределения тепловых полей. Изображение на экране можно сфотографировать, а можно заставить электронный луч рисовать инфракрасные образы прямо на электрохимической бумаге. Так работает тепловизор. Теперь там, где господствовало осязание, включен могучий “зрительный” аппарат — инфракрасное око. Тепловизоры уже разработаны в СССР и за. рубежом. Область их применения огромна — техника, медицина. В строительстве тепловидение может быть использовано для оценки изоляции и определения теплопотерь в строи-тельных конструкциях. Кроме того, термоинтроскопия позволит получать информацию о внутреннем состоянии сооружений и обнаруживать дефекты в конструкциях.
Другой очень интересной для строителей областью интроскопии является радиоинтроскопия, диапазон которой примыкает к инфракрасному диапазону. За субмиллиметровым диапазоном инфракрасных волн находятся миллиметровые волны. Это уже радиоволны. Радио-интроскопия очень перспективна для контроля качества строительных изделий и конструкций.
Давайте немного пофантазируем. Как было бы хорошо, если бы можно было непосредственно видеть в строительных конструкциях или сооружениях самые скрытые дефекты (каверны, трещины), увидеть состояние арматуры, проверить ее расположение, закладные детали и т.п. Но это равносильно тому, если бы мы захотели увидеть сквозь стену. А ведь это возможно! Раньше такое утверждение вызвало бы улыбку недоверия, а само заявление об этом могло принадлежать только писателю-фантасту. Но время летит, и современная техника, как добрая фея, дарит нам свои свершения, которые совсем недавно были только мечтой. Так произошло и в данном случае.
Для радиоволн оказались прозрачными каменные, железобетонные и деревянные стены. Радиоинтроскоп позволяет видеть объект, находящийся за стеной. Значит, в ближайшее время строи-тельство получит надежный способ контроля.
И еще один вид интроскопии — ультразвук. При описании ультра-звуковых методов контроля качества строительных изделий и конструк-ций мы отмечали, что на экране электронно-лучевой трубки ультра-звукового прибора появляются условные электрические сигналы. По этим сигналам оператор может судить о наличии в изделии дефектов. Но гораздо лучше увидеть на экране не сигнал, а сам дефект (раковину, трещину), его форму и размеры. Это позволяет ультразвуковая интроскопия. А разве можно видеть ультразвук? Да, можно. В ультра-звуковых интроскопах имеется электронно-акустический преобра-зователь (ЭАП) типа “Уникон-55”, разработанный советскими учеными П.К. Ощепковым, Л.Д. Розенбергом и Ю.Б. Семенниковым. В этом приборе ультразвуковые сигналы преобразуются в оптически видимое изображение. На экране телевизионной трубки, с которой соединен ЭАП, получается четкое изображение дефекта, находящегося внутри исследуемого объекта.
Но интроскопы все же дают только плоское изображение, что не всегда удовлетворяет требованиям, предъявляемым к контролю особо ответственных изделий и конструкций. Получить объемное изображение того, что находится в толще материала?! Ну это уже из области научной фантастики! Нет, это реальность.
Такую возможность дает голография. Она позволяет получить вы-сококачественное объемное изображение, которое воспринимается как материально ощутимый предмет.
Бетон - Мы видим невидимое
Остались вопросы по теме - "Мы видим невидимое", задайте их на