Приборы, преобразующие невидимые инфракрасные лучи в оптически видимые, получили название электронно-оптических преобразователей (сокращенно — ЭОП).

Впервые такой преобразователь был создан в 1934 г. голландским физиком Холстом де Буром. В дальнейшем системы ЭОП были усовершенствованы многими авторами. В настоящее время они являются уже вполне отработанными техническими приборами и могут применяться для решения ряда практических задач.

Кратко устройство и принцип действия электроннооптических преобразователей инфракрасных лучей можно изложить так. В вакууме на две параллельные, обращенные одна к другой стеклянные поверхности наносятся два слоя с особыми свойствами. Один из них (первый по ходу лучей) является фотокатодом, чувствительным к инфракрасным лучам указанного диапазона волн, другой представляет собой тонкий слой вещества, способного светиться под ударами электронов — флюоресцирующий экран. Под действием инфракрасных лучей с фотокатода вылетают, или, как говорят, эмитируют, электроны. При этом плотность электронного потока с отдельных участков фотокатода пропорциональна интенсивности инфракрасного излучения, падающего на эти участки.

Между фотокатодом и флюоресцирующим экраном приложено высокое напряжение, служащее для ускорения электронов. Двигаясь в поле этого высокого напряжения, электроны за счет поля приобретают дополнительную энергию и в таком виде падают на флюоресцирующий экран. Яркость свечения экрана в этом случае пропорциональна величине приложенного ускоряющего напряжения и плотности электронного тока при некоторых постоянных коэффициентах, характеризующих качество люминофоров.

187

Таким образом, при постоянном значении приложенного ускоряющего напряжения существует прямая зависимость между яркостью свечения каждого участка люминофора и величиной падающего на него электронного потока. Если на фотокатод было спроектировано изображение в невидимых для глаза инфракрасных лучах, то на экране оно будет оптически видимым, так как величина электронного тока с каждого участка фотокатода, в свою очередь, пропорциональна интенсивности падающего на фотокатод инфракрасного излучения.

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.