Főoldal
A Berzsenyi Hőkamera oldala ezentúl új webcímen érhető el. Kattintson a sites.google.com/berzsenyi.hu/hokamera oldalra!
8

Történeti áttekintés

210 évvel ezelőtt az elektromágneses spektrum infravörös tartománya még ismeretlen volt. Sir William Herschel – III György híres udvari csillagásza, akit az Uránusz felfedezése tett ismertté – fedezte fel az infravörös sugárzást 1800-ban.

Sir William Herschel (1738–1822)

A felfedezést a véletlennek köszönhetjük. Sir William Herschel olyan optikai szűrő anyagot keresett, amely a Nap távcsöves megfigyelése közben kellő mértékben csökkentheti a fényerőt, ezáltal védi a megfigyelő szemét. Különböző színes üvegeket tesztelt, amelyek egyformán csökkentették a fényerősséget. Eközben azt vette észre, hogy néhány üveg igen kevés hőt engedett át, míg más üvegminták annyit, hogy ez akár szemsérülést is okozhatott a Nap pár másodperces megfigyelése során.
A megfigyelő szemének védelme érdekében ezután olyan anyagot keresett, amely a kívánt fényerő-csökkenés mellett a lehető legkevesebb hőt engedi át. Az anyag megtalálására szisztematikus vizsgálatokba fogott. Vizsgálatait Newton prizmás kísérletének megismétlésével kezdte. A Nap fehér fényét prizmával felbontotta a szivárvány színeire, de nem magukat a színeket vizsgálta, hanem azok hőhatását. A színképet a prizma segítségével egy asztal tetejére vetítette. Egy érzékeny higanyos hőmérő tartályát tintával feketére festette, és ezzel mérte a különböző színek melegítő hatását. Ahogy a befeketített hőmérő haladt a színskálán az ibolyától a vörösig, a hőmérsékleti adatok állandó növekedést mutattak. Ez nem volt teljesen meglepő: 1777-ben hasonló kísérletet végzett már egy Landriani nevű olasz tudós.

Marsilio Landriani (1746–1815)

Az újdonságot az jelentette, hogy Herschel tovább mozgatta a hőmérőt a vörösön túli sötét tartományban, és azt figyelte meg, hogy a hőmérséklet tovább emelkedik, míg eléri a maximumát. A legmelegebb pont jóval a vörösön túl, a sötét területen volt, ott ahol mai szóval élve az infravörös tartomány helyezkedik el. Amikor Herschel nyilvánosságra hozta a felfedezését, úgy írta le az elektromágneses spektrum ezen részét, mint „hőmérsékleti spektrum”-ot. A sugárzásra „sötét hőként”, vagy „láthatatlan sugárként” utalt. Az „infravörös” kifejezés csak 75 évvel később jelent meg, ma sem tudjuk, hogy kié az elnevezés érdeme.

A kortársak figyelmét is felkeltette Herschel eredménye, többen megismételték kísérleteit különböző üvegprizmákkal. Ám minthogy a különböző üvegek átlátszósága az infravörös tartományban eltérő, volt olyan kortárs, aki üveglencsékkel kísérletezve nem talált infravörös sugarakat, és megkérdőjelezte létezésüket. Ez korai vitákhoz vezetett.
Herschel maga is felismerte, hogy az üveg csak korlátozottan átlátszó az újonnan felfedezett hősugárzás számára. Ebből azt a következtetést vonta le, hogy ha az infravörös sugárzás optikájával akr foglalkozni, azt a tükrökre kell korlátoznia, lencsékkel nem érdemes foglalkozni.

Szerencsére ezt az állítást 1830-ban megcáfolta egy olasz kutató, Mellonié. Felfedezte, hogy a természetben is előforduló kősó, NaCl, átengedi az infravörös sugárzást. Kősóból elég nagy kristályok álltak rendelkezésre ahhoz, hogy lencséket és prizmákat készítsenek az infravörös sugarak számára. A felfedezésnek köszönhetően a kősó vált az infravörös optika legfontosabb anyagává, és ezt a pozícióját 100 évig tartotta. Az 1930-as években megjelentek az első szintetikusan növesztett kristályok, amelyek lassan átvették a kősó szerepét.

Macedonio Melloni (1798–1854)



A hőmérő, mint sugárzási detektor egyeduralkodó maradt egészen 1829-ig. Ekkor Nobili feltalálta a hőelemeket, más szóval termoelemeket. (Herschel saját hőmérője 0.2 C-os pontossággal mért, a későbbi hőmérők pontossága már 0.05 C volt.) Nobili felfedezése nagy áttörést hozott: Melloni több hőelem sorba kapcsolásával hőelemoszlopot hozott létre. Az új berendezés legalább 40-szer érzékenyebb volt az akkori legjobb hőmérőknél: képes volt érzékelni egy három méter távolságra álló ember testmelegét is!

Az első úgynevezett "hőkép" 1840-ben készült Sir John Herschel munkájának eredményeként. Ő Sir William Herschelnek, az infravörös sugárzás feltalálójának fia volt, maga is neves csillagász.
Alapötlete a következő volt. Vegyünk egy vékony olajréteget! Ez a vékony olajréteg különböző mértékben párolog, ha rá különböző hőmérsékletű foltok sugárzását fókuszáljuk. Ha egy különböző hőmérsékletű tartományokkal rendelkező tárgy sugárzását vetítjük az olajfoltra, annak vastagsága a hőmérsékleti tartományoknak megfelelően változik. A hőkép visszavert fényben válik láthatóvá azáltal, hogy a vékony olajrétegen annak vastagságától függően különböző interferenciaszínek jelennek meg. Sir John Herschelnek sikerült rögzítenie egy kezdetleges hőképet papíron is, amit õ hődiagramnak hívott.



Az infravörös érzékelők fejlődése lassan folytatódott. A következő nagy áttörést az hozta, hogy Samuel P. Langley 1880-ban feltalálta a bolométert. Ez egy vékony, korommal befeketített platinacsík, ami egy érzékeny galvanométerrel ellátott Wheatstone-hídnak az egyik ága. Az infravörös sugárzást erre a platinacsíkra fókuszálták. A hőmérsékletnövekedés hatására megváltozott a csík ellenállása, amit az érzékeny hídkapcsolással mérni tudtak. Ezzel az eszközzel állítólag egy 400 méter távol álló tehén testmelegét is tudták érzékelni!

Samuel P. Langley (1834-1906)

1900 és 1920 között a világ feltalálóinak figyelme a hősugárzás felé fordult. Sok szabadalmat jegyeztek be olyan eszközökre, amelyek észlelik az embereket, tüzérséget, repülőgépeket, hajókat – sőt, még a jéghegyeket is.
Az első, mai szemmel nézve is hatásos eszközöket az első világháború (1914-1918.) ideje alatt fejlesztették ki. Ekkor mindkét szembenálló félnek voltak az infravörös technológia felhasználásával kapcsolatos katonai kutatásai. Ezekben a kutatási programokban az ellenség felfedezésével, távoli hőmérsékletérzékeléssel, biztonságosabb kommunikációval és repülő torpedók vezérlésével foglalkoztak. Ebben az időben már olyan infravörös keresőrendszert teszteltek, amely egy közeledő repülőt már 1.5 km távolról, egy embert pedig már 300 méterről képes volt észlelni. A legérzékenyebb eszközök ebben az időben mind a bolométer különböző változatait használták hőmérsékletmérésre.

A két világháború között két forradalmian új infravörös detektort fedeztek föl: az úgynevezett képátalakítót és a fotondetektort.
A képátalakító a katonaságnál rögtön központi figyelmet vívott ki, mert ezzel a technológiával
először a történelem folyamán képesek voltak szó szerint „látni a sötétben”. Sajnos a képátalakító érzékenysége a közeli infravörös hullámhosszakra korlátozódott. Így a legérdekesebb katonai célpontokat (például az ellenséges katonákat) infravörös keresőnyalábokkal kellett megvilágítani ahhoz, hogy a képátalakító számára láthatóvá váljanak. Mivel az ellenség egy hasonló eszközzel fölszerelt embere könnyen megtalálhatta az infravörös keresőnyalábokat kibocsátó, katonai célpontokat kereső embereket, a katonaság képátalakítók iránti érdeklődése lanyhult.
Az infravörös keresőrendszerek hátrányai ellenére a katonaság tovább támogatta a technológiát, így a második világháború után sikerült kifejleszteni egy passzív, keresőnyaláb nélküli rendszert, ami a nagyon érzékeny fotondetektorra (fotonérzékelőre) épült. Ebben az időben a katonaság minden információt visszatartott a nagyközönség elől az infravörös képalkotó technológiával kapcsolatban. A titoktartást csak az 50-es években oldották föl, így a technológiát lassan a civil tudományok és az ipari kutatás is megismerhette.