Общая характеристика видов электромагнитного излучения

Распространение электромагнитных колебательных процессов  в сплошной среде описывается волновым уравнением:

,   ,                (3.1)

где  - фазовая скорость.

Среда, в которой распространяются волны, характеризуется импедансом (волновым сопротивлением) в отсутствие потерь зависящем от параметров, которые описывают накопление энергии в среде. Для электромагнитных волн импеданс среды без потерь определяется как произведение магнитной проницаемости на фазовую скорость или корень квадратный из отношения магнитной и электрической проницаемостей:

.                                     (3.2)

При наличии потерь выражение для импеданса среды является комплексной величиной.

Длина электромагнитной волны теоретически может, с одной стороны, быть сколь угодно малой (но конечной), с другой - сколь угодно большой (но тоже конечной). Электромагнитное излучение при сверхмалой длине волны всё более похоже на поток частиц. Предельным случаем бесконечно большой длины волны может служить электростатическое поле. Реально работают с электромагнитным излучением с длиной волны не более тысячи километров. Условно диапазоны длин волн, используемые в технических устройствах, получили соответствующие наименования. На рисунке … представлена шкала частот электромагнитных волн, используемых в технике.

Рисунок. 3.1 Шкала частот электромагнитных волн

В вакууме электромагнитные волны всех частот распространяются одинаково — со скоростью света. В реальных средах в результате взаимодействия излучения с веществом скорость света зависит от частоты, соответственно, от длины волны и энергии кванта. По характеру взаимодействия с веществом излучение делят на диапазоны: гамма-излучение, рентген, ультрафиолет, видимый свет, инфракрасное излучение и радиоволны, которые вместе образуют электромагнитный спектр. Сами эти диапазоны в свою очередь разделяют на поддиапазоны, причем в науке нет единой устоявшейся традиции такого деления. Тут многое зависит от применяемых технических средств для генерации и регистрации излучения. Поэтому в каждой сфере науки и техники поддиапазоны определяют по-своему, а нередко даже сдвигают границы основных диапазонов.

Видимое излучение. Из всего спектра человеческий глаз способен улавливать излучение только в очень узком диапазоне видимого света. От одного его края до другого частота излучения (а равно длина волны и энергия квантов) меняется менее чем в два раза. Для сравнения самые длинные радиоволны в  раз длиннее видимого излучения, а гамма-кванты — в  энергичнее. Тем не менее, на протяжении многих тысяч лет большую часть информации об окружающем мире люди черпали из диапазона видимого излучения, границы которого определяются свойствами светочувствительных клеток человеческой сетчатки.

Разные длины волн видимого света воспринимаются человеком как разные цвета — от красного до фиолетового. Традиционное деление видимого диапазона спектра на семь цветов радуги является культурной условностью. Никаких четких физических границ между цветами нет. Англичане, например, обычно делят радугу на шесть цветов. Известны и другие варианты. За восприятие всего разнообразия цветов и оттенков видимого света отвечают всего три различных типа рецепторов, которые чувствительны к красному, зеленому и синему цвету. Это позволяет воспроизводить практически любой цвет, смешивая на экране эти три основных цвета.

Ультрафиолетовое излучение. С коротковолновой стороны от видимого света располагается ультрафиолетовый диапазон, который делят на ближний и дальний (вакуумный). Как и видимый свет, ближний ультрафиолет проходит через атмосферу. Органами чувств человек его не воспринимает, но на коже ближний ультрафиолет вызывает появление загара. Это защитная реакция кожи на определенные химические нарушения под действием ультрафиолета. Чем короче длина волны, тем большие нарушения может вызывать ультрафиолетовое излучение в биологических молекулах. Если бы весь ультрафиолет проходил через атмосферу, жизнь на поверхности Земли была бы невозможна. Однако выше некоторой частоты атмосфера перестает пропускать ультрафиолетовое излучение, поскольку энергии его квантов становится достаточно для разрушения (диссоциации) молекул воздуха. Одним из первых ультрафиолетовый удар принимает на себя озон, за ним следует кислород. Вместе атмосферные газы предохраняют поверхность Земли от жесткого ультрафиолетового излучения Солнца, которое называют вакуумным, поскольку оно может распространяться только в пустоте (вакууме).Верхний предел вакуумного ультрафиолета — 200 нм. С этой длины волны начинает поглощать ультрафиолет молекулярный кислород. Ближний ультрафиолет можно наблюдать с Земли, вакуумный — только из космоса.

Рентгеновское излучение. Формальной границы между жестким ультрафиолетовым и рентгеновским излучением нет. К ее определению есть два основных подхода: с одной стороны, к рентгену принято относить излучение, способное вызывать возбуждение атомных ядер — подобно тому, как видимое и инфракрасное излучение возбуждает электронные оболочки атомов и молекул. В этом случае даже жесткий вакуумный ультрафиолет в некоторых случаях может быть отнесен к рентгену. В другом подходе рентгеном считают излучение с длиной волны меньше характерного размера атомов (0,1 нм). Тогда получается, что большую часть мягкого рентгеновского диапазона следует считать сверхжестким ультрафиолетом.

Мягкое рентгеновское излучение еще может отражаться от полированного металла, но только при скользящем падении — под углом менее 1 градуса. Более жесткое излучение приходится концентрировать иными способами. Для задания направления используют узкие трубки, отсекающие кванты, приходящие сбоку, а приемником служит сцинтиллятор, в котором рентгеновские кванты ионизируют атомы, а те, вновь объединяясь с электронами, испускают видимое или ультрафиолетовое излучение, которое регистрируют при помощи фотоэлектронных умножителей.

Гамма-излучение. Граница, на которой рентгеновский диапазон сменяется гамма-излучением, также условна. Обычно ее связывают с энергией квантов, которые испускаются при ядерных реакциях (или наоборот, могут их вызывать). Другой подход связан с тем, что тепловое излучение не принято относить к гамма-диапазону, как бы ни была высока его энергия. Устойчивых образований с температурой выше десятков миллиардов градусов в современной Вселенной неизвестно. Это дает основание считать, что гамма-излучение всегда генерируется нетепловым путем. Основным механизмом является излучение при столкновении заряженных частиц, разогнанных до околосветовых скоростей мощными электромагнитными полями, например, у нейтронных звезд.

Деление гамма-излучения на поддиапазоны носит еще более условный характер. К сверхвысоким энергиям относят гамма-кванты, генерация которых выходит за пределы возможностей современных технологий. Все источники такого излучения связаны исключительно с космосом. Но поскольку технологиям свойственно развиваться, это определение нельзя назвать четким.

Атмосфера защищает нас и от гамма-излучения. В мягком и жестком поддиапазонах она полностью его поглощает. Кванты диапазона сверхвысоких энергий, сталкиваясь с ядрами атомов в атмосфере, порождают каскады частиц, энергия которых постепенно снижается и рассеивается. Однако первые эшелоны частиц в них движутся быстрее скорости света в воздухе. В таких условиях заряженные частицы порождают так называемое тормозное (черенковское) излучение, в чем-то подобное звуковой ударной волне от сверхзвукового самолета. Ультрафиолетовые и видимые кванты тормозного излучения достигают поверхности Земли, где улавливаются специальными телескопами. Можно сказать, что сама атмосфера становится частью телескопа, и это позволяет наблюдать с Земли гамма-излучение сверхвысоких энергий.

Еще более энергичные кванты — ультравысоких энергий — порождают настолько мощные каскады частиц, что они пробивают атмосферу насквозь и достигают поверхности Земли. Их называют широкими атмосферными ливнями (ШАЛ) и регистрируют сцинтилляционными датчиками. Частицы ШАЛ наряду с естественной радиоактивностью земных пород могут повреждать биологические молекулы, в частности ДНК, и вызывать мутации в живых организмах. Тем самым они вносят свой вклад в эволюцию жизни на Земле. Но если бы их интенсивность была заметно выше, это могло бы стать серьезным препятствием для жизни. Но, чем выше энергия гамма-квантов, тем реже они встречаются. Самые энергичные кванты с энергией около эВ приходят примерно один раз в сто лет на квадратный километр земной поверхности. Происхождение столь энергичных гамма-квантов пока не вполне ясно. Значительно большей энергией кванты обладать не могут, так как выше некоторого порога они начинают взаимодействовать с реликтовым микроволновым излучением, приводя к рождению заряженных частиц. Иначе говоря, Вселенная непрозрачна для излучения заметно более энергичного, чем – эВ.

Инфракрасное излучение. Спектральный диапазон ИК-излучения лежит между красным краем спектра (0.65 – 0.7 мкм) и началом радиодиапазона (около 1 мм). Весь диапазон  инфракрасного излучения принято разделять на ближний, средний и дальний (длинноволновый).

К первому относятся волны длиной 0.7 – 5 мкм. Этот диапазон используется, например, для передачи информации по стекловолоконным кабелям, на него приходится максимальная энергия излучения сильно нагретых тел.

Средний  диапазон соответствует 5 – 30 мкм, на него приходится максимум излучения тел, нагретых до нескольких сотен кельвинов. В ближнем и средневолновом диапазоне располагаются спектральные линии различных молекул, несущие важную информацию о составе разреженной среды.

Более длинные волны относятся к дальнему ИК-диапазону, самому трудному для регистрации и исследований. Диапазон в сотни микрометров называют также субмиллиметровым. Это область излучения самых холодных тел и сред, температура которых может быть всего лишь на несколько градусов выше абсолютного нуля.

Ближнее ИК-излучение физически ничем не отличается от видимого света, за исключением того, что не воспринимается сетчаткой глаза. Человек ощущает инфракрасное излучение кожей — как тепло.

С ростом длины волны атмосфера теряет прозрачность для инфракрасного излучения. Это связано с так называемыми колебательно-вращательными полосами поглощения молекул атмосферных газов. Будучи квантовыми объектами, молекулы не могут вращаться или колебаться произвольным образом, как грузы на пружинке. У каждой молекулы есть свой набор энергий (и, соответственно, частот излучения), которые они могут запасать в форме колебательных и вращательных движений. Однако даже у не самых сложных молекул воздуха набор этих частот столь обширен, что фактически атмосфера поглощает всё излучение в некоторых участках инфракрасного спектра — это так называемые инфракрасные полосы поглощения. Они перемежаются небольшими участками, в которых космическое ИК-излучение достигает поверхности Земли — это так называемые окна прозрачности, которых насчитывается около десятка. Поглощение ИК-излучения почти полностью происходит в нижних слоях атмосферы из-за повышения плотности воздуха у поверхности Земли.

Деление инфракрасного излучения на поддиапазоны также весьма условно. Граница между ближним и средним инфракрасным излучением проводится примерно в районе абсолютной температуры 300 К, которая характерна для предметов на земной поверхности. Поэтому все они, включая приборы, являются мощными источниками инфракрасного излучения. Чтобы в таких условиях выделить излучение от слабого источника, аппаратуру приходится охлаждать до температур, близких к абсолютному нулю, и выносить за пределы атмосферы, которая сама интенсивно светит в среднем ИК-диапазоне (за счет этого излучения Земля рассеивает в космос энергию). Основной тип приемника излучения в этом диапазоне — болометр, то есть, черное тело, поглощающее излучение, соединенное со сверхточным термометром.

Дальний инфракрасный диапазон — один из наиболее сложных, как для генерации, так и для регистрации излучения. В последнее время благодаря разработке особых материалов и сверхбыстродействующей электроники с ним научились достаточно эффективнч работать. В технике его часто называют терагерцевым излучением. Сейчас активно идет разработка бесконтактных сканеров для определения химического состава объектов на основе генераторов терагерцевого излучения. Они смогут выявлять пластиковую взрывчатку и наркотики на контрольных пунктах в аэропортах.

В астрономии этот диапазон чаще называют субмиллиметровым излучением. Он интересен тем, что в нем (а также в соседнем с ним микроволновом диапазоне) наблюдается реликтовое излучение Вселенной. До уровня моря субмиллиметровое излучение не доходит, но поглощается оно в основном в самых нижних слоях атмосферы.

Микроволны и радиоволны. К инфракрасному диапазону примыкает радиоизлучение, которое охватывает весь длинноволновый край электромагнитного спектра. Энергия квантов в радиодиапазоне очень мала. Ее обычно не хватает для существенных изменений в структуре атомов и молекул, но хватает, чтобы взаимодействовать с вращательными уровнями молекул, например, воды. Энергии радиоволн также достаточно для того, чтобы воздействовать на свободные электроны, например, в проводниках. Колебания электромагнитного поля радиоволны вызывают синхронные колебания электронов в антенне, в результате чего происходит генерация переменного электрического тока в цепи.

При высокой интенсивности микроволнового излучения этот ток может вызывать значительный нагрев вещества. Это свойство используется для разогрева продуктов, содержащих воду, в микроволновых печах. Микроволновое излучение также называют сверхвысокочастотным (СВЧ) излучением. Оно является самым коротковолновым поддиапазоном радиоизлучения с длиной волны от 1 мм до 30 см. СВЧ-излучение проникает в толщу продуктов на глубину до нескольких сантиметров, что обеспечивает прогрев по всему объему, а не только с поверхности, как в случае обработки инфракрасным излучением на гриле.

В микроволновом диапазоне также работают все системы сотовых телефонов и локальной радиосвязи, например, протоколы Bluetooth и WiFi, используемые беспроводными электронными устройствами.

Чем больше длина радиоволны, тем меньшую энергию она несет и тем труднее ее зарегистрировать. Для приема антенну, в которой под действием радиоволны возникают электрические колебания, подключают к электрическому контуру. При попадании в резонанс с его собственной частотой колебания усиливаются и их можно зарегистрировать.

Большая часть микроволнового излучения (начиная с длины волны 3–5 мм) проходит через атмосферу. То же можно сказать про ультракороткие волны (УКВ), на которых вещают местные телевизионные и радиостанции (в т. ч. FM-станции) и ведется космическая радиосвязь. Излучение их передатчиков регистрируется только в пределах прямой видимости антенн. Окно прозрачности атмосферы в радиодиапазоне заканчивается примерно на длине волны 10–30 метров.

Более длинные радиоволны отражаются от ионосферы Земли. Это не позволяет наблюдать космические радиоисточники на более длинных волнах, но зато обеспечивает возможность глобальной коротковолновой радиосвязи. Радиоволны в диапазоне от 10 до 100 метров могут огибать всю Землю, многократно отражаясь от ионосферы и поверхности Земли. Правда, их распространение зависит от состояния ионосферы, на которую сильно влияет солнечная активность. Поэтому коротковолновая связь не отличается высоким качеством и надежностью.

Средние и длинные волны также отражаются от ионосферы, но сильнее затухают с расстоянием. Для того чтобы сигнал можно было поймать на расстоянии более тысячи километров, требуются очень мощные передатчики. Сверхдлинные радиоволны, с длиной в сотни и тысячи километров, огибают Землю уже не благодаря ионосфере, а за счет волновых эффектов, которые также позволяют им проникать на некоторую глубину под поверхность океана. Это свойство используется для экстренной связи с боевыми подводными лодками в погруженном состоянии. Другие радиоволны не проходят через морскую воду, которая из-за растворенных в ней солей представляет собой хороший проводник и поглощает или отражает радиоизлучение.

Примеры использования электрических колебательных контуров и волноводов для целей измерения

Электрические колебательные контуры и волноводы широко применяются в качестве первичных преобразователей при измерении различных физических величин. Высокая чувствительность измерительных устройств данного типа достигается за счет реализации резонансных режимов работы.

Для описания принципа их работы могут быть использованы достаточно простые соотношения:

, ,       (3.3)

Эти зависимости определяют основные параметры колебательной системы преобразователей, которые функционально связаны с измеряемыми физическими величинами.

Например, измеряя резонансную частоту электрического колебательного контура можно с высокой точностью определять значения емкостей или индуктивностей, включенных в измерительную цепь:

, .      (3.4)

Эталонный конденсатор ( ) градуируют в значениях измеряемого параметра. Основными источниками погрешности таких измерений являются неточность настройки резонансной частоты колебательного контура, нестабильность частоты генератора колебаний, погрешность эталонного конденсатора.

Данный метод применяется для измерения относительно малых значений емкости (до 1 nF). Измерение по индуктивности принципиально возможно, но на практике не используется из-за трудности изготовления эталонных переменных катушек индуктивности.

Можно выделить два основных класса таких приборов. Это приборы, принцип работы которых основан на модуляции параметров электрических колебательных контуров и радиоволновые измерительные устройства.       

Очевидно, что преобразователи, реализующие режимы стоячих волн по длине волновода, могут быть отнесены как к колебательным, так и к волновым устройствам.

Принцип работы радиоволновых устройств основан на управлении параметрами электрической измерительной цепи, условиями взаимодействия электромагнитной энергии с исследуемым веществом. При создании радиоволновых измерительных преобразователей чаще всего используют высокочастотный диапазон электромагнитных колебаний (СВЧ - диапазон), так как с повышением частоты уменьшается длина волны, что определяет высокую разрешающую способность устройства, уменьшаются габаритные размеры преобразователей.

Первичные преобразователи такого типа отличаются большим разнообразием конструктивных исполнений. Например, это могут быть: полый объемный резонатор, система излучающих или принимающих антенн, электродов, а также специальные конструкции волноводов, используемых в качестве чувствительных и передающих элементов.

Например, на основе протяженного волновода можно создать устройство для измерения уровня жидких и сыпучих сред.

Рисунок 3.2 Устройство и рабочая характеристика принцип работы радиоволнового датчика уровня

Принцип работы такого устройства основан на влиянии магнитных,  диэлектрических и диссипативных свойств окружающей среды на характеристики волновода. В результате изменения измеряемого уровня изменяются затухание волновода, резонансная частота контура, его входное сопротивление и т.д. Первичный преобразователь такого устройства представляет собой зашунтированный конденсатором в начале и закороченного в конце линии участок волновода. Такие участки и кратные им линии подобны колебательным контурам (резонансные линии). Реактивное сопротивление линии при изменении ее длины периодически изменяется от нуля до бесконечности.

В качестве выходных параметров преобразователя используют: изменение сопротивления контура при неизменной частоте колебаний; изменение резонансной частоты или положение узлов и пучностей по длине линии.

Математическая модель данного измерительного устройства может быть представлена в виде упрощенной функциональной зависимости:

.       (3.5)

В непроводящих жидкостях по мере погружения волновода в среду частота автоколебаний убывает, а в электропроводящих жидкостях, наоборот, растет. При измерениях необходимо учитывать изменение электропроводности среды.

Необходимо учитывать, что на высоких частотах проявляет себя скин-эффект, т.е. происходит вытеснение электромагнитной энергии к поверхности проводника, поэтому волноводы часто выполняют полыми. При согласовании геометрических размеров волновода с рабочей частотой измерительного преобразователя по его длине устанавливается режим стоячих волн, в результате чего в объеме резонатора происходит взаимодействие электрического и магнитного полей. С учетом того, что энергия волновода может сильно излучаться в окружающую среду, для подключения таких устройств применяют коаксиальный кабель с наружным экраном.

В качестве первичного измерительного преобразователя используют диэлектрические волноводы (задают только направление распространения волн), гребенчатые и другие конструкции замедляющих волноводов (например, жилы внутри преобразователя имеют спиралеобразную форму).

Радиоволновые измерительные устройства характеризуются следующими особенностями:

• сильное излучение в окружающую среду;
• наличие паразитных связей;
• нужно учитывать скин-эффект;
• электромагнитная энергия распространяется вне провода;
• применимы законы геометрической оптики;
• используют для исследования характеристик материалов, сред изделий, расстояний, уровней и т.п.;
• исследуемая среда может находиться внутри и снаружи волновода;
• для повышения чувствительности реализует режимы стоячих (резонансные линии) и бегущих волн;
• используют явления отражения и преломления волн.

Например, в устройстве для измерения уровня используется радиоволновый преобразователь, реализующий режим стоячей волны по длине волновода.

Принцип действия датчиков уровня радарного типа иллюстрируется рисунком 3.3 Электромагнитный импульс распространяется по волноводу и отражается от поверхности жидкости, обладающей более высокими диэлектрическими свойствами, чем воздух или пар. Быстродействующая схема синхронизации обеспечивает измерение времени распространения сигнала и вычисляет точный уровень жидкости

 

Рисунок 3.3. Внешний вид и основные типы датчиков уровня радарного типа.

 

 

⇐ Предыдущая13141516171819202122Следующая ⇒

Поделиться: