JAK_TO

Spotkania z fizyką
Instytut Fizyki UMCS
Lublin, 19.03.2005
Jak to można
zobaczyć ?
Zbigniew Korczak
źródło
obiekt
detektor
?
obiekt
detektor
układ „wspomagania”
obrazowanie
detekcja
obiekt
nadfiolet
podczerwień
Sir Frederick William Herschel (1738-1822)
termometr
Sir Frederick William Herschel (1738-1822)
Schemat ogólny
SYGNAŁ:
akustyczny
elektryczny
magnetyczny
promieniowanie:
termiczne
(podczerwień)
widzialne
inne
detektor
układ
przetwarzania
(procesor)
obrazowanie
Ograniczenia detektorów
• czułość
• zdolność rozdzielcza
• zakres spektralny (widmowy)
Zdolność rozdzielcza
Zakres spektralny
fala elektromagnetyczna
E
B
l
długość fali
1 μm 
l
c

energia fotonu
1
m
1 000 000
1 μm  1000 nm  10 000 Å
E
hc
l
według Maxwella …
Zakres spektralny
Wyróżniamy detektory:
termiczne
termopary
balometry
piroelektryczne
komórki Golaya
fotonowe
oko
fotokomórki
fotopowielacze
półprzewodnikowe
zalety: brak zależności
sygnału od
częstotliwości
promieniowania
wady:
mała szybkość
działania
zalety: duża szybkość
działania
wady: zależność sygnału
od częstotliwości
promieniowania
Wzrokowy układ detekcyjny:
- oko jako przetwornik (detektor)
- włókna nerwowe, nerw wzrokowy
- kora wzrokowa, procesor
OKO
czułość:
• może wykryć około 6 fotonów / s
• energia 1 fotonu ~3,5 10 -19 J
energia kinetyczna kropli deszczu
spadającej na ziemię ~ 7  10 -4 J;
 2 000 000 000 000 000 fotonów = 2  10 15
• szerokość spektralna: 400 – 750 nm
wady:
• mała szybkość działania
• wąskie pasmo spektralne (zaleta ?)
• brak możliwości zapisu informacji
Promieniowanie ciała
doskonale czarnego
opis fotonowy
2,50E+023
1000 K
900 K
700 K
2
l [fotonów/s m m]
2,00E+023
1,50E+023
1,00E+023
5,00E+022
0,00E+000
0
2
4
6
8
10
12
14
lm
16
18
20
22
24
opis fotonowy
3,50E+021
350 K
300 K
250 K
2,50E+021
2
l [fotonów/s m m]
3,00E+021
2,00E+021
1,50E+021
1,00E+021
5,00E+020
0,00E+000
0
2
4
6
8
10
12
14
lm
16
18
20
22
24
opis fotonowy
10
350 K
300 K
250 K
2
l [fotonów/s m m]
8
6
4
2
0
0,0
0,5
1,0
lm
1,5
2,0
Prawo Plancka
opis energetyczny
1000 K
900 K
700 K
14000
10000
2
8000
6000
hc
lkT
 1)
strumień energii
c
prędkość światła
h
stała Plancka
l
długość fali
k
stała Boltzmanna
T
temperatura
4000
2000
l (e
5
 (l )
12000
l [W/m m]
 (l ) 
2c 2 h
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
Prawo Wiena
lm
lmax 
b
T
b  2,898 10 3 K m - stała Wiena
Prawo Stefana - Boltzmanna
opis energetyczny
350 K
300 K
250 K
70
 (T )  T 4

Strumień energiilWm m
60
50
 (T )
40
30
20
całkowita moc
promieniowania ciała
o temp. T
  5,67 10 8 W/m 2 K 4
10
stała Stefana - Boltzmanna
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
lm
całkowita moc
promieniowania ciała
o powierzchni 2 m2
i temp. 300 K
 (T ) 
500 W
opis energetyczny
1000 K
900 K
700 K
10
6
2
l [W/m m]
8
4
2
0
0
1
lm
2
zakres spektralny: 8 m – 12 m
zakres mierzonych
temperatur: - 200 C – 15000 C
Galeria obrazów w podczerwieni
Galeria obrazów w podczerwieni
Zapalenie żył, wyraźna asymetria obrazu
Galeria obrazów w podczerwieni
Galeria obrazów w podczerwieni
Galeria obrazów w podczerwieni
Przechodzenie fal elektromagnetycznych przez atmosferę
Droga Mleczna w podczerwieni
obszar
widzialny < 1m
bliska
podczerwień 5 m
daleka
podczerwień 20 m
Przykładowe zastosowanie obrazowania
w podczerwieni
•
budownictwo - lokalizacja miejsc ulotów ciepła, lokalizacja rur, lokalizacja instalacji
elektrycznej
•
medycyna - wykrywanie nowotworów piersi, wykrywanie i lokalizacja stanów zapalnych,
reumatycznych, oparzeniowych, badania układu krążenia diagnostyka
pomostowania tętnic w chorobach wieńcowych
•
mechanika - badanie stanu łożysk i innych ciernych elementów
•
elektronika - badanie jakości układów scalonych, poszukiwanie uszkodzonych
elementów w aparaturze elektronicznej, określanie rozpływu ciepła
w obwodach drukowanych.
•
astronomia – badania przestrzeni kosmicznej
•
ochrona środowiska - określanie obszarów skażeń cieplnych i chemicznych wód,
określanie zapylenia atmosfery
•
rolnictwo i leśnictwo - określanie stanu wilgotności gleby i stanu upraw, poszukiwanie
podziemnych zbiorników wodnych, wykrywanie ognisk pożarów
leśnych, lokalizacja obszarów zaatakowanych przez szkodniki
Inne układy „wspomagające”
• STM (Scanning Tunneling Microscope – skaningowy
mikroskop tunelowy)
• NMR (Nuclear Magnietic Resonance – jądrowy rezonans
magnetyczny); MRI (Magnetic Resonance Imaging –
obrazowanie za pomocą jądrowego rezonansu
magnetycznego)
• Mikroskopy elektronowe
• …
Spotkania z fizyką
Lublin, 19.03.2005
Instytut Fizyki UMCS
Juliusz Ciemniewski
Zbigniew Korczak
Piotr Baranowski
Wojciech Mazurek
Instytut Agrofizyki PAN
Lublin
Zapraszamy,
do zobaczenia …
Uzupełnienie …
STM (Scanning Tunneling Microscope)
skaningowy mikroskop tunelowy
STM w Instytucie Fizyki UMCS
Przykładowe obrazy STM
Si(111)-(7x7)
2,69 nm
Magnetyczny rezonans jądrowy
Magnetyczny rezonans jądrowy
Magnetyczny rezonans jądrowy
Magnetyczny rezonans jądrowy
Obrazowanie za pomocą
jądrowego rezonansu magnetycznego
MRI
Teraz to już koniec
Zapraszamy,
do zobaczenia …