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红外线 [2012-07-16]

在光谱中波长自760nm至400μm的电磁波称为红外线,红外线是不可见光线。所有高于绝对零度(-273.15℃)的物质都可以产生红外线。现代物理学称之为热射线。医用红外线可分为两类:近红外线与远红外线。

 
 

编辑本段基本概念

红外线是太阳光线中众多不可见光线中的一种,由英国科学家赫歇尔于1800年发现,又称为红外热辐射,他将太阳光用三棱镜分解开,在各种不同颜色的色带位置上放置了温度计,试图测量各种颜色的光的加热效应。结果发现,位于红光外侧的那支温度计升温最快。因此得到结论:太阳光谱中,红光的外侧必定存在看不见的光线,这就是红外线。也可以当作传输之媒介。 太阳光谱上红外线的波长大于可见光线,波长为0.75~1000μm。红外线可分为三部分,即近红外线,波长为(0.75-1)~(2.5-3)μm之间;中红外线,波长为(2.5-3)~(25-40)μm之间;远红外线,波长为(25-40)~l000μm 之间。
红外线是波长介乎微波与可见光之间的电磁波,波长在760纳米至1毫米之间,是波长比红光长的非可见光。覆盖室温下物体所发出的热辐射的波段。透过云雾能力比可见光强。在通讯、探测、医疗、军事等方面有广泛的用途。 俗称红外光。
真正的红外线夜视仪是光电倍增管成像,与望远镜原理完全不同,白天不能使用,价格昂贵且需电源才能工作。
近红外线或称短波红外线,波长0.76~1.5微米,穿入人体组织较深,约5~10毫米;远红外线或称长波红外线,波长1.5~400微米,多被表层皮肤吸收,穿透组织深度小于2毫米。
红外大气窗口
近红外线| (Near Infra-red, NIR)| 700~ 2,000nm | 0.7~2 MICRON
中红外线 | (Middle Infra-red, MIR)| 3,000~ 5,000nm | 3~5 MICRON
远红外线| (Far Infra-red, FIR)| 8,000~14,000nm | 8~14 MICRON

编辑本段物理性质

1.有热效应
2.穿透云雾的能力强

编辑本段发现波长

公元1666年牛顿发现光谱并测量出3,900埃~7,600埃(400nm~700nm)是可见光的波长。1800年4月24日英国伦敦皇家学会(ROYAL SOCIETY)的威廉·赫歇尔发表太阳光在可见光谱的红光之外还有一种不可见的延伸光谱,具有热效应。他所使用的方法很简单,用一支温度计测量经过棱镜分光后的各色光线温度,由紫到红,发现温度逐渐增加,可是当温度计放到红光以外的部分,温度仍持续上升,因而断定有红外线的存在。在紫外线的部分也做同样的测试,但温度并没有增高的反应。紫外线是1801年由RITTER用氯化银(Silver chloride)感光剂所发现的。底片所能感应的近红外线波长是肉眼所能看见光线波长的两倍,用底片可以记录到的波长上限是13,500埃,如果再加上其它特殊的设备,则最高可以达到20,000埃,再往上就必须用物理仪器侦测了。

编辑本段特点测试

红外线波长较长, (无线电微波、红外线、可见光。波长按由长到短顺序),给人的感觉是热的感觉,产生的效应是热效应,那么红外线在穿透的过程中穿透达到的范围是在一个什么样的层次?如果红外线能穿透到原子、分子内部,那么会引起原子、分子的膨大而导致原子、分子的解体。真的是这样吗?而事实上呢?红外线频率较低,能量不够,远远达不到原子、分子解体的效果。因此,红外线只能穿透了原子分子的间隙中,而不能穿透到原子、分子的内部,由于红外线只能穿透到原子、分子的间隙,会使原子、分子的振动加快、间距拉大,即增加热运动能量,从宏观上看,物质在融化、在沸腾、在汽化,但物质的本质(原子、分子本身)并没有发生改变,这就是红外线的热效应。
因此我们可以利用红外线的这种激发机制来烧烤食物,使有机高分子发生变性,但不能利用红外线产生光电效应,更不能使原子核内部发生改变。
同样的道理,我们不能用无线电波来烧烤食物,无线电波的波长实在太长无法穿透到有机高分子间隙更不用说使其变性达到食物烤熟的目的。
通过上述我们知道:波长越短,频率越高、能量越大的波穿透达到的范围越大;波长越长,频率越低、能量越小的波穿透达到的范围越小。

编辑本段远红外线

远红外线的发现 公元1800年德国科学家"赫歇尔"发现太阳光中的红外线外侧所围绕著一种用肉眼无法看见的

远红外线

光源,波长介于5.6-1000UM的「远红外线」,经过这种光源照射时,会对有机体产生放射、穿透、吸收、共振的效果。美国太空总署(NASA)研究报告指出,在红外线内,对人体有帮助4-14微米的远红外线,能渗透人体内部15cm,从内部发热,从体内作用促进微血管的扩张,使血液循环顺畅,达到新陈代谢的目的,进而增加身体的免疫力及治愈率。 但是根据黑体辐射理论,一般的材料要产生足够强度的远红外线,并不容易,通常必须藉助特殊物质作能量的转换,将它所吸收的热量经由内部分子的振动再发放较长波长的远红外线出来。

编辑本段辐射源区

白炽发光区

Actinic range,又称“光化反应区”,由白炽物体产生的射线,自可见光域到红外域。如灯泡(钨丝灯,TUNGSTEN FILAMENT LAMP),太阳。

热体辐射区

Hot-object range,由非白炽物体产生的热射线,如电熨斗及其它的电热器等,平均温度约在400℃左右。

发热传导区

Calorific range,由滚沸的热水或热蒸汽管产生的热射线。平均温度低于200℃,此区域又称为“非光化反应区”(Non-actinic)。

温体辐射区

Warm range,由人体、动物或地热等所产生的热射线,平均温度约为40℃左右。站在照相与摄影技术的观点来看感光特性:光波的能量与感光材料的敏感度是造成感光最主要的因素。波长愈长,能量愈弱,即红外线的能量要比可见光低,比紫外线更低。但是高能量波所必须面对的另一个难题就是:能量愈高穿透力愈强,无法形成反射波使感光材料撷取影像,例如X光,就必须在被照物体的背后取像。因此,摄影术就必须往长波长的方向——“近红外线”部分发展。以造影为目标的近红外线摄影术,随着化学与电子科技的进展,演化出下列三个方向:
1.近红外线底片:以波长700nm~900nm的近红外线为主要感应范围,利用加入特殊染料的乳剂产生光化学反应,使此一波域的光变化转为化学变化形成影像。
2.近红外线电子感光材料:以波长700nm~2,000nm的近红外线为主要感应范围,它是利用以硅为主的化合物晶体产生光电反应,形成电子影像。
3.中、远红外线热像感应材料:以波长3,000nm~14,000nm的中红外线及远红外线为主要感应范围,利用特殊的感应器及冷却技术,形成电子影像。

编辑本段治疗作用

原理

红外线照射体表后,一部分被反射,另一部分被皮肤吸收。皮肤对红外线的反射程度与色素沉着的状况有关,用波长0.9微米的红外线照射时,无色素沉着的皮肤反射其能量约60%;而有色素沉着的皮肤反射其能量约40%。长波红外线(波长1.5微米以上)照射时,绝大部分被反射和为浅层皮肤组织吸收,穿透皮肤的深度仅达0.05~2毫米,因而只能作用到皮肤的表层组织;短波红外线(波长1.5微米以内)以及红色光的近红外线部分透入组织最深,穿透深度可达10毫米,能直接作用到皮肤的血管淋巴管神经末梢及其他皮下组织。
在红外线区域中,对人体最有益的波段就是4到14这个波段范围,这个在医术界里面统称为“生育光线”,因为这个红外线波段对生命的生长有这促进的作用,这个红外线对活化细胞组织,血液循环有很好的作用,能够提高人的免疫力,加强人体的新陈代谢。[1]

红外线红斑

足够强度的红外线照射皮肤时,可出现红外线红斑,停止照射不久红斑即消失。大剂量红外线多次照射皮肤时,可产生褐色大理石样的色素沉着,这与热作用加强了血管壁基底细胞层中黑色素细胞的色素形成有关。

治疗作用

红外线治疗作用的基础是温热效应。在红外线照射下,组织温度升高,毛细血管扩张,血流加快,物质代谢增强,组织细胞活力及再生能力提高。红外线治疗慢性炎症时,改善血液循环,增加细胞的吞噬功能,消除肿胀,促进炎症消散。红外线可降低神经系统的兴奋性,有镇痛、解除横纹肌和平滑肌痉挛以及促进神经功能恢复等作用。在治疗慢性感染性伤口和慢性溃疡时,改善组织营养,消除肉芽水肿,促进肉芽生长,加快伤口愈合。红外线照射有减少烧伤创面渗出的作用。红外线还经常用于治疗扭挫伤,促进组织肿张和血肿消散以及减轻术后粘连,促进瘢痕软化,减轻瘢痕挛缩等。
红外线对血液的作用
因为红外线能够深入人体的皮下组织,所以利用红外线反应,使皮下深层皮肤温度上升,扩张微血管,促进血液循环,复活酵素,强化血液及细胞组织代谢,对细胞恢复年轻有很大的帮助并能改善贫血。调节血压:高血压及动脉硬化一般是神经系统、内分泌系统,肾脏等细小动脉收缩及狭窄所造成。远红外线扩张微血管,促进血液循环能使高血压降低,又能改善低血压症状。
红外线对关节的作用
红外线深透力可达肌肉关节深处,使身体内部温暖,放松肌肉,带动微血管网的氧气及养分交换,并排除积存体内的疲劳物质和乳酸等老化废物对消除内肿,缓和酸痛之效果卓越。
红外线对自律神经的作用
自律神经主要是调节内脏功能,人长期处在焦虑状态,自律神经系统持续紧张,会导致免疫力降低,头痛,目眩,失眠乏力,四肢冰冷。红外线可调节自律神经保持在最佳状态,以上症状均可改善或祛除。
红外线对护肤美容的作用
红外线照射人体产生共鸣吸收,能将引起疲劳及老化的物质,如乳酸、游离脂肪酸、胆固醇、多余的皮下脂肪等,籍毛囊口和皮下脂肪的活化性,不经肾脏,直接从皮肤代谢。因此,能使肌肤光滑柔嫩。远红外线的理疗效果能使体内热能提高,细胞活化,因此促进脂肪组织代谢,燃烧分解,将多余脂肪消耗掉,进而有效减肥。
红外线对循环系统的作用
远红外线照射的全面性和深透性,对于遍布全身内外无以数计的微循环组织系统,是唯一能完全照顾的理疗方式。微循环顺畅之后,心脏收缩压力减轻,氧气和养分供应充足,自然身轻体健。强化肝脏功能:肝脏是体内最大的化学工厂,是血液的净化器。远红外线照射引起的体内热深层效应,能活化细胞,提高组织再生能力,促进细胞生长,强化肝脏功能,提高肝脏解毒、排毒作用,使内脏环境保持良好状态,可说是最佳的防病战略。[2]
红外线对眼的作用 
由于眼球含有较多的液体,对红外线吸收较强,因而一定强度的红外线直接照射眼睛时可引起白内障。白内障的产生与短波红外线的作用有关;波长大于1.5微米的红外线不引起白内障。
光浴对机体的作用 
光浴的作用因素是红外线、可见光线和热空气。光浴时,可使较大面积,甚至全身出汗,从而减轻肾脏的负担,并可改善肾脏的血液循环,有利于肾功能的恢复。光浴作用可使血红蛋白红细胞中性粒细胞淋巴细胞嗜酸粒细胞增加,轻度核左移;加强免疫力。局部浴可改善神经肌肉的血液供应和营养,因而可促进其功能恢复正常。全身光浴可明显地影响体内的代谢过程,增加全身热调节的负担;对植物神经系统和心血管系统也有一定影响。

设备与治疗方法

红外线光源
1.红外线辐射器 
电阻丝缠在瓷棒上,通电后电阻丝产热,使罩在电阻丝外的碳棒温度升高(一般不超过500℃),发射长波红外线为主。红外线辐射器有立地式和手提式两种。立地式红外线辐射器的功率可达600~1000瓦或更大。
近年我国一些地区制成远红外辐射器供医用,例如有用高硅氧为元件,制成远红外辐射器。
2.白炽灯 
在医疗中广泛应用各种不同功率的白炽灯泡做为红外线光源。灯泡内的钨丝通电后温度可达2000~2500℃。
白炽灯用于光疗时有以下几种形式:
立地式白炽灯:用功率为250~1000W的白炽灯泡,在反射罩间装一金属网,以为防护。立地式白炽灯,通常称为太阳灯
手提式白炽灯:用较小功率(多为200W以下)的白炽灯泡,安在一个小的反射罩内,反射罩固定在小的支架上。
3.光浴装置 
可分局部或全身照射用二种。根据光浴箱的大小不同,在箱内安装40~60W的灯泡6~30个不等。光浴箱呈半圆形,箱内固定灯泡的部位可加小的金属反射罩。全身光浴箱应附温度计,以便观察箱内温度,随时调节。
红外线治疗的操作方法
1.患者取适当体位,裸露照射部位。
2.检查照射部位对温热感是否正常。
3.将灯移至照射部位的上方或侧方,距离一般如下:
功率500W以上,灯距应在50~60cm以上;功率250~300W,灯距在30~40cm;功率200W以下,灯距在20cm左右。
4.应用局部或全身光浴时,光浴箱的两端需用布单遮盖。通电后3~5分钟,应询问患者的温热感是否适宜;光浴箱内的温度应保持在40~50℃。
5.每次照射15~30分钟,每日1~2次,15~20次为一疗程。
6.治疗结束时,将照射部位的汗液擦干,患者应在室内休息10~15分钟后方可外出。
[附]注意事项
(1)治疗时患者不得移动体位,以防止烫伤。
(2)照射过程中如有感觉过热、心慌、头晕等反应时,需立即告知工作人员。
(3)照射部位接近眼或光线可射及眼时,应用纱布遮盖双眼。
(4)患部有温热感觉障碍或照射新鲜的瘢痕部位、植皮部位时,应用小剂量,并密切观察局部反应,以免发生灼伤。
(5)血循障碍部位,较明显的毛细血管或血管扩张部位一般不用红外线照射。
照射方式的选择和照射剂量
1.不同照射方式的选择 
红外线照射主要用于局部治疗,在个别情况下,如小儿全身紫外线照射时也可配合应用红外线做全身照射。局部照射如需热作用较深,则优先选用白炽灯(即太阳灯)。治疗慢性风湿性关节炎可用局部光浴;治疗多发性末梢神经炎可用全身光浴。
2.照射剂量
决定红外线治疗剂量的大小,主要根据病变的特点、部位、患者年龄及机体的功能状态等。红外线照射时患者有舒适的温热感,皮肤可出现淡红色均匀的红斑,如出现大理石状的红斑则为过热表现。皮温以不超过45℃为准,否则可致烫伤。

主要适应症和禁忌症

(一)适应症
风湿性关节炎,慢性支气管炎,胸膜炎,慢性胃炎,慢性肠炎,神经根炎,神经炎,多发性末梢神经炎,痉挛性麻痹、弛缓性麻痹,周围神经外伤,软组织外伤,慢性伤口,冻伤,烧伤创面,褥疮,慢性淋巴结炎,慢性静脉炎,注射后硬结,术后粘连,瘢痕挛缩,产后缺乳,乳头裂,外阴炎,慢性盆腔炎,湿疹,神经性皮炎,皮肤溃疡等。
(二)禁忌症 
有出血倾向,高热,活动性肺结核,重度动脉硬化,闭塞性脉管炎等。
[附]处方举例
(1)红外线照射双膝关节:灯距40cm,30分钟,每日一次,7次。适应症:慢性风湿性关节炎
(2)红外线照射右侧胸廓(下半部)灯距50cm,20分钟,每日一次,8次。适应症:右侧干性胸膜炎
(3) 太阳灯照射腰骶部:灯距40cm,20~30分钟,每日一次,6次。适应症:腰骶神经根炎
(4)全身光浴:箱内温度40~45℃,20~30分钟,每日一次,8次。适应症:多发性末梢神经炎
(5)左小腿局部光浴:20~30分钟,每日一次,8次。适应症:左侧腓总神经外伤

编辑本段污染问题

红外线近年来在军事、人造卫星以及工业、卫生、科研等方面的应用日益广泛,因此红外线污染问题也随之产生。红外线是一种热辐射,对人体可造成高温伤害。较强的红外线可造成皮肤伤害,其情况与烫伤相似,最初是灼痛,然后是造成烧伤。红外线对眼的伤害有几种不同情况,波长为7500~13000埃的红外线对眼角膜的透过率较高,可造成眼底视网膜的伤害。尤其是11000埃附近的红外线,可使眼的前部介质(角膜晶体等)不受损害而直接造成眼底视网膜烧伤。波长19000埃以上的红外线,几乎全部被角膜吸收,会造成角膜烧伤(混浊、白斑)。波长大于 14000埃的红外线的能量绝大部分被角膜和眼内液所吸收,透不到虹膜。只是13000埃以下的红外线才能透到虹膜,造成虹膜伤害。人眼如果长期暴露于红外线可能引起白内障。
红外线可以人为制造,自然界中也广泛存在,在焊接过程中也会产生,危害焊工眼部健康;一般的生物都会辐射出红外线,体现出来的宏观效应就是热度。
我们知道,热产生的原因,是组成物质的粒子做不规则运动.这个运动同时也辐射出电磁波,这些电磁波大部分都是红外线。
1.太阳光到了晚上的确是几乎没有了,但是地球上的物质都会辐射红外线,有的强烈有的平静。红外线照相是通过接收各种物质发出的红外线,再把他们展现出来,但是其本身不是通过发出红外线来照相的。
2.红外线透视和夜视是分别利用了红外线的不同性质。前面的夜视是因为人的肉眼不能看见红外线,而特殊设计的照相机和夜视仪却专门接受红外线,所以会出现我们觉得一片漆黑,而相机却能拍到东西,因为实际上到处都是红外线,对于红外照相机和夜视仪来讲是一片光明。
透视则是利用红外线的波长比可见光要长,可以穿过一些可见光不能通过的面料(比如混棉和尼龙),所以通过一定的选择滤波,可以得到这些面料后面的图像。

编辑本段应用实例

生活中高温杀菌,红外线夜视仪,监控设备,手机的红外口,宾馆的房门卡,汽车、电视机的遥控器、洗手池的红外感应,饭店门前的感应门

主动式红外夜视仪

具有成像清晰、制作简单等特点,但它的致命弱点是红外探照灯发出的红外光会被敌人的红外探测装置发现。60年代,美国首先研制出波动式的热像仪,它不发射红外光,不易被敌发现,并具有透过雾、雨等进行观察的能力。
1982年4月─6月,英国阿根廷之间爆发马尔维纳斯群岛战争。4月13日半夜,英军攻击阿根廷守军据守的最大据点斯坦利港。3000名英军布设的雷区,突然出现在阿军防线前。英国的所有枪支、火炮都配备了红外夜视仪,能够在黑夜中清楚地发现阿军目标。而阿军却缺少夜视仪,不能发现英军,只有被动挨打的份。在英军火力准确的打击下,阿军支持不住,英军趁机发起冲锋。到黎明时,英军已占领了阿军防线上的几个主要制高点,阿军完全处于英军的火力控制下。6月14日晚9时,14 000名阿军不得不向英军投降。英军领先红外夜视器材赢得了一场兵力悬殊的战斗。
1991年海湾战争中,在风沙和硝烟弥漫的战场上,由于美军装备了先进的红外夜视器材,能够先于伊拉克军的坦克而发现对方,并开炮射击。而伊军只是从美军坦克开炮时的炮口火光上才得知大敌在前。由此可以看出红外夜视器材在现代战争中的重要作用。

透视望远镜

就像F717 晚上把夜视开启来,再加个滤光镜,就可以透视了,不过对全棉的衣服透视效果最差。这本来是一项有用的功能,然而很快用户就发现这种红外线夜视镜片的功能不仅可应用于夜间望远而且还可以透过人的衣服偷看到身体。而制造这种夜视附件的厂商为YAMADA DENSHI,这家公司原本是为军队及防卫及应用生产光传摄像头的。

红外热成像仪

起源:六十年代早期,瑞典AGA公司研制成功第二代红外成像装置,它是在红外寻视系统的基础上以增加了测温的功能,称之为红外热像仪。
开始由于保密的原因,在发达的国家中也仅限于军用,投入应用的热成像装置可的黑夜或浓厚幕云雾中探测对方的目标,探测伪装的目标和高速运动的目标。由于有国家经费的支撑,投入的研制开发费用很大,仪器的成本也很高。以后考虑到在工业生产发展中的实用性,结合工业红外探测的特点,采取压缩仪器造价。降低生产成本并根据民用的要求,通过减小扫描速度来提高图像分辨率等措施逐渐发展到民用领域。
六十年代中期,AGA公司研制出第一套工业用的实时成像系统(THV),该系统由液氮致冷,110V电源电压供电,重约35公斤,因此使用中便携性很差,经过对仪器的几代改进,1986年研制的红外热像仪已无需液氮或高压气,而以热电方式致冷,可用电池供电;1988年推出的全功能热像仪,将温度的测量、修改、分析、图像采集、存储合于一体,重量小于7公斤,仪器的功能、精度和可靠性都得到了显著的提高。
九十年代中期,美国FSI公司首先研制成功由军用技术(FPA)转民用并商品化的新一红外热像仪(CCD)属焦平面阵列式结构的一种凝成像装置,技术功能更加先进,现场测温时只需对准目标摄取图像,并将上述信息存储到机内的PC卡上,即完成全部操作,各种参数的设定可回到室内用软件进行修改和分析数据,最后直接得出检测报告,由于技术的改进和结构的改变,取代了复杂的机械扫描,仪器重量已小于二公斤,使用中如同手持摄像机一样,单手即可方便地操作。 原理:红外热成像仪是根据凡是高于一切绝对零度(-273.15℃)以上的物体都有辐射红外线的基本原理、利用目标和背景自身辐射红外线的差异来发现和识别目标的仪器。
特点:由于各种物体红外线辐射强度不同、从而使人、动物、车辆、飞机等清晰地被观察到,而且不受烟、雾及树木等障碍物的影响,白天和夜晚都能工作。是目前人类掌握的最先进的夜视观测器材。但由于价格特别昂贵,目前只能被应用于军事上,但由于热成像的应用范围非常广泛、电力、地下管道、消防医疗、救灾、工业检测等方面都有巨大的市场,随着社会经济的发展、科学技术的进步、红外热成像这项高技术在二、三十年内必将大规模地应用于民间市场、为人类做出贡献。

 

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