Nghiên cứu tác dụng của tia hồng ngoại trong các khí tài quân sư

Định luật Kirchoff Với bước sóng, nhiệt độ và hướng bức xạ nhất định, tỷ số giữa khả năng bức xạ của vật e T với khả năng hấp thụ của nó a T tại cùng một điểm là một số không đổi đối

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập, nghiên cứu sau đại học tại trường Đại học Vinh, tôi

đã tiếp thu được rất nhiều kiến thức phong phú và bổ ích nhờ sự giảng dạy và hướng dẫn của các thầy giáo, cô giáo và các cán bộ khác của Trường Đại học Vinh Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo PGS TS Nguyễn Văn Phú, thầy đã giúp tôi định hướng đề tài, chỉ dẫn tận tình chu đáo và dành nhiều công sức cũng như cả sự ưu ái cho tôi trong suốt quá trình hoàn thành luận văn

Xin cảm ơn tập thể lớp Cao học K25-Vật lý chuyên ngành Quang học đã san

sẻ vui, buồn cùng tôi vượt qua những khó khăn trong học tập

Với tình cảm trân trọng, tôi xin gửi tới gia đình, những người thân yêu nhất

và bạn bè đã giúp đỡ, động viên, tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi học tập và nghiên cứu

Tác giả

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 1

3 Đối tượng khách thể và phạm vi nghiên cứu 2

4 Giả thuyết khoa học 2

5 Nhiệm vụ nghiên cứu 2

6 Phương pháp nghiên cứu đề tài 2

Chương 1 BỨC XẠ VÀ BỨC XẠ HỒNG NGHOẠI 3

1.1 Các đại lượng đặc trưng cho bức xạ 3

1.2 Các định luật cơ bản của bức xạ nhiệt 4

1.2.1 Định luật Kirchoff 4

1.2.2 Định luật Stefan - Bolzmann 5

1.2.3 Định luật Lambert 5

1.2.4 Định luật Wien 6

1.2.5 Định luật Plank 6

1.3 Sự suy giảm năng lượng bức xạ trong môi trường 7

1.3.1 Sự hấp thụ năng lượng bức xạ bởi nguyên tử 8

1.3.2 Sự tán xạ năng lượng bởi phân tử 9

Kết luận chương I 11

Chương 2 TÁC DỤNG CỦA TIA HỒNG NGOẠI TRONG MỘT SỐ KHÍ TÀI QUÂN SỰ……… 12

2.1.2 Hệ quang trong các thiết bị định vị 15

2.2 Các loại khí tài hồng ngoại thông dụng 16

2.2.1 Khí tài nhìn đêm 16

2.2.1.1 Những hiểu biết chung về khí tài nhìn đêm 16

2.2.1.2 Bộ biến đổi quang điện 18

2.2.1.3 Hệ quang trong khí tài nhìn đêm 21

2.2.1.4 Các thiết bị bảo vệ bộ BĐQĐ trong khí tài nhìn đêm 27

2.2.2 Ống nhòm hồng ngoại 28

2.2.2.1 Công dụng 28

2.2.2.2 Tính năng kỹ thuật 28

2.2.2.3 Cấu tạo 28

2.2.3 Thiết bị kiểm tra khí tài hồng ngoại KANP (КАНП) trên xe công trình xa OE (OЭ) 29

2.2.3.1 Công dụng và thành phần 29

2.2.3.2 Cấu tạo 30

2.2.4 Thiết bị kiểm tra tổng hợp UKNP-1 (УКAНП-1) và kính lái xe ban đêm PNV-57 (HB-57) 32

2.2.4.1 Thiết bị kiểm tra tổng hợp UKNP-1 32

2.2.4.1.1 Công dụng 32

2.2.4.1.2 Tính năng 33

2.2.4.1.3 Công dụng của các bộ phận trong thiết bị (hình 2.17) 35

2.2.4.1.4 Đồng bộ 38

2.2.4.2 Kính lái xe ban đêm PNV-57 (HB–57) 39

2.2.4.2.1 Công dụng 39

2.2.4.2.2 Tính năng kỹ thuật 39

2.2.4.2.3 Cấu tạo 40

2.2.4.2.4 Sử dụng PNV-57 (ПНВ-57) để lái xe 42

2.3 Nguyên tắc ngụy trang chống trinh sát hồng ngoại 43

Kết luận chương II 44

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 46

DANH MỤC CÔNG TRÌNH TÁC GIẢ 47

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHỎA……… 48

Trong lĩnh vực quân sự, KTHN được dùng nhiều nhất và đóng vai trò quan trọng khi chiến đấu ban đêm Hiện nay trong vật lý phổ thông cũng như trong các chương trình đào tạo bậc đại học sư phạm và cao học, các ứng dụng của tia hồng ngoại trong khoa học kỹ thuật và cuộc sống trình bày còn có giới hạn, chưa có tính chất hệ thống, chuyên sâu Vì vậy trong luận văn này, tôi chọn “Nghiên cứu tác dụng của tia hồng ngoại trong các khí tài quân sự ” làm đề tài tốt nghiệp của mình

Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung chính của luận văn được trình bày trong hai chương

Chương 1 Bức xạ và bức xạ hồng ngoại Trong chương này chúng tôi trình bày các khái niệm và tính chất của bức xạ điện từ nói chung và bức xạ hồng ngoại nói riêng

Chương 2 Tác dụng của tia hồng ngoại trong các khí tài quân sự Trong chương này chúng tôi tìm hiểu vai trò, tác dụng của tia hồng ngoại trong một số khí tài quân sự được sử dụng trong quân đội Liên Xô (trước đây) và quân đội Nga hiện nay

2 Mục đích nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu của luận văn là: Nghiên cứu nguyên tắc cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của các khí tài hồng ngoại và một số ứng dụng của chúng

2

3 Đối tượng khách thể và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng: Các KTHN thực tiễn

- Phạm vi: Trong lĩnh vực quân sự

4 Giả thuyết khoa học

Khí tài quang học là thiết bị không thể thiếu trong trang bị vũ trang quân sự Đặc biệt là khi tác chiến ban đêm, nên KTHN trở nên càng quang trọng hơn KTHN là những từ ngữ còn xa lạ đối với học sinh phổ thông lẫn sinh viên Vậy KTHN tuân theo nguyên tắc nào, phạm vi nghiên cứu và các thiết bị KTHN hiện nay là các giả thuyết khoa học của vấn đề

5 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Nghiên cứu nguyên tắc cấu tạo và nguyên tắc hoạt động

- Tìm hiểu một số ứng dụng của KTHN

6 Phương pháp nghiên cứu đề tài

Nghiên cứu bằng phương pháp lý thuyết

3

Chương 1 BỨC XẠ VÀ BỨC XẠ HỒNG NGHOẠI 1.1 Các đại lượng đặc trưng cho bức xạ

Năng lượng bức xạ trong các vùng sóng mà mắt thường không nhìn thấy được, vùng hồng ngoại và vùng tử ngoại, được đo bằng hệ thống đơn vị năng lượng [3.tr.11] Hai hệ thống đơn vị đo năng lượng bức xạ liên hệ với nhau thông qua hệ số nhìn thấy và hệ số tương đương ánh sáng [3.tr.11]

Hệ số nhìn thấy V td là tỷ số giữa dòng thông lượng  mà bề mặt vật chất nhận được tính bằng lux và dòng bức xạ nl  tính bằng oát

Tỷ số giữa hệ số nhìn thấy tuyệt đối V td của ánh sáng có bước sóng  với giá trị

V ở giá trị cực đại- v max được gọi là hệ số nhìn thấy tương đối V Hệ số V được thể hiện bằng đồ thị (hình 1.1) nhờ nó ta có thể xác định hệ số nhìn thấy qua công thức (1.2)

Hình 1.1 - Các đường cong hệ số nhìn thấy của mắt người ban ngày (nét liền)

4

Mas là hệ số tương đương cơ học, nó cho biết phần công suất tối thiểu (tính bằng oát) cần thiết để tạo ra thông lượng ánh sáng 1 lux ở bước sóng ứng với khả năng nhìn thấy cực đại của mắt người Thông thường Mas = 0,0016 W/lux

Nếu trong vùng sóng nào đó giá trị thông lượng  không đều và được biểu diễn bằng hàm nl()thì tổng thông lượng mà mắt có thể nhận biết là:

1.2 Các định luật cơ bản của bức xạ nhiệt

Bức xạ nhiệt là bức xạ phát ra bởi sự kích thích các nguyên tử và phân tử do chuyển động nhiệt của chúng (bức xạ nhiệt là bức xạ cân bằng vì trong quá trình bức

xạ các vật đều nằm ở trạng thái cân bằng - nhiệt độ của vật không thay đổi) Ta cần phải nghiên cứu các định luật của bức xạ nhiệt vì tất cả mọi vật có nhiệt độ lớn hơn 0K đều phát bức xạ nhiệt Hơn nữa, điểm cực đại của bức xạ nhiệt phần lớn lại nằm ở vùng hồng ngoại

1.2.1 Định luật Kirchoff

Với bước sóng, nhiệt độ và hướng bức xạ nhất định, tỷ số giữa khả năng bức xạ của vật e T với khả năng hấp thụ của nó a T tại cùng một điểm là một số không đổi đối với tất cả các vật

a

ea

ea

e

n T

T 2

T

T 1

5

n T

T 2

T

T 1

T

a

ea

ea

Từ định luật Kirchoff có thể rút ra một số kết luận sau:

+ Tại cùng một bước sóng và cùng một nhiệt độ, khả năng bức xạ của các vật tỷ

lệ với khả năng hấp thụ của nó Hay nói cách khác vật hấp thụ mạnh ở bước sóng nào thì cũng bức xạ mạnh bước sóng đó

+ Trong cùng một điều kiện khả năng bức xạ của vật đen tuyệt đối cao hơn các vật khác

+ Tại một điều kiện xác định về bước sóng và nhiệt độ, vật không hấp thụ thì cũng không bức xạ

Định luật Kirchoff chỉ đúng cho vật bức xạ nhiệt (ở bất kỳ trạng thái vật chất nào) và không phụ thuộc vật bức xạ huỳnh quang hay nguồn năng lượng hóa

1.2.2 Định luật Stefan - Bolzmann

Tổng năng lượng sáng (mật độ bức xạ) Rn.T. của vật thực tại nhiệt độ T trong môi trường có tính chất như vật đen tuyệt đối và có nhiệt độ TTB tỷ lệ với hiệu lũy thừa bậc bốn của nhiệt độ T và TTB

TB

Trong đó  là hằng số Stefan - Bolzmann ( = 5,6687.10-8 W.m-2.K-4)

Trong trường hợp nhiệt độ vật bức xạ rất cao so với nhiệt độ môi trường xung quanh hoặc khả năng hấp thụ của môi trường quá thấp thì biểu thức trên có dạng:

1.2.3 Định luật Lambert

Nếu vật bức xạ có độ chói B đều khắp về mọi phía thì bề mặt ấy có thể coi vật bức xạ tán xạ và có thể áp dụng định luật Lambert (định luật cosin) Định luật phát biểu như sau: Cường độ năng lượng ánh sáng của bề mặt bức xạ tán xạ tỷ lệ với cosin góc i tạo bởi hướng bức xạ và pháp tuyến của bề mặt

6

Mật độ năng lượng Enl của dòng chiếu xạ tới diện tích S cách nguồn bức xạ một đoạn D là năng lượng đi qua một đơn vị diện tích bề mặt nằm vuông góc với hướng bức xạ trong một đơn vị thời gian

D I

1.2.4 Định luật Wien

Bước sóng tương ứng với năng lượng bức xạ cực đại max tỷ lệ nghịch với nhiệt

độ tuyệt đối T của vật bức xạ

max  C

Ở đây hệ số C = (0,289782  0,000013).10-2 m.K

1.2.5 Định luật Plank

Định luật Plank được đúc kết trên cơ sở nhìn nhận bức xạ theo quan điểm lượng

tử Nó đặc trưng cho sự phụ thuộc của sự phân bố công suất bức xạ ở vật đen tuyệt đối trong vùng hẹp  vào nhiệt độ T và bước sóng  Cường độ phổ của năng lượng sáng

ở vật bức xạ lý tưởng trong giới hạn bán cầu và vùng sóng từ  đến  +  tại nhiệt độ

T được tính theo biểu thức Plank

1 5

4 4 5 1

15

2

T h

c

T k

7

h c

K

2

4 5

Hình 1.2 - Đồ thị mật độ phổ cường độ bức xạ của vật đen tuyệt đối nhiệt độ cao

Hình 1.2 cho ta thấy khi nhiệt độ của vật bức xạ tăng thì bước sóng ứng với năng suất bức xạ cực đại bức xạ giảm Cũng từ hình 1.2 ta thấy ở điều kiện nhiệt độ bình thường bước sóng năng suất bức xạ cực đại nằm ở vùng hồng ngoại Đối với mặt trời, nhiệt độ vào khoảng 6000K thì bước sóng ứng với năng suất bức xạ cực đại cỡ

550 nm - ánh sáng màu vàng Chỉ những vật có nhiệt độ cao hơn nhiều nhiệt độ 6000K thì bước sóng ứng với năng suất bức xạ cực đại mới rơi vào vùng tử ngoại

1.3 Sự suy giảm năng lượng bức xạ trong môi trường

Khi bức xạ hồng ngoại lan truyền trong môi trường nó sẽ bị suy giảm vì chịu tác động của môi trường đó Các nguyên nhân chính gây suy giảm bức xạ khi qua môi trường là sự hấp thụ bởi phân tử, sự tán xạ bởi phân tử và sự tán xạ bởi các bụi khí quyển Năng lượng bức xạ bị hấp thụ tức là bị chuyển sang dạng năng lượng khác Chính các phân tử của vật chất trong khí quyển đã hấp thụ năng lượng bức xạ còn các phân tử khí đơn lẻ hoặc các đám phân tử khí trong khí quyển lại có thể làm chuyển hướng lan truyền ban đầu của bức xạ gây ra sự tán xạ Ngoài ra, các thành phần khác tồn tại trong khí quyển như bụi, khói, mây, tuyết cũng đều có khả năng gây ra sự tán

xạ bức xạ Chúng ta hãy xét đến một số nguyên nhân chủ yêu làm suy giảm bức xạ

8

1.3.1 Sự hấp thụ năng lượng bức xạ bởi nguyên tử

Các nguyên tử hấp thụ năng lượng bức xạ ở các bước sóng ứng với số nguyên lần tần số cộng hưởng của các dao động quay và dao động tịnh tiến trong các nguyên

tử đó Khả năng hấp thụ bức xạ của các phân tử trong khí quyển mang tính chọn lọc đối với mỗi loại vật chất Vùng phổ ứng với các bước sóng mà vật chất hấp thụ gọi là dải hấp thụ Trong vùng bức xạ hồng ngoại, dải hấp thụ hay phản xạ ứng với các chuyển động quay hoặc dao động nội tại của nguyên tử Dao động của các nguyên tử trong phân tử sẽ gây ra vùng hấp thụ lớn còn chuyển động quay sẽ gây ra vùng hấp thụ

bé hơn xen kẽ với vùng hấp thụ do dao động của các nguyên tử gây ra

Ta cũng có thể thấy rõ ở cùng một loại vật chất (chẳng hạn nước) khi ở trạng thái lỏng và trạng thái khí, khả năng hấp thụ bức xạ của nó khác nhau

Để tính toán khả năng hấp thụ năng lượng bức xạ của phân tử người ta đưa ra giả thuyết là chùm bức xạ đơn sắc có bước sóng ở lan truyền trong khí quyển (Hình 1.2) tới một thiết bị hồng ngoại Bức xạ từ mục tiêu Mt có độ dọi là R.n.l sau khi qua đoạn đường là D tạo ra tại điểm O (của máy thu) độ dọi phổ là Enlở(D) Như vậy năng lượng bị giảm trên đoạn dD có thể tính theo biểu thức:

Enở(D)= Rnở e htD

Trong đó Rnlở là phổ độ chói năng lượng tại mục tiêu

9

Thực tế cho thấy là tính toán theo công thức 1.19 sẽ có sai số Để chính xác hơn, phải xét hệ số hấp thụ trong điều kiện, đó là hàm số phụ thuộc vào bước sóng và vào

cự ly

Hình 1.4 - Tính sự hấp thụ năng lượng bức xạ bởi phân tử trong khí quyển

Người ta đã tính được giá trị hệ số cho qua tuyệt đối của khí quyển đối với dòng bức xạ khi xét tới sự hấp thụ phân tử là:

 - Dòng thông lượng đơn vị (bức xạ hoặc phản xạ từ mục tiêu) ở đoạn

I - m của dải cho qua, w

)D('nl.ht.i

 - Dòng thông lượng đơn vị (bức xạ hoặc phản xạ từ mục tiêu) ở

đoạn i - m của dải cho qua, trong điều kiện bị hấp thụ đã tới máy thu sau khi qua

là hệ số truyền qua của khí quyển khi có sự hấp thụ phân tử dọc chiều dài D km

Lúc đó công thức (1.18) tính thông lượng bức xạ đơn vị trên cự ly D km khi có hấp thụ phân tử là:

nl.ht.i(D)nl.i.ht.i (1.19)

1.3.2 Sự tán xạ năng lượng bởi phân tử

Sự tán xạ năng lượng bức xạ bởi phân tử xẩy ra khi có sự tán xạ khuếch tán và phản xạ khuếch tán khi bức xạ hồng ngoại đi qua vùng khí có sự đan xen bởi các nguyên tử đơn lẻ hoặc nhóm nguyên tử có chiết suất khác nhau Do có sự chuyển động nhiệt cũng như điều kiện nhiệt độ thay đổi theo vùng, mùa, tháng, ngày thậm chí theo giờ nên tính không đồng nhất của môi trường khí càng trở nên rõ rệt Nếu coi môi trường khí là thuần nhất không có bụi khí quyển thì có thể nói qúa trình tán xạ phân tử

M I

N o pt

tx.pt - Hệ số tán xạ phân tử trên đoạn đường 1 km

Mặt khác ta có thể biểu diễn giá trị năng lưọng bức xạ bị tán xạ phân tử ở cự ly D bằng:

TX n tx

Trong đó: n – Năng lượng bức xạ trước khi qua môi trường có độ dài D

txp eTXp  0 , 998h tn- Hệ số trong suốt của môi trường trên cự ly 1

km dưới tác động của tán xạ phân tử

Như đã nêu ở trên mọi bức xạ đi qua môi trường đều chịu tác động của môi trường

đó và làm cho năng lượng bức xạ bị giảm đi Việc xác định một cách chính xác phần năng lượng còn lại sau khi qua môi trường cũng như đánh giá rõ từng phần đã suy giảm bởi các nguyên nhân tương ứng là rất khó Để xác định tương đối thông lượng bức xạ khi qua môi trường lý tưởng, người ta chia quãng đường D thành m đoạn nhỏ, trên từng đoạn đó tính hệ số cho qua bởi khí quyển kq

tx ht

Tán xạ bức xạ bởi các bụi khí quyển, bởi mưa, sương mù và các yếu tố khác đã được nghiên cứu kỹ ở từng vị trí khác nhau, từng thời điểm khác nhau và độ cao khác nhau thấy rằng năng lượng bức xạ bị suy giảm có khác nhau Trong từng trường hợp

cụ thể có thể phải xét toàn bộ những yếu tố ảnh hưởng hoặc bỏ qua một vài yếu tố

Kết luận chương I

Trong chương này chúng tôi đã trình bày những khái niệm cơ bản về các đại lượng đặc trưng cho bức xạ, các định luật cơ bản của bức xạ nhiệt như định luật Kirchoff, định luật Stelfan-Boltzmann,… Khi lan truyền trong môi trường vật chất, năng lượng bức xạ bị suy giảm do sự tán xạ hay do sự tương tác giữa trường bức xạ với phần tử vật chất của môi trường

12

Chương 2 TÁC DỤNG CỦA TIA HỒNG NGOẠI TRONG MỘT SỐ

KHÍ TÀI QUÂN SỰ 2.1 Nguyên tắc định vị và tự dẫn hồng ngoại

- Phát hiện và xác định tọa độ mục tiêu

- Quan sát, theo dõi và chỉ thị cho vũ khí tiêu diệt mục tiêu

Sơ đồ khối của một thiết bị định vị nhiệt như sau:

Hình 2.1 - Sơ đồ khối một thiết bị định vị nhiệt

Hệ thống quang học có nhiệm vụ thu nhận và tập trung năng lượng vào đầu thu Trong thực tế người ta đặt hệ quang và đầu thu gắn liền với nhau Trong một phạm vi góc 2 nào đấy, sau khi đã phát hiện ra mục tiêu, máy chuyển sang chế độ bám mục tiêu với góc thị giới 2ω nhỏ hơn Tùy tính chất và nhiệm vụ của thiết bị cũng như đối tượng cần khảo sát mà người ta dùng các đầu thu có độ nhạy và hệ số khuếch đại khác nhau (quang trở, bộ nhân quang, quang điốt, bộ biến đổi quang điện) Để xác định được vị trí của mục tiêu so với trục của hệ quang và đầu thu, người ta thường lắp thêm các đĩa điều chế quang Tín hiệu ra từ đầu thu là tín hiệu điện, nó được khuếch đại tới giá trị cần thiết để các khối tiếp theo có thể làm việc tin cậy Tùy tính chất của hệ quang điện, tín hiệu từ mục tiêu được đưa vào bộ phận xử lý có chức năng: chụp ảnh, bắn phá mục tiêu, lái đạn và thiết bị bay đến mục tiêu

13

Trong các thiết bị định vị này hệ quang cần có các tính chất như: ít hấp thụ năng lượng bức xạ trong vùng phổ làm việc của đầu thu, tạo được ảnh mục tiêu trên đầu thu bé nhất Người ta thường dùng hệ thấu kính, hệ gương hoặc tổ hợp thấu kính - gương Để có thể đưa đầu thu hướng về mọi phía trong góc 2 phải sử dụng nhiều cơ cấu cơ khí phức tạp Với các cơ cấu cơ điện, cho phép toàn bộ đầu thu và hệ quang chuyển động theo một quy luật nhất định vừa tiết kiệm năng lượng vừa không bỏ sót mục tiêu cần tìm kiếm [3.tr.60]

Như vậy, trong hệ thống định vị nhiệt, ngoài thị giới của hệ 2, chúng còn có một thị giới tức thời 2 nào đó được xác định bởi chính hệ quang của thiết bị Trên cơ

sở nguyên lý một thiết bị định vị nhiệt người ta tạo ra các trang bị khác nhau như:

- Hệ tự dẫn đạn dùng bức xạ hồng ngoại

- Hệ tự dẫn trên các máy bay

- Ra đa quang học

Để dẫn đạn tới mục tiêu là các vật thể bay (nguồn bức xạ hồng ngoại) người ta

áp dụng một trong những phương pháp sau:

Máy bay mang đạn có đầu thu bức xạ hồng ngoại (định vị hồng ngoại), máy bay

đối phương là mục tiêu phát bức xạ hồng ngoại (hình 2.2) Khi cường độ bức xạ từ

mục tiêu thu được đạt giá trị xác định, đạn được phóng đi Đạn tự chỉnh qũy đạo bay của mình đểtiến tới tiêu diệt mục tiêu

Hình 2.2 - Quá trình tự dẫn theo phương pháp thụ động [3.tr.60]

Sơ đồ này dùng cho đạn không đối không, đất đối không, đất đối biển, không đối đất

15

quang điện, khối điện tử và khối chấp hành Khối quang điện ngoài hệ quang còn có yếu tố thu là quang trở PbS không làm lạnh, đĩa điều chế quay với tốc độ 30 vg/ph Góc mở tức thời của hệ quang là 4o và với việc sử dụng ngòi quang điện, khi cách mục tiêu 10m đạn sẽ nổ

Hình 2.5 - Đầu tự dẫn hồng ngoại kiểu Cywinder

1 ốp che; 2 Gương; 3 Gương thẳng; 4 Yếu tố thu; 5 Đĩa điều chế;

6 Khối cơ điện; 7 Cánh lái [3.tr.62]

2.1.2 Hệ quang trong các thiết bị định vị

Như đã trình bày ở trên, hệ quang trong các thiết bị định vị có vai trò hết sức quan trọng Để hiểu rõ hơn, chúng ta khảo sát hệ quang tiêu biểu là hệ hội tụ

Định vị nhiệt là một dạng khí tài làm việc trong vùng hồng ngoại, vì thế hệ quang hội tụ trong các thiết bị định vị nhiệt cũng có vai trò như của hệ quang trong khí tài hồng ngoại (KTHN) là dùng để thu nhận và tụ tiêu bức xạ từ mục tiêu vào đầu thu Nhờ có hệ hội tụ năng lượng tới đầu thu được tập trung hơn và tăng độ dọi

a b

Hình 2.6- Hệ quang hội tụ

Hệ hội tụ trong KTHN khác hệ hội tụ trong khí tài quang học thông thường ở hai điểm chính:

16

- Thuỷ tinh dùng trong KTHN là loại có hệ số cho qua ở vùng sóng hồng ngoại mạnh nhất, có loại không cho qua ở vùng khả kiến, và thủy tinh có hệ số cho qua cao ở vùng khả kiến lại có hệ số cho qua thấp hoặc không cho qua ở vùng hồng ngoại

- Chất lượng ảnh có khác nhau vì hiện tượng giao thoa

Ta coi KTHN làm việc với nguồn điểm ở cự ly hữu hạn thì chùm tia từ mục tiêu tới đầu thu không song song và kích thước đầu thu là rất nhỏ so với khoảng cách

từ đầu thu tới mục tiêu

Hệ quang dùng để hội tụ bức xạ trong KTHN phải đáp ứng các yêu cầu sau đây:

- Đáp ứng thị giới cần thiết của khí tài

- Hao tổn năng lượng ít nhất ở vùng sóng công tác

- ảnh thu được trên đầu thu là bé nhất và không có quang sai kể từ biên vào

2.2.1.1 Những hiểu biết chung về khí tài nhìn đêm

Các thiết bị quang điện tử cho phép quan sát mục tiêu trong điều kiện đêm tối được gọi là khí tài nhìn đêm Hiện nay quân đội ta đang dùng các khí tài nhìn đêm làm việc ở vùng hồng ngoại gần (0,76 - 1,2m) Các khí tài này còn được gọi là khí tài hồng ngoại Tùy theo tính chất sử dụng người ta chia khí tài nhìn đêm thành 3 nhóm chính:

17

Hình 2.7 - Sơ đồ làm việc của kính nhìn đêm

Người ta còn phân khí tài hồng ngoại thành khí tài chủ động và khí tài thụ động

Sự khác nhau giữa khí tài chủ động (hình 2.7) và khí tài thụ động là ở chỗ khí tài chủ động có hệ chiếu mục tiêu bằng bức xạ hồng ngoại (thường là pha hồng ngoại) còn khí tài thụ động thì không có

Pha hồng ngoại có nhiệm vụ phát và hướng bức xạ hồng ngoại về hướng cần quan sát (mục tiêu, đường đi) Bức xạ này tới mục tiêu, một phần năng lượng của nó được phản xạ trở lại và đi tới kính quan sát

Một khí tài nhìn đêm có 3 cụm chính: pha bức xạ hồng ngoại, ống kính quan sát

và khối nguồn (hình 2.8) Kính quan sát gồm 3 phần chính: vật kính, bộ biến đổi quang điện (BĐQĐ), thị kính Vật kính dựng ảnh mục tiêu lên quang catốt của bộ BĐQĐ.Bộ BĐQĐ biến đối ảnh của vật ở vùng hồng ngoại (không thể nhìn thấy được bằng mắt thường) thành ảnh của vật ở vùng nhìn thấy Thông qua thị kính ta có thể nhìn thấy ảnh của mục tiêu

Hình 2.8 - Sơ dồ một khí tài nhìn đêm [3.tr.73]

Khối nguồn có nhiệm vụ cấp điện cho pha hồng ngoại và bộ biến đối điện áp để biến đổi điện áp thấp (cỡ vài vôn đến vài chục vôn) thành điện áp cao (vài chục kilôvôn) cấp cho bộ BĐQĐ

18

Ngoài 3 cụm chính trong kính nhìn đêm còn các bộ phận khác như: bộ phận bảo

vệ bộ BĐQĐ (cơ khí và điện tử), cụm điều chỉnh kính phân vạch (trong các kính ngắm đêm), bộ phân áp (để cấp các điện áp khác nhau cho bộ biến quang nhiều tầng), hệ làm lạnh (để nâng cao độ nhạy của kính quan sát) Với các khí tài còn có thể có các thiết bị phụ như đệm trán, đệm mắt, giá đỡ,

Như vậy trong khí tài nhìn đêm thành phần chủ yếu giữ vai trò quyết định đặc điểm làm việc của loaị khí tài này là bộ BĐQĐ Để hiểu kỹ khí tài nhìn đêm, chúng ta nghiên cứu nguyên lý làm việc của bộ BĐQĐ

2.2.1.2 Bộ biến đổi quang điện

Bộ BĐQĐ là thành phần quan trọng nhất của khí tài nhìn đêm, có nhiệm vụ biến đổi ảnh từ vùng sóng không nhìn thấy thành ảnh ở vùng sóng nhìn thấy, đồng thời khuyếch đại độ chói của ảnh đó

Người ta phân bộ BĐQĐ thành loại một tầng và loại nhiều tầng Người ta còn phân biệt các loại bộ BĐQĐ theo vùng phổ nhạy cảm của quang catốt như vùng hồng ngoại, vùng khả biến (vùng nhìn thấy), vùng cực tím, người ta cũng phân biệt chúng theo phương pháp hội tụ chùm quang điện tử

a) Nguyên lý cấu tạo và hoạt động

Bộ BĐQĐ đơn giản là một bình thủy tinh được hút chân không cao (khoảng 1,33.10-3 đến 1,33.10-4 Pa) một đầu là quang catốt (photocatode), một đầu là màn ảnh (screen) Quang catốt có thể nhạy cảm trong vùng từ ngoại, vùng nhìn thấy và vùng hồng ngoại còn màn ảnh cho ảnh trong vùng nhìn thấy của mắt người Như vậy bộ BĐQĐ có chức năng chính là biến đổi ảnh từ vùng phổ này sang vùng phổ khác và khuếch đại độ chói của ảnh đó

Hình 2.9 - Bộ biến đổi quang điện.1 - Vật; 2 - vật kính; 3 - ảnh; 4 – quang ca tốt; 5 -

thân bộ BĐQĐ; 6 - ảnh trên màn ảnh; 7 – màn ảnh

19

Bộ BĐQĐ (hình 2.9) làm việc theo nguyên lý của hiệu ứng quang điện ngoài Giữa quang catốt và màn ảnh được đặt điện áp cỡ vài chục KV Vật kính dựng ảnh của mục tiêu trên quang catốt Chùm tia sau khi vượt qua lớp thủy tinh của bình, đập vào màng nhạy cảm của quang catốt làm bứt các điện tử ra khỏi bề mặt lớp màng Số điện

tử bật ra từ mỗi điểm trên quang catốt tỷ lệ với cường độ bức xạ chiếu tới điểm đó Các quang điện tử bật ra từ mỗi điểm của quang catốt được gia tốc và hội tụ bởi điện trường giữa quang catốt và màn ảnh, (trong bình thủy tinh của bộ BĐQĐ người ta đặt một điện cực phụ để hội tụ chùm quang điện tử, nhờ điện cực này mà tạo ra trong không gian bên trong bình một hệ "thấu kính điện tử" (Nếu không có hệ hội tụ này thì

độ nét của ảnh sẽ rất thấp) Các quang điện tử bật ra từ một điểm của quang catốt với tốc độ và hướng khác nhau sẽ bay tới và đập vào một điểm tương ứng của màn ảnh Màn ảnh là một lớp phát quang được tạo trên thành bên trong của bình thủy tinh Khi các quang điện tử đập vào màn ảnh sẽ làm phát quang ở vùng phổ nhìn thấy mà ta nhìn thấy được qua thị kính Ta xét cụ thể các thành phần của bộ BĐQĐ

b) Quang catốt

Là một lớp bán dẫn được phủ lên thành bên trong của bình thủy tinh làm bộ BĐQĐ, quang catốt làm việc theo hiệu ứng quang ngoài, quá trình làm việc của nó được chia thành ba giai đoạn chính:

+ Các photon ánh sáng từ mục tiêu (bức xạ hồng ngoại) xuyên qua lớp thủy tinh

và truyền năng lượng cho các điện tử của lớp bán dẫn làm quang catốt

+ Các điện tử nhận năng lượng và di chuyển ra bề mặt phía trong của quang catốt

+ Các điện tử thu được năng lượng đủ lớn thì thoát ra khỏi bề mặt lớp bán dẫn quang catốt

Năng lượng mà các photon ánh sáng truyền cho các điện tử không phụ thuộc vào cường độ ánh sáng mà phụ thuộc vào tần số của bức xạ chiếu tới và vật liệu làm quang catốt Với mỗi loại vật liệu làm quang catốt có một dải bước sóng làm việc nhất định

Loại vật liệu Bước sóng gh (m)

20

Oxyt bạc - Sezi (AgO - Cs) 1,35 - 1,5

Oxyt, sunfua với Sezi 0,7 - 0,75

Bảng 2.1 Giá trị giới hạn quang điện của một số loại kim loại và bán dẫn thường được

dùng làm quang catốt [3.tr.76]

Hình 2.10 - Kết cấu quang catốt

a) ôxýt bạc với hỗn hợp xêzi: 1 Thành thủy tinh; 2 Lớp bạc; 3 Hạt xêzi trong hỗn

hợp; 4 Tinh thể xêzi ở lớp ngoài

b) ôxýt antimon với hỗn hợp xezi; 1 Thành thủy tinh; 2 Xêzi trong hỗn hợp; 3 Xêzi

mặt ngoài

Người ta phủ một lớp bạc mỏng lên đế thủy tinh để đạt được độ đồng nhất (phẳng), sau đó bằng phương pháp bốc bay trong chân không phủ tiếp một lớp hợp chất Ag2O, Cs2O và Cs Sau cùng người ta phủ thêm một lớp đơn tinh thể Cs để giảm công thoát Đây là loại quang catốt chủ yếu làm việc trong vùng hồng ngoại gần(hình 2.10)

Khi đánh giá một loại quang catốt nào đó, người ta quan tâm đến các thông số như đặc tính tần số, đặc tính ánh sáng, đặc tính vôn - ampe và độ nhạy

c) Màn ảnh

Trên mặt trong của thành thủy tinh đối diện với quang catốt người ta phủ một lớp huỳnh quang, sau đó phủ tiếp một màng nhôm chống phản xạ (hình 2.11) Nhờ có lớp nhôm này ánh sáng do lớp huỳnh quang phát ra không tác động trở lại quang catốt

21

(ánh sáng này mạnh hơn bức xạ đi vào khoảng 1,6 -1,8 lần) và làm giảm sự tích điện của màn ảnh

Người ta thường dùng các chất sau làm màn ảnh:

- Hợp chất sunfát: ZnSO4, ZnSO4-Cd

1 - Tinh thể phát quang; 2 - Màng nhôm; 3 - Thủy tinh bộ biến quang;

4 - Các điện tử chiếu tới; 5 - Hướng phát sáng

2.2.1.3 Hệ quang trong khí tài nhìn đêm

Hệ quang của khí tài nhìn đêm có tác dụng dựng ảnh do vật kính tạo ra lên quang catôt, nhìn ảnh trên màn ảnh và để chiếu sáng mục tiêu Như vậy hệ quang trong KNĐ phải làm việc với mắt hoặc với đầu thu bức xạ (BĐQĐ)

Hệ quang trong khí tài nhìn đêm có hai phần: vật kính và thị kính

Vật kính đặt trước bộ BĐQĐ, tiêu điểm sau của nó trùng với quang catốt của bộ BĐQĐ Thị kính đặt sau bộ BĐQĐ, tiêu điểm trước của nó trùng với màn ảnh của bộ BĐQĐ Hai thành phần đó của hệ quang làm việc ở hai vùng bước sóng khác nhau Vật kính làm việc ở vùng hồng ngoại, thị kính làm việc ở vùng nhìn thấy Hệ quang KNĐ sử dụng các hệ thấu kính, gương, hệ hỗn hợp và sợi quang.Tùy theo yêu cầu cần đạt được của khí tài mà người ta sử dụng hệ này hoặc hệ kia Trong nhiều trường hợp người ta có lắp thêm kính lọc hồng ngoại vào hệ vật kính (hình 2.12)