Видеть в полной темноте

Справедливости ради, отметим – сам по себе болометр (а именно об этом приборе пойдет речь в нашем рассказе) не новинка. Ученые разрабатывают способы получения изображений объектов в инфракрасном диапазоне достаточно давно. И первый болометр был изобретен американским физиком и астрономом Самуэлем Пирпонтом Лэнгли еще в 1878 году. Прибор оказался востребован в самых разных отраслях науки. А в годы Второй мировой войны компания Bell создала первый в мире полупроводниковый болометр, который отличался простотой, надежностью и высокой чувствительностью. Вскоре после этого болометры окончательно утратили статус исключительно лабораторных приборов и сегодня имеют довольно широкий спектр применения.

Как это работает

Болометр – это приемник электромагнитного (прежде всего, инфракрасного) излучения объекта. Обычно он состоит из двух полупроводниковых термисторов (элементов с высоким температурным коэффициентом сопротивления). Первый (активный) – улавливает излучение объекта, второй – компенсирует. Их взаимодействие проявляется в изменении сопротивления, эти изменения обрабатываются и на их основе прибор строит визуальный образ объекта. Оба помещены в герметичный корпус во избежание сторонних помех.
Традиционно для того, чтобы прибор заработал, его термистор требовалось охладить до сверхнизкой температуры (примерно до температуры жидкого азота). Естественно, это заметно удорожает как изготовление прибора, так и его эксплуатацию, поскольку каждый из них приходится оснащать специальной криогенной системой. Кроме того, постоянно возрастают требования к чувствительности приборов и качеству выдаваемого ими изображения.
Немалый вклад в развитие отечественной болометрии внесла группа исследователей Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН (г. Новосибирск) под руководством к.ф-м.н. Дмитрия Есаева. Совместно с московской организацией ОАО «ЦНИИ «Циклон» они разработали микроболометрические приемники, которые не требуют специального охлаждения, что значительно расширяет сферу их возможного применения. Да и себестоимость их изготовления стала сопоставима, например, с обычным цифровым фотоаппаратом. При этом приборы сохраняют высокую чувствительность (регистрируют изменения температуры объектов в 0,05 Cо) и создают изображение с разрешением 320х240 точек на кристалле размером 16х12 мм. Последний параметр важен для дальности действия прибора: чем выше разрешение экрана, тем четче видны удаленные объекты. В целом, российская разработка вполне соответствует мировым стандартам. Есть некоторое отставание от мировых лидеров (американских и французских компаний) в качестве получаемого изображения: сегодня наиболее мощные импортные аналоги способны выдавать изображение с разрешением 640x480 точек и более. Но, по словам сибирских ученых, это отставание обусловлено тем, что большая часть работ ведется на технологическом оборудовании 1980-х годов и легко ликвидируется после его модернизации.

Кому это надо

Как и большинство тепловизионных приборов, болометры являются технологией двойного назначения – военного и гражданского. И свою работу в этой области лаборатория Дмитрия Есаева начинала по заявке Министерства обороны. Сильной стороной болометров является то, что они не нуждаются в охлаждении, в дополнительной подсветке и работают с длинноволновым спектром излучения, которое в меньшей степени рассеивается в атмосфере. Поэтому для болометра не являются помехой ни полная темнота, ни сильное задымление или густой туман, он все равно передаст четкое изображение цели.
Однако часто бывает, что гражданская сфера применения изначально военных разработок оказывается куда шире. Так произошло и с болометрией. Одними из первых разработкой ученых ИФП СО РАН заинтересовались производители систем безопасности угольных шахт (один из мировых лидеров в этой области – НПФ «Гранч» – расположена как раз в Новосибирске). И в ноябре 2011 года на полигоне военизированной горноспасательной части в Прокопьевске прошли полевые испытания прибора. Проводились они в условиях максимально близких к реальной аварии на шахте, когда степень задымленности равнялась 4 баллам (видимость не далее ладони вытянутой руки). Результаты их хорошо видны на фото. В итоге, сегодня разработка малогабаритного (носимого на каске) прибора стала частью системы ГОРНАСС, предлагаемой НПФ «Гранч» для предприятий угледобывающей промышленности. Как известно, пожары случаются не только на шахтах, поэтому такой прибор в перспективе окажется востребованным и другими службами МЧС.
Еще один «фронт работ» для приемника – системы контроля железнодорожного транспорта, которые позволяют получать информацию о состоянии букс и колес вагонного состава прямо на ходу. Впервые это было опробовано на некоторых участках московского метрополитена. И сегодня Российские железные дороги проявляют к прибору вполне оправданный интерес.
Пригодится прибор в сфере ЖКХ – с его помощью можно, например, достаточно точно определить места протечек или теплопотерь в зданиях, контролировать теплотрассы. Болометры можно использовать для температурного контроля при укладке асфальта, в системах охранной сигнализации и мониторинге технологических процессов изготовления пищевых продуктов…
Достаточно сказать, что французская фирма (ведущий европейский производитель болометров), начиная с 2005 г. поставляет на рынок от 20 тысяч приборов ежегодно и подумывает о значительном увеличении объемов производства. Активные работы в этом направлении ведут Япония, Израиль, Китай, Германия. Работа московских и новосибирских физиков пока позволяет нашей стране оставаться на передовых позициях в болометрии. Но перейти от мелкосерийного производства микроболометрических приемников к промышленным масштабам мешает острая нехватка соответствующих производств. Этой технологией интересовалось ФГУП «НПП «Восток» (Новосибирск), но сейчас им, прежде всего, надо обеспечить серьезную модернизацию собственной производственной базы. Технологически готовы запустить производство болометров в Зеленограде, но там хватает и других заказов. А больше в стране предприятий должного уровня после двух десятилетий «построения рынка» и не осталось. И последней надеждой на внедрение инновационной технологии, созданной в лабораториях ИФП СО РАН, остается объявленное строительство нового завода микроэлектроники в Новосибирске (который и планируется как раз «под разработки» ученых СО РАН).