האפקט הפוטואלקטרי ב אמצעים לראיית לילה

Comments

Transcription

האפקט הפוטואלקטרי ב אמצעים לראיית לילה
‫מיכאל פרסמן‬
‫‪115311413‬‬
‫האפקט הפוטואלקטרי‬
‫באמצעים לראיית לילה‬
‫פיסיקה ‪3‬‬
‫סמסטר חורף תשע"ב‬
‫הקדמה‬
‫הראייה היא אחד מחמשת החושים הבסיסיים של האדם‪,‬‬
‫ויש שיגידו החשוב מביניהם‪ .‬הראייה מאפשרת לנו להתמצא‬
‫במרחב ולנתח את הקיים בו לשימוש יומיומי‪ .‬ראיית האדם‬
‫מבוססת על קליטת אור נראה (קרינה אלקטרומגנטית בטווח‬
‫אורך‪-‬גל של ‪ 444-744‬ננומטר ותדירות בטווח ‪428-714‬‬
‫טרה‪-‬הרץ) דרך העיניים‪ .‬האור מגיע ממקורות טבעיים‬
‫(שמש‪ ,‬כוכבים)‪ ,‬מלאכותיים (נורות) או גורמים המחזירים‬
‫אותו (ירח) ומפוזר לכל עבר לאחר פגיעתו בחפצים שונים‪ .‬בעת פגיעת‬
‫אור במשטח‪ ,‬חלק מהקרינה (באורכי גל) נבלעת וחלקה מתפזר‬
‫למרחב‪ .‬הקרינה אשר נקלטת בעין מתפרשת כצבע של אותו משטח‬
‫(זהו ערבוב של אורכי גל מסוימים)‪ .‬המידע המתקבל מתורגם לאותות‬
‫חשמליים אשר נשלחים למוח (דרך מע' העצבים) אשר מפרש את‬
‫המידע המתקבל ונותן לו משמעות בתפיסה האנושית‪ .‬כל "תקלה" בתהליך זה עלולה לגרום‬
‫לעיוורון – חוסר היכולת לראות‪.‬‬
‫לפיכך‪ ,‬וכמו שאנו מכירים מחיי היומיום‪ ,‬יכולת הראייה שלנו נפגעת ברגע שכמות האור‬
‫מצטמצמת ובחושך מוחלט‪ ,‬כאשר אור אינו מגיע אל עינינו‪ ,‬איננו מסוגלים לראות דבר‪ ,‬חוש‬
‫הראייה שלנו חסר תועלת ועלינו להסתמך על שאר החושים שלנו‪ ,‬אשר לא יכולים לפצות בצורה‬
‫מלאה על אובדן המידע החזותי‪ .‬על כן‪ ,‬הלילה מאז ומעולם שימש את האדם ורוב בעלי החיים‬
‫לשינה עד עלייתו של השחר‪ ,‬עקב חוסר האפשרות לתפקד בשעות אלו‪.‬‬
‫משחר ההיסטוריה בני האדם התמודדו עם בעיה זו כאשר הגיע הלילה או נאלצו להיכנס‬
‫למקומות אליהם אור לא מגיע‪ ,‬כמו מערות‪ ,‬למשל‪ .‬הפתרון לרוב היה הפקת אור בצורה כזו או‬
‫אחרת – מגילוי האש ושימוש בלפידים ועד מנורות ופנסים‪ .‬החיסרון העיקרי בשיטה זו הוא‬
‫שהאור המופק נראה למרחקים ועל כן אינו מתאים למצבים בהם המשתמש רוצה להישאר‬
‫חשאי‪ .‬על מנת לספק צורך זה הומצאו האמצעים לראיית לילה (אמר"ל או ‪.)NVD‬‬
‫יש לציין שבעולם החי ישנם בעלי‪-‬חיים אשר ראיית לילה היא תכונה טבעית אשר הכרחית לאופי‬
‫חייהם הלילי‪ .‬אורח חיים זה התפתח כמנגנון הישרדות מפני טורפים אשר פעילים בעיקר ביום‬
‫ומצד שני ישנם גם טורפים אשר פעילים בעיקר בלילה כי טרפם פעיל רק בשעות אלו‪ .‬ראיית‬
‫הלילה הטובה יותר מתבטאת במגוון דרכים‪ ,‬ממנגנונים פיזיים לקליטת כמות אור גדולה יותר‬
‫ועד קליטת קרינה בתחומים מעבר לאור הנראה‪ ,‬למשל קליטת קרינת חום בתחום האינפרה‪-‬‬
‫אדום‪.‬‬
‫האפקט הפוטואלקטרי‬
‫האפקט הפוטואלקטרי הוא תופעה פיסיקלית בה קרינה אלקטרומגנטית פוגעת במתכת‪ ,‬נבלעת‬
‫בה וגורמת לפליטת אלקטרונים ממנה‪ .‬התופעה התגלתה לראשונה ע"י היינריך הרץ‬
‫(‪ )1857-1894‬ב‪ .1887‬במשך השנים נחקרו תכונות התופעה ונתגלו הדברים הבאים‪:‬‬
‫‬‫‬‫‬‫‪-‬‬
‫האפקט מתרחש רק מעל תדירות (מתחת לאורך גל) קרינה מסוימת ("תדירות סף")‪.‬‬
‫תדירות הסף משתנה ממתכת למתכת‪.‬‬
‫עוצמת ההארה משפיעה רק על כמות האלקטרונים הנפלטים אך לא על עצם פליטתם או‬
‫מהירות פליטתם‪.‬‬
‫מהירות פליטתם דווקא כן מושפעת מתדירות הקרינה וסוג המתכת‪.‬‬
‫רוב העובדות הללו נתגלו ע"י פיליפ לנארד (‪ )1862-1947‬וג'וזף ג'ון תומסון (‪.)1856-1944‬‬
‫שניהם זכו בפרסי נובל (ב‪ 1945‬ו‪ 1946‬בהתאמה)‪ ,‬אך לא על עבודה זו‪.‬‬
‫גילויים אלה לא היה ניתן להסביר (או לחשב) בעזרת המודל הגלי של האור ששלט עד אותו זמן‪,‬‬
‫ובמיוחד את עניין תדירות הסף‪ .‬התפיסה הרווחת הייתה שאם האלקטרונים מקבלים אנרגיה‬
‫בצורה רציפה‪ ,‬בשלב מסוים הם צריכים לקבל מספיק בשביל להפלט – אך לא כך היה‪.‬‬
‫את ההסבר המקובל ביותר נתן בסופו של דבר אלברט איינשטיין (‪ )1879-1955‬ב‪ 1945‬תוך‬
‫פיתוח רעיון של מקס פלנק (‪ )1858-1947‬משנת ‪.1944‬‬
‫פלנק טען שאור הוא מנות של אנרגיה ("האור מקוונטט") וכמות האנרגיה (‪ )E‬פרופורציונאלית‬
‫לתדירות (‪ )f‬של אותו גל אור‪ .‬לאותו קבוע פרופורציה הוא קרא "קבוע פלנק"(‪ .)h‬במילים אחרות‪:‬‬
‫‪E = h∙f‬‬
‫איינשטיין קרא למנות אלו "פוטונים" וטען שהאינטראקציה ביניהם לבין האלקטרונים היא בדידה‪:‬‬
‫בעת פגיעת פוטון במתכת‪ ,‬הוא נעלם וכל האנרגיה שלו עוברת לאקטרון בודד‪ .‬אלקטרון ייפלט‬
‫רק אם אותה אנרגיה תהיה גדולה מזאת שיש להשקיע על מנת להתגבר על המשיכה של‬
‫המתכת (תכונה אשר איינשטיין קרא לה "פונקציית העבודה" של המתכת (‪ .))W‬על כן‪ ,‬אם‬
‫אלקטרון אינו נפלט בתדירות אור מסוימת – הוא לא ייפלט בה גם אחרי אינסוף זמן‪ .‬עודף‬
‫האנרגיה‪ ,‬אם יהיה‪ ,‬יתבטא במהירותו (אנרגיה קינטית) של האלקטרון החופשי‪ .‬ומכאן איינשטיין‬
‫בעצם קיבל את הנוסחה הידועה‪:‬‬
‫‪Ek = Eph – W‬‬
‫‪Ek = h∙f – W‬‬
‫כעת היה ניתן להסביר את כל תכונות‬
‫האפקט שנתגלו קודם‪:‬‬
‫ התדירות משפיעה על אנרגיית‬‫הפוטון הפוגע ועל כן רק‬
‫מתדירות מסוימת ומעלה‬
‫מתקבלת מספיק אנרגיה לפליטת אלקטרונים‪.‬‬
‫ לכל מתכת יש פונקצית עבודה שונה ולכן גם אנרגיית הסף של הפוטון משתנה (ויחד‬‫איתה תדירות הסף)‪.‬‬
‫ עוצמת ההארה היא בעצם רק כמות הפוטונים הנשלחים ולכן זה משפיע על כמות‬‫האלקטרונים הנפלטים‪.‬‬
‫ ככל שתדירות האור גבוהה יותר ואנרגיית העבודה נמוכה יותר – כך לאלקטרונים יש‬‫עודף אנרגיה (קינטית) גדול יותר ומהירות פליטתם גדולה יותר‪.‬‬
‫על הסבר תופעה זו זכה בסופו של דבר איינשטיין בפרס הנובל שלו‪ ,‬ב‪.1921‬‬
‫את הערך המספרי של קבוע פלנק מדד רוברט מיליקן (‪ )1868-1953‬ב‪ 1916‬ובכך הוכיח את‬
‫נכונות טענותיו של איינשטיין‪ .‬ניסויו הראה שיש קשר ליניארי בין המתח שיש ליצור על מנת‬
‫לעצור אלקטרונים הנפלטים משפופרת קתודית ("מתח עצירה") לבין תדירות האור המוקרן עליה‬
‫וגורם לפליטה זו‪.‬‬
‫הבנת האפקט תרמה ברמה המדעית להבנת האופי החלקיקי של האור‪ ,‬לגיבוש תורת הקוונטים‬
‫והתפתחות הפיסיקה המודרנית‪ .‬ברמה המעשית התפתחו טכנולוגיות ומוצרים שונים‬
‫המשתמשים באפקט למטרות שונות‪ .‬אמצעים אלו ניתן למצוא כיום בכל מקום (החיישן במעלית‬
‫המונע את סגירת דלתותיה במידה ומישהו עומד ביניהן‪ ,‬לדוג')‪ .‬אחד מהשימושים המוכרים יותר‬
‫של האפקט הוא כמובן באמצעים לראיית לילה‪.‬‬
‫השימוש באפקט הפוטואלקטרי בעקרונות הפעולה של אמר"ל‬
‫האמר"ל מבוססים על שתי שיטות עיקריות‪ :‬הגבר אור ודימות תרמי‪.‬‬
‫דימות תרמי הוא "תרגום" של קרינת חום הנפלטת מעצמים עקב היותם בעלי טמפרטורה‬
‫(מתהליכים תרמו דינמיים בגוף האדם)‪ ,‬קרינה בתחום "העליון" של האינפרא‪-‬אדום (נקרא גם‬
‫‪ Thermal-IR‬ואורך הגל שם נע בין ‪ 3‬ל‪ 34‬מיקרון (‪ ,))μm‬לתמונה בטווח צבעים (בתחום האור‬
‫הנראה) שצופה יכול להבין‪.‬‬
‫תהליך דימות תרמי‬
‫התרגום נעשה בעזרת חיישני ‪ IR‬רגישים שמעבדים את הקרינה המרוכזת הנקלטת דרך עדשה‬
‫מהמרחב ל"תרמוגרמה" (‪ ,)thermogram‬היא מתורגמת לאותות חשמליים (ע"י מעבד כלשהו)‬
‫שאח"כ מתורגמים חזרה לתמונה בצבעים בהתאמה לעוצמת הקרינה שנקלטה‪ .‬ככל שגוף חם או‬
‫קר יותר (פולט פחות קרינת חום) הוא נצבע בהדמייה בצבע קיצוני יותר ולפי מקרא הצופה יכול‬
‫להבין מהי הטמפ' של אותו אובייקט‪ .‬אנשים כמובן בד"כ חמים יותר מהסביבה שלהם בחושך‬
‫ולכן קל להבחין בקיומם באמר"ל המבוססים על שיטה זו‪ .‬האמר"ל התרמיים מתחלקים גם הם‬
‫לשתי קבוצות‪ ,‬לפי הטמפ' בה הם נשמרים – טמפ' חדר או בקירור של ‪ 4‬מעלות צלסיוס‪.‬‬
‫המאוחרים יותר יקרים יותר אך גם נותנים דיוק טמפ' וטווח מרחק טובים יותר‪ .‬היתרון של‬
‫הדימות התרמי הוא האפשרות לזהות פעולה שקרתה בעבר; מכונית חונה שנסעה או אדמה‬
‫שנחפרה לפני זמן מה תהיה "חמה" יותר מאשר סביבתה הטבעית שלא השתנתה לאחרונה‪.‬‬
‫אף על פי כן‪ ,‬האמר"ל הפופולאריים יותר הם אלה המבוססים על הגבר אור ולמעשה על האפקט‬
‫הפוטואלקטרי‪.‬‬
‫תהליך הגברת אור באמר"ל‪.‬‬
‫בשיטת הגבר האור בד"כ קרינה בתחום האור הנראה וה”כמעט‪ "IR-‬נאספת ע"י עדשה אל תוך‬
‫"צינור ההגברה" בו קיימת פוטו‪-‬קתודה – אלקטרודה מתכתית טעונה חשמלית אשר מכוסה גם‬
‫בשכבת חומר רגיש מאוד לאור (מתכת בעלת פונקצית עבודה נמוכה מאוד)‪ .‬כתוצאה מפגיעת‬
‫הקרינה (זרם של פוטונים) בה – נפלטים אלקטרונים וממשיכים לנוע לכיוון הכללי המקורי שבו‬
‫נעו הפוטונים‪ ,‬כתוצאה מהאפקט הפוטואלקטרי‪ .‬בהמשך הדרך האלקטרונים עוברים דרך דיסקה‬
‫מחוררת הנקראת ")‪ ."the microchannel plate (MCP‬בשני צידיה של הדיסקה ישנן אלקטרודות‬
‫וביניהן פועל שדה חשמלי בעוצמה של כ‪ 5444‬וולט‪ .‬כתוצאה מקיום השדה‪ ,‬האלקטרונים‬
‫מואצים דרך החרירים (שאורכם גדול משמעותית יחסית לקוטרם)‪ .‬בעת המעבר בחרירים‬
‫האלקטרונים פוגעים בדפנותיהם ובזכות האנרגטיות שלהם גורמים לפליטה של עוד אלקטרונים‬
‫מהמתכת עצמה‪ .‬גם האלקטרונים החדשים מואצים ונתקלים בדפנות וכך נוצרת תגובת שרשרת‬
‫שבסופה יוצאים הרבה יותר אלקטרונים מהדיסקה מאשר נכנסו אליה בהתחלה‪ .‬האלקטרונים‬
‫ממשיכים לנוע בכיוון הכללי ובסופו של דבר פוגעים במסך מצופה זרחן (‪.)Phosphorus‬‬
‫האלקטרונים האנרגטיים גורמים לערעור אלקטרונים באטומי הזרחן שכאשר חוזרים לרמתם‬
‫המקורי – נפלט פוטון בתחום הירוק של האור הנראה – צבע שעם השנים נהיה מזוהה במיוחד‬
‫עם ראיית לילה ולא לשווא‪ .‬אותו אוסף פוטונים הנפלט לבסוף יוצר למעשה תמונה המוקרנת אל‬
‫העיניים דרך עוד עדשה בקצה השני הנקראת עינית‪ .‬התמונה המתקבלת מקבילה לתמונה‬
‫המקורית עקב המסלול הישר שהאלקטרונים נאלצים לעשות בתוך "צינור ההגבר" על מנת‬
‫להגיע לצד השני‪ .‬את התמונה ניתן גם לתרגם לאותות חשמליים ולאחר מכן לעבד מחדש‬
‫להקרנה על מסך‪.‬‬
‫*האפקט הפוטואלקטרי עוסק בפליטת אלקטרונים מהארת מתכת בקרינה – על כן בתהליך הנ"ל‬
‫יש רק שימוש אחד באפקט‪ .‬בתהליך ערעור הזרחן והתרבות האלקטרונים מתקיימות תופעות‬
‫הקשורות לאפקט‪ ,‬כמו קליטה (מהתנגשות אלקטרונים) ופליטה (פוטונים) של אנרגיה‪ .‬ההבדל‬
‫הוא שאלקטרונים למשל לא חייבים להיות בעלי אנרגיה מדויקת על מנת לערער אלקטרונים –‬
‫עודף האנרגיה הוא פשוט אנרגיה קינטית נמוכה יותר של האלקטרון הפוגע (וזה בניגוד‬
‫להעלמות הפוטון לאחר פגיעתו באלקטרון וערעורו)‪.‬‬
‫דורות של אמר"ל‬
‫את האמר"ל המגבירים אור ניתן לחלק ל‪ 5‬דורות‪ ,‬לפי ההתפתחות הטכנולוגית בהם‪.‬‬
‫דור ‪ – 4‬שימוש בקרן אינפרא אדום אקטיבית אשר מאירה על מטרה ומגבירה את הקרינה‬
‫החוזרת ממנה‪ ,‬האצת בלבד של פוטונים המגיעים דרך צינור ההגבר בעזרת שדה‬
‫חשמלי בין אנודה לקתודה‪.‬‬
‫דור ‪ – 1‬מעבר לקליטה פסיבית של קרינה טבעית (מכוכבים וירח) המוחזרת ע"י המטרה אל‬
‫העדשה‪ .‬כעת קשה לאתר את הצופה (הקרן האקטיבית מדור ‪ 4‬ניתנת לגילוי אם לצד‬
‫השני אותה הטכנולוגיה)‪.‬‬
‫דור ‪ – 2‬הוספת ה‪ .MCP‬התמונה מתחדדת ונעשית בהירה יותר‪ ,‬גם בתנאי מזג‪-‬אוויר קשים‪.‬‬
‫אורך החיים של המכשירים גדל משמעותית (שחיקה מופחתת של האלמנטים‬
‫מאלקטרונים "חופשיים מדי" שפוגעים בהם)‬
‫דור ‪ – 3‬הנפוץ בשימוש כיום‪ .‬שיפור ברזולוציה‪ ,‬ברגישות ובאורך החיים עקב שימוש בחומרים‬
‫רגישים (לאפקט הפוטואלקטרי) ועמידים יותר‪.‬‬
‫דור ‪ – 4‬נטרול אפקט "העיוורון" הזמני במעבר מזירה בהירה לחשוכה ולהפך‪.‬‬
‫שימוש באמר"ל‬
‫עקרון הפעולה של האמר"ל אינו משתנה כמעט ביישומים השונים שלו‪ :‬כוונות רובים‪ ,‬משקפות‬
‫לילה‪ ,‬בהקרנה למסכים מסוג כזה או אחר‪ ,‬במצלמות אבטחה ועוד‪ .‬את האמר"ל נוכל למצוא‬
‫בד"כ בשימוש בגופים כמו הצבא או המשטרה‪ ,‬ובפעילויות כמו ציד‪ ,‬מעקב אחרי בעלי‪-‬חיים‪,‬‬
‫ריגול‪ ,‬אבטחה‪ ,‬ניווט‪ ,‬איתור חפצים נסתרים ובידור‪.‬‬
‫האמר"ל הממוצעים כה יעילים עד שהם מאפשרים לנו לראות בלילה לא מעונן וללא ירח אדם‬
‫ממרחק של כמעט ‪ 244‬מטרים! הדימות התרמי הקר מאפשר עד ‪ 1444‬ומבדיל בין הפרש‬
‫טמפרטורות של ‪ 1/10‬המעלה (בצלסיוס)‪.‬‬
‫מקורות‬
‫‪http://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_radiation‬‬
‫‪http://en.wikipedia.org/wiki/Color‬‬
‫‪http://en.wikipedia.org/wiki/Visual_perception‬‬
‫‪http://electronics.howstuffworks.com/gadgets/high-tech-gadgets/nightvision.htm‬‬
‫‪http://en.wikipedia.org/wiki/Photoelectric_effect‬‬
‫‪http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/mod1.html‬‬
‫‪http://www.privacysos.org/technologies_of_control/night_vision‬‬