Инфракрасное око

Если раздробленный призмой луч солнца бросить на экран, на нем выстроятся рядком сочные, чистые полосы спектра. У конца этой маленькой радуги, справа от яркого красного блика, нет ничего. Только тень. Но стоит поместить в эту тень шарик термометра, и ртуть поползет вверх. Именно так были открыты неведомые лучи, которые несут с собой «черный свет» — невидимое тепло. С тех пор таинственное инфракрасное, как его назвали, излучение не дает покоя исследователям.

Они установили, что в полной темноте змея легко узнает, под каким кустом затаилась мышь: ее инфракрасные приемники — тончайшие мембраны, расположенные пониже глаз, — замечают тепло, излучаемое телом жертвы. Таракан различает удаленные предметы, даже если их температура отличается от температуры окружающей среды лишь на сотую долю градуса.

Вот загадка: снабдив многих насекомых и рептилий способностью видеть тепловые лучи, природа почему-то лишила этого дара людей. Инфракрасной области спектра для человеческого глаза словно не существует. А между тем информация о температурной картине вокруг нас весьма необходима. Чтобы компенсировать «инфракрасную слепоту», люди вынуждены ориентироваться в мире теплового света буквально на ощупь. Мать, обеспокоенная болезненным видом ребенка, прикладывает к его лбу губы. Рабочие электромашиностроительных заводов, собрав статор электрического генератора, нагревают его токами Фуко и принимаются ощупывать огромную деталь, ищут горячие участки — признак плохой изоляции между металлическими пластинами.

Давно стремились найти средства, с помощью которых можно судить о степени нагретости тел. Эта потребность — не чувствовать, а точно знать температуру — возрастает по мере развития науки и техники. Сегодня и ученых, и производственников уже не удовлетворяют самые точные и быстродействующие термометры и другие приборы, измеряющие температуру в отдельных точках: специалистам нужно иметь наглядную инфракрасную картину окружающего — со всеми ее оттенками и переходами.

Над созданием аппаратов, которые помогли бы проникнуть в неведомый мир по правую сторону радуги, в мир многокрасочной темноты, ученые разных стран бьются не один десяток лет, Но сделать зримыми для человеческого глаза черные тепловые лучи оказалось чрезвычайно сложной проблемой. И все же десятки аппаратов разных типов и назначений уже созданы и выпускаются серийно. Среди них тепловизоры, разработанные учеными Государственного оптического института имени Вавилова, Всесоюзного электротехнического института имени Ленина и других научных учреждений.

Преодолеть трудности удалось следующим хитрым приемом. Искусственный инфракрасный глаз разглядывает не сразу всю тепловую картину, развертывающуюся перед ним, а словно читает ее буква за буквой, строка за строкой. Каждая «буква» — небольшой участок рассматриваемого объекта или природного ландшафта, практически — точка. Черный свет от этой точки, пройдя через оптическую систему, попадает на крохотную площадку, покрытую слоем фотосопротивления. Это и есть «сетчатка» искусственного глаза. Чтобы увеличить чувствительность и оградить от посторонних тепловых воздействий, ее непрерывно охлаждают жидким азотом.

Дальше все просто. Взглянет аппарат на точку — ее изображение спроецируется на «сетчатку». Если точка горячая, черные лучи, посланные ею, окажут более энергичное воздействие на чувствительный слой, в большей степени уменьшат сопротивление току, который проходит через него. Значит, в этот момент увеличится сила электрического сигнала. Меньше нагрета точка — через фотосопротивление пройдет ослабленный электрический ток.

Эти электросигналы усиливают и подают в электронно-лучевую трубку — примерно такую же, как в телевизорах. Луч воспроизводит на экране трубки точку, видимую аппаратом, за ней другую, третью — и так всю строку, всю открывающуюся перед инфракрасным оком картину. Изображение на экране можно сфотографировать, а можно заставить электронный луч рисовать инфракрасные образы прямо на электрохимической бумаге.

Одни аппараты успевают проглядеть весь кадр и изобразить его на экране за долю секунды, другим требуется несколько минут, но зато эти последние читают и воспроизводят «буквы и строчки» более тщательно. Современный инфракрасный глаз способен на расстоянии обнаруживать тепловые контрасты в десятые и даже сотые доли градуса. А это позволяет быстро решать научные и практические проблемы, еще вчера казавшиеся трудноразрешимыми. Например, недавно в цехах «Электросилы» появился небольшой тепловизор. Помещенный в полость статора, он тщательно осматривает внутреннюю поверхность сложной детали и засекает горячие точки. Все температурные аномалии регистрируются с точностью до 0,1 градуса. Подобные устройства могут отыскивать дефекты в крупных металлических отливках, находить очаги «болезни» в двигателях, генераторах, насосах.

Установленный на вертолете или на наземной тележке тепловизор способен следить за состоянием водяных городских сетей, нефтепроводов, дренажных систем. Инфракрасное око, окидывая землю и водное пространство с самолета, хорошо видит маленькие костры под деревьями и, несмотря на густой дым, границы больших лесных пожаров, океанские течения и рыбьи стаи, трещины во льду, занесенные снегом, и то, хорошо ли увлажнены и удобрены поля, созрела ли пшеница и рожь. Но, может быть, самая интересная область применения тепловидения — медицина.

Дело в том, что тело человека, если взглянуть на него в инфракрасной области спектра, буквально светится, сияет, будто электрическая станция в ночи. Неудивительно: каждый квадратный сантиметр человеческой кожи непрерывно излучает около 40 ватт лучистой энергии — столько же, сколько средней величины электрическая лампа. Но главное в том, что это невидимое сияние, а следовательно, и температуры неодинаковы в разных участках тела и зависят от индивидуального анатомического строения, физиологических процессов, происходящих в данный момент. Если кожу человека протереть спиртом, вымазать черной краской (такая уж технология этих экспериментов) и сверху покрыть еще слоем так называемого жидкого кристалла — органического соединения на основе холестерина, — то произойдет удивительное: человек превратится в живую радугу. В самых горячих местах жидкий кристалл будет светиться фиолетовым светом, где кожа прохладнее, — синим. И так до красного...

Вот эти радужные переливы как раз и интересуют медиков более всего: ведь еще Гиппократ говорил, что если одна часть тела теплее или холоднее обычного, то она больна. Следовательно, внеся поправки на индивидуальные особенности теплового свечения тела человека, можно судить о состоянии здоровья пациента.

Но метод жидких кристаллов сложен и неудобен. Для подготовки же к тепловизионному обследованию пациенту достаточно раздеться и посидеть 10—15 минут, чтобы нормализовать тепловые характеристики кожи. Это и привлекает к аппарату внимание врачей. Сегодня с помощью ученых Государственного оптического института тепловизионные и термографические центры созданы в нескольких ленинградских медицинских учреждениях. Специалисты Института скорой помощи имени Джанелидзе используют черные лучи для исследования переломов, вывихов, ран, ушибов, нарушений периферического кровообращения и наблюдения за ходом заживления поврежденных тканей — все это отражается в виде тепловых узоров на коже.

Ученые Научно-исследовательского института акушерства и гинекологии учатся с помощью тепловизоров следить за течением беременности и отклонениями от нормы. Этот метод привлекателен тем, что совершенно безвреден и для женщины, и для зарождающегося организма.

Но особенно энергично развиваются исследования, связанные с использованием инфракрасных излучений для диагностики, клинической оценки и наблюдения за лечением злокачественных и доброкачественных опухолей. В Институте онкологии имени Н. Н. Петрова действуют сразу два термографических кабинета, здесь исследуются сотни больных.

Некоторые виды опухолей теплее окружающих тканей на 1,5—2, а иногда и на 4 градуса. На экране тепловизора этот участок тела выглядит как яркое пятно. Тепловой глаз порой замечает такие мелкие опухоли (диаметром по нескольку миллиметров), которые трудно определить другим способом.

Сегодня с наибольшим успехом тепловизоры применяются для предварительной диагностики опухолей молочной железы. В Ленинградском институте онкологии имени Н. Н. Петрова исследуется также возможность использовать тепловизоры при массовых профилактических осмотрах для выявления опухолей и предраковых заболеваний молочной железы.

Тепловизоры делают только первые шаги в науке и практике. Чем совершеннее они будут, тем глубже мы сможем проникнуть в малоизученный мир инфракрасных излучений, тем легче будет лечить болезни, искать полезные ископаемые и источники воды, контролировать заводскую технологию, изучать физические и химические процессы.