VẬT LÝ ỨNG DỤNG TRONG KĨ THUẬT HỒNG NGOẠI
Nguyễn Cẩn Ruyện[1]
Kĩ
thuật Hồng ngoại (KTHN) được dùng trong Quân sự ngay từ chiến tranh thế giới lần
II. Từ những năm 60 của thế kỉ trước, rất nhiều thành tựu nghiên cứu của Vật
lý, đặc biệt trong các lĩnh vực Vật lý Quang - Quang phổ, Vật lý Chất rắn đã
tạo điều kiện cho sự phát triển mạnh mẽ của KTHN; Một số lĩnh vực kĩ thuật mới
liên quan đến KTHN cũng xuất hiện như Opto-Electronic (Quang - Điện tử),
Avionic (Thiết bị đặt trên máy bay). KTHN đã tạo ra nhiều loại vũ khí, khí tài
dùng trong quân sự như: Thiết bị Phát hiện, Nhìn đêm, Ngắm bắn, Thu ảnh Nhiệt,
Ảnh Khuyếch đại Ánh sáng yếu, Thiết bị quét Thu Đa phổ đặt trên Vệ tinh, Tên
lửa (tự dẫn) Hồng ngoại, Bom (điều khiển bằng) Hình ảnh, Đo xa Laser, Bom (điều
khiển bằng) Laser… Về mặt nguyên lí, tất cả những loại vũ khí, khí tài trên đây
đều hoạt động trong khuôn khổ của một Hệ thống Hồng ngoại.
Hệ
thống Hồng ngoại (HTHN) tổng quát bao gồm 3 phần:
1. Phần Phát bức xạ,
2. Phần Thu bức xạ,
3. Môi trường Truyền bức xạ.
Ba bộ
phận này có liên quan chặt chẽ với nhau, tác động lẫn nhau qua tác nhân chung
là bức xạ. Việc phối hợp đồng bộ, tối ưu ba bộ phận này để đạt mục tiêu kĩ
thuật và chiến thuật là nội dung quan trọng nhất quyết định tính năng và tính hiệu
quả của vũ khí, khí tài. Bức xạ từ phần phát, qua môi trường truyền, đến phần
thu đều gây nên những hiệu ứng vật lý (phát xạ, phản xạ, tán xạ, hấp thụ, quang
điện…). Tất cả những hiệu ứng vật lý này đều phải được nhận biết đúng bản chất,
đúng qui luật và phải được tính toán và xử lí phù hợp tối ưu cho một loại vũ
khí, khí tài nhất định.
Về phát
bức xạ: Những nguyên lí được phát minh bởi Gustav Robert Kirchhoff,
Stefan-Boltzmann,
Wilhelm Wien,
và Max Karl
Ernst Ludwig Planck
đã chỉ ra nguồn gốc, bản chất và tính chất của các vật bức xạ và những công
thức tính toán bức xạ. Ngoài ra các nguồn bức xạ tự nhiên như Mặt trời, bầu trời
và mặt đất (ban ngày, ban đêm) cũng được khảo sát cơ bản. Đặc biệt từ năm 1960,
sự ra đời của Laser, một nguồn bức xạ dựa trên nguyên lí hoàn toàn mới (bức xạ
cưỡng bức) với những tính chất đặc biệt đã tạo nên bước phát triển mới cho
KTHN.
Về thu bức xạ: những
thành tựu nghiên cứu sâu sắc về Vật lý Chất rắn và những tiến bộ vượt bậc về
công nghệ nuôi cấy Đơn Tinh thể, tạo Lớp Tiếp xúc, Màng mỏng… đã tạo nên một
loạt những yếu tố thu (detector) đa dạng, độ nhậy cao ứng với những vùng phổ
khác nhau.
Về
truyền bức xạ: Đã nghiên cứu sâu sắc và đầy đủ phổ truyền qua (phổ hấp thụ)
của khí quyển và đã xác định được những vùng cửa sổ của khí quyển theo bước
sóng (chủ yếu cho vùng từ 0,4 đến 14 µm). Những ảnh hưỏng của môi trường, thời
tiết (khói, bụi, sương mù, mưa…) đối với sự truyền qua (tán xạ, hấp thụ) của
bức xạ cũng có những khảo sát cơ bản. Kĩ thuật dẫn bức xạ bằng Sợi Thuỷ tinh
(Cáp Quang) đã tạo nên một phương pháp mới dẫn bức xạ một cách chủ động theo
hướng, không chịu ảnh hưởng của môi trường. Những vật liệu với hệ số truyền qua
lớn ứng với các vùng phổ khác nhau (đặc biệt trong vùng Hồng ngoại) đã tạo điều
kiện để lựa chọn, thiết kế các Hệ Quang thích hợp cho các loại TBHN. Đặc biệt,
sự phát triển của lí thuyết và công nghệ chế tạo Màng mỏng Quang học đã nâng
cao chất lượng của các Hệ Quang và tạo ra các Kính lọc Giao thoa có độ rộng phổ
truyền qua rất hẹp, một yếu tố không thể thiếu trong Kĩ thuật Laser.
Những
giải pháp tối ưu của một HTHN đối với mỗi loại TBHN cụ thể phụ thuộc vào những
nguyên lí vật lý cơ bản và vào chất lượng, tính năng của các loại vật liệu,
linh kiện tiên tiến nhất có được trong thời điểm chế tạo. Dưới đây là một số
thí dụ về những giải pháp tối ưu cho một số loại vũ khí, khí tài điển hình được
dùng trong chiến tranh Việt Nam trong những năm 60 và 70 của thế kỉ trước.
Tên lửa
(tự dẫn) Hồng ngoại
Tên lửa
(tự dẫn) Hồng ngoại dùng để tiêu diệt máy bay; có hai loại: không đối không
(K-K) và đất đối không (Đ-K). Nguyên lý chung là: Tên lửa được gắn một Đầu tìm
Hồng ngoại (ĐTHN) thu và bám theo BXHN phát ra từ máy bay mục tiêu (MBMT), dẫn
tên lửa theo hướng MBMT và gây nổ ở cự li gần mục tiêu nhất. Nguồn phát bức xạ
hồng ngoại chủ yếu từ các động cơ MBMT. Do nhiệt độ của động cơ cao, nên bức xạ
phát ra từ máy bay có cường độ lớn và phổ bức xạ rộng, bao trùm toàn bộ hai
vùng cửa sổ của khí quyển nên việc chọn yếu tố thu phù hợp là tương đối đơn
giản. Quang trở PbS làm việc ở nhiệt độ môi trường, có độ nhậy phổ cực đại ở
trong vùng cửa sổ 1÷ 3 µm là lựa chọn tối ưu.
So với
tên lửa K-K, tên lửa Đ-K có hai vấn đề khác biệt có liên quan kết cấu kĩ thuật
và chiến thuật sử dụng.
- Cường độ bức xạ từ MBMT về phía TL Đ-K
đặt ở mặt đất yếu hơn nhiều,
- Tốc độ góc giữa MBMT với TL Đ-K lớn.
Hai sự
khác biệt trên đây đặt ra vấn đề phải giải quyết đồng thời: tăng độ nhậy và
tăng trường nhìn của hệ thu bức xạ tín hiệu. Đây là hai yếu tố đối nghịch nhau
về xu hướng: muốn tăng trường nhìn thì diện tích yếu tố thu phải lớn; nhưng
diện tích yếu tố lớn lại làm giảm độ nhậy của chính nó. Trong TL Đ-K mâu thuẫn
này đã được giải quyết bằng cách dùng một thấu kính bằng Ge (có độ truyền qua
hồng ngoại tốt và có chiết suất lớn n = 4), mặt trước có dạng hình cầu, mặt sau
phẳng và tiếp xúc trực tiếp với yếu tố thu. Như vậy, nhờ có độ khúc xạ lớn,
thấu kính cầu này đã hội tụ bức xạ có góc tới lớn (trường nhìn) vào một diện
tích nhỏ (yếu tố thu).
Thiết
bị Nhìn đêm
Thiết
bị Nhìn đêm (TBNĐ) hay là Thiết bị Nhìn hình ảnh ban Đêm dưới ánh sáng yếu của
bầu trời, trăng sao theo nguyên lí khuyếch đại nhiều lần. TBNĐ sử dụng ở VN được
sản xuất từ những năm 60 (Thế hệ I) và những năm 70 (Thế hệ II). TBNĐ hoạt động
trong vùng ánh sáng nhìn thấy nhưng nguyên lí hoạt động cũng tuân theo những
nguyên lí của HTHN.
Nguồn
bức xạ là ánh sáng phản xạ từ các vật thể được chiếu sáng bởi các nguồn sáng
của bầu trời đêm như bầu trời, trăng, sao… Môi trường truyền là lớp khí quyển
gần mặt đất; Cửa sổ truyền qua nằm trong vùng nhìn thấy và hồng ngoại gần. Yếu
tố thu dùng Multi-Alkali PhotoCathode, nhậy trong vùng ánh sáng nhìn thấy; điện
tử phát ra từ PhotoCathode được gia tốc bằng điện trường đến đập vào màn huỳnh
quang; bức xạ của màn huỳnh quang được dẫn sang mặt PhotoCathode của tầng sau
bằng một bó sợi quang. Việc sử dụng bó sợi dẫn quang đã làm tăng tỉ lệ phát xạ
điện tử / photon của PhotoCathode; do đó cải thiện chất lượng ảnh. Các TBNĐ
hoạt động theo nguyên lí này (Thế hệ II) có thể cho độ khuyếch đại tới 20.000
lần và tuổi thọ đến 2.500 giờ. Từ những năm 1980, việc sử dụng PhotoCathode là
Gallium Arsenide và hoàn thiện kết cấu ghép nối Màn Huỳnh quang - PhotoCathode
bằng bó quang sợi đã mở rộng vùng phổ làm việc sang đến vùng Hồng ngoại (đến
0,9 µm - cũng là vùng có độ bức xạ lớn nhất của bầu trời đêm) đã có thể nâng độ
khuyếch đại lên khoảng 30.000 đến 50.000 lần và tuổi thọ đến 10.000 giờ.
Thiết
bị Nhìn ảnh Nhiệt
Thiết
bị Nhìn ảnh Nhiệt (TBNAN) là thiết bị tạo nên hình ảnh thực của một cảnh quan
hồng ngoại, phát hiện những sự biến đổi của bức xạ tạo ảnh và nhờ vào quá trình
xử lí điện tử tạo nên hình ảnh nhìn thấy được của những biến đổi đó (tương tự
như những Camera thông dụng hiện nay). Có rất nhiều tên gọi cho các TBNAN, tuỳ
theo tính chất sử dụng: Tạo Ảnh Nhiệt, Camera Nhiệt, Camera Ảnh Nhiệt, FLIR (Forward
Looking Infrared), Hệ thống Ảnh Nhiệt, Máy Đo Nhiệt, Nhìn Nhiệt, Nhìn Hồng ngoại,
Máy đo Bức xạ Ảnh Hồng ngoại, Hệ thống Video Nhiệt.
Ở đây
chỉ xét FLIR là thiết bị nhìn đêm điển
hình mà Mĩ đã sử dụng trong chiến tranh Việt Nam để trinh sát các nguồn phát
nhiệt của mặt đất. FLIR là thiết bị nhìn ảnh nhiệt phía trước, có chức năng tìm
kiếm tự động, nhận biết, bám dẫn kết hợp với sử dụng vũ khí. Những BXHN phát
lên từ các vật thể ở mặt đất từ nhiệt độ môi trường (khoảng 300˚K) đến các vật
phát nhiệt cao (ôtô, trang thiết bị kĩ thuật, bếp nhiệt, nơi tập trung đông
người…) tạo nên một vùng phổ hồng ngoại rất rộng, từ 1,5 đến 2 µm, trùng hợp
với hai cửa sổ hồng ngoại của khí quyển (3÷5 µm và 8÷13 µm). Yếu tố thu được
chọn phù hợp nhất cho FLIR là HgCdTe làm lạnh ở 77˚K có phổ độ nhậy tốt cho
vùng này. Ảnh Hồng ngoại được tạo trên mặt ma trận các yếu tố thu sắp xếp theo
mạng lục lăng. Hệ Quang để thu ảnh từ xa được làm từ Ge. Kĩ thuật quét điện tử
trên mạng yếu tố thu sẽ tạo nên hình ảnh phân bố bức xạ Hồng ngoại của mục
tiêu.
Bom (điều
khiển bằng) Laser
Sự ra
đời của một loại nguồn bức xạ mới dựa trên nguyên lí bức xạ cưỡng bức (Laser)
là một trong những phát minh lớn nhất của Vật lý thế kỉ thứ XX. Trong vòng 10
năm ngay sau khi xuất hiện máy phát Laser đầu tiên (1960), hàng loạt các loại
Laser khác nhau đã ra đời: Laser Khí, Laser Rắn, Laser Hoá học, Laser Bán dẫn,
Laser Hơi kim loại, phát bức xạ có bước sóng ở những vùng phổ khác nhau… Bức xạ
Laser với những tính chất đặc biệt (đơn sắc, mật độ năng lượng phổ lớn, tính
định hướng cao, khả năng phát xung cực ngắn…) rất nhanh chóng được ứng dụng
ngay vào Quân sự. Cuối những năm 60, Mĩ đã bắt đầu sử dụng Thiết bị Đo xa và
Bom (điều khiển bằng) Laser ở chiến trường VN.
Bom (điều
khiển bằng) Laser (Laser Guide Bomb LGB) là bom được điều dẫn theo bức xạ Laser
phản xạ từ mục tiêu được chiếu bởi tia Laser. Đầu điều dẫn (ĐĐD) Bom LGB hoạt
động theo nguyên lí của một HTHN.
- Nguồn bức xạ là những tia Laser phản xạ từ
mục tiêu do tia Laser chiếu đến từ máy bay. Laser chiếu có bước sóng làm việc
là 1,06 µm (Laser Rắn YAG:Nd).
- Môi trường truyền là lớp khí quyển gần mặt
đất. Hệ quang thu có Kính lọc Giao thoa cho truyền qua một vùng phổ hẹp cực đại
ở 1,06 µm (bước sóng của Laser chiếu).
- Yếu tố thu là Quang trở PbS
ĐĐD Bom
LGB đã sử dụng những tính chất đặc biệt của Laser để điều khiển vũ khí đạt độ
chính xác cao. Việc sử dụng bước sóng làm việc 1,06 µm là một giải pháp tối ưu
vì nguồn phát đáp ứng là Laser YAG:Nd phát chế độ xung ổn định và công suất đủ
lớn phù hợp với mục tiêu chiến thuật; nằm trong vùng cửa sổ của khí quyển; có
thể dùng Kính lọc Giao thoa cho phổ truyền hẹp với cực đại ở 1,06 µm để chống
nhiễu quang học có hiệu quả; yếu tố thu có thể chọn lựa trong họ các yếu tố thu
photon rất phong phú .
Việc
ứng dụng có hiệu quả những nguyên lí Vật lý và những thành tựu của Công nghệ Vật
lý để tạo nên những Trang bị Quân sự nói chung và những Vũ khí, Khí tài Hồng
ngoại nói riêng đã chứng tỏ vai trò quan trọng của Vật lý trong Kĩ thuật Quân
sự. Hiện nay, khai thác những hiệu ứng Vật lý kết hợp với Công nghệ chế tạo
Linh kiện và Xử lí Thông tin vẫn đang được nghiên cứu sâu sắc và mạnh mẽ để đáp ứng mọi đòi hỏi của
Kĩ thuật và Chiến thuật Quân sự hiện đại.
