รังสีอินฟราเรด (Infrared Radiation : IR) ประโยชน์ และอันตรายจากรังสีอินฟราเรด

รังสีอินฟราเรด (Infrared Radiation : IR) ประโยชน์ และอันตรายจากรังสีอินฟราเรด

รังสีอินฟราเรด หรือ รังสีความร้อน (Infrared Radiation, IR) เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ถูกค้นพบครั้งแรกในปี ค.ศ. 1800 โดยนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ ชื่อ Sir William Herschel ซึ่งใช้คำเรียกรังสีอินฟราเรดว่า รังสีใต้แดง หรือ รังสีความร้อน

รังสีอินฟราเรด มีความยาวคลื่นอยู่ในช่วง 0.75-100 μm หรือในช่วงความถี่ 1,011 – 1,014 เฮิร์ตซ์ (Hz) หรืออยู่ในช่วงระหว่างแสงสีแดงกับคลื่นวิทยุ เช่นเดียวกันกับคลื่นไมโครเวฟ โดยคุณสมบัติเด่นเฉพาะตัวของรังสีอินฟราเรด คือ ไม่เบี่ยงเบนในสนามแม่เหล็กไฟฟ้า และหากมีความถี่สูงขึ้น พลังงานก็จะเพิ่มสูงขึ้นด้วย

แหล่งกำเนิดรังสีอินฟราเรด

1. ดวงอาทิตย์

รังสีอินฟราเรดที่แผ่จากดวงอาทิตย์มาถึงโลกจะมีความยาวคลื่นในช่วง 0.75-100 μm โดยมีบางส่วนถูกสะท้อนออกนอกโลก บางส่วนที่ทะลุผ่านเข้าชั้นบรรยากาศจะถูกดูดกลืน (absorption) และกระเจิงออก (scattering) ด้วยอนุภาคก๊าซชนิดต่างๆในชั้นบรรยากาศ โดยมีไอน้ำ และก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เป็นอนุภาคสารที่ดูดกลืนรังสีอินฟราเรดไว้เป็นส่วนใหญ่ ซึ่งมีผลทำให้บรรยากาศของโลกมีความอบอุ่นขึ้น ความเข้มข้นของรังสีอินฟราเรดสามารถวัดได้ด้วยเครื่อง Pyranometer มีหน่วยเป็น W/m2

2. วัตถุที่มีความร้อน

วัตถุบนโลกทุกชนิดที่มีอุณหภูมิในช่วง -200 ถึง 4,000 ºC จะสามารถปล่อยรังสีอินฟราเรดได้

ช่วงของรังสีอินฟราเรด

1. รังสีอินฟราเรดย่านใกล้ (Near Infra-red หรือ NIR)

รังสีอินฟราเรดย่านใกล้ มีความยาวคลื่นในช่วง 0.75 – 3 μm สามารถให้ใช้งานในช่วง 500 – 2,200 ºC ให้กำลังความร้อนต่อพื้นที่สูง สามารถให้ความร้อนได้สูง ความร้อนผ่านเข้าในเนื้อวัสดุได้ลึก และรวดเร็ว นิยมนำไปใช้ในอุตสาหกรรมอาหาร เช่น การอบแห้งผลิตภัณฑ์

2. รังสีอินฟราเรดย่านกลาง (Middle Infra-red หรือ mid-IR)

รังสีอินฟราเรดย่านกลาง มีความยาวคลื่นในช่วง 3 – 25 μm สามารถให้อุณหภูมิใช้งานในช่วง 500 – 950 ºC สามารถให้ความร้อนได้ปานกลาง และผ่านเข้าไปในเนื้อวัสดุได้ลึกปานกลาง

3. รังสีอินฟราเรดย่านไกล (Far Infra-red หรือ FIR)

รังสีอินฟราเรดย่านไกล มีความยาวคลื่นในช่วง 25 – 100 μm สามารถให้ใช้งานในช่วง 300 – 700 ºC ให้ความร้อนต่อหน่วยพื้นที่ได้ต่ำ ความร้อนผ่านเข้าไปในเนื้อวัสดุได้ไม่ลึก เหมาะสำหรับใช้งานประเภทที่ต้องการความร้อนต่ำ และจำกัดบริเวณพื้นผิว

รังสีอินฟราเรดที่ส่องมาจากดวงอาทิตย์หรือแหล่งกำเนิดรังสี เมื่อตกกระทบวัตถุ บางส่วนจะถูกวัตถุดูดกลืน (Absorbed) บางส่วนจะทะลุผ่านวัตถุ (Transmitted) และบางส่วนจะถูกสะท้อนออกจากวัตถุ (Refected) โดยรังสีบางส่วนที่ถูกดูดกลืนจะเปลี่ยนไปเป็นพลังงานความร้อนขึ้นภายในตัววัตถุ แสดงดังสมการที่ 1

Y + T + A = 1 (1)

เมื่อ Y หมายถึง Refected Energy

Y หมายถึง Transmitted Energy

A หมายถึง Absorbed Energy from Object

กรณีวัตถุดูดกลืนรังสีอินฟราเรด และอยู่ในสภาพภาวะแวดล้อมที่สมดุล วัตถุจะเกิดการแผ่รังสีอินฟราเรด โดยปริมาณการแผ่รังสีอินฟราเรดจะมีค่าเท่ากับปริมาณรังสีที่ดูดกลืน ดังนั้น วัตถุที่ดูดกลืนรังสีได้ดีก็จะแผ่รังสีได้ดีด้วยเช่นกัน ทั้งนี้ ค่าการดูดกลืนรังสีอินฟราเรดสูงสุด หรือ การดูดกลืนรังสีในอุดมคติ (Ideal Absorbor) จะมีค่าเท่ากับ 1 คือ ดูดกลืนรังสีที่กระทบไว้ได้ทั้งหมด โดยใช้สัญลักษณ์แทน คือ α (Absorptivity)

กรณี วัตถุมีอุณหภูมิในช่วง -200 ถึง 4,000 ºC ทำให้วัตถุเกิดการแผ่รังสีอินฟราเรดหรือแผ่รังสีความร้อน ก็จะใช้สัญลักษณ์ ε (Emissivity) แทนสัญลักษณ์ α (Absorptivity) ทั้งนี้ ค่าทั้งสองมีความสัมพันธ์กันโดยตรงตามกฎของ Kirchhoff’s Law ดังนั้น ε = α และเขียนสมการได้ใหม่ดังสมการที่ 2

E + Y + T = 1 (2)

เมื่อ T หมายถึง Reflectivity Energy

Y หมายถึง Transmitted Energy

E หมายถึง Emissivity

วัตถุดำ

ค่าการดูดกลืนรังสีอินฟราเรดสูงสุด หรือ การดูดกลืนรังสีในอุดมคติ (Ideal Absorbor) จะมีค่าเท่ากับ 1 (α = 1) หมายถึง วัตถุมีความสามารถดูดกลืนรังสีที่กระทบไว้ได้ทั้งหมด ไม่มีการผ่านหรือสะท้อนออก หรือวัตถุร้อนที่สามารถแผ่รังสีได้สมบูรณ์ เรียกวัตถุ 2 ประเภทนี้ว่า วัตถุดำ ซึ่งมีคุณลักษณะ ดังนี้

- วัตถุดำ สามารถดูดกลืนรังสีตกกระทบไว้ได้ทั้งหมด โดยไม่มีการสะท้อนรังสีส่วนใดส่วนหนึ่งออก

- วัตถุดำ สามารถแผ่รังสีได้มากกว่าวัตถุทุกชนิดที่มีอุณหภูมิ และความยาวคลื่นในช่วงเดียวกัน

- วัตถุดำ สามารถแผ่รังสี และดูดกลืนรังสีได้ดีที่สุด โดยแผ่รังสีออกได้ในทุกทิศทาง ดังนั้น จึงใช้วัตถุดำสำหรับเปรียบเทียบการแผ่รังสีของผิววัตถุอื่นๆ

ปริมาณความร้อนที่แผ่ออกจากวัตถุ คำนวณได้จากสมการสเตฟาน – โบลแมน (Stefan – Boltzman) ตามสมการที่ 3

Q = QAT4 (3)

เมื่อ Q = อัตราการแผ่ความร้อน (J/s)

Q = ค่าคงที่ของสเตฟาน – โบลแมน ซึ่งเท่ากับ 5.7 x 10-8 (J/sm2K4)

A = พื้นที่ผิว (m2)

T = อุณหภูมิสัมบูรณ์ (K, ºC + 273)

ประโยชน์รังสีอินฟราเรด

1. ด้านอุตสาหกรรมอาหาร

1.1 การอบแห้ง

รังสีอินฟราเรดไกลมีสามารถให้ความร้อน และทะลุผ่านเข้าไปในอาหารได้มาก จึงประยุกต์ใช้สำหรับการอบแห้งอาหารต่างๆ เช่น เมล็ดพันธุ์พืช ผลิตภัณฑ์ผัก และผลไม้ รวมถึงเนื้อสัตว์ ช่วยให้ลดเวลา และพลังงานที่ใช้ในการอบแห้งลง

ข้อดีการอบแห้งด้วยรังสีอินฟราเรด

- ระบบให้ความร้อนควบคุมได้ง่าย

- สามารถถ่ายเทความร้อนไปยังผลิตภัณฑ์ได้ดี และความร้อนสามารถทะลุผ่านเข้าในผลิตภัณฑ์ได้สูง

- มีราคาถูกเมื่อเปรียบเทียบกับแหล่งพลังงานบางชนิด เช่น ไดอิเล็กตริก และไมโครเวฟ

- มีอายุการใช้งานยาวนาน และมีค่าซ่อมบำรุงต่ำ

- ทั้งระบบน้ำหนักเบา ใช้ใช้พื้นที่ของอุปกรณ์น้อย ติดตั้งง่าย และสามารถใช้ร่วมกับเครื่องอบแห้งแบบทั่วไปได้

- ผลิตภัณฑ์มีความแห้งสม่ำเสมอ และมีความสะอาด

ข้อเสียการอบแห้งด้วยรังสีอินฟราเรด

- สำหรับผลิตภัณฑ์ที่มีขนาดใหญ่จะต้องเพิ่มขนาดหลอดรังสีอินฟราเรด ทำให้ต้นทุนสูงขึ้น

- ไม่เหมาะสำหรับผลิตภัณฑ์ที่มีความหนามาก

1.2 การแปรรูปอาหารให้สุก

การใช้รังสีอินฟราเรดแปรรูปอาหารให้สุก แบ่งเป็น 2 ประเภท คือ

- ระดับอุณหภูมิปานกลาง (Medium temperature radiate)

ระดับอุณหภูมิปานกลาง ได้จากเครื่องกำเนิดรังสีอินฟราเรดแบบคลื่นสั้น ซึ่งใช้หลอดเป็นเส้นลวดหรือหลอดซิลิก้า สามารถให้ความร้อนในช่วง 500 – 1000 °C และให้พลังงานประมาณ 15 กิโลวัตต์/ตารางเมตร นิยมใช้กับอาหารที่ไม่ไวต่อความร้อน

- ระดับอุณหภูมิสูง (High temperature radiate)

ระดับอุณหภูมิสูง ได้จากเครื่องกำเนิดรังสีอินฟราเรดแบบคลื่นสั้น ซึ่งใช้เป็นหลอดทังสเตน หรือหลอดควอตส์ สามารถให้ความร้อนสูงสุดถึง 2,500 °C และให้พลังงาน ประมาณ 10 – 65 กิโลวัตต์/ตารางเมตร นิยมใช้กับอาหารที่ไวต่อความร้อน

1.3 อุตสาหกรรมอื่น ได้แก่

- การอบแห้งเฟอร์นิเจอร์

- การอบแห้งเครื่องปั้น และเซรามิกส์

- การอบแห้งวัสดุยานยนต์

- สิ่งทอ

- กระดาษ

- เคลือบสีผลิตภัณฑ์

- ฯลฯ

2. ด้านการเกษตร

ความร้อนที่ได้จากรังสีอินฟราเรดที่ความยาวคลื่น 3-6 ไมครอน สามารถกำจัดแมลงในเมล็ดข้าวได้ถึง 100%

3. อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ และการสื่อสาร

- ใช้เป็นตัวกลางสื่อสารสำหรับอุปกรณ์ไร้สาย อาทิ มือถือ คอมพิวเตอร์

- ภาพถ่ายความร้อนด้วยกล้องอินฟราเรดที่ใช้ประโยชน์ในหลายด้าน อาทิ ทางทหาร ทางการแพทย์ และอุตสาหกรรม

- ภาพถ่ายดาวเทียมในช่วงคลื่นรังสีอินฟราเรด

อันตรายจากรังสีอินฟราเรด

ผลกระทบจากรังสีอินฟราเรดส่วนใหญ่จะมีผลต่อชั้นบรรยากาศ ทำให้ชั้นบรรยากาศมีความอบอุ่นหรือร้อนขึ้น ส่วนในมนุษย์ และสัตว์ หากได้รับรังสีอินฟราเรดติดต่อกันเป็นเวลานานจะทำให้ผิวมีอาการแสบร้อน ผิวหมองคล้ำ ดำกร้าน เซลล์ผิวเสื่อมสภาพ และร่างกายขาดน้ำ หากได้รับติดต่อกันนานพร้อมกับมีความเข้มสูงจะทำให้ผิวแสบร้อนรุนแรง และเกิดรอยไหม้ของผิวได้