Terahertsisäteily (tai terahertsisäteily ), THz-säteily , submillimetrisäteily , submillimetriaallot - sähkömagneettinen säteily , jonka taajuusspektri sijaitsee infrapuna- ja mikroaaltoalueen välissä . Sisältää sähkömagneettiset aallot ITU :n määrittelemällä taajuusalueella 0,3-3 THz [1] [2] , vaikka terahertsin säteilyn yläraja on jokseenkin mielivaltainen ja joissakin lähteissä sen katsotaan olevan 30 THz. ITU:n määrittelemä taajuusalue vastaa desimillimetriaaltojen aluetta, 1-0,1 mm. Sama aaltoalueen määritelmä on annettu GOST 24375-80:ssa ja viittaa näihin aalloihin hyperkorkeaan taajuusalueeseen [3] .
Terahertsisäteily on ionisoimatonta , kulkee helposti useimpien eristeiden läpi, mutta johtavia materiaaleja ja jotkin eristeet absorboivat sitä voimakkaasti. Esimerkiksi puu, muovi, keramiikka ovat hänelle läpinäkyviä, mutta metalli ja vesi eivät.
Submillimetriaaltojen tiede ja teknologia alkoivat kehittyä aktiivisesti 1960- ja 1970-luvuilta lähtien, jolloin ensimmäiset tällaisen säteilyn lähteet ja vastaanottimet tulivat saataville [4] [5] . Tämä on 2000-luvun alusta lähtien ollut nopeasti kehittyvä suunta [6] [7] , jolla on suuret näkymät eri toimialoilla.
Yksi ensimmäisistä kehitetyistä oli pienitehoiset sähkötyhjiöpulssisäteilylähteet, kuten BWO , orotron . Sitten tehokkaammat lähteet (jopa kymmeniä kW) - FEL , gyrotron . Siten yhden kehitetyistä gyratroneista oli teho 1,5 kW taajuudella 1 THz pulssissa, jonka kesto oli 50 μs, kun taas hyötysuhde oli 2,2 % [8] . Yksi tehokkaimmista terahertsisäteilyn lähteistä on Novosibirskin terahertsi FEL , jonka keskimääräinen teho on 500 W [9] [10] .
Viime aikoina lineaarisia kiihdyttimiä ja synkrotroneja on käytetty THz-lähteinä.[ selventää ] [11] [12] . Teoksessa [13] esitetään suuritehoinen pulssillinen THz säteilylähde (keskiarvo, 20 W ja huippu, ~1 MW).
Yllä olevien lähteiden säteily on bremsstrahlungia, se tulee elektroneista, jotka liikkuvat nopeasti alipainekammiossa erityisen konfiguraation omaavassa sähkö- tai magneettikentässä.
Pienitehoisen THz-säteilyn lähde on kvanttioptinen generaattori ( laser ). 1900-luvun loppuun asti kaukaisen IR-alueen laserit olivat tilaa vieviä ja tehottomia, joten uuden sukupolven järjestelmän kehittäminen vaadittiin. THz-lasergeneroinnin niin kutsuttu kvanttikaskadiperiaate toteutettiin ensimmäisen kerran vuonna 1994. Ongelmana oli kuitenkin se, että aktiivinen väliaine, jossa THz-säteily ilmestyi, myös absorboi sitä. Vuoteen 2002 mennessä ongelma ratkaistiin tuomalla monikerroksisen laserkiteen aktiiviselle alueelle useita aaltoputkia, jotka tuovat THz-säteilyn ulos. Näin luotiin ensimmäinen THz -säteilyn kvanttikaskadilaser , joka toimi 4,4 THz:n taajuudella ja tuottaa 2 mW:n tehon [14] .
Myös pienitehoisen THz-säteilyn tuottamiseen käytetään lähteitä, jotka käyttävät puolijohdekiteessä sähkö-optista vaikutustaTämä vaatii femtosekunnin (esimerkiksi titaanisafiiri ) laserin ja puolijohdekiteen pulsseja, joilla on halutut ominaisuudet (usein käytetään sinkkitelluridia ). Harkitaan mahdollisuutta luoda THz - lähteitä Dember - efektin perusteella .
Gunn-diodeja käytetään tuottamaan ja havaitsemaan THz-säteilyä.
THz-säteilyn tuottamisen periaatteille on omistettu monia teoksia. Esimerkiksi julkaisussa [15] tutkitaan teoreettisesti THz-säteilyn emissiota suprajohteiden välisistä Josephson-liitoksista, kun ei-stationaarisen Josephson-ilmiön johdosta käytetään virtaa .
Ensimmäisiä vastaanottimia voidaan pitää bolometrina ja optis-akustisena vastaanottimena ( Golay-solu ), jonka prototyypin loi 1930-luvulla Hayes ja M. Golay paransi sitä 1940-luvulla [16] .
Alun perin nämä laitteet luotiin rekisteröimään infrapunasäteilyä (lämpösäteilyä). Havaittiin, että heikon signaalin eristäminen THz-alueella on mahdotonta ilman lämpökohinan vaimennusta. Siksi useiden kelvinien lämpötiloihin jäähdytettyjä bolometrejä käytettiin myöhemmin THz-vastaanottimina.
THz-säteilyn havaitsemiseen käytetään myös radiomittareita , joiden herkkä elementti on valmistettu pyrosähköisen ( ferrosähköisen ) pohjalta. Litiumtantalaattilevyt (LiTaO 3 ) toimivat tehokkaasti. Nykyaikaisten pyrovastaanottimien ja bolometrien tekniset ominaisuudet ovat nähtävissä esimerkiksi täältä
Vastaanottokammiosta on kokeellinen näyte, jonka toimintaperiaate perustuu tunnelointivirran mittaamiseen vastaanottomatriisin elementtien herkiltä kalvoilta [17] .
Yllä kuvatut vastaanottimet ovat ei-selektiivisiä (termisiä), eli ne mahdollistavat integroidun signaalitehon tallennuksen vastaanottimen edessä olevan optisen järjestelmän katkaisemalla alueella ilman THz-säteilyspektrin yksityiskohtia. Parhaiden lämpövastaanottimien meluekvivalenttiteho ( NEP ) on alueella 10 −18 -10 −19 W/Hz 1/2 [18] .
Selektiivisiä THz-vastaanottimia ovat kamerat, jotka käyttävät valosekoitusta , Pockels-efektiä , sähkökentän värähtelyjä ( Gunn-diodeissa ). Valokekoitus suoritetaan metalliantennien [19] [20] pinnalla , puolijohdekiteissä [21] , ohuissa suprajohtavissa kalvoissa. Tuloksena saadaan erotaajuudella oleva signaali, joka analysoidaan tavanomaisin menetelmin. Pockelsin efekti toteutuu puolijohdekiteissä, esimerkiksi galliumarsenidikiteissä (GaAs).
THz-säteilyvastaanottimia on melko suuri määrä, ja tähän päivään asti on etsitty vaihtoehtoisia havaitsemisperiaatteita.
Viime aikoihin asti THz-alueelle oli vaikea päästä käsiksi, mutta THz-tekniikan kehittymisen myötä tilanne on muuttunut. Nyt on olemassa THz-spektrometrit ( Fourier-spektrometrit ja monokromaatit ), jotka toimivat koko THz-alueella.
Niiden suunnittelussa käytetään joitain edellä kuvatuista lähteistä, vastaanottimia ja optisia THz-elementtejä, kuten THz - diffraktiohitiloja, tarkennussarvia , kapeakaistaisia resonanssiverkkosuodattimia [22] On mahdollista käyttää prismoja ja muita dispersioelementtejä. THz-spektroskopiassa käytetty tekniikka sisältää piirteitä viereisten mikroaalto- ja infrapuna-alueiden tekniikoista, mutta on omalla tavallaan ainutlaatuinen.
THz-säteily on erilaisten makroskooppisten kohteiden lämpösäteilyn komponentti (yleensä spektrijakauman pitkän aallonpituuden pyrstössä). THz-alueella on joidenkin epäorgaanisten aineiden ( esimerkiksi vesiviivat [23] , happi, CO) tasojen välisten siirtymien taajuudet, ioni- ja molekyylikiteiden hilan pitkäaaltovärähtelyt, pitkien molekyylien taivutusvärähtelyt , mukaan lukien polymeerit ja biopolymeerit; epäpuhtauksien ominaistaajuudet dielektrissä, mukaan lukien laserkiteissä; puolijohteissa nämä ovat taajuuksia, jotka vastaavat epäpuhtauskompleksien, eksitonien , epäpuhtauksien virittyneiden tilojen Zeeman- ja Stark-siirtymien sitoutumisenergioita [24] . Ferrosähköisten materiaalien pehmeiden moodien taajuudet ja suprajohteiden rakojen energiaa vastaavat taajuudet ovat myös THz-alueella [25] .
Tällä alueella on mielenkiintoista tutkia magneto -bremsstrahlung (syklotroni- ja synkrotronisäteily ), magneto-drift- ja Cherenkov-säteilyä , jotka tietyissä olosuhteissa vaikuttavat merkittävästi THz-säteilyn kokonaisspektriin.
THz:n säteilyä käytetään jo tietyntyyppisessä taloudellisessa toiminnassa ja ihmisten jokapäiväisessä elämässä.
Joten turvajärjestelmissä sitä käytetään matkatavaroiden ja ihmisten skannaamiseen. Toisin kuin röntgensäteet, THz-säteily ei vahingoita kehoa. Sen avulla voidaan nähdä metallia, keraamia, muovia ja muita esineitä piilossa henkilön vaatteiden alle jopa kymmenien metrien etäisyydeltä esimerkiksi Tadar-järjestelmän avulla [26] . Pyyhkäisevän säteilyn aallonpituus on 3 mm.
Artikkelissa [27] kuvataan menetelmä mikroskooppisten kohteiden kuvien saamiseksi THz-säteilyllä, jonka ansiosta kirjoittajat saivat ennätysarvoja herkkyydestä ja resoluutiosta.
Lääketieteelliseen käytäntöön alkaa tulla THz-tomografeja [28] , joiden avulla voidaan tutkia kehon ylempiä kerroksia - ihoa, verisuonia, lihaksia - useiden senttimetrien syvyyteen. Tämä on tarpeen esimerkiksi kasvainten kuvien saamiseksi.
Vastaanottavien THz-kameroiden parantaminen mahdollistaa kuvien saamisen kipsi- tai maalikerrosten alle piilotetuista pinnoista, mikä puolestaan mahdollistaa "kontaktittoman" maalausten alkuperäisen ulkonäön palauttamisen [29] .
Tuotannossa THz-säteilyllä voidaan valvoa valmistettujen tuotteiden laatua ja valvoa laitteita. On mahdollista esimerkiksi tarkastaa tuotteita muovi-, paperisäiliöissä, läpinäkyviä THz-spektrissä, mutta läpinäkymättömiä näkyvissä.
Tarkastellaan mahdollisuutta kehittää nopeita THz-viestintäjärjestelmiä [30] ja THz-paikannusta suurille korkeuksille ja avaruudelle.
Eri aineiden THz-spektroskopian alan tutkimus on erittäin tärkeää, mikä mahdollistaa uusien sovellusten löytämisen niille.
Lähes kaikki THz:n säteily saavuttaa Maan pinnan Auringosta . Ilmakehän vesihöyryn voimakkaan imeytymisen vuoksi sen teho on kuitenkin mitätön. Siksi erityisen kiinnostavaa on tutkia THz-säteilyn vaikutusta elävään organismiin [31] .
On mielenkiintoista tutkia astrofysikaalisten kohteiden THz-säteilyn spektriä, jonka avulla niistä voidaan saada lisää tietoa . Chilen Andeilla, 5100 metrin korkeudessa, toimii maailman ensimmäinen teleskooppi , joka vastaanottaa Auringosta ja muista kosmisista kappaleista 0,2-1,5 mm:n säteilyä.
Kehitystä on meneillään THz- ellipsometrian [32] [33] , holografian sekä THz-säteilyn vuorovaikutuksen metallien ja muiden aineiden tutkimuksissa. Tutkitaan THz- plasmonien etenemistä ja vuorovaikutusta eri kokoonpanoissa olevissa aaltoputkissa. THz-piirien perustaa kehitetään; ensimmäiset THz - transistorit on jo valmistettu . Nämä tutkimukset ovat tarpeen esimerkiksi prosessorien toimintataajuuden nostamiseksi THz-alueelle.[ selventää ]
Magnetobremsstrahlung THz -säteilyn tutkimus antaa tietoa aineen rakenteesta voimakkaassa magneettikentässä (4-400 T).
Aktiivista kehitystyötä on käynnissä myös armeijan ja erikoisyksiköiden tilauksesta terahertsialueella toimivissa terahertsitutkissa ja tutka-optisissa kuvantamisjärjestelmissä, mukaan lukien personal, joka on terahertsitutkaan perustuva tutka-optinen laite, jonka näytöllä kuva näytetään terahertsialueella. Terahertsisäteilyn käyttöä tutka-optisissa visualisointityökaluissa voidaan käyttää seuraavan tyyppisten yönäkölaitteiden luomiseen muiden toteutettujen menetelmien, kuten kuvanvahvistinputken , infrapunakameran, ultraviolettikameran, ohella.
| Radioaaltokaistat | ||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ||||||||||||||||||||||||
| sähkömagneettinen spektri | |
|---|---|
| Näkyvä spektri | |
| Mikroaaltouuni | |
| radioaallot | |
| Aallonpituudet | |