RU2511070C1 - Device for imaging terahertz radiation sources - Google Patents

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: invention relates to imaging terahertz (THz) radiation (ν=0.1-10 THz or λ=30-3000 mcm) and can be used to design devices for detecting and analysing terahertz radiation. The device for imaging terahertz radiation sources has a converter for converting terahertz radiation to infrared radiation, which consists of a layer of artificial metamaterial with resonant absorption of terahertz radiation, deposited on a solid-state substrate made of sapphire, placed between an input terahertz lens and an infrared camera lens situated on the side of the substrate. The converter is based on a gelatin matrix which contains metal nanoparticles and is provided with a cut-off filter placed in front of the matrix to allow filtration of thermal radiation of the terahertz radiation source with wavelength of not more than 30 mcm.

EFFECT: high noise-immunity of the design, low noise level and high sensitivity while simplifying the design of the imaging device.

16 cl, 6 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Изобретение относится к области оптической и оптоэлектронной техники, в частности к визуализаторам терагерцового (ТГц) излучения (ν=0,1÷10 ТГц или λ=30÷3000 мкм), и может быть использовано при создании приборов для регистрации и анализа ТГц-излучения.The invention relates to the field of optical and optoelectronic technology, in particular to visualizers of terahertz (THz) radiation (ν = 0.1 ÷ 10 THz or λ = 30 ÷ 3000 μm), and can be used to create devices for recording and analysis of THz radiation .

Предшествующий уровень техникиState of the art

С точки зрения практического применения одним из наиболее перспективных аспектов применения ТГц-излучения является его использование в медицине для визуализации, голографирования и томографии тканей, терапии и хирургии. Кроме того, ТГц-излучение также находит свое применение в биохимических и биофизических исследованиях при определении ТГц-спектров поглощения и отражения органических и биологических молекул, белков, ДНК и т.д., для определения концентрации веществ, в специальной технике противодействия терроризму и борьбе с наркотиками, при создании устройств дистанционного обнаружения скрытых токсических и взрывчатых веществ.From the point of view of practical application, one of the most promising aspects of the use of THz radiation is its use in medicine for imaging, holography and tomography of tissues, therapy and surgery. In addition, THz radiation also finds its application in biochemical and biophysical studies in determining the THz absorption and reflection spectra of organic and biological molecules, proteins, DNA, etc., to determine the concentration of substances, in a special technique for combating terrorism and combating terrorism drugs, when creating devices for remote detection of hidden toxic and explosive substances.

При исследовании источников ТГц-излучения, мониторинге и контроле полей, измерении слабых потоков ТГц-излучения в задачах, требующих регистрации низкоэнергетических сигналов в ТГц-диапазоне, также возникает необходимость в визуализации источников ТГц-излучения.When researching THz radiation sources, monitoring and controlling fields, measuring weak THz radiation fluxes in problems requiring registration of low-energy signals in the THz range, it also becomes necessary to visualize THz radiation sources.

Визуализация изображений при малой мощности, как правило, осуществляется либо сканированием объекта сфокусированным пучком ТГц-излучения, либо длительной экспозицией. Однако в первом случае для этого требуются мощные источники ТГц-излучения, а во втором - изображение получается малоконтрастным, что не дает возможность получить достоверную информацию об объекте.Visualization of images at low power, as a rule, is carried out either by scanning the object with a focused beam of THz radiation, or by long exposure. However, in the first case, this requires powerful sources of THz radiation, and in the second, the image is obtained in low contrast, which does not make it possible to obtain reliable information about the object.

Известен преобразователь ТГц-излучения в инфракрасное (ИК) излучение, выполненный в виде ультратонкой (не менее чем в 50 раз меньше длины волны ТГц-излучения) многослойной структуры на основе диэлектрического слоя. Со стороны падения ТГц-излучения на поверхности диэлектрического слоя выполнен металлизированный топологический рисунок, образующий частотно-избирательную поверхность. С обратной стороны диэлектрического слоя нанесен сплошной слой с металлической проводимостью, поверх которого нанесен тонкий слой материала, обладающего высокой излучательной способностью в ИК-диапазоне (коэффициент серости, близкий к единице) [RU 2447574, H03D 7/00, публ. 10.04.2012]. К числу недостатков данного решения следует отнести сложность конструкции и ограниченные возможности применения вследствие высокого уровня шума, что требует применения дополнительных средств фильтрации.A known converter of THz radiation to infrared (IR) radiation, made in the form of an ultrathin (not less than 50 times less than the wavelength of THz radiation) multilayer structure based on a dielectric layer. From the side of the incidence of THz radiation, a metallized topological pattern is made on the surface of the dielectric layer, forming a frequency-selective surface. On the reverse side of the dielectric layer, a continuous layer with metal conductivity is applied, on top of which a thin layer of a material having a high emissivity in the infrared range is applied (gray factor close to unity) [RU 2447574, H03D 7/00, publ. 04/10/2012]. The disadvantages of this solution include the design complexity and limited application due to the high noise level, which requires the use of additional filtration tools.

Известно также решение устройства визуализации, включающего: конвертер ТГц-излучения в ИК-излучение, состоящий из слоя искусственно созданного метаматериала с резонансным поглощением ТГц-излучения, нанесенного на твердую подложку из сапфира, расположенный между входным ТГц-объективом и объективом приемной камеры (видимого света), расположенной со стороны подложки; источник видимого света, настроенный для освещения задней стороны конвертера; и камеру с объективом и детектором, адаптированным для выявления излучения видимого света от задней стороны конвертера. При этом конвертер состоит из жидкокристаллического слоя, нанесенного на жесткую подложку из сапфирового стекла, и содержит поглощающий слой, включающий в себя частицы металла в виде порошка (железа, алюминия, олова или меди), а детектор принимает соответствующее изображению излучение видимого света, сформированное на задней грани конвертера [US 2008179519, G02F 1/13, публ. 31.07.2008]. Данное решение является наиболее близким к заявляемому изобретению по совокупности существенных признаков и принято за прототип. К числу недостатков рассматриваемого решения можно отнести невысокую чувствительность при одновременно высоком уровне шума, неоднородный отклик пикселя, избыточную сложность конструкции.There is also known a solution to a visualization device, including: a THz radiation to IR converter, consisting of a layer of artificially created metamaterial with resonant absorption of THz radiation deposited on a solid sapphire substrate located between the THz input lens and the receiving camera lens (visible light) ) located on the side of the substrate; a visible light source configured to illuminate the back of the converter; and a camera with a lens and a detector adapted to detect visible light radiation from the rear of the converter. In this case, the converter consists of a liquid crystal layer deposited on a rigid sapphire crystal substrate and contains an absorbing layer that includes metal particles in the form of powder (iron, aluminum, tin or copper), and the detector receives visible radiation generated by the rear edge of the Converter [US 2008179519, G02F 1/13, publ. 07/31/2008]. This solution is the closest to the claimed invention in terms of essential features and is taken as a prototype. The disadvantages of this solution include low sensitivity with a simultaneously high noise level, inhomogeneous pixel response, and excessive design complexity.

В связи с вышесказанным в настоящее время актуальной задачей является разработка новых способов визуализации ТГц-излучения.In connection with the foregoing, an urgent task is to develop new methods for visualizing THz radiation.

Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION

Задачей настоящего изобретения является разработка простого устройства визуализации ТГц-излучения посредством преобразования последнего в ИК-излучение и его регистрации с помощью ИК-камеры с широким спектром применения.An object of the present invention is to provide a simple device for visualizing THz radiation by converting the latter into IR radiation and registering it with an IR camera with a wide range of applications.

Технический результат, достигаемый заявленным изобретением, состоит в повышении помехоустойчивости конструкции, снижении уровня шума и повышении чувствительности при одновременно простой конструкции устройства визуализации.The technical result achieved by the claimed invention is to increase the noise immunity of the structure, reduce noise and increase sensitivity with a simple design of the visualization device.

Вышеуказанный технический результат достигают тем, что используют устройство визуализации источников ТГц-излучения, содержащее конвертер ТГц-излучения в ИК-излучение, состоящий из слоя искусственно созданного метаматериала с резонансным поглощением ТГц-излучения, нанесенного на твердую подложку, расположенный между входным ТГц-объективом и объективом ИК-камеры. При этом в отличие от прототипа конвертер выполнен на основе желатиновой матрицы, содержащей наночастицы металла, и снабжен отрезающим фильтром, размещенным перед матрицей с возможностью фильтрации теплового излучения источника ТГц-излучения с длинами волн не более 30 мкм.The above technical result is achieved by using a device for visualizing THz radiation sources containing a THz-to-IR converter, consisting of a layer of artificially created metamaterial with resonant absorption of THz radiation deposited on a solid substrate located between the THz input lens and IR camera lens. Moreover, unlike the prototype, the converter is made on the basis of a gelatin matrix containing metal nanoparticles, and is equipped with a cut-off filter placed in front of the matrix with the possibility of filtering the thermal radiation of a THz radiation source with wavelengths of not more than 30 μm.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения желатиновая матрица конвертера может содержать наночастицы металла размером около 2 нм, имеющего пик плотности электронных состояний на уровне Ферми, с возможностью преобразования ТГц-излучения в теплоту. При этом наночастицы изолированы друг от друга и выполнены диспергированными в желатиновой эмульсии матрицы конвертера и предпочтительно выполнены из переходного металла с пиком плотности состояний электронов на уровне Ферми, например никеля, или выполнены из соединения с тяжелыми фермионами. Кроме того, в предпочтительном варианте осуществления изобретения подложка может быть выполнена из сапфира, а объектив инфракрасной камеры расположен со стороны подложки.In a preferred embodiment, the gelatin matrix of the converter may comprise metal nanoparticles of about 2 nm in size, having a peak density of electronic states at the Fermi level, with the possibility of converting THz radiation into heat. In this case, the nanoparticles are isolated from each other and are made of a converter matrix dispersed in a gelatinous emulsion and are preferably made of a transition metal with a peak electron density of states at the Fermi level, for example nickel, or made of a compound with heavy fermions. In addition, in a preferred embodiment of the invention, the substrate can be made of sapphire, and the infrared camera lens is located on the side of the substrate.

К числу предпочтительных относятся также варианты осуществления, в которых наночастицы металла распределены на поверхности конвертера с поверхностной плотностью, определяемой из соотношения:Among the preferred include embodiments, in which the metal nanoparticles are distributed on the surface of the Converter with a surface density determined from the ratio:

N=Δε_λ/(Q/2),N = Δε _λ / (Q / 2),

где Q - мощность, требуемая для поддержания наночастицы в желатиновой матрице при температуре Т+ΔТ, Вт;where Q is the power required to maintain the nanoparticles in the gelatin matrix at a temperature of T + ΔT, W;

Т - температура конвертера, К;T is the temperature of the converter, K;

ΔТ - величина роста температуры наночастицы относительно Т в результате ее облучения терагерцовым излучением, К;ΔТ is the value of the temperature increase of the nanoparticle relative to T as a result of its irradiation with terahertz radiation, K;

Δε_λ - порог чувствительности инфракрасной камеры по поверхностной плотности мощности излучения, определяемый из соотношения:Δε _λ is the sensitivity threshold of the infrared camera for the surface density of the radiation power, determined from the ratio:

Δε_λ=4σ·T³·ΔТ_АЧТ,Δε _λ = 4σ · T ³ · ΔТ _blackbody ,

где σ=5,67·10^-8 Вт·м^-2·К^-4 - постоянная Стефана-Больцмана;where σ = 5.67 · 10 ^-8 W · m ^-2 · K ^-4 is the Stefan-Boltzmann constant;

ΔТ_АЧТ - температурная чувствительность инфракрасной камеры, приведенная к абсолютно черному телу, К.ΔT _AHT - temperature sensitivity of an infrared camera reduced to a completely black body, K.

Отрезающий фильтр может быть выполнен с возможностью фильтрации ИК-излучения от источника ТГц-излучения в диапазоне длин волн 3-30 мкм и пропускающим ТГц-излучение от источника с длинами волн не менее 30 мкм. При этом предпочтительно выполнение отрезающего фильтра, желатиновой матрицы, содержащей наночастицы, и сапфировой подложки плотно прилегающими друг к другу с обеспечением возможности защиты наночастиц в желатиновой матрице от боковых потоков инфракрасного излучения.The cut-off filter can be configured to filter infrared radiation from a THz source in a wavelength range of 3-30 microns and transmitting THz from a source with wavelengths of at least 30 microns. In this case, it is preferable to perform a cut-off filter, a gelatin matrix containing nanoparticles, and a sapphire substrate tightly adjacent to each other, with the possibility of protecting the nanoparticles in the gelatin matrix from side streams of infrared radiation.

Диаметр входного ТГц-объектива преимущественно выполнен существенно большим по отношению к диаметру объектива ИК-камеры с возможностью обеспечения защиты наночастиц конвертера от шумовых излучений, а ИК-камера может дополнительно содержать отрезающий фильтр с отверстием для объектива с возможностью защиты конвертера от фонового ТГц-излучения камеры и ее корпуса, где отрезающие фильтры ИК-камеры и конвертера предпочтительно выполнены из однородных материалов с длиной волны отрезки не более 120 мкм.The diameter of the input THz lens is mainly made substantially larger with respect to the diameter of the IR camera lens with the possibility of protecting the converter nanoparticles from noise, and the IR camera may further comprise a cut-off filter with an opening for the lens with the possibility of protecting the converter from the background THz camera radiation and its housing, where the cut-off filters of the IR camera and converter are preferably made of homogeneous materials with a wavelength of segments of not more than 120 microns.

В еще одном варианте осуществления изобретения возможно выполнение желатиновой матрицы конвертера, содержащей наночастицы металла, нанесенной на обращенную в сторону объектива ИК-камеры поверхность отрезающего фильтра конвертера, дополнительно выполненного в виде подложки. При этом возможно использование инфракрасной камеры с рабочим диапазоном 7-15 мкм.In another embodiment of the invention, it is possible to make a gelatin matrix of the converter containing metal nanoparticles deposited on the surface of the cut-off filter of the converter, additionally made in the form of a substrate, facing the IR camera lens. It is possible to use an infrared camera with a working range of 7-15 microns.

В другом варианте осуществления изобретения возможно дополнительное включение в состав устройства плавно перестраиваемого по частоте источника лазерного излучения.In another embodiment of the invention, it is possible to further include in the composition of the device a continuously tunable frequency source of laser radiation.

Перечень чертежейList of drawings

Изобретение поясняется схемой визуализации источника ТГц-излучения, представленной на Фиг.1. Следует отметить, что прилагаемая схема иллюстрирует только один из наиболее предпочтительных вариантов выполнения изобретения и поэтому не может рассматриваться в качестве ограничений содержания изобретения, которое включает другие варианты выполнения.The invention is illustrated by the visualization scheme of the source of THz radiation, presented in figure 1. It should be noted that the attached diagram illustrates only one of the most preferred embodiments of the invention and therefore cannot be construed as limiting the content of the invention, which includes other embodiments.

При этом на:Moreover, on:

Фиг.2 представлена характеристика излучательной способности абсолютно черного тела (АЧТ) при температуре 300 К;Figure 2 presents the characteristic emissivity of a black body (blackbody) at a temperature of 300 K;

Фиг.3 - зависимость мощности Q как функции роста температуры ΔТ_m для наночастицы Ni радиусом R₀=1,2 нм в сферической желатиновой оболочке;Figure 3 - dependence of power Q as a function of temperature increase ΔТ _m for a Ni nanoparticle with a radius R ₀ = 1.2 nm in a spherical gelatin shell;

Фиг.4 - увеличение температуры ΔT как функция времени нагрева/охлаждения t для наночастицы Ni радиусом R₀=1,2 нм в сферической желатиновой оболочке для пяти значений Q_i.Figure 4 - increase in temperature ΔT as a function of heating / cooling time t for a Ni nanoparticle of radius R ₀ = 1.2 nm in a spherical gelatin shell for five values of Q _i .

Кроме того, для понимания сущности заявленного изобретения на Фиг.5 представлен спектр пропускания слоя воздуха толщиной 1,2 м при нормальных условиях, а на Фиг.6 представлены спектры пропускания различных сортов ткани в ТГц-диапазоне длин волн (снизу вверх: шерсть, джинсовая ткань, шелк, хлопок с синтетикой).In addition, to understand the essence of the claimed invention, Fig. 5 shows the transmission spectrum of an air layer 1.2 m thick under normal conditions, and Fig. 6 shows the transmission spectra of various types of fabric in the THz wavelength range (bottom to top: wool, jeans fabric, silk, cotton with synthetics).

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретенияInformation confirming the possibility of carrying out the invention

Используя сверхчувствительные ИК-камеры высокого разрешения (~14-38 мК) [1], а также оптические элементы ТГц-диапазона, производящиеся промышленностью, можно предложить простую схему визуализации объектов-источников ТГц-излучения (Фиг.1).Using ultra-sensitive infrared cameras of high resolution (~ 14-38 mK) [1], as well as optical elements of the THz range produced by industry, we can propose a simple visualization scheme for THz radiation source objects (Figure 1).

В соответствии со схемой, представленной на Фиг.1, ТГц-объектив 2 формирует в ТГц-лучах изображение объекта, являющегося источником 1 ТГц-излучения на двухмерном конвертере 4, который преобразует ТГц-излучение в ИК-излучение. Сформированное конвертером 4 изображение в ИК-лучах, в свою очередь, служит предметом для объектива ИК-камеры 6. При этом фильтр 3 служит для фильтрации теплового излучения объекта в диапазоне длин волн 3-30 мкм, в котором находится пик излучения тела с температурой ≈300 К, а подложка 5 из сапфира обеспечивает в данном примере осуществления изобретения фильтрацию теплового излучения ИК-камеры с целью защиты конвертера от ИК-излучения камеры.In accordance with the scheme shown in FIG. 1, the THz lens 2 generates in THz rays an image of an object that is a source of 1 THz radiation on a two-dimensional converter 4, which converts THz radiation into IR radiation. The infrared image formed by the converter 4, in turn, serves as an object for the lens of the IR camera 6. In this case, filter 3 serves to filter the thermal radiation of the object in the wavelength range of 3-30 μm, in which there is a radiation peak of the body with a temperature ≈ 300 K, and the sapphire substrate 5 in this embodiment provides filtering of the thermal radiation of the IR camera in order to protect the converter from the IR radiation of the camera.

Конвертер 4 представляет собой желатиновую матрицу, содержащую наночастицы металла размером ≈2 нм, имеющего пик плотности электронных состояний на уровне Ферми. В данных частицах происходит преобразование энергии ТГц-квантов в теплоту благодаря возбуждению и последующему рассеянию электронов. При уменьшении размеров наночастиц металлов расстояние между энергетическими уровнями электронов увеличивается до величин, равных энергии ТГц-кванта, и благодаря этому наночастицы нагреваются в ТГц-лучах.Converter 4 is a gelatin matrix containing metal nanoparticles ≈2 nm in size, having a peak density of electronic states at the Fermi level. In these particles, the energy of THz quanta is converted into heat due to the excitation and subsequent scattering of electrons. With a decrease in the size of metal nanoparticles, the distance between the energy levels of electrons increases to values equal to the energy of the THz quantum, and due to this, the nanoparticles are heated in THz rays.

Если в желатиновую матрицу внести достаточно много наночастиц металла, ТГц-излучение будет нагревать наночастицы до температуры порога чувствительности ИК-камеры или выше. Последняя, нагреваясь, создает изображение уже в ИК-лучах. ИК-камера с высоким температурным разрешением и большим числом пикселей (~320×256 пикселей) позволяет, таким образом, визуализировать ТГц-излучение объекта-источника ТГц-излучения.If enough metal nanoparticles are introduced into the gelatin matrix, the THz radiation will heat the nanoparticles to a temperature threshold of sensitivity of the IR camera or higher. The latter, when heated, creates an image already in infrared rays. An infrared camera with a high temperature resolution and a large number of pixels (~ 320 × 256 pixels) thus allows you to visualize the THz radiation of the source object of THz radiation.

Чтобы сохранить свойство наночастиц преобразовывать ТГц-излучение в теплоту, необходимо, чтобы их размер оставался достаточно малым и составлял, как указано выше, около 2 нм, при этом необходимо сохранять изолированность наночастиц, не допуская образования наночастицами кластеров («комочков»). Изолированность наночастиц друг от друга достигается, в частности, при выполнении их диспергированными в матрице, прозрачной для ТГц-излучения, например в желатиновой эмульсии, используя технологии, разработанные в производстве фотоматериалов.To preserve the property of nanoparticles to convert THz radiation into heat, it is necessary that their size remains sufficiently small and equal, as indicated above, about 2 nm, while it is necessary to maintain the isolation of nanoparticles, preventing the formation of clusters (“lumps”) by nanoparticles. The isolation of nanoparticles from each other is achieved, in particular, when they are dispersed in a matrix transparent to THz radiation, for example, in gelatin emulsion, using technologies developed in the production of photographic materials.

В качестве материала для наночастиц конвертеров предпочтительно выбирать переходной металл с пиком плотности состояний электронов на уровне Ферми Е_F, что позволяет обеспечить нагрев наночастиц до более высокой температуры, чем в случае обычного металла. В частности, в заявленном изобретении предложен вариант с использованием наночастиц никеля. Как известно, ширина 3d-зоны никеля равна ≈5,5 эВ, причем часть ее находится выше Е_F, что определяет интенсивное рассеяние электронов в никеле. Кроме того, по сравнению с другими металлами у никеля наибольшая плотность состояний на уровне Ферми [2].As the material for the nanoparticles of the converters, it is preferable to choose a transition metal with a peak electron density of states at the Fermi level E _F , which allows heating the nanoparticles to a higher temperature than in the case of a conventional metal. In particular, the claimed invention proposed an option using nickel nanoparticles. As is known, the width of the 3d nickel zone is ≈5.5 eV, and part of it is above E _F , which determines the intense electron scattering in nickel. In addition, in comparison with other metals, nickel has the highest density of states at the Fermi level [2].

Для реализации заявленного изобретения, согласно рассматриваемому примеру его осуществления, средний размер частиц Ni выбран равным ≈2,4 нм, то есть меньше средней длины свободного пробега электрона (≈4 нм). Такой размер частиц, а также наличие пика плотности состояний на уровне Ферми Ni повышают вероятность рассеяния электронов на поверхности наночастицы, то есть увеличивают вероятность передачи энергии, полученной электроном от фотона, - иону наночастицы и таким образом повышают эффективность преобразования ТГц-энергии в теплоту.To implement the claimed invention, according to the considered example of its implementation, the average particle size of Ni is chosen to be ≈2.4 nm, that is, less than the average mean free path of an electron (≈4 nm). Such a particle size, as well as the presence of a peak in the density of states at the Fermi level Ni increase the probability of electron scattering on the surface of the nanoparticle, i.e., increase the probability of the transfer of energy received by the electron from the photon to the nanoparticle ion, and thus increase the efficiency of the conversion of THz energy into heat.

Средний размер наночастиц Ni выбирался также из условия равенства энергетического зазора между электронными уровнями в 3d-зоне средней энергии фононов в Ni, оцененной в 20,5 мэВ.The average size of Ni nanoparticles was also chosen from the condition that the energy gap between the electronic levels in the 3d zone of the average phonon energy in Ni, estimated at 20.5 meV, be equal.

Верхний край 3d-зоны Ni расположен выше уровня Ферми приблизительно на 0,5 эВ [3], что обеспечивает способность наночастицы Ni конвертировать в теплоту энергию фотонов всего ТГц-диапазона. Однако эта широкополосность поглощательной способности сопровождается нежелательным свойством: наночастицы конвертера могут нагреваться ИК-фотонами с энергиями вплоть до 0,513 эВ (с длинами волн ≥2,42 мкм). При этом фотоны, наиболее опасные с точки зрения вклада в фоновый шум, соответствующие области при пике с λ≈10 мкм, попадают в полосу поглощения (см. Фиг.2). Поэтому для защиты наночастиц конвертера от нежелательного нагрева необходим фильтр, способный отфильтровывать фоновое ИК-излучение от объекта-источника с длинами волн λ<30 мкм, но пропускающий полезное ТГц-излучение с длинами волн λ>30 мкм (см. Фиг.2).The upper edge of the 3d Ni zone is located above the Fermi level by about 0.5 eV [3], which ensures the ability of Ni nanoparticles to convert the photon energy of the entire THz range into heat. However, this broadband absorption capacity is accompanied by an undesirable property: the converter nanoparticles can be heated by IR photons with energies up to 0.513 eV (with wavelengths ≥2.42 μm). In this case, the photons, the most dangerous from the point of view of the contribution to the background noise, corresponding to the region at a peak with λ≈10 μm, fall into the absorption band (see Figure 2). Therefore, to protect the converter nanoparticles from unwanted heating, a filter is required that is able to filter out the background IR radiation from the source object with wavelengths λ <30 μm, but transmitting useful THz radiation with wavelengths λ> 30 μm (see Figure 2).

Для достижения заявленного технического результата оценивались наиболее важные технические параметры ТГц-ИК-конвертера с точки зрения определения их влияния на степень роста температуры наночастицы Ni диаметром 2,4 нм в желатине в результате выделения в частице теплоты. При этом в рамках рассматриваемого примера осуществления изобретения выбрана температурная чувствительность высокочувствительных камер, например, таких, как Mirage P производства компании Infrared Cameras, Inc., США [1].To achieve the claimed technical result, the most important technical parameters of the THz-IR converter were evaluated from the point of view of determining their influence on the degree of temperature growth of 2.4 nm Ni nanoparticles in gelatin as a result of heat release in the particle. Moreover, in the framework of the considered embodiment, the temperature sensitivity of highly sensitive cameras, for example, such as Mirage P manufactured by Infrared Cameras, Inc., USA [1], was selected.

Очевидно, температурная чувствительность ΔТ_АЧТ, указываемая в технических условиях известных ИК-камер, приведена к излучению АЧТ. Тогда порог чувствительности Δε_λ камеры по поверхностной плотности мощности излучения может быть определен из условия (1):Obviously, the temperature sensitivity ΔT of the _blackbody , indicated in the technical conditions of the known infrared cameras, is given to the blackbody radiation. Then, the sensitivity threshold Δε _{λ of the} camera according to the surface radiation power density can be determined from condition (1):

$$\Delta {\epsilon }_{\lambda }=4\sigma \cdot {Т}_{АЧТ}{}^3\Delta {Т}_{АЧТ},(1)$$

$$\Delta {\epsilon }_{\lambda }=\mathrm{four}\sigma \cdot T_{\mathrm{BUT}\mathrm{<figure-callout\; id="3"\; label="H\; T"\; filenames="00000015.png"\; state="\{\{state\}\}">H\; </figure-callout>}T}{}^3\Delta T_{\mathrm{BUT}HT},(\mathrm{one})$$

где σ - постоянная Стефана-Больцмана, а Т_АЧТ=300 К. При ΔТ_АЧТ=14 мК для ИК-камеры (см. [1]) величина Δε_λ равна 8,58·10^-8 Вт/мм².where σ is the Stefan – Boltzmann constant, and T _AHT = 300 K. At ΔT _AHT = 14 mK for an IR camera (see [1]), Δε _λ is 8.58 · 10 ^-8 W / mm ² .

Поверхностная плотность мощности излучения Е_λ для тела со степенью черноты α определена какThe surface density of the radiation power E _λ for a body with a degree of blackness α is defined as

$${Е}_{\lambda }=\alpha {\epsilon }_{\lambda }=\alpha \sigma {Т}_{\alpha }{}^4,(2)$$

$$E_{\lambda }=\alpha {\epsilon }_{\lambda }=\alpha \sigma T_{\alpha }{}^{\mathrm{four}},(2)$$

где Т_α - температура тела со степенью черноты α. При росте температуры этого тела на ΔТ_α его поверхностная плотность мощности излучения возрастет на величину:where T _α is the body temperature with the degree of blackness α. With an increase in the temperature of this body by ΔТ _α, its surface radiation power density will increase by:

$$\Delta {Е}_{\lambda }=\alpha \Delta {\epsilon }_{\lambda }=4\sigma \cdot {Т}_{\alpha }{}^3\alpha \Delta Т\alpha .(3)$$

$$\Delta E_{\lambda }=\alpha \Delta {\epsilon }_{\lambda }=\mathrm{four}\sigma \cdot {\mathrm{<figure-callout\; id="3"\; label="T\; \alpha "\; filenames="00000015.png"\; state="\{\{state\}\}">T\; </figure-callout>}}_{\alpha }{}^3\alpha \Delta T\alpha .(3)$$

Для того, чтобы камера Mirage P смогла заметить нагрев АЧТ (то есть, нагрев на 14 мК), его поверхностная плотность мощности излучения, согласно (1), должна возрасти на величину Δε_λ=8,58·10^-8 Вт/мм². Это означает, что для того чтобы тело со степенью черноты α тоже было замечено камерой Mirage P, его поверхностная плотность мощности излучения должна возрасти на величину ΔЕ_λ, также равную 8,58·10^-8 Вт/мм². Приравняв ΔЕ_λ=Δε_λ, при равенстве начальных температур обоих тел (Т_АЧТ=Т_α=300 К) определяем, что для этого требуется выполнение условия:In order for the Mirage P camera to be able to detect heating of the blackbody (that is, heating at 14 mK), its surface radiation power density, according to (1), should increase by Δε _λ = 8.58 · 10 ^-8 W / mm ² . This means that in order for a body with a degree of blackness α to be also seen by the Mirage P camera, its surface radiation power density should increase by ΔЕ _λ , also equal to 8.58 · 10 ^-8 W / mm ² . Equating ΔЕ _λ = Δε _λ , if the initial temperatures of both bodies are equal (T _AHT = T _α = 300 K), we determine that this requires the fulfillment of the condition:

$$\Delta {Т}_{\alpha }=\Delta {Т}_{АЧТ}/\alpha .(4)$$

$$\Delta T_{\alpha }=\Delta T_{\mathrm{BUT}HT}/\alpha .(\mathrm{four})$$

Таким образом, для того чтобы поверхность со степенью черноты α была замечена ИК-камерой, рост ее поверхностной плотности мощности излучения должен быть не меньше Δε_λ=8,58·10^-8 Вт/мм², а рост температуры должен быть не меньше ΔT=ΔТ_АЧТ/α.Thus, in order for a surface with a degree of blackness α to be detected by an IR camera, the increase in its surface radiation power density should be no less than Δε _λ = 8.58 · 10 ^-8 W / mm ² , and the temperature increase should be no less than ΔT = ΔТ _blackbody / α.

Расчет величины мощности Q_i для пяти величин степени черноты α_i осуществлялся путем решения уравнения теплопроводности с учетом функции источника теплоты. В частности, величины мощности Q_i рассчитывались путем решения задачи об изменении температуры частицы Ni, находящейся внутри желатиновой оболочки, в результате выделения в ней теплоты. Изменение температуры частицы Ni описывалось уравнением теплопроводности в сферических координатах с учетом функции источника q(r):The calculation of the power value Q _i for five values of the degree of blackness α _{i was} carried out by solving the heat equation taking into account the function of the heat source. In particular, the values of power Q _{i were} calculated by solving the problem of changing the temperature of a Ni particle inside the gelatin shell as a result of heat release in it. The change in the temperature of the Ni particle was described by the heat equation in spherical coordinates, taking into account the source function q (r):

$$\rho С\frac{\partial Т}{\partial t}=\frac{1}{r^2}\frac{\partial }{\partial r}\left(\lambda r^2\frac{\partial Т}{\partial r}\right)+q(r),(5)$$

$$\rho \mathrm{FROM}\frac{\partial T}{\partial t}=\frac{\mathrm{one}}{{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="r"\; filenames="00000014.png,00000015.png"\; state="\{\{state\}\}">r</figure-callout>}}^2}\frac{\partial }{\partial r}\left(\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="\lambda \; r"\; filenames="00000014.png,00000015.png"\; state="\{\{state\}\}">\lambda \; </figure-callout>}{r}^{}{}^2\frac{\partial T}{\partial r}\right)+q(r),(5)$$

где T(t, r) - температура, ρ - объемная плотность, С - удельная теплоемкость, λ - теплопроводность, q(r) - объемная плотность источника теплоты, r - сферический радиус. Расчеты осуществлялись в предположении, что теплофизические параметры не зависят от температуры и могут быть описаны следующим образом:where T (t, r) is the temperature, ρ is the bulk density, C is the specific heat, λ is the thermal conductivity, q (r) is the bulk density of the heat source, r is the spherical radius. The calculations were carried out under the assumption that the thermophysical parameters are temperature independent and can be described as follows:

0≤r≤R₀:λ=λ₁, ρ=ρ₁, C=C₁, $$q=\frac{Q}{(4/3)\pi R_0^3},(6)$$

0≤r≤R ₀ : λ = λ ₁ , ρ = ρ ₁ , C = C ₁ , $$q=\frac{Q}{(\mathrm{four}/3)\mathrm{<figure-callout\; id="0"\; label="\pi \; R"\; filenames="00000015.png,00000016.png"\; state="\{\{state\}\}">\pi \; </figure-callout>}{R}_{}^{}{}_0^3},(6)$$

R₀<r≤R:λ=λ₂, ρ=ρ₂, C=C₂, q=0,R ₀ <r≤R: λ = λ ₂ , ρ = ρ ₂ , C = C ₂ , q = 0,

где R₀ - радиус наночастицы, R - радиус желатиновой оболочки (R>>R₀; в данной задаче R=5·10^-7 м, это условие обусловлено доминированием желатина в объеме конвертера).where R ₀ is the radius of the nanoparticle, R is the radius of the gelatin shell (R >> R ₀ ; in this problem, R = 5 · 10 ^-7 m, this condition is due to the dominance of gelatin in the volume of the converter).

Уравнение теплопроводности решалось при следующих начальных и краевых условиях:The heat equation was solved under the following initial and boundary conditions:

Т(0, r)=Т_R,T (0, r) = T _R ,

$${\frac{\partial Т(t,\text{ r)}}{\partial \text{r}}|}_{r=0}=\mathrm{0,}\text{ Т(t}\text{, R)}={\text{Т}}_{\text{R}}.(7)$$

$${\frac{\partial T(t,\text{r)}}{\partial \text{r}}|\; |\; |}_{r=0}=0\text{T (t}\text{, R)}={\text{T}}_{\text{R}}.(7)$$

Решение задачи (5-7) осуществлялось численным методом линий [6, 7] относительно ΔТ=Т-Т_R, где Т_R=300 К, для материалов, характеристики которых приведены в Таблице 1.The solution of problem (5-7) was carried out by the numerical method of lines [6, 7] with respect to ΔТ = Т-Т _R , where Т _R = 300 К, for materials whose characteristics are given in Table 1.

Таблица 1Table 1 Характеристики материалов, использованных при оценкахCharacteristics of materials used in evaluations   Объемная плотностьBulk density Удельная теплоемкостьSpecific heat   МатериалMaterial ТеплопроводностьThermal conductivity     НикельNickel ρ₁=8,9 г/см³ ρ ₁ = 8.9 g / cm ³ C₁=440 Дж/кг·КC ₁ = 440 J / kg · K λ₁=90,9 Вт/м·Кλ ₁ = 90.9 W / mK ЖелатинGelatin ρ₂=1,3 г/см³ ρ ₂ = 1.3 g / cm ³ С₂=1900Дж/кг·КC ₂ = 1900J / kgK λ₂=0,3 Вт/м·Кλ ₂ = 0.3 W / m · K

Для пяти величин степени черноты α_i расчетные величины мощности Q_i, требуемой для нагревания наночастицы Ni размером 2,4 нм на температуру ΔТ_m (см. Фиг.3) и поддержания ее при температуре (300 K+ΔT_m), а также соответствующие значения поверхностной плотности числа наночастиц никеля на поверхности конвертера, равные N_i=Δε_λ/(Q_i/2), представлены в Таблице 2.For five values of the degree of blackness α _{i, the} calculated values of the power Q _i required for heating a 2.4 nm Ni nanoparticle at a temperature ΔТ _m (see Figure 3) and maintaining it at a temperature (300 K + ΔT _m ), as well as the corresponding values of the surface density of the number of nickel nanoparticles on the surface of the converter, equal to N _i = Δε _λ / (Q _i / 2), are presented in Table 2.

В ходе проведенных расчетов были также определены временные характеристики конвертера. Они показали, что как время нагревания наночастицы Ni в желатине, так и время ее охлаждения (до начальной температуры 300 К) приблизительно равны 13 нс (Фиг.4). Столь малые величины указывают на то, что предлагаемый ТГц-ИК-конвертер может работать в масштабе реального времени - как в активном, так и в пассивном режиме.During the calculations, the time characteristics of the converter were also determined. They showed that both the time of heating a Ni nanoparticle in gelatin and the time of its cooling (to an initial temperature of 300 K) are approximately 13 ns (Figure 4). Such small values indicate that the proposed THz-IR converter can work in real time - both in active and in passive mode.

Таблица 2table 2 Параметры ТГц-ИК-конвертера при различной степени черноты α_i наночастиц NiParameters of a THz-IR converter at various degrees of blackness α _i Ni nanoparticles Параметры конвертераConverter Options α_i α _i 1one 0,70.7 0,50.5 0,30.3 0,10.1 ΔТ_m, мКΔТ _m , mK 14fourteen 20twenty 2828 46,746.7 140140 Q_i, ВтQ _i , W 6,34·10^-11 6.34 · 10 ^-11 9,05·10^-11 9.0510 ^-11 1,27·10^-10 1.27 · 10 ^-10 2,11·10^-10 2.1110 ^-10 6,34·10^-10 6.34 · 10 ^-10 N_i, мм^-2 N _i , mm ^-2 2,71·10³ 2.7110 ³ 1,90·10³ 1.90 · 10 ³ 1,35·10³ 1.3510 ³ 8,13·10² 8.1310 ² 2,71·10² 2.7110 ² Н, мN, m 3,433.43 3,113.11 2,822.82 2,422.42 1,681.68

Еще одной важной характеристикой ТГц-ИК-конвертера, определяющей области его применения, является его рабочее расстояние Н, то есть расстояние между ТГц-объективом и объектом-источником ТГц-излучения.Another important characteristic of a THz-IR converter, which determines its field of application, is its working distance H, that is, the distance between the THz lens and the source object of THz radiation.

Рабочее расстояние Н определено из условия равенства эффективной площади конвертера S* (то есть площади, способной нагреться мощностью ТГц-излучения) и геометрической площади конвертера S_конв, которую видит ИК-камера.The working distance H is determined from the condition that the effective area of the converter S * is equal (that is, the area capable of heating with the power of THz radiation) and the geometric area of the converter S _conv , which the infrared camera sees.

При этом оценка эффективной площади конвертера S*, способной нагреться на температуру ΔТ=ΔТ_АЧТ/α, осуществлена по ее связи с ТГц-мощностью Р, доставляемой от человека к эффективному конвертеру:At the same time, the effective area of the converter S *, capable of heating up to a temperature ΔТ = ΔТ _АЧТ / α, was estimated by its connection with the THz power P delivered from a person to an efficient converter:

$$S*=\alpha \cdot Р/\Delta {\epsilon }_{\lambda }=\alpha \cdot Р/4\sigma \cdot {Т}^3\cdot \Delta {Т}_{АЧТ}\text{, }(8)$$

$$S*=\alpha \cdot R/\Delta {\epsilon }_{\lambda }=\alpha \cdot R/\mathrm{four}\sigma \cdot {\mathrm{<figure-callout\; id="3"\; label="T"\; filenames="00000015.png"\; state="\{\{state\}\}">T</figure-callout>}}^3\cdot \Delta T_{\mathrm{BUT}HT}\text{,}(8)$$

где мощность Р определяется из соотношения:where the power P is determined from the ratio:

$$Р\approx S_{ч}\cdot \Omega \cdot T_{общ}\cdot T_{в}\mathrm{0,5}\cdot c^2\cdot h{\cdot }^{{\displaystyle \underset{\mathrm{34,9}}{\overset{\mathrm{103,4}}{\int }}\frac{d\lambda }{{\lambda }^5\cdot [\exp (\mathrm{47,97}/\lambda )-1]}}},(9)$$

$$R\approx S_h\cdot \Omega \cdot T_{\mathrm{about}bu}\cdot T_{\mathrm{at}}0.5\cdot {\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="c"\; filenames="00000014.png,00000015.png"\; state="\{\{state\}\}">c</figure-callout>}}^2\cdot h{\cdot }^{{\displaystyle \underset{34.9}{\overset{\mathrm{103,4}}{\int }}\frac{\mathrm{<figure-callout\; id="5"\; label="d\; \lambda \; \lambda "\; filenames="00000016.png"\; state="\{\{state\}\}">d\; </figure-callout>}\lambda }{{\lambda }^{}}}},(9)$$

гдеWhere

S_ч - эффективная площадь тела человека, излучающая ТГц-излучение в ТГц-объектив, S_ч≈1,1·10¹² мкм² (она соответствует площади полуцилиндра диаметром 40 см и высотой 175 см);S _h is the effective area of the human body emitting THz radiation into the THz lens, S _h ≈ 1.1 · 10 ¹² μm ² (it corresponds to the area of a half-cylinder with a diameter of 40 cm and a height of 175 cm);

Ω - телесный угол, в котором человек видит диаметр ТГц-объектива, рад;Ω is the solid angle in which a person sees the diameter of a THz lens, rad;

Т_общ - общее пропускание ТГц-объектива и теплового фильтра [4] (мы оценили его величину как Т_общ≈0,08 - в области длин волн ~30 мкм, которые вносят наибольший вклад в общее ТГц-излучение тела человека);T _total - total transmittance of the THz lens and heat filter [4] (we estimated its value as T _total ≈0.08 in the wavelength region of ~ 30 μm, which make the largest contribution to the total THz radiation of the human body);

Т_в - пропускание слоя воздуха между человеком и ТГц-объективом;T _in - transmission of a layer of air between a person and a THz lens;

0,5 - коэффициент, вводимый, чтобы грубо учесть, что тело человека не является АЧТ;0.5 is a coefficient introduced to roughly take into account that the human body is not a blackbody;

$${\displaystyle \underset{\mathrm{34,9}}{\overset{\mathrm{103,4}}{\int }}\frac{d\lambda }{{\lambda }^5\cdot [\exp (\mathrm{47,97}/\lambda )-1]}=\mathrm{8,91}\cdot {10}^{-8}{\text{ мкм}}^{\text{-4}}}$$

- интеграл в пределах от 34,9 мкм до 103,4 мкм от функции, описывающей распределение излучения АЧТ по длинам волн (здесь число 47,97 - величина hc/kT, выраженная в мкм, где h и k - соответственно постоянные Планка и Больцмана, с - скорость света, а T - температура). Пределы интегрирования определены в соответствии с распределением плотности состояний фононов в никеле. $${\displaystyle \underset{34.9}{\overset{\mathrm{103,4}}{\int }}\frac{\mathrm{<figure-callout\; id="5"\; label="d\; \lambda \; \lambda "\; filenames="00000016.png"\; state="\{\{state\}\}">d\; </figure-callout>}\lambda }{{\lambda }^{}}=8.91\cdot {10}^{-8}{\text{μm}}^{\text{-four}}}$$

- the integral in the range from 34.9 μm to 103.4 μm of the function describing the distribution of the radiation of the blackbody by wavelengths (here the number 47.97 is the value of hc / kT, expressed in μm, where h and k are the Planck and Boltzmann constants, respectively , c is the speed of light, and T is the temperature). The integration limits are determined in accordance with the distribution of the density of states of phonons in nickel.

Таким образом, ТГц-мощность, доставляемая от человека до желатиновой матрицы с внедренными в нее наночастицами Ni, равна Р≈0,23 Ω·Т_в, Вт. А эффективная площадь, способная нагреться ТГц-мощностью человеческого организма, равна S*=α·Р/Δε_λ=5,75·10^-2·α·Ω·Т_в/σ·Т³·ΔТ_АЧТ.Thus, the THz power delivered from a person to a gelatin matrix with Ni nanoparticles embedded in it is P≈0.23 Ω · T _in , W. And the effective area capable of warm THz capacity of the human body, is equal to S * = α · P / Δε _λ = 5,75 · 10 ^-2 · α · Ω · _T / σ · T ³ ·? T _blackbody.

Оценку геометрической площади конвертера можно осуществить исходя из параметров стандартного объектива ИК-камеры Mirage P и оценки геометрической площади конвертера, которую видит камера. Согласно данным сайта [1], минимальное расстояние d между предметом (в нашем случае, ТГц-ИК-конвертером) и объективом ИК-камеры равно 4 дюймам, то есть d=101,6 мм. При угле поля зрения γ=26° высота конвертера h может быть определена из формулы (10):The geometric area of the converter can be estimated based on the parameters of the standard lens of the Mirage P IR camera and the geometric area of the converter that the camera sees. According to the site [1], the minimum distance d between an object (in our case, a THz-IR converter) and an IR camera lens is 4 inches, that is, d = 101.6 mm. When the field of view angle γ = 26 °, the height of the converter h can be determined from formula (10):

$$h=2d\cdot tg(\gamma /2)\approx 47мм.\text{ (10)}$$

$$h=2d\cdot tg(\gamma /2)\approx 47mm.\text{(10)}$$

При стандартном соотношении сторон кадра 4:3 ширина w конвертера может быть рассчитана следующим образом:With a standard aspect ratio of 4: 3, the width w of the converter can be calculated as follows:

w=(4/3)·47 мм=62,65 мм.w = (4/3) 47 mm = 62.65 mm.

Таким образом, геометрическая площадь конвертера равна S_конв=h×w=47 мм×62,65 мм=2,94·10³ мм².Thus, the geometric area of the converter is equal to S _conv = h × w = 47 mm × 62.65 mm = 2.94 · 10 ³ mm ² .

С учетом указанных параметров и принимая во внимание равенство площади конвертера S_конв и эффективной площади S*, которую сможет нагреть ТГц-мощность излучения человеческого организма на температуру ΔТ=ΔТ_АЧТ/α, рабочее расстояние Н между ТГц-объективом и объектом-источником ТГц-излучения может быть определено из уравнения (11):Taking into account the indicated parameters and taking into account the equality of the converter area S _conv and the effective area S *, which the THz radiation power of the human body can heat up to temperature ΔТ = ΔТ _АЧТ / α, the working distance H between the THz lens and the THz source is radiation can be determined from equation (11):

$$\mathrm{5,75}\cdot {10}^{-2}\cdot \alpha \cdot \Omega \cdot {Т}_{в}/\sigma \cdot {Т}^3\cdot \Delta {Т}_{АЧТ}=\mathrm{2,94}\cdot {10}^3{\text{ мм}}^{\text{2}}.(11)$$

$$5.75\cdot {10}^{-2}\cdot \alpha \cdot \Omega \cdot T_{\mathrm{at}}/\mathrm{<figure-callout\; id="3"\; label="\sigma \; \cdot \; T"\; filenames="00000015.png"\; state="\{\{state\}\}">\sigma \; </figure-callout>}\cdot T^{}{}^3\cdot \Delta T_{\mathrm{BUT}HT}=2.94\cdot {10}^3{\text{<figure-callout id="2" label="mm" filenames="00000014.png,00000015.png" state="{{state}}">mm</figure-callout>}}^{\text{2}}.(\mathrm{eleven})$$

В этом уравнении как телесный угол Ω, так и пропускание воздуха Т_в являются функциями расстояния Н. Определив для рассматриваемого примера осуществления изобретения диаметр линзы ТГц-объектива равным 0,3 м, оценив пропускание слоя воздуха Т_в из экспериментальных данных (см. Фиг.3), рассчитав величину Ω и оценив значение Т_в для одного и того же расстояния Н, подставляя Ω и Т_в в уравнение (11), можно определить величины Н, удовлетворяющие (11).In this equation, both the solid angle Ω and the air transmission T _в are functions of the distance N. Having determined the diameter of the THz lens for the considered example of the invention as 0.3 m, estimating the transmission of the air layer T _in from the experimental data (see Fig. 3) calculating the magnitude of Ω and estimating the value _T for the same distance H by substituting Ω and _T in equation (11) can determine the value of H satisfying (11).

Допуская, в соответствии с Фиг.5, что в диапазоне длин волн между 30 и 250 мкм среднее пропускание слоя воздуха толщиной 1,2 м равно ≈0,55, пропускание воздуха для любого расстояния Н может быть определено по формуле Т_в≈(0,55)^k, где k=Н/(1,2 м). Величины Н для различных значений α_i, удовлетворяющие уравнению (11), даны в Таблице 2.Assuming, in accordance with Figure 5, that in the wavelength range between 30 and 250 μm, the average transmission of an air layer 1.2 m thick is ≈0.55, the air transmission for any distance H can be determined by the formula T _at ≈ (0 , 55) ^k , where k = N / (1.2 m). The values of H for various values of α _i that satisfy equation (11) are given in Table 2.

Вышеуказанные критерии оценки эффективности работы устройства визуализации источников ТГц-излучения позволяют определить область оптимального применения устройства в зависимости от примененных в составе конвертера наночастиц металла, характеристик объектива ИК-камеры и свойств окружающей среды. Так, например, при использовании в составе устройства, согласно изобретению, конвертера, содержащего наночастицы никеля, при среднем значении степени черноты α_i=0,5 рабочее расстояние Н до источника излучения составит 2,82 м (см. Таблицу 2). Таким образом, данный вариант осуществления из-за поглощения ТГц-излучения в воздухе не позволит, например, обеспечить реализацию режима пассивного отображения для задач безопасности - вследствие недостаточности расстояния в 2,82 м для их решения, поскольку они требуют возможности работы на расстояниях ≈4-20 м. Тем более, что при решении задач безопасности, помимо рабочего расстояния Н, необходимо учитывать поглощение одеждой высокочастотной части ТГц-излучения человеческого организма (см. Фиг.6), т.е. той части частот, которая наиболее эффективно преобразовывается наночастицами Ni в теплоту. Однако вышеприведенные расчеты показывают эффективность применения данного варианта осуществления изобретения в пассивном режиме формирования изображения в ТГц-лучах, например, в медицине, где расстояние между пациентом, являющимся источником излучения, и ТГц-объективом мало.The above criteria for evaluating the efficiency of the device for visualizing THz radiation sources make it possible to determine the area of optimal application of the device depending on the metal nanoparticles used in the converter, the characteristics of the IR camera lens and environmental properties. So, for example, when using a converter containing nickel nanoparticles in the composition of the device according to the invention, with an average value of the degree of blackness α _i = 0.5, the working distance H to the radiation source will be 2.82 m (see Table 2). Thus, this embodiment due to the absorption of THz radiation in air will not allow, for example, to ensure the implementation of the passive display mode for safety problems - due to the insufficient distance of 2.82 m to solve them, since they require the ability to work at distances ≈4 -20 m. Moreover, when solving safety problems, in addition to the working distance H, it is necessary to take into account the absorption by the clothes of the high-frequency part of the THz radiation of the human body (see Figure 6), i.e. that part of the frequencies that is most efficiently converted by Ni nanoparticles into heat. However, the above calculations show the effectiveness of the application of this embodiment of the invention in the passive mode of imaging in THz rays, for example, in medicine, where the distance between the patient who is the radiation source and the THz lens is small.

Исходя из вышеуказанных возможностей оценки эффективности применения устройства согласно изобретению рассмотренный вариант его осуществления также может быть использован как для активного с использованием дополнительно в составе устройства плавно перестраиваемого по частоте источника лазерного излучения, используемого известным из предшествующего уровня техники в системах активной визуализации, так и для пассивного дистанционного обнаружения скрытых предметов, например оружия и контрабанды в реальном масштабе времени. При этом, если эксплуатировать ТГц-ИК-конвертер в низкочастотной части ТГц-диапазона (в субмиллиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн), где пропускание одежды достаточно высоко, предпочтительно использовать в конвертере наночастицы не из Ni, а, например, из соединений с тяжелыми фермионами, (таких, как CePd₃, CeAl₃, CeCu₆ и др.). В соединениях с тяжелыми фермионами благодаря узкой и частично заполненной f-зоне электронов на уровне Ферми [5] плотность состояний электронов на уровне Ферми на два-три порядка выше, чем у обычных металлов. Это обусловливает чрезвычайно высокую интенсивность рассеяния электронов, то есть высокую эффективность конверсии низкочастотной части ТГц-излучения в теплоту (область длин волн от 0,3 мм до ~1 см, в которой пропускание тканей достаточно велико (см. Фиг.6)).Based on the above possibilities of evaluating the effectiveness of the use of the device according to the invention, the considered embodiment can also be used both for an active laser source that is continuously adjustable in frequency, used in the active visualization systems known from the prior art, and for passive remote detection of hidden objects, such as weapons and smuggling in real time. In this case, if you operate the THz-IR converter in the low-frequency part of the THz range (in the submillimeter and millimeter wavelength ranges), where the transmittance of clothes is high enough, it is preferable to use nanoparticles in the converter not from Ni, but, for example, from compounds with heavy fermions , (such as CePd ₃ , CeAl ₃ , CeCu ₆ , etc.). In compounds with heavy fermions, due to the narrow and partially filled f-band of electrons at the Fermi level [5], the density of states of electrons at the Fermi level is two to three orders of magnitude higher than that of ordinary metals. This leads to an extremely high electron scattering intensity, that is, a high efficiency of the conversion of the low-frequency part of the THz radiation to heat (a wavelength range from 0.3 mm to ~ 1 cm, in which the transmission of tissues is large enough (see Fig. 6)).

Как правило, у источников-объектов ТГц-излучения интенсивность излучения низка. Поэтому для обеспечения приемлемого соотношения «сигнал/шум» следует правильно выбирать материал для линз ТГц-объектива, обеспечивать защиту наночастиц конвертера от шумовых излучений, а также применять ТГц-объектив с достаточно большим диаметром (намного больше диаметра объектива ИК-камеры), при этом предпочтительно выбирать тип камеры, у которой диапазон регистрации (3-5 мкм) смещен относительно области длин волн с максимумом излучательной способности тела, нагретого до 300 К (≈5-20 мкм).As a rule, THz radiation sources-objects have low radiation intensity. Therefore, to ensure an acceptable signal-to-noise ratio, you should choose the right material for the lenses of the THz lens, protect the converter nanoparticles from noise, and use a THz lens with a sufficiently large diameter (much larger than the diameter of the IR camera lens), it is preferable to choose the type of chamber in which the detection range (3-5 μm) is shifted relative to the wavelength region with a maximum emissivity of the body heated to 300 K (≈5-20 μm).

Соотношение потоков ТГц-излучения от объекта, собираемого ТГц-объективом и сфокусированного на конвертере, и от объектива ИК-камеры, попадающего на тот же конвертер, пропорционально отношению площадей объекта и входного отверстия объектива ИК-камеры. Чтобы сделать поток от объекта намного больше потока от входного отверстия объектива ИК-камеры, диаметр линз ТГц-объектива должен быть намного больше, чем диаметр отверстия объектива ИК-камеры (~10 мм).The ratio of the THz radiation fluxes from the object collected by the THz lens and focused on the converter and from the IR camera lens falling onto the same converter is proportional to the ratio of the areas of the object and the input hole of the IR camera lens. To make the flux from the object much larger than the flux from the inlet of the IR camera lens, the diameter of the THz lens should be much larger than the diameter of the IR camera lens (~ 10 mm).

Для линз ТГц-объектива применяется полиэтилен высокой плотности HDPE, который не пропускает ИК-излучение от объекта. Такие линзы фильтруют ИК-излучение в диапазоне длин волн 7-14 мкм, в котором находится пик распределения ИК-излучения, например, от объекта-человека. Кроме того, они задерживают ультрафиолетовое излучение и существенно ослабляют видимое излучение.For THz lenses, high density polyethylene HDPE is used, which does not transmit infrared radiation from the object. Such lenses filter infrared radiation in the wavelength range of 7-14 microns, in which there is a peak distribution of infrared radiation, for example, from a human object. In addition, they delay ultraviolet radiation and significantly attenuate visible radiation.

Защита наночастиц конвертера от шумовых излучений в заявленном решении изобретения может обеспечиваться следующими мерами: (а) использованием отрезающего фильтра, который имеет длину волны отрезки λ_с≈30 мкм и способен отфильтровать ИК-излучение, но пропустить полезное ТГц-излучение от исследуемого объекта; этот фильтр должен устанавливаться перед (по ходу луча) желатиновой матрицей с наночастицами; (б) установкой фильтра из сапфира за желатиновой матрицей с наночастицами. Сапфир хорошо пропускает полезное излучение в диапазоне 3-5 мкм, то есть излучение от нагретых наночастиц желатиновой матрицы, но отфильтровывает тепловое излучение в диапазоне длин волн 8-40 мкм, в котором находится основная доля теплового потока со стороны ИК-камеры. Кроме того, сапфир имеет более низкое, чем другие оптические ТГц-материалы, пропускание в диапазоне длин волн λ>50 мкм, что также способствует снижению шумового ТГц-фона, направленного от камеры к конвертеру. Таким образом, удается отсечь поток фонового излучения от ИК-камеры к конвертеру, имея при этом возможность наблюдать ИК-изображение, сформированное конвертером.The protection of the converter nanoparticles from noise emissions in the claimed solution of the invention can be ensured by the following measures: (a) using a cut-off filter that has a wavelength of cuts λ _with ≈30 μm and is able to filter out infrared radiation, but miss useful THz radiation from the object under study; this filter should be installed in front of (along the beam) a gelatin matrix with nanoparticles; (b) installing a sapphire filter behind a gelatin matrix with nanoparticles. Sapphire transmits useful radiation well in the range of 3-5 μm, that is, radiation from heated nanoparticles of the gelatin matrix, but filters out thermal radiation in the wavelength range of 8-40 μm, which contains the bulk of the heat flux from the side of the IR camera. In addition, sapphire has a lower transmittance in the wavelength range λ> 50 μm than other THz optical materials, which also helps to reduce the THz noise background directed from the camera to the converter. Thus, it is possible to cut off the background radiation flux from the IR camera to the converter, while being able to observe the IR image generated by the converter.

В предложенной схеме визуализации ТГц-излучения отрезающий фильтр, желатиновая матрица, содержащая наночастицы, и сапфировая подложка должны плотно прилегать друг к другу. Это обеспечит защиту наночастиц в желатиновой матрице от боковых потоков ИК-излучения.In the proposed THz radiation imaging scheme, a cut-off filter, a gelatin matrix containing nanoparticles, and a sapphire substrate should fit snugly together. This will protect the nanoparticles in the gelatin matrix from side streams of infrared radiation.

В качестве дополнительной защиты наночастиц конвертера от фонового ТГц-излучения камеры и ее корпуса на камеру следует надеть отрезающий фильтр с отверстием для объектива, сделанный из материалов, из которых изготавливаются отрезающие фильтры. Этот фильтр должен иметь длину волны отрезки λ_с≈120 мкм. Такая мера позволила бы эффективно отфильтровать наиболее опасную часть спектра излучения корпуса камеры, а длинноволновая часть ТГц-излучения (λ>120 мкм), пропускаемая таким фильтром, вносила бы относительно малый вклад в общее фоновое облучение наночастиц конвертера.As an additional protection of the converter nanoparticles from the background THz radiation of the camera and its body, a cut-off filter with an opening for the lens, made of the materials from which the cut-off filters are made, should be put on the camera. This filter should have a wavelength of λ segments _with ≈120 microns. Such a measure would allow efficiently filtering out the most dangerous part of the radiation spectrum of the camera body, and the long-wavelength part of the THz radiation (λ> 120 μm) transmitted by such a filter would make a relatively small contribution to the total background irradiation of the converter nanoparticles.

Заявленное решение изобретения позволяет использовать устройство визуализации как в условиях, когда температура ИК-камеры во время работы становится выше температуры ТГц-ИК-конвертера, так и в случае, когда их температуры одинаковы. Однако в последнем случае, поскольку отпадает необходимость защиты конвертера от фонового излучения ИК-камеры, можно отказаться от сапфировой подложки, используя, например, в качестве подложки собственно тыльную сторону отрезающего фильтра конвертера, на которую наносят желатиновую матрицу с наночастицами. Кроме того, вместо ИК-камеры с рабочим диапазоном 3-5 мкм можно воспользоваться ИК-камерой с рабочим диапазоном 7-15 мкм, являющимся традиционным рабочим диапазоном ИК-камер, что существенно упрощает и удешевляет конструкцию устройства в целом без потери качества. Кроме того, при отсутствии фонового излучения ИК-камеры не требуется и установка отрезающего фильтра между ТГц-ИК-конвертером и ИК-камерой. Упрощение конструкции вышеописанным образом не влияет на помехозащищенность устройства и чувствительность заявленного устройства, так как оно обусловлено отсутствием необходимости дополнительных мер шумоподавления вследствие отсутствия источника шума. При этом в случае отсутствия нагрева ИК-камеры выше температуры конвертера все вышеописанные требования, предъявляемые к выбору материала наночастиц, их размеру и распределению, а также применение средств защиты от фонового излучения источника излучения и окружающей среды остаются в полном соответствии с вышеописанными вариантами осуществления заявленного изобретения.The claimed solution of the invention allows the use of a visualization device both under conditions when the temperature of the IR camera during operation becomes higher than the temperature of the THz-IR converter, and in the case when their temperatures are the same. However, in the latter case, since there is no need to protect the converter from the background radiation of the IR camera, it is possible to abandon the sapphire substrate, using, for example, the back side of the converter cut-off filter on which a gelatin matrix with nanoparticles is applied. In addition, instead of an IR camera with a working range of 3-5 microns, you can use an IR camera with a working range of 7-15 microns, which is the traditional working range of IR cameras, which greatly simplifies and cheapens the design of the device as a whole without loss of quality. In addition, in the absence of background radiation from the IR camera, the installation of a cut-off filter between the THz-IR converter and the IR camera is not required. Simplification of the design in the above manner does not affect the noise immunity of the device and the sensitivity of the claimed device, since it is due to the lack of the need for additional noise reduction measures due to the absence of a noise source. In this case, in the absence of heating the IR camera above the temperature of the converter, all the above requirements for the choice of the material of the nanoparticles, their size and distribution, as well as the use of means of protection from the background radiation of the radiation source and the environment, remain in full accordance with the above described embodiments of the claimed invention .

Таким образом, очевидно, что заявленное техническое решение позволяет за счет выполнения конвертера на основе желатиновой матрицы, содержащей наночастицы металла, и применения в конструкции отрезающего фильтра, размещенного перед матрицей с возможностью фильтрации теплового излучения источника ТГц-излучения с длинами волн не более 30 мкм, обеспечить повышение помехоустойчивости конструкции, снижение уровня шума и повышение чувствительности при одновременно простой конструкции устройства визуализации в широком спектре применения устройства.Thus, it is obvious that the claimed technical solution allows by performing a converter based on a gelatin matrix containing metal nanoparticles, and using a cut-off filter placed in front of the matrix with the possibility of filtering thermal radiation from a THz radiation source with wavelengths not exceeding 30 μm, to provide increased noise immunity of the structure, reduced noise level and increased sensitivity with a simple design of the visualization device in a wide range of applications triplets.

ЛитератураLiterature

1. Веб сайт компании Infrared Cameras, Inc., 2105 W. Cardinal Dr. Beaumont, TX 77705 USA. http://www.infraredcamerasinc.com/.1. Website of Infrared Cameras, Inc., 2105 W. Cardinal Dr. Beaumont, TX 77705 USA. http://www.infraredcamerasinc.com/.

2. П.Цише, Г.Леманн, Г.Эшриг, Г.Пааш, П.Реннерт, М.Таут, Достижения электронной теории металлов: В 2-х т. Пер. с нем. / Под ред. П.Цише, Г.Леманна, Мир, М., 1984.2. P. Cichet, G. Lehmann, G. Eshrig, G. Paash, P. Rennert, M. Taut, Achievements of the electronic theory of metals: In 2 vols. with him. / Ed. P. Ciche, G. Lehmann, Mir, M., 1984.

3. S.Hufner, G.К.Wertheim, and J.H.Wernick, "X-Ray Photoelectron spectra of the valence bands of some transition metals and alloys," Phys. Rev. В 8, 4511-4524(1973).3. S. Hufner, G.K. Wertheim, and J.H. Wernick, "X-Ray Photoelectron spectra of the valence bands of some transition metals and alloys," Phys. Rev. B 8, 4511-4524 (1973).

4. Веб сайт компании ЗАО "ТИДЕКС", 194292 Россия, г.Санкт-Петербург, ул. Домостроительная, 16. http://tydexoptics.com/ru/.4. Website of the company ZAO TIDEKS, 194292 Russia, St. Petersburg, ul. House-building, 16. http://tydexoptics.com/en/.

5. К.А.Молдосанов, "Наносплавы с тяжелыми фермионами как детекторы терагерцевого излучения," РЭНСИТ: Радиоэлектроника. Наносистемы. Информационные технологии 3(1), 102-105 (2011), ISSN 2218-3000.5. K.A.Moldosanov, "Nan alloys with heavy fermions as terahertz radiation detectors," RENSIT: Radioelectronics. Nanosystems. Information Technology 3 (1), 102-105 (2011), ISSN 2218-3000.

6. W.Schiesser, The Numerical Method of Lines. Academic Press (1991).6. W. Schiesser, The Numerical Method of Lines. Academic Press (1991).

7. В.М.Лелевкин, Э.Б.Кулумбаев, П.В.Козлов, H.Ж.Кайрыев, Моделирование микроволнового нагрева воды. Под ред. В.М.Лелевкина. - Бишкек: Изд-во КРСУ, (2009). ISBN 978-9967-05-589-6.7. V.M. Lelevkin, E.B. Kulumbaev, P.V. Kozlov, H.Zh. Kayreev, Modeling of microwave heating of water. Ed. V.M. Lelevkina. - Bishkek: Publishing House of KRSU, (2009). ISBN 978-9967-05-589-6.

Claims (16)

1. Устройство визуализации источников терагерцового излучения, содержащее конвертер терагерцового излучения в инфракрасное излучение, состоящий из слоя искусственно созданного метаматериала с резонансным поглощением терагерцового излучения, нанесенного на твердую подложку, расположенный между входным терагерцовым объективом и объективом инфракрасной камеры, отличающееся тем, что конвертер выполнен на основе желатиновой матрицы, содержащей наночастицы металла, и снабжен отрезающим фильтром, размещенным перед матрицей с возможностью фильтрации теплового излучения источника терагерцового излучения с длинами волн не более 30 мкм.1. A device for visualizing terahertz radiation sources, comprising a terahertz to infrared radiation converter, consisting of a layer of artificially created metamaterial with resonant absorption of terahertz radiation deposited on a solid substrate located between the input terahertz lens and the infrared camera lens, characterized in that the converter is made on based gelatin matrix containing metal nanoparticles, and is equipped with a cutting filter placed in front of the matrix with the possibility filtering the thermal radiation of a terahertz radiation source with wavelengths not exceeding 30 microns. 2. Устройство визуализации по п.1, отличающееся тем, что желатиновая матрица конвертера содержит наночастицы металла размером около 2 нм, имеющего пик плотности электронных состояний на уровне Ферми, с возможностью преобразования терагерцового излучения в теплоту.2. The imaging device according to claim 1, characterized in that the gelatin matrix of the converter contains metal nanoparticles of about 2 nm in size, having a peak in the density of electronic states at the Fermi level, with the possibility of converting terahertz radiation into heat. 3. Устройство визуализации по п.2, отличающееся тем, что наночастицы металла в желатиновой матрице изолированы друг от друга и выполнены диспергированными в желатиновой эмульсии матрицы конвертера.3. The imaging device according to claim 2, characterized in that the metal nanoparticles in the gelatin matrix are isolated from each other and are made dispersed in the gelatin emulsion of the converter matrix. 4. Устройство визуализации по п.3, отличающееся тем, что наночастицы металла в матрице конвертера выполнены из переходного металла с пиком плотности состояний электронов на уровне Ферми.4. The imaging device according to claim 3, characterized in that the metal nanoparticles in the converter matrix are made of a transition metal with a peak electron density of states at the Fermi level. 5. Устройство визуализации по п.4, отличающееся тем, что наночастицы выполнены из никеля.5. The imaging device according to claim 4, characterized in that the nanoparticles are made of nickel. 6. Устройство визуализации по п.4, отличающееся тем, что наночастицы выполнены из соединения с тяжелыми фермионами.6. The imaging device according to claim 4, characterized in that the nanoparticles are made of compounds with heavy fermions. 7. Устройство визуализации по любому из пп.1, 2, 3 или 4, отличающееся тем, что отрезающий фильтр выполнен с возможностью фильтрации инфракрасного излучения от источника терагерцового излучения в диапазоне длин волн 3-30 мкм и пропускающим терагерцовое излучение от источника с длинами волн не менее 30 мкм.7. The imaging device according to any one of claims 1, 2, 3 or 4, characterized in that the cut-off filter is configured to filter infrared radiation from a terahertz radiation source in the wavelength range of 3-30 μm and transmitting terahertz radiation from a source with wavelengths not less than 30 microns. 8. Устройство визуализации по любому из пп.2, 3 или 4, отличающееся тем, что наночастицы металла распределены на поверхности конвертера с поверхностной плотностью, определяемой из соотношения:
N=Δε_λ/(Q/2),
где Q - мощность, требуемая для поддержания наночастицы в желатиновой матрице при температуре Т+ΔТ, Вт;
Т - температура конвертера, К;
ΔT - величина роста температуры наночастицы относительно Т в результате ее облучения терагерцовым излучением, К;
Δε_λ - порог чувствительности инфракрасной камеры по поверхностной плотности мощности излучения, определяемый из соотношения:
Δε_λ=4σ·T³·ΔT_АЧТ,
где σ=5,67·10^-8 Вт·м^-2·К^-4 - постоянная Стефана-Больцмана;
ΔТ_АЧТ - температурная чувствительность инфракрасной камеры, приведенная к абсолютно черному телу, К.8. The imaging device according to any one of claims 2, 3 or 4, characterized in that the metal nanoparticles are distributed on the surface of the converter with a surface density determined from the ratio:
N = Δε _λ / (Q / 2),
where Q is the power required to maintain the nanoparticles in the gelatin matrix at a temperature of T + ΔT, W;
T is the temperature of the converter, K;
ΔT is the value of the temperature rise of the nanoparticle relative to T as a result of its irradiation with terahertz radiation, K;
Δε _λ is the sensitivity threshold of the infrared camera for the surface density of the radiation power, determined from the ratio:
Δε _λ = 4σ · T ³ · ΔT _blackbody ,
where σ = 5.67 · 10 ^-8 W · m ^-2 · K ^-4 is the Stefan-Boltzmann constant;
ΔT _AHT - temperature sensitivity of an infrared camera reduced to a completely black body, K. 9. Устройство визуализации по п.1, отличающееся тем, что подложка выполнена из сапфира, а объектив инфракрасной камеры расположен со стороны подложки.9. The imaging device according to claim 1, characterized in that the substrate is made of sapphire, and the infrared camera lens is located on the side of the substrate. 10. Устройство визуализации по п.9, отличающееся тем, что диаметр входного терагерцового объектива выполнен большим по отношению к диаметру объектива инфракрасной камеры с возможностью обеспечения защиты наночастиц конвертера от шумовых излучений.10. The imaging device according to claim 9, characterized in that the diameter of the input terahertz lens is made large relative to the diameter of the infrared camera lens with the possibility of protecting the converter nanoparticles from noise emissions. 11. Устройство визуализации по п.1, отличающееся тем, что желатиновая матрица конвертера, содержащая наночастицы металла, нанесена на обращенную в сторону объектива инфракрасной камеры поверхность отрезающего фильтра конвертера, дополнительно выполненного в виде подложки.11. The imaging device according to claim 1, characterized in that the gelatin matrix of the converter containing metal nanoparticles is deposited on the surface of the cut-off filter of the converter, additionally made in the form of a substrate, facing the infrared camera lens. 12. Устройство визуализации по п.11, отличающееся тем, что используют инфракрасную камеру с рабочим диапазоном 7-15 мкм.12. The imaging device according to claim 11, characterized in that they use an infrared camera with a working range of 7-15 microns. 13. Устройство визуализации по п.10, отличающееся тем, что инфракрасная камера дополнительно содержит отрезающий фильтр с отверстием для объектива с возможностью защиты конвертера от фонового терагерцового излучения камеры и ее корпуса.13. The imaging device of claim 10, characterized in that the infrared camera further comprises a cut-off filter with an opening for the lens with the ability to protect the converter from the background terahertz radiation of the camera and its body. 14. Устройство визуализации по п.13, отличающееся тем, что отрезающие фильтры инфракрасной камеры и конвертера выполнены из однородных материалов с длиной волны отрезки не более 120 мкм.14. The imaging device according to item 13, characterized in that the cut-off filters of the infrared camera and the converter are made of homogeneous materials with a wavelength of segments of not more than 120 microns. 15. Устройство визуализации по п.1, отличающееся тем, что дополнительно содержит плавно перестраиваемый по частоте источник лазерного излучения.15. The imaging device according to claim 1, characterized in that it further comprises a laser source smoothly tunable in frequency. 16. Устройство визуализации по п.9, отличающееся тем, что отрезающий фильтр, желатиновая матрица, содержащая наночастицы, и сапфировая подложка плотно прилегают друг к другу с обеспечением возможности защиты наночастиц в желатиновой матрице от боковых потоков инфракрасного излучения. 16. The imaging device according to claim 9, characterized in that the cut-off filter, the gelatin matrix containing nanoparticles, and the sapphire substrate are tightly adjacent to each other, with the possibility of protecting the nanoparticles in the gelatin matrix from side streams of infrared radiation.

Images