RU2511070C1 - Устройство визуализации источников терагерцового излучения - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области визуализации 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. Устройство визуализации источников ТГц-излучения содержит конвертер ТГц-излучения в инфракрасное (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 ИК-камеры, расположенной со стороны подложки. При этом 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. Технический результат заключается в повышении помехоустойчивости конструкции, снижении уровня шума и повышении чувствительности при одновременном упрощении конструкции устройства визуализации. 15 з.п. ф-лы, 6 ил.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

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.

Предшествующий уровень техники

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.

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.

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.

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.

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.

В связи с вышесказанным в настоящее время актуальной задачей является разработка новых способов визуализации ТГц-излучения.

Сущность изобретения

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.

Технический результат, достигаемый заявленным изобретением, состоит в повышении помехоустойчивости конструкции, снижении уровня шума и повышении чувствительности при одновременно простой конструкции устройства визуализации.

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.

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.

К числу предпочтительных относятся также варианты осуществления, в которых 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;

ΔТ - 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·ΔТ_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.

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.

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.

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.

В другом варианте осуществления изобретения возможно дополнительное включение в состав устройства плавно перестраиваемого по частоте источника лазерного излучения.

Перечень чертежей

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.

При этом на:

Фиг.2 представлена характеристика излучательной способности абсолютно черного тела (АЧТ) при температуре 300 К;

Фиг.3 - зависимость мощности Q как функции роста температуры ΔТ_m для наночастицы Ni радиусом R₀=1,2 нм в сферической желатиновой оболочке;

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.

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).

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

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).

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.

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.

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.

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.

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].

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.

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.

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).

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].

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):

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

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.

Поверхностная плотность мощности излучения Е_λ для тела со степенью черноты α определена как

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

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:

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

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:

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

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.

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):

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

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:

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

R₀<r≤R:λ=λ₂, ρ=ρ₂, C=C₂, 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).

Уравнение теплопроводности решалось при следующих начальных и краевых условиях:

Т(0, r)=Т_R,

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

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.

Таблица 1
Характеристики материалов, использованных при оценках
	Объемная плотность	Удельная теплоемкость
Материал			Теплопроводность
Никель	ρ1=8,9 г/см3	C1=440 Дж/кг·К	λ1=90,9 Вт/м·К
Желатин	ρ2=1,3 г/см3	С2=1900Дж/кг·К	λ2=0,3 Вт/м·К

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.

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.

Таблица 2
Параметры ТГц-ИК-конвертера при различной степени черноты αi наночастиц Ni
Параметры конвертера	αi
	1	0,7	0,5	0,3	0,1
ΔТm, мК	14	20	28	46,7	140
Qi, Вт	6,34·10-11	9,05·10-11	1,27·10-10	2,11·10-10	6,34·10-10
Ni, мм-2	2,71·103	1,90·103	1,35·103	8,13·102	2,71·102
Н, м	3,43	3,11	2,82	2,42	1,68

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.

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.

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:

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

где мощность Р определяется из соотношения:

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

где

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);

Ω - телесный угол, в котором человек видит диаметр ТГц-объектива, рад;

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);

Т_в - пропускание слоя воздуха между человеком и ТГц-объективом;

0,5 - коэффициент, вводимый, чтобы грубо учесть, что тело человека не является АЧТ;

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

- 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.

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.

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):

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

При стандартном соотношении сторон кадра 4:3 ширина w конвертера может быть рассчитана следующим образом:

w=(4/3)·47 мм=62,65 мм.

Таким образом, геометрическая площадь конвертера равна S_конв=h×w=47 мм×62,65 мм=2,94·10³ мм².

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):

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

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).

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.

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.

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)).

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).

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Литература

1. Веб сайт компании 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.

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).

4. Веб сайт компании ЗАО "ТИДЕКС", 194292 Россия, г.Санкт-Петербург, ул. Домостроительная, 16. http://tydexoptics.com/ru/.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

5. Устройство визуализации по п.4, отличающееся тем, что наночастицы выполнены из никеля.

6. Устройство визуализации по п.4, отличающееся тем, что наночастицы выполнены из соединения с тяжелыми фермионами.

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.

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.

9. Устройство визуализации по п.1, отличающееся тем, что подложка выполнена из сапфира, а объектив инфракрасной камеры расположен со стороны подложки.

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.

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.

12. Устройство визуализации по п.11, отличающееся тем, что используют инфракрасную камеру с рабочим диапазоном 7-15 мкм.

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.

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.

15. Устройство визуализации по п.1, отличающееся тем, что дополнительно содержит плавно перестраиваемый по частоте источник лазерного излучения.

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.

Images