Герц (единица измерения)

Рентгеновский диапазон

Диапазон 3⋅1016 Гц (124 эВ) — 3⋅1019 Гц (124 000 эВ)

Рентгеновское излучение

Основная статья: Рентгеновское излучение

Электромагнитные волны — рентгеновское излучение:

• 3⋅1018 Гц (12 400 эВ) — 3⋅1019 Гц (124 000 эВ) — жёсткое рентгеновское излучение. Источники: некоторые ядерные реакции, электронно-лучевые трубки.
• 3⋅1016 Гц (124 эВ) — 3⋅1018 Гц (12 400 эВ) — мягкое рентгеновское излучение. Источники: электронно-лучевые трубки, тепловое излучение плазмы, некоторые радиоактивные изотопы, бетатроны, линейные ускорители.

Рентгеновские кванты излучаются в основном при переходах электронов в электронной оболочке тяжёлых атомов на низколежащие орбиты. Вакансии на низколежащих орбитах создаются обычно электронным ударом. Рентгеновское излучение, созданное таким образом, имеет линейчатый спектр с частотами, характерными для данного атома (см. характеристическое излучение); это позволяет, в частности, исследовать состав веществ (рентгено-флюоресцентный анализ). Тепловое, тормозное и синхротронное рентгеновское излучение имеет непрерывный спектр.

В рентгеновских лучах наблюдается дифракция на кристаллических решётках, поскольку длины электромагнитных волн на этих частотах близки к периодам кристаллических решёток. На этом основан метод рентгено-дифракционного анализа.

Постройте свой собственный Терагерцовый (ТГц) спектрометр

В качестве совершенно гибкого и экономически эффективного решения, Ekspla предлагает комплексную терагерцовую систему. Доступны четыре стандартные конфигурации, оптимизированные для измерения пропускания, отражения, формирование изображения или для проведения измерений накачка-сигнал. Все они могут быть легко заменены и изменены. Любая другая дополнительная конфигурация может быть заказана изначально или в качестве будущего обновления.

Стандартный комплекс терагерцовой (ТГц) спектроскопии включает в себя:

• Фотопроводящая антенна
• ТГц эмиттер и детектор
• Оптика сопряжения излучения лазера накачки
• Моторизованная медленная линия задержки с контроллером
• Зеркала, направляющие ТГц луч
• Держатель образца
• Синхронный усилитель
• Программное обеспечение LabVIEW для сбора данных

Опционно:

• Фемтосекундный лазер
• «Чистый» блок, удаляющий водные линии поглощения
• Персональный компьютер

Пример схемы экспериментальной установки THz-TDS спектроскопии

ТГц эмиттер и детектор

Главное окно программного обеспечения (изображение лезвия (размер 97 x 97 пикселей) полученное в режиме изображения на частоте 1 ТГц

Применение в хозяйственной деятельности

ТГц излучение уже находит применение в некоторых видах хозяйственной деятельности и повседневной жизни людей.

В системах безопасности используется ТГц (мм) излучение для сканирования багажа и людей. В отличие от рентгеновского, ТГц излучение не наносит вреда организму. С его помощью можно разглядеть спрятанные под одеждой человека металлические, керамические, пластиковые и другие предметы на расстояниях до десятков метров, например, с помощью системы Tadar. Длина волны сканирующего излучения — 3 мм.

В статье описывается метод получения изображения микроскопических объектов с использованием ТГц излучения, благодаря чему авторами были получены рекордные значения чувствительности и разрешающей способности.

В медицинскую практику начинают внедряться ТГц томографы, с помощью которых можно исследовать верхние слои тела — кожу, сосуды, мышцы — до глубины в несколько см. Это нужно, например, для получения изображения опухолей.

Совершенствование ТГц приёмных камер позволит получать снимки поверхностей, скрытых под слоями штукатурки или краски, что, в свою очередь, сделает возможным «бесконтактное» восстановление первоначального облика произведений живописи.

В производстве ТГц излучение может найти применение для контроля качества выпускаемой продукции, мониторинга оборудования. Например, можно проводить осмотр продукции в пластиковой, бумажной таре, прозрачной в ТГц спектре, но непрозрачной в видимом.

Рассматривается возможность разработки высокоскоростных ТГц систем связи и ТГц локации для больших высот и космоса.

Слухи, домыслы и паранаучные спекуляции

Существует слабообоснованная точка зрения[кто?], что человеческая кожа способна ощущать терагерцовое излучение в виде особого, специфического «тепла», осязательно отличающегося от обычного, привычного нам ближнего ИК-тепла, и что это объясняет феномен т. н. «лекарей-экстрасенсов», якобы ощущающих воспаление через кожу и даже одежду. Даже если для единиц из них это действительно так, отделить их от мошенников и поставить статистически достоверный эксперимент не представляется возможным. Более того, чувствительность современного оборудования не позволяет достоверно установить даже сам факт того, что локальное повышение температуры в очаге воспаления может быть измерено по картине ТГц-излучения в принципе.

Приёмники излучения[править | править код]

Первыми приёмниками могут считаться болометр и оптико-акустический приёмник (ячейка Голея), прототип которого был создан в 30-х гг. Хэисом, а затем усовершенствован М. Голеем в 40-х гг. XX века.

Изначально эти устройства создавались для регистрации ИК (теплового) излучения. Было установлено, что выделение слабого сигнала в ТГц области невозможно без подавления тепловых шумов. Поэтому в качестве ТГц приёмников позже стали использовать болометры, охлаждаемые до температур в несколько кельвин.

Существует экспериментальный образец приёмной камеры, принцип действия которой основан на измерении туннельного тока от чувствительных мембран элементов приёмной матрицы.

Описанные выше приёмники являются неселективными (тепловыми), то есть позволяют регистрировать интегральную мощность сигнала в диапазоне, вырезаемом оптической системой перед приёмником без детализации спектра ТГц излучения. Эквивалентная мощность шума (NEP), лучших тепловых приёмников лежит в диапазоне 10−18—10−19 Вт/Гц1/2.

К селективным ТГц приемникам относятся камеры, в которых используется фотосмешение (англ.), эффект Поккельса, колебания электрического поля (в диодах Ганна). Фотосмешение осуществляют на поверхности металлических антенн, в полупроводниковых кристаллах, тонких сверхпроводящих плёнках. В результате получают сигнал на разностной частоте, который анализируют обычными методами. Эффект Поккельса реализуется в полупроводниковых кристаллах, например, в кристалле арсенида галлия (GaAs).

Существует достаточно большое число приёмников ТГц излучения, и по сей день идет поиск альтернативных принципов детектирования.

ТГц спектроскопия

ТГц диапазон до недавнего времени был труднодоступен, но с развитием ТГц техники ситуация изменилась. Сейчас существуют ТГц спектрометры (англ.) (Фурье-спектрометры и монохроматоры), работающие во всем ТГц диапазоне.

В их конструкции используются некоторые из описанных выше источников, приёмников и ТГц оптические элементы, такие как ТГц дифракционные решетки, линзы из особой пластмассы (англ.), фокусирующие рупоры, узкополосные резонансные mesh-фильтры. Возможно использование призм и других диспергирующих элементов. Техника, используемая для ТГц спектроскопии, содержит черты техник для соседних СВЧ- и ИК- диапазонов, но по-своему уникальна.

ТГц излучение является компонентой теплового излучения различных макроскопических объектов (как правило, на длинноволновом хвосте спектрального распределения). В ТГц диапазоне расположены частоты межуровневых переходов некоторых неорганических веществ (линии воды, кислорода, CO, например), длинноволновых колебаний решёток ионных и молекулярных кристаллов, изгибных колебаний длинных молекул, в том числе полимеров и биополимеров; характеристические частоты примесей в диэлектриках, в том числе в лазерных кристаллах; в полупроводниках это частоты, соответствующие энергии связей примесных комплексов, экситонов, зеемановским и штарковским переходам возбуждённых состояний примесей. Частоты мягких мод в сегнетоэлектриках и частоты, соответствующие энергии щелей в сверхпроводниках, также находятся в ТГц диапазоне.

Представляет интерес изучение магнито‍тормозного (циклотронного и синхротронного излучения), магнитодрейфового и черенковского излучения в этом диапазоне, которые при определённых условиях дают существенный вклад в общий спектр ТГц излучения.

Перспективные исследования[править | править код]

Большую важность имеют исследования в области ТГц спектроскопии различных веществ, что позволит найти для них новые применения. На поверхность Земли практически всё ТГц излучение попадает от Солнца

Однако, из-за сильного поглощения водными парами атмосферы его мощность ничтожно мала. Поэтому особый интерес представляет исследование воздействия ТГц излучения на живой организм

На поверхность Земли практически всё ТГц излучение попадает от Солнца. Однако, из-за сильного поглощения водными парами атмосферы его мощность ничтожно мала. Поэтому особый интерес представляет исследование воздействия ТГц излучения на живой организм.

Представляет интерес изучение спектра ТГц излучения от астрофизических объектов, что позволит получить о них больше информации. В чилийских Андах на высоте 5100 м работает первый в мире телескоп, принимающий излучение от Солнца и других космических светил в диапазоне 0,2—1,5 мм.

Ведутся разработки в области ТГц эллипсометрии, голографии, исследования взаимодействия ТГц излучения с металлами и др. веществами. Изучается распространение и взаимодействие ТГц плазмонов в волноводах разных конфигураций. Разрабатывается база ТГц схемотехники; уже изготовлены первые ТГц транзисторы. Эти исследования необходимы, например, для повышения рабочей частоты процессоров до ТГц.[]

Исследование ТГц магнитотормозного излучения позволит получить информацию о структуре вещества, находящегося в сильном магнитном поле (4—400 Тл).

Также ведутся активные разработки по заказу военных и спецслужб по терагерцовым РЛС и радиолокационно-оптическим системам визуализации, работающим в терагерцовом диапазоне, в том числе персональным, представляющим собой радиолокационно-оптический прибор на основе терагерцевой РЛС, на экране которого картинка отображается в терагерцовом диапазоне. Применение терагерцового излучения в радиолокационно-оптических средствах визуализации может быть использовано для создания очередного вида ПНВ наряду с другими реализуемыми способами, такими как ЭОП, инфракрасная камера, ультрафиолетовая камера.[источник не указан 1460 дней]

Герц и беккерель

Кроме герца в СИ существует ещё одна производная единица, равная секунде в минус первой степени (1/с): таким же соотношением с секундой связан беккерель. Существование двух равных, но имеющих различные названия единиц, связано с различием сфер их применения: герц используется только для периодических процессов, а беккерель — только для случайных процессов распада радионуклидов. Хотя использовать обратные секунды в обоих случаях было бы формально правильно, рекомендуется использовать единицы с различными названиями, поскольку различие названий единиц подчёркивает различие природы соответствующих физических величин.

Астрономические частоты

Диапазон: периоды от минут и длиннее

Электромагнитные волны в этом диапазоне не изучены. Механические колебательные и вращательные процессы представлены в основном движениями небесных тел по орбитам и их вращением, а также производными процессами, такими как приливы. Считается, что движения небесных тел являются источниками гравитационных волн.

• 23 часа 56 минут — период осевого вращения Земли.
• 29 суток — период обращения Луны по орбите вокруг Земли.
• 1 год — период обращения Земли по орбите вокруг Солнца.
• 12 лет — период обращения планеты Юпитер по орбите вокруг Солнца.
• 165 лет — период обращения планеты Нептун по орбите вокруг Солнца.
• 11 487 лет — период обращения планетоида Седна по орбите вокруг Солнца.
• 25 800 лет — платонов год, период прецессии земной оси.
• В 226 000 000 лет оценивается период обращения Солнечной системы вокруг ядра Галактики. Вероятно, это самая низкая надёжно вычисленная частота периодического процесса.

Ультрафиолетовый диапазон

Диапазон 790 ТГц (3,27 эВ) — 30 000 ТГц (124 эВ)

Ультрафиолетовое излучение

Основная статья: Ультрафиолетовое излучение

Прочее

Потенциалы ионизации атомов, пересчитанные на частоту, лежат в ультрафиолетовом диапазоне. Также там имеется много спектральных линий атомов.

Звуковой диапазон

Диапазон 20 Гц — 20 кГц

Электромагнитная энергия этого диапазона на практике распространяется, как правило, по проводам.
Механические колебания этого диапазона называются звуком.

• около 20 000 Гц — верхний порог слуха ребёнка (зависит от человека)
• около 14 500—19 500 Гц — верхний порог слуха взрослого человека (зависит от человека)
• 7040 Гц — «ля»

• 440 Гц — «ля»
• 220 Гц — «ля»
• 110 Гц — «ля»
• 100 Гц — частота гудения сетевого трансформатора и мерцания люминесцентной лампы в Европе
• 60 Гц — частота сетевого переменного тока в Америке и Японии
• 50 Гц — частота сетевого переменного тока в Европе
• 15—20 Гц — нижний порог слуха взрослого человека (зависит от человека)

Звуковой диапазон принято делить по октавам: 20-40; 40-80; 80-160 (низкие), 160-320; 320-640; 640-1 280 (средние), 1 280-2 560; 2 560-5 120; 5 120-10 240; 10 240-20 480 (высокие).

Источники излучения

Одними из первых были разработаны электровакуумные импульсные источники излучения мВт-мощности, такие как ЛОВ, оротрон. Затем более мощные источники (до десятков кВт) — ЛСЭ, гиротрон. В статье описывается гиротрон, выдающий 1,5 кВт мощности на частоте 1 ТГц в импульсе длительностью 50 мкс. КПД при этом составляет 2,2 %. Новосибирский терагерцовый ЛСЭ — самый мощный в мире источник терагерцового излучения со средней мощностью 500 Вт.

В качестве ТГц источников с недавнего времени используются линейные ускорители и синхротроны[уточнить].
В работе представлен импульсный источник ТГц излучения большой мощности (средней — 20 Вт, а в пике — ~1 МВт).

Излучение вышеперечисленных источников является тормозным, оно исходит от электронов, ускоренно движущихся в электрическом или магнитном поле специальной конфигурации в вакуумной камере.

Источником ТГц излучения малой мощности является квантовый оптический генератор (лазер). До конца XX века лазеры для дальней ИК области были громоздкими и малоэффективными, поэтому потребовалась разработка новой схемы генерации. Впервые так называемый квантово-каскадный принцип генерации ТГц лазера был реализован в 1994 г. Но проблемой было то, что активная среда, в которой возникало ТГц излучение, его же и поглощала. Спустя 8 лет эта проблема была решена введением в активную область многослойного кристалла лазера множества волноводов, выводящих ТГц излучение наружу. Таким образом, в 2002 г. был создан первый ТГц квантово-каскадный лазер, работающий на частоте 4,4 ТГц и выдающий мощность 2 мВт.

Также для генерации маломощного ТГц излучения применяются источники, использующие электрооптический эффект (англ.) в полупроводниковом кристалле. Для этого требуются импульсы фемтосекундного (например, титан-сапфирового) лазера и полупроводниковый кристалл с заданными свойствами (часто используют теллурид цинка (ZnTe)). Рассматривается возможность создания ТГц источников на основе эффекта Дембера.

Используют диоды Ганна для создания и регистрации ТГц излучения.

Существует множество работ, посвященных принципам генерации ТГц излучения. В работе, например, теоретически исследуется эмиссия ТГц излучения от Джозефсоновских переходов между сверхпроводниками при подаче тока вследствие нестационарного эффекта Джозефсона.

Литература[править | править код]

• A.A. Angeluts, A.V. Balakin, M.G.Evdokimov,M.N. Esaulkov,M.M.Nazarov, I.A.Ozheredov, D.A. Sapozhnikov, P.M.Solyankin, O.P.Cherkasova, A.P.Shkurinov, «Characteristic responses of biological and nanoscale systems in the terahertz frequency range», Quantum Electronics, v. 44, N7, pp. 614—632, 2014, DOI:10.1070/QE2014v044n07ABEH015565.
• Генерация и усиление сигналов терагерцового диапазона: колл.монография / под ред. А.Е. Храмова, А.Г. Баланова, В.Д. Еремки, В.Е. Запевалова, А.А. Короновского. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2016. 460 с.ISBN 978-5-7433-3013-3

Примечания[править | править код]

1. Р. Г. Мириманов. Миллиметровые и субмиллиметровые волны. — М.: изд. ин. литературы, 1959.
2. Р. А. Валитов, С. Ф. Дюбко, В. В. Камышан и др. Техника субмиллиметровых волн. — М.: Сов. Радио, 1969.
3. Yun-Shik Lee. Principles of Terahertz Science and Technology. — Springer, 2009.
4. Kiyomi Sakai (Ed.). Terahertz Optoelectronics. — Springer, 2005.
5. M.Yu. Glyavin, A. G. Luchinin, and G.Yu. Golubiatnikov, PRL 100, 015101 (2008) «Generation of 1.5-kW, 1-THz Coherent Radiation from a Gyrotron with a Pulsed Magnetic Field».
6. G. L. Carr*, Michael C. Martin†, Wayne R. McKinney†, K. Jordan‡,George R. Neil‡ & G. P. Williams‡, NATURE, VOL 420, 14 NOVEMBER 2002 «High-power terahertz radiation from relativistic electrons»
7. Y.-L. MATHIS, B. GASHAROVA and D. MOSS, Journal of Biological Physics 29: 313—318, 2003, «Terahertz Radiation at ANKA, the New Synchrotron Light Source in Karlsruhe».
8. G.L. CARR, M.C. MARTIN, W.R. MCKINNEY, K. JORDAN, G.R. NEIL and G.P. WILLIAMS, Journal of Biological Physics 29: 319—325, 2003. «Very High Power THz Radiation Sources»
9. Masashi Tachiki,1 Shouta Fukuya,2 and Tomio Koyama, PRL 102, 127002 (2009) «Mechanism of Terahertz ElectromagneticWave Emission from Intrinsic Josephson Junctions»
10. Harold A. Zahl and Marcel J.E. Golay, Re. Sci. Inst. 17, 11, November 1946, «Pneumatic Heat Detector»
11. T. W. Kenny and J. K. Reynolds, J. A. Podosek, et al., RevSciInstrum_67_112, «Micromachined infrared sensors using tunneling displacement transducers»
12. E. N. Grossman, «Lithographic Antennas for Submillimeter and Infrared Frequencies»
13. Masahiko Tani et al.,International Journal of Infrared and Millimeter Waves, Vol. 27, No. 4, April 2006, NOVEL TERAHERTZ PHOTOCONDUCTIVE ANTENNAS
14. K. A. McIntosh, E. R. Brown, ApplPhysLett_73_3824, «Terahertz photomixing with diode lasers in low-temperature-grown GaAs»
15. W. Porterfield, J. L. Hesler, et al., APPLIED OPTICS, Vol. 33, No. 25 , 1994, Resonant metal-mesh bandpass filters for the far infrared
16. Cecilie Rønne, Per-Olof Åstrand, and Søren R. Keiding, PRL,VOL 82, NUMBer 14, 1999, THz Spectroscopy of Liquid H2O and D2O
17. Grischkowsky, S0ren Keiding, et al., J. Opt. Soc. Am. B/Vol. 7, No. 10, 1990, Far-infrared time-domain spectroscopy with terahertz beams of dielectrics and semiconductors
18. . Дата обращения 22 июля 2010.
19. . Дата обращения 22 июля 2010.
20. A. J. Huber,†,‡ F. Keilmann, et. Al, NANO LETTERS 2008 Vol. 8, No. 11, Terahertz Near-Field Nanoscopy of Mobile Carriers in Single Semiconductor Nanodevices
21. S.Wang and X-C Zhang, J. Phys. D: Appl. Phys. 37 (2004), Pulsed terahertz tomography
22. R. Piesiewicz, M. Jacob, M. Koch, J. Schoebel and T. Kürner, Performance analysis of future multi-gigabit wireless communication systems at THz frequencies with highly directive antennas in realistic indoor environments, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 14, No. 2, March/April 2008
23. Усанов Д. А., Скрипаль А. В., Усанов А. Д., Рытик А. П. — Саратов: Изд-во Сарат. Ун-та, 2007., БИОФИЗИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
24. T. Hofmann, U. Schade, et al., REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS 77, 063902 2006, Terahertz magneto-optic generalized ellipsometry using synchrotron and blackbody radiation
25. Ranxi Zhang et al., APPLIED OPTICS, Vol. 47, No. 34, 2008, Polarization information for terahertz imaging

Заключение диссертации по теме «Биофизика», Рытик, Андрей Петрович

Основные результаты и выводы, полученные в ходе выполнения диссертации сводятся к следующему:

1. Разработано программное математическое обеспечение для управления параметрами выходного сигнала терагерцового генератора частот, предложены и использованы новые типы квазиоптических устройств для проведения исследований воздействия ЭМИ ТГц на физические и биологические среды: рефлектометр и нагрузка, рупор с круговой поляризацией излучения на выходе.

2. Показана эффективность воздействия на биологические объекты излучения на частотах, характерных для спектров газов метаболитов, в частности на частотах, соответствующих линиям спектра молекулярного атмосферного кислорода О2 (129 ГГц) и оксида азота N0 (150 ГГц).

3. Показано, что при воздействии электромагнитного излучения мощностью 3мВт на частоте 129 ГГц, характерной для линии спектра молекулярного кислорода и продолжительностью 30 минут на кишечную палочку (E.coli) наблюдается изменение ростовой кривой, аналогичное происходящему при ее аэрации. При перестройке частоты в пределах ±1 ГГц проявления такого эффекта не наблюдалось.

4. Обнаружен эффект антиагрегационного воздействия ЭМИ ТГц на форменные элементы крови (тромбоциты и эритроциты). При воздействии электромагнитного излучения на частоте линии спектра поглощения оксида азота (150 ГГц) мощностью 3 мВт и продолжительностью 5 минут на форменные элементы крови — эритроциты и тромбоциты, происходит уменьшение агрегционной способности.

5. Показано, что при одновременном воздействии ЭМИ ТГц и фенола как отравляющего фактора, происходит частичное или полное восстановление сердцебиения рачка. Воздействии электромагнитного излучения на частоте линии спектра поглощения атмосферного кислорода 129 ГГц мощностью 3 мВт и продолжительностью 60 минут на дафнию, предварительно помещенную на 1 минуту в водную среду с концентрацией фенола 50 мг/л, наблюдалось частичное или полное восстановление ритма сердцебиения за 30 минут, в то время как у контрольной группы частота сердцебиения не восстанавливалась на протяжении часа.

6. Показано, что процесс восстановления ритма сердцебиения дафний, предварительно подвергнутых воздействию фенола, при аэрации атмосферным воздухом, «облученным» на частотах, характерных для полос молекулярного поглощения кислорода, происходит быстрее, чем «не облученным».

7. Установлено, что наибольшего уровня восстановления частоты сердечного ритма дафнии, предварительно подвергнутой воздействию фенола, можно достичь при одновременном воздействии терагерцового излучения на частоте 129 ГГц и магнитного поля.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ