×
13.02.2018
218.016.2359

Результат интеллектуальной деятельности: ТЕРАГЕРЦ-ИНФРАКРАСНЫЙ КОНВЕРТЕР ДЛЯ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ИСТОЧНИКОВ ТЕРАГЕРЦЕВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Вид РИД

Изобретение

Аннотация: Изобретение относится к области оптического приборостроения и касается терагерц-инфракрасного конвертера для визуализации источников терагерцевого излучения. Конвертер состоит из основания и преобразователей терагерцевого излучения в инфракрасное излучение. Основание выполнено в виде матрицы, прозрачной в терагерцевом и инфракрасном диапазонах частот. Преобразователи равномерно распределены в объеме матицы и выполнены в виде наночастиц золота. Диаметр наночастиц золота определяется по формуле D≈[(8/π)⋅(m/ρ)⋅(E/hν)], где D - диаметр наночастиц золота, m - масса атома золота, ρ - плотность золота, E - энергия Ферми золота, hν - энергия фотонов терагерцевого излучения. Технический результат заключается в повышении эффективности преобразования и чувствительности устройства. 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 2 табл.

Изобретение относится к области оптической техники, предназначенной для визуализации источников терагерцевого (ТГц) излучения, и может быть использовано при создании приборов для регистрации и анализа ТГц излучения, ранней диагностики рака, а также для обнаружения предметов, скрытых под одеждой граждан, в аэропортах, на вокзалах, стадионах и в других публичных местах.

Известен болометрический терагерц-инфракрасный конвертер для формирования изображений источников ТГц излучения [S.A. Kuznetsov, A.G. Paulish, A.V. Gelfand, P.A. Lazorskiy, and V.N. Fedorinin, "Bolometric THz-to-IR converter for terahertz imaging," Applied Physics Letters, vol. 99, 023501 (2011)], состоящий из поглотителя ТГц излучения, включающего ультратонкую (толщиной не менее чем в 50 раз меньше длины волны ТГц излучения) систему резонаторов из разрезных колец на диэлектрической подложке и металлический слой, примыкающий к обратной стороне диэлектрической подложки, и эмиттера из материала с высокой излучательной способностью в инфракрасном (ИК) диапазоне, примыкающего к металлическому слою. При резонансном поглощении ТГц излучения определенным участком поглотителя (резонатором на базе разрезного кольца) происходит выделение теплоты в участке металлического слоя, расположенного под соответствующим разрезным кольцом, что вызывает эмиссию ИК-излучения с участка эмиттера, примыкающего к участку металлического слоя, расположенного под данным разрезным кольцом. Эмитированное ИК-излучение далее визуализируется ИК камерой.

Недостатком известного терагерц-инфракрасного конвертера является сложность конструкции, обусловленная тем, что топологический рисунок частотно-избирательной поверхности поглотителя состоит из множества разрезных кольцевых резонаторов размером ≈ 100 мкм × 100 мкм. Кроме того, из-за большого отношения (~10) размера кольцевого резонатора к зазору между резонаторами происходит перекрытие температурных полей под соседними разрезными кольцевыми резонаторами в металлическом слое, который нагревает эмиттер. Из-за этого изображение размывается и ухудшается пространственное разрешение конвертера. Также, за счет того, что функции поглотителя, нагревателя и эмиттера разделены между тремя слоями, снижается эффективность преобразования из-за потерь энергии в каждом слое.

Известно также устройство для создания изображения в ТГц лучах ("Terahertz imaging device with improved thermal converter") [US №20120032082, G01J 5/10, G01J 5/08, опубл. в 2012 г.], в котором терагерц-инфракрасный конвертер состоит из основания с множеством одинаковых преобразователей ТГц излучения в ИК-излучение, организованных в виде строк и столбцов математической матрицы. Материалом для преобразователей служит вода, стекло, углеродные нанотрубки или материал, содержащий их. Размер преобразователей от 50 до 500 мкм.

Недостатками известного терагерц-инфракрасного конвертера в устройстве для создания изображения в ТГц лучах являются сложность конструкции, требующая геометрически правильного выстраивания преобразователей в виде строк и столбцов математической матрицы, а также низкая чувствительность вследствие необходимости нагревать ТГц излучением крупные (50-500 мкм) преобразователи, размер которых обусловливает и низкое пространственное разрешение.

За прототип выбран терагерц-инфракрасный конвертер [Патент Кыргызской Республики №1684 (2014). Извещение опубликовано 31.10.2014 в Бюллетене «Интеллектуалдык менчик - Интеллектуальная собственность» №10 (187), С. 7-8, 2014. ISSN 1694-6871, г. Бишкек, 2014. http://patent.kg/doc/im/2014/10.pdf], состоящий из основания с преобразователями ТГц излучения в ИК-излучение, в котором основание выполнено в виде матрицы, прозрачной в ТГц и ИК диапазонах частот, а преобразователи равномерно распределены в ее объеме и выполнены в виде наночастиц из медно-никелевого сплава с содержанием никеля 40-70 мас.%. Диаметр наночастиц D определяется по формуле D≈1,09⋅a⋅[(W/ΔE)+1]1/3, где а - период решетки медно-никелевого сплава (нм); W - ширина зоны d-электронов медно-никелевого сплава (мэВ), ΔЕ - энергетический зазор между уровнями электронов в d-зоне (мэВ).

Недостатком выбранного за прототип терагерц-инфракрасного конвертера является невысокая эффективность преобразования энергии ТГц излучения в ИК-излучение, обусловленная двумя причинами: во-первых, поглощение ТГц фотона фермиевским электроном происходит не прямо, а при посредничестве третьей квазичастицы - продольного фонона; и, во-вторых, преобразователи, используемые в конвертере, - наночастицы медно-никелевого сплава, поверхность которых окисляется, что снижает пропускание ТГц излучения в объем наночастицы золота и пропускание ИК-излучения из него. В результате чувствительность терагерц-инфракрасного конвертера снижается.

Техническая задача - повышение эффективности преобразования энергии ТГц излучения в ИК-излучение и повышение чувствительности терагерц-инфракрасного конвертера.

Поставленная задача решается за счет того, что в терагерц-инфракрасном конвертере, состоящем из основания с преобразователями ТГц излучения в ИК-излучение, основание выполнено в виде матрицы, прозрачной в ТГц и ИК диапазонах частот, а преобразователи равномерно распределены в ее объеме и выполнены в виде наночастиц из золота, диаметр D которых определяется по формуле

где mAu - масса атома золота, ρ - плотность золота, EF - энергия Ферми золота, hν - энергия ТГц фотонов, регистрируемых терагерц-инфракрасным конвертером. Например, если энергия ТГц фотонов равна hν=15,6 мэВ, то при параметрах золота mAu=3,27⋅10-22 г, ρ=19,3 г/см3, EF=5,53 эВ, диаметр наночастиц D≈2,5 нм.

Выполнение преобразователей в виде наночастиц из золота с диаметром, определяемым по формуле (1), позволяет повысить эффективность преобразования ТГц излучения в ИК-излучение за счет того, что в них фотоны ТГц излучения поглощаются непосредственно, без участия продольного фонона. При этом выполнение закона сохранения энергии обеспечивается выбором диаметра наночастицы золота в соответствии с формулой (1), а выполнение закона сохранения импульса - благодаря неопределенности в импульсе фермиевского электрона, обусловленной соотношением неопределенностей Гейзенберга.

Наибольшая эффективность преобразования ТГц излучения в ИК-излучение имеет место при энергиях ТГц фотонов hν=13,7-17,5 мэВ (частоты ν=3,3-4,2 ТГц), соответствующих энергиям наиболее распространенных в наночастицах продольных фононов, - они принадлежат интервалу полной ширины на половине высоты максимума энергетического распределения продольных фононов в золоте. Для этого в соответствии с формулой (1) диаметры наночастиц золота должны быть равны 2,4-2,6 нм.

Эффективность повысится также потому, что вместо медно-никелевого сплава используется золото, которое не окисляется, и поэтому не покрывается пленкой окисла, ухудшающего пропускание ТГц излучения в объем наночастицы золота и пропускание ИК-излучения из него.

Повышение эффективности преобразования ТГц излучения в ИК-излучение повысит и чувствительность терагерц-инфракрасного конвертера, так как для наночастиц золота будет требоваться меньше ТГц мощности для их нагрева до температурного порога чувствительности ИК камеры, визуализирующей двухмерное изображение, созданное терагерц-инфракрасным конвертером.

Терагерц-инфракрасный конвертер иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 изображен общий вид с основанием в виде матрицы в разрезе. Терагерц-инфракрасный конвертер (фиг. 1) имеет основание в виде матрицы, состоящей из слоя 1, прозрачного в ТГц и ИК- диапазонах частот, например, из фторопласта-4 или кремния, с равномерно размещенными в нем преобразователями в виде наночастиц 2 из золота.

В Таблице 1 представлены параметры терагерц-инфракрасного конвертера при различных значениях степени черноты а наночастиц золота: мощности Qф и Qк, требуемые для нагрева наночастицы золота соответственно в матрице из фторопласта-4 и кремния, от температуры 300 К до температуры, при которой она будет зарегистрирована ИК камерой; а также концентрации Nф и Nк наночастиц золота диаметром 2,5 нм соответственно в матрице из фторопласта-4 и кремния.

На фиг. 2 представлены радиальные распределения температуры нагрева наночастицы золота диаметром 2,5 нм, находящейся в матрице из фторопласта-4 и кремния, относительно комнатной температуры 300 К, и соответствуют пяти значениям степени черноты а наночастиц: 0,1; 0,3; 0,5; 0,7; 1 (степень черноты а монотонно увеличивается сверху вниз: верхний график соответствует степени черноты 0,1, нижний график - степени черноты 1). Графики соответствуют мощностям, которые должны выделиться в наночастицах, чтобы эмитируемое ими ИК-излучение превысило температурный порог чувствительности ИК камеры (для определенности, в расчетах он был выбран равным 14 мК). Из графиков на фиг. 2 следует, что при расстоянии между наночастицами ≥20 нм температура нагревания фторопласта-4 относительно 300 K настолько мала, что позволяет избежать превышения порога температурной чувствительности ИК камеры (14 мК). Аналогичное справедливо для матрицы кремния при расстоянии между наночастицами ≥5 нм. Расстояния между наночастицами, соответствующие концентрациям наночастиц золота Nф и Nк в Таблице 1, намного превышают минимальные расстояния 20 нм для матрицы из фторопласта-4 и 5 нм для матрицы из кремния. Поэтому при этих концентрациях наночастиц золота размывание изображения в терагерц-инфракрасных конвертерах будет отсутствовать и соответственно пространственное разрешение конвертеров не будет снижаться.

На фиг. 3 представлены кривые нагревания и охлаждения наночастиц золота диаметром 2,5 нм в матрицах из фторопласта-4 и кремния во времени - при выделении в них теплоты с мощностями Qф и Qк, требуемыми для нагрева до температурного порога чувствительности ИК камеры, а также после прекращения выделения теплоты. Из графиков видно, что времена нагревания и охлаждения наночастиц золота (≈82,5 не и 6,75 пс соответственно в матрицах из фторопласта-4 и кремния) столь малы по сравнению с 40 мс, минимальным временем, необходимым для съемки одного кадра при киносъемке, что рассчитанные терагерц-инфракрасные конвертеры способны работать в режиме реального времени.

Терагерц-инфракрасный конвертер для визуализации источников терагерцевого излучения (фиг. 1) работает следующим образом. Фотон ТГц излучения с энергией hν, прошедший через основание 1 в виде матрицы, прозрачной в терагерцевом и инфракрасном диапазонах частот, до наночастицы золота 2, поглощается в наночастице 2 и возбуждает фермиевский электрон наночастицы 2 с энергетического уровня EF на уровень EF+hν. Далее возбужденный электрон, рассеиваясь на границе наночастицы 2, возбуждает в ней продольную вибрационную моду с энергией, равной hν, то есть релаксация возбужденного электрона в наночастице 2 происходит за счет выделения теплоты. Эффективность превращения в теплоту максимальна у тех ТГц фотонов, чья энергия равна энергии наиболее распространенных в золоте продольных фононов. Последние имеют энергию ≈13,7-17,5 мэВ (частоты ν≈3,3-4,2 ТГц). Таким образом, наночастица 2 нагревается. Двухмерная картина, созданная множеством нагретых наночастиц 2, далее визуализируется ИК камерой, устанавливаемой за терагерц-инфракраенцым конвертером.

В Таблице 2 приведены примеры реализации терагерц-инфракрасного конвертера для визуализации источников терагерцевого излучения.

Использование терагерц-инфракрасного конвертера предлагаемой конструкции в оптической технике для визуализации предметов, скрытых под одеждой, позволит повысить чувствительность аппаратуры, используемой в борьбе с терроризмом на транспорте и в общественных местах. Кроме того, заявляемый терагерц-инфракрасный конвертер для визуализации источников терагерцевого излучения может найти применение в аппаратуре для онкологических исследований.


ТЕРАГЕРЦ-ИНФРАКРАСНЫЙ КОНВЕРТЕР ДЛЯ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ИСТОЧНИКОВ ТЕРАГЕРЦЕВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
ТЕРАГЕРЦ-ИНФРАКРАСНЫЙ КОНВЕРТЕР ДЛЯ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ИСТОЧНИКОВ ТЕРАГЕРЦЕВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Источник поступления информации: Роспатент

Showing 1-10 of 17 items.
10.04.2014
№216.012.b12b

Устройство визуализации источников терагерцового излучения

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...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002511070
Дата охранного документа: 10.04.2014
25.08.2017
№217.015.d153

Источник терагерцового излучения

Изобретение относится к источникам терагерцового излучения. Предложенный источник терагерцового излучения состоит из корпуса, расположенного внутри корпуса электромагнитного излучателя, облучаемой подложки с расположенными на ней золотыми объектами и резонансного фильтра, плоскость которого...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002622093
Дата охранного документа: 09.06.2017
26.08.2017
№217.015.dd24

Способ измерения компонент и полного вектора напряженности геомагнитного поля

Изобретение относится к области измерения магнитных полей при проведении геофизических и космических исследований, разведке полезных ископаемых и др. Способ измерения компонент и полного вектора напряженности геомагнитного поля при помощи феррозондового магнитометра, расположенного на...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002624597
Дата охранного документа: 04.07.2017
10.05.2018
№218.016.4567

Конвертер терагерцовых вибраций в терагерцовое электромагнитное излучение

Изобретение относится к источникам терагерцового (ТГц) излучения, а именно к конвертерам ТГц вибраций в ТГц электромагнитное излучение на основе золотых нанообъектов. Конвертер терагерцовых вибраций в терагерцовое электромагнитное излучение содержит размещенные в корпусе электромагнитный...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002650343
Дата охранного документа: 11.04.2018
29.05.2018
№218.016.5726

Устройство для разрушения горных пород

Изобретение относится к устройствам для разрушения горных пород. Техническим результатом является повышение надежности устройства. Устройство для разрушения горных пород состоит из размещенных на самоходной раме управляемых породоразрушающего механизма, выполненного в виде горизонтальных и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002654927
Дата охранного документа: 23.05.2018
29.05.2018
№218.016.59ab

Устройство полусухого прессования керамических изделий

Изобретение относится к области производства строительных материалов, в частности к устройствам для полусухого формования керамических изделий. Устройство прессования керамических изделий содержит бункер подачи материалов, продольный прессующий канал, внутри которого установлен прессующий...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002655314
Дата охранного документа: 25.05.2018
16.06.2018
№218.016.6247

Способ лечения кожных проявлений склеродермии

Изобретение относится к медицине, а именно к дерматологии, и может быть использовано в лечении кожных проявлений как при ограниченной, так и системной склеродермии. Для этого на фоне комплексной терапии дополнительно внутривенно вводится ганцикловир 250 мг на 100,0 мл физиологического раствора...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002657812
Дата охранного документа: 15.06.2018
05.07.2018
№218.016.6b2e

Способ измерения скорости движения длинномерного материала и устройство для его осуществления

Изобретение относится к способам и устройствам бесконтактного контроля скорости движения длинномерного материала, имеющего естественную локальную неоднородность по длине, и может быть использовано, например, в текстильном производстве при контроле параметров перемотки различных текстильных...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002660046
Дата охранного документа: 04.07.2018
05.07.2018
№218.016.6c06

Способ диагностики электромагнитного механизма

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для диагностики электромагнитных механизмов с подвижным якорем, в магнитную цепь которых встроен постоянный магнит. Техническим результатом является расширение эксплуатационных возможностей и улучшения качественных...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002659868
Дата охранного документа: 04.07.2018
13.10.2018
№218.016.918b

Способ ведения буровзрывных работ на карьере

Изобретение относится к горному делу и может применяться на открытых разработках месторождений при проведении буровзрывных работ (БВР), в частности на карьерах. Способ ведения буровзрывных работ на карьере включает бурение взрывных скважин, заряжание их зарядами ВВ, взрывание зарядов ВВ. С...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002669422
Дата охранного документа: 11.10.2018
Showing 1-4 of 4 items.
10.04.2014
№216.012.b12b

Устройство визуализации источников терагерцового излучения

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...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002511070
Дата охранного документа: 10.04.2014
25.08.2017
№217.015.d153

Источник терагерцового излучения

Изобретение относится к источникам терагерцового излучения. Предложенный источник терагерцового излучения состоит из корпуса, расположенного внутри корпуса электромагнитного излучателя, облучаемой подложки с расположенными на ней золотыми объектами и резонансного фильтра, плоскость которого...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002622093
Дата охранного документа: 09.06.2017
26.08.2017
№217.015.dd24

Способ измерения компонент и полного вектора напряженности геомагнитного поля

Изобретение относится к области измерения магнитных полей при проведении геофизических и космических исследований, разведке полезных ископаемых и др. Способ измерения компонент и полного вектора напряженности геомагнитного поля при помощи феррозондового магнитометра, расположенного на...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002624597
Дата охранного документа: 04.07.2017
10.05.2018
№218.016.4567

Конвертер терагерцовых вибраций в терагерцовое электромагнитное излучение

Изобретение относится к источникам терагерцового (ТГц) излучения, а именно к конвертерам ТГц вибраций в ТГц электромагнитное излучение на основе золотых нанообъектов. Конвертер терагерцовых вибраций в терагерцовое электромагнитное излучение содержит размещенные в корпусе электромагнитный...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002650343
Дата охранного документа: 11.04.2018
+ добавить свой РИД