גלים מילימטריים

גלים מילימטריים או גמ"מ הם קרינה אלקטרומגנטית בעלת אורך גל של 1 מ"מ ועד 10 מ"מ, או לחלופין בתדר של 30 גיגה-הרץ ועד 300 גה"צ. לגמ"מ תכונות ייחודיות אשר משמשות במגוון טכנולוגיות, בהן סורק גלים מילימטריים לגילוי נשק חבוי בשדות תעופה, חיישן תאונה לרכב פרטי להתרעות התנגשות בערפל כבד, מיפוי קרינת הרקע הקוסמית החיונית להבנת היקום, ורשתות תקשורת Wi-Fi.
התכונות הראשיות המאפשרות את הטכנולוגיות הללו הן עבירות אטמוספירית גבוהה, עבירות גבוהה בחומרים פלסטיים ועבירות נמוכה במים, כל זאת בדומה לגלי מיקרו, אך אורך גל קצר בהרבה מגלי מיקרו המאפשר להקטין את ממדי המכשירים.

ספקטרום הגמ"מ
כמו מרבית תחומי הספקטרום האלקטרומגנטי, יש כמה הגדרות שונות לתחום המדויק של אורכי הגל של הגמ"מ. אחת הנפוצות היא אורך גל של 1 מ"מ ועד 10 מ"מ, או לחלופין בתדר של 30 גיגה-הרץ ועד 300 גה"צ. התחום נקרא גם תדרים גבוהים באופן קיצוני (extremely high frequency) כאשר הוא מסווג לפי מפתח גלי רדיו.
 תדרים גבוהים יותר הגובלים בגמ"מ הם גלים תת-מילימטריים, וגלי טרה-הרץ. תחום הגמ"מ נמצא בתוך התת-אדום בהגדרתו הרחבה ביותר, ותחום הטרה-הרץ בהגדרתו הרחבה (החל מ-100 גה"צ) גם כן חופף.
 תדרים נמוכים יותר הגובלים בגמ"מ הם גלי מיקרו, ולפעמים כוללים בתוכם את הגמ"מ. גלי רדיו בהגדרתם הרחבה ביותר כוללים את הגמ"מ.

תכונות עבירות

בתחום הגמ"מ מספר חלונות אטמוספיריים

שבהם הקרינה עוברת תוך הנחתה נמוכה יחסית, שהם סביב תדרי 35, 94, 140 ו-220 גה"צ. למעשה רוב התחום עביר לקרינה מלבד מספר תחומי בליעה צרים, הנובעים ממים וחמצן באוויר. קרינת גמ"מ חודרת בהנחתה נמוכה גם חלקיקים קטנים המצויים באוויר, כמו אובך, ערפל, אבק וחול. במצבי גשם או שלג, לגמ"מ עבירות דומה לאור נראה, כאשר למכ"ם (גלי מיקרו) יש עבירות גבוהה. העבירות האטמוספירית בתחום הגמ"מ נעה בין עשרות מטרים ל-10 קילומטר ("עבירות" בהקשר הזה היא המרחק שבו הקרינה עוברת ניחות פי 10 מעוצמתה המקורית).

בדומה לגלי מיקרו, הקרינה חודרת חומרים רבים, בהם פלסטיקים שונים, חומרים קרמיים ובגדים, אך נבלעת ומוחזרת ממים (ולכן גם מבני אדם, בעלי חיים וצמחים) וממתכות.

מקורות קרינה

קרינת גוף שחור
כל גוף פולט קרינה הנקראת קרינת גוף שחור, כאשר העוצמה תלויה באורך הגל ובטמפרטורת הגוף, על פי חוק פלאנק, וכן באמיסיביות של הגוף. לפי חוק ההסחה של וין, תדר הגל שבו שיא הקרינה, מתכונתי לטמפרטורה. שיא הקרינה מתקבל בגמ"מ כאשר הטמפרטורה היא מספר מעלות קלווין בודדות מעל האפס המוחלט. זוהי הטמפרטורה של קרינת הרקע הקוסמית ולכן תצפיות שלה נעשות בתדרי גמ"מ. על פני כדור-הארץ הטמפרטורה היא 300 קלווין ולכן מרבית הקרינה היא באורכי גל תת-אדום רחוק, סביב 10 מיקרון. למרות זאת קיימת קרינה חלשה גם בגמ"מ, שהיא חזקה מספיק כדי להיקלט בגלאים, כפי שנפרט בהמשך. עוצמת הקרינה הזו בקירוב טוב מתכונתית לטמפרטורה בתחום רחב מאוד של טמפרטורות הגוף ותדרי גמ"מ.

מקורות מלאכותיים
מקורות מלאכותיים מהווים את אחד האתגרים הגדולים של תחום הגמ"מ. כיום קיימים מקורות מסוגים רבים ליצירת קרינת גמ"מ, אך הם בעוצמה נמוכה.
 התקני מעגלים משולבים לגמ"מ (MMIC) - ניתן לייצר בטכנולוגיות CMOS מתקדמות, או לחלופין בטכנולוגיות של מוליכים למחצה מסוג: סיליקון-גרמניום (SiGe), גאליום-ארסניד (GaAs). ההספקים הגבוהים ביותר עבור התקני מעגלים משולבים מתקבלים באינדיום-פוספיד (InP) או גאליום-ניטריד (GaN). התקנים מסוג זה יוצרים קרינה קוהרנטית.
 התאבכות לייזר - ניתן להשתמש בשני לייזרים באורך גל נראה ליצור קרינת גמ"מ וטרה-הרץ. הלייזרים נפגשים ומתאבכים ביניהם, כאשר נוצרות פעימות בתדר השווה להפרש בין תדרי הלייזרים. ניתן באופן זה לכוון בדיוק את התדר המבוקש, וליצור גל קוהרנטי.
 מקורות רעש גמ"מי (millimeter-wave noise sources) - קיימים התקנים המבוססים על דיודה, המספקים "רעש" בתחום תדר מוגדר. מקור מסוג זה יוצר קרינה לא קוהרנטית.
 גוף שחור - ניתן ליצור קרינה לא קוהרנטית באמצעות גוף חם, שפולט קרינת גוף שחור, כפי שתואר למעלה. הקרינה מתכונתית לטמפרטורה, כך שכדי להגדיל את עוצמת הקרינה פי 10 יש להכפיל פי 10 את טמפרטורת הגוף, כלומר מ-300 קלווין בערך (טמפרטורת הסביבה) ל-3000 קלווין בערך (טמפרטורה ממוצעת של נורת להט). כהערה נוסיף שעוצמת הקרינה מתכונתית גם לשטח הפנים של הגוף.

גלאים

גלאים פאסיביים לקרינת גוף שחור
קרינה עצמית של עצמים בטמפרטורת החדר חלשה מאוד בתדר גמ"מ, ונדרשים גלאים רגישים מאוד לקליטתה. הגלאים המתאימים ביותר לחישה פאסיבית והרגישים ביותר הם מוליכי-על מקוררים לטמפרטורה של מספר מעלות קלווין. גלאים אלו בנויים על עיקרון התרמיסטור - רכיב בעל התנגדות חשמלית שתלויה בטמפרטורה. במקרה זה הגלאי בנוי על בסיס מוליך על מקורר לטמפרטורות נמוכות של מספר מעלות קלווין מעל האפס המוחלט, שבהן כל שינוי קל בטמפרטורה גורם לשינוי גדול במוליכות החשמלית. הקרינה מהטלסקופ פוגעת בגלאי ומחממת אותו במידה מזערית, הגורמת לשינוי גדול במוליכות, שנמדד היטב.

קיימים גם גלאים בטמפרטורת החדר שהם רגישים מספיק כדי לקלוט את הקרינה. הגלאים הלא-מקוררים הם התקנים של מעגלים משולבים לגמ"מ (MMIC). גלאי MMIC מורכב ממגבר דל-רעש (LNA) שהוא הרכיב הקשה ביותר לתכנון וייצור, ואחריו במעגל מצויה פוטודיודה הממירה את הפוטונים בתדר גבוה למתח חשמלי בתדר נמוך יותר, המועבר למעגל קריאה דיגיטלי. טכנולוגיות מוליכים למחצה המשמשות לייצור MMIC גמ"מ מפורטות בפרק המקורות המלאכותיים - אותן הטכנולוגיות מתאימות למקלטים ולמשדרים כאחד.

גלאים אקטיביים
גלאי אקטיבי הוא גלאי שמיועד לקלוט קרינה הבאה ממקור ידוע. לעיתים הקרינה המשודרת והנקלטת מסונכרנות (כמו במכ"ם), ולעיתים לא (כמו בתקשורת גמ"מ) אך התדר ידוע. גלאים אקטיביים נדרשים לרגישות נמוכה בהרבה, כי מקורות קרינה אקטיביים הם חזקים בהרבה מקרינת גוף שחור. במכ"ם הגלאי ישתמש בשיטת הטרודיין (heterodyne) שבה חלק מקרינת הגל המשודר נשלחת למיקסר שו היא מתאבכת עם הקרינה החוזרת, ומתקבל אות בתדר נמוך ברגישות גבוהה (רעש נמוך).

גלאים אקטיביים יכולים להיות מעגלים משולבים, רכיבים לא ליניאריים, או רכיבים בולומטריים. רכיבים לא ליניאריים ממירים אות בתדר נמוך לתדר גבוה ולהפך, כך שלאחר ההמרה ניתן לקרוא את האות בקלות. רכיבים בולומטריים מתחממים (חימום מזערי) עקב הקרינה הפוגעת, כאשר בתוכם מצוי טרמיסטור שהוא רכיב שהתנגדותו תלויה בטמפרטורה. כאשר הוא מתחמם, ההתנגדות והזרם דרכו נמדדים, ולכן נמדדת עוצמת הקרינה. רכיבים אלו לא יכולים להיות מסונכרנים ובמקרים אלו רגישותם נמוכה יותר, והם אינם יכולים למדוד את הפאזה של הגל, אך הם זולים מאוד לייצור.

שימושים

השימושים בגלים מילימטריים רבים, ושימושים נוספים מתווספים ככל שעלות הטכנולוגיה - משדרים ומקלטים - יורדת. בתחילה תחום הגמ"מ שימש רק למחקר מדעי מתקדם ביותר, ובהמשך התפתחות הטכנולוגיה יחד עם הוזלת המחיר ומציאת שימושים חדשים, הפכו את הגמ"מ לטכנולוגיה נפוצה במערכות צבאיות (מכ"מ), אזרחיות (סורק לגילוי נשק חבוי) ואפילו בשוק הפרטי (תקשורת Wi-Fi).
 השימוש הראשון בגמ"מ היה במיפוי קרינת הרקע הקוסמית, עם הגלאים הרגישים והיקרים ביותר גם כיום
 סורק גלים מילימטריים לגילוי נשק, פצצות וחפצים חבויים על בני אדם, דרך הבגדים
 תקשורת אלחוטית, במיוחד לרשתות Wi-Fi באזורים בנויים. בשנים 2009-2012 פותח תקן IEEE 802.11ad התומך בתקשורת בתדר 60 גיגה-הרץ, בקצבים של עד 7 גיגה-ביט לשנייה.
 מכ"ם גמ"מ צבאי, כמו זה המותקן על AH-64D אפאצ'י לונגבו - מאפשר, בנוסף לאיתור מטרות בכל תנאי מזג האוויר, גם הנחיית טילי הלפייר II לעברן (ראו תמונה)
 חיישן תאונה מכ"םי לרכב פרטי להתרעה מפני התנגשות בעצמים זרים על הכביש בתנאים של ראות אטמוספירית קשה מאוד, ערפל כבד וסופות חול, כולל התרעה מפני מכוניות אחרות, אנשים ובעלי חיים
 דימות - אקטיבי ופסיבי של הסביבה
 ספקטרומטר - לאפיון חומרים שונים, לתעשיות כימיות, לייצור תרופות, וגילוי חומרי נפץ (כולל שאריות מזעריות של חומרים)

מיפוי קרינת הרקע הקוסמית
קרינת הרקע הקוסמית היא קרינה בתדרי גמ"מ שמגיעה מכל מקום ביקום. תמונה של הקרינה מכילה מידע על השלבים הראשונים של היווצרות היקום. המיפוי מתבצע באמצעות מצלמת גמ"מ פאסיבית, המורכבת מטלסקופ סורק בעל רזולוציה אופטית (יכולת הבחנה) גבוהה מאוד, וגלאים פאסיביים רגישים מאוד, שתוארו למעלה. סריקת השמיים ואיסוף כל המדידות לתמונה גדולה מספקת תמונה המכילה מידע עשיר על תחילת היקום, ומאפשרת בניית מודלים קוסמולוגיים מדויקים יותר, ככל שהתמונה מפורטת ומדויקת יותר.

תקשורת אלחוטית
השימוש הנפוץ ביותר של גלים מילימטריים הוא לתקשורת אלחוטית. קיימים מספר יתרונות לתקשורת בגמ"מ:
 התדר הגבוה מאפשר קצב העברת נתונים גבוה במיוחד
 התדרים בתחום הגמ"מ מנוצלים באופן חלקי בלבד, כך שקיימים תדרים רבים פנויים לתקשורת
 בכל התחום קיימים חלונות אטמוספיריים וביניהם תחומי בליעה אטמוספירית, המאפשרים להגדיל או להקטין את טווח התקשורת באופן הרצוי
באזורים בנויים וצפופים, רשתות אלחוטיות מפריעות זו לזו. הגבלה של טווח השידור האפקטיבי היא תכונה רצויה במקרים אלו, וניתן לבחור תדר שבו בליעה שמתאימה לטווח הרצוי, בעיקר תדרים גבוהים סביב 300 גיגה-הרץ, שבהם הטווח הוא עשרות עד מאות מטרים. לעומת זאת, לתקשורת לטווחים גדולים יותר ניתן לבחור תדרים נמוכים, למשל סביב 100 או 30 גיגה-הרץ, שבהם הטווח נמדד בקילומטרים. הטכנולוגיות הזולות יותר למשדרים הן בתדרים נמוכים, וניתן לבחור תדר סביב ה-70 גיגה-הרץ שבו אין חלון אטמוספירי והשידור מוגבל למאות מטרים.

סריקה למציאת חפצים חשודים

מערכת כזאת נפוצה בעיקר בשדות תעופה גדולים ובכניסה לבניינים חשובים, עקב המחיר הגבוה של המכשירים. קיים מגוון רב של טכנולוגיות ומכשירים המשמשים לסריקה וסינון של אנשים. בתדרי גמ"מ בגדים הם שקופים כמעט לחלוטין, בעוד מים אינם ולכן גוף האדם נראה היטב. תכונות אלו מאפשרות לסרוק אדם מבעד לבגדים ולצלם אותו בתדר גמ"מ, כאשר כל פרט בגוף וכל חפץ זר ניתן לבחינה.

סוגיית הפרטיות
טכנולוגית גמ"מ מאפשרת לצפות באנשים מבעד לבגדים, כך שבאופן עקרוני הטכנולוגיה פוגעת קשות בפרטיות האנשים המצולמים. בארצות הברית, רשות הבטיחות בתעבורה (TSA) קבעה, בהתייחסות לכך וללחץ ציבורי שהופעל בנושא, שהמכשירים לא יציגו את התמונה הנסרקת. במקום התמונה מכשירים מסוימים מציגים רק תוצאת "סריקה נקייה" או "סריקה עם בעיה אפשרית", ולעיתים מוצגת דמות קו מתאר אנושי כללי שעליה מודגשים אזורים חשודים שנמצאו בסריקה.

סוגיית בטיחות קרינה
נושא נוסף שמעורר התנגדות ציבורית הוא נושא הקרינה. קיימים מכשירים סורקים שמקרינים כדי לשפר את איכות התמונה. קרינת גמ"מ היא קרינה בלתי מייננת, וכמו קרינה סלולרית, טרם נקבע אם במינון נמוך היא פוגעת בבריאות האדם או לאו. קיימים תקנים לעוצמת חשיפה מרבית, אך אין עדות רפואית לנזק הנגרם מחשיפה העומדת בתקן או גבוהה ממנו. החשש העיקרי הוא מכך שהקרינה אולי גורמת לסרטן, אך לא נמצאה לכך הוכחה מעבדתית או סטטיסטית.

קישורים חיצוניים

 
 Magdy Attia, "Passive Millimeter-Wave Imaging"
 R. W. McMillan, "TERAHERTZ IMAGING, MILLIMETER-WAVE RADAR"
 Michael C Kemp, "Millimetre Wave and Terahertz Technology for the Detection of Concealed Threats – A Review"

הערות שוליים

ערכים שבהם תבנית בריטניקה אינה מתאימה
אלקטרומגנטיות