Устройство контроля электромагнитных излучений терагерцевого диапазона
TERAHERTZ RANGE ELECTROMAGNETIC RADIATION MONITORING DEVICE

Изобретение относится к области контроля электромагнитной обстановки и может быть использовано для исследования электромагнитных излучений в терагерцовом диапазоне и оценки степени опасности контролируемых частотных составляющих электромагнитного поля в этом диапазоне.
Известно, что терагерцовый диапазон частот электромагнитного спектра лежит между в области децимиллиметровых волн (длина волны 0,1-1 мм). В соответствии с ГОСТ 24375-80 (Государственный комитет СССР по стандартам. «Радиосвязь. Термины и определения», 1980. - С. 4, 10) и рекомендациями Международного союза электросвязи (Международный союз электросвязи. Рек. МСЭ-R V.431-8 «Номенклатура диапазонов частот и длин волн, используемых в электросвязи», 2015. - С. 1-3), терагерцовый диапазон определяется как диапазон гипервысоких частот (ГВЧ) от 300 ГГц до 3 ТГц. Терагерцовое излучение является легко фокусируемым и обладает хорошей проникающей способностью для целого ряда промышленных материалов, что обеспечивает возможность его широкого применения для терагерцовой спектроскопии и неразрушающей диагностики оптически непрозрачных объектов. В отличие от рентгеновского, терагерцовое излучение оказывает менее вредное воздействие на биологические объекты. Кроме этого активно внедряются технологии беспроводной передачи информации, анализа химического состава пищевой продукции и выявления заболеваний или функциональных нарушений в живых организмах, основанные на применении электромагнитных излучений терагерцового диапазона, что в совокупности повышает актуальность оценки электромагнитной обстановки в этом частотном диапазоне.
Известно высокочувствительное устройство для измерения терагерцового излучения, содержащее детектирующий элемент, основанный на джозефсоновском переходе на базе тонкопленочной гетероструктуры, состоящей из слоев сверхпроводниковых материалов, между которыми через слои диэлектрика помещен соединенный с источником измеряемого сигнала абсорбер из нормального металла, например, алюминия или меди, в форме удлиненной полоски. Слои сверхпроводникового материала подключены параллельно к источнику тока смещения и измерительной цепи, индуктивно связанной с датчиком магнитного поля на основе сверхпроводящего квантового интерферометра, подключенного к схеме регистрации. При этом торцы полоски абсорбера через слои изолятора связаны посредством микрополосковых линий передачи с источником измеряемого сигнала с возможностью обеспечения взаимно перпендикулярных направлений протекания сверхтока и измеряемого сигнала. Для достижения сверхпроводимости устройство должно быть помещено в криокамеру (патент RU 2437189, МПК H01L 39/22 (2006.01), В82В 1/00 (2006.01)).
К недостаткам данного устройства можно отнести низкое быстродействие контроля терагерцового электромагнитного излучения, обусловленное необходимостью поддержания криогенных температур и использованием дополнительных расходных материалов; повышенная трудоемкость эксплуатации и затруднительное использование устройства в полевых условиях вследствие необходимости охлаждения устройства до криогенных температур для достижения сверхпроводимости, что приводит к применению большой по габаритам криокамеры.
Известно устройство для измерения интенсивности терагерцового излучения, содержащее детектирующий элемент, основанный на матричной структуре с ячейками Голея, представляющими собой полые цилиндры, наполненные газом с низкой теплопроводностью, в которые помещены поглощающие элементы, изготовленные из ультратонкого с толщиной более чем в 50 раз меньшей длины волны терагерцового излучения резонансного слоя с высокоимпедансной поверхностью, обладающего высоким коэффициентом поглощения терагерцового излучения. Цилиндры ячеек Голея закрыты с одной стороны прозрачным для излучения входным окном, а с другой - гибкой мембраной, покрытой с внешней стороны оптически отражающим слоем. При этом посредством кремниевой ПЗС-матрицы регистрируемое пространственное изменение интенсивности терагерцового излучения через контроллер в цифровом виде передается на ПЭВМ (патент RU 2414688, МПК G01J 5/42 (2006.01)).
Недостатками данного устройства являются: низкое быстродействие измерений, обусловленное медленным нагревом газа в результате его низкой теплопроводности; недостаточно высокая точность измерений, поскольку не учитываются тепловые помехи при изменении температурных условий эксплуатации; технологическая сложность изготовления резонансного слоя поглощающего элемента, толщина которого должна составлять как минимум 0,6-20 мкм.
Наиболее близким по технической сущности (прототипом) к предлагаемому изобретению по максимальному количеству сходных признаков и достигаемому результату является устройство контроля электромагнитных излучений терагерцового диапазона, содержащее детектирующий элемент, размещенный в вакуумированном экранированном контейнере с прозрачным для данного частотного диапазона окном. Детектирующий элемент выполнен в виде непрозрачной для излучения тонкой металлической пленки на оптической теплоизолирующей подложке, на поверхность которой нанесен диэлектрический слой заданной толщины. Расположенная под окном поверхность пленки имеет освещаемый принимаемым излучением гофрированный участок протяженностью, равной длине распространения возбуждаемой в пленке поверхностной электромагнитной волны. Для регистрации электрического сопротивления металлической пленки к связанным с ней электрическим контактам подключено измерительное устройство, например, мостовая схема (патент RU 2325729, МПК H01L 31/00 (2006.01), G01J 5/20 (2006.01)).
Основными недостатками данного устройства являются низкое быстродействие контроля электромагнитных сигналов терагерцового диапазона, связанное с необходимостью регистрации электрического сопротивления пленки при возникновении тепловых потерь поверхностной электромагнитной волны в металле; недостаточно высокую точность измерений, вызванную непостоянными потерями на поглощение электромагнитного излучения в его окне, потерями терагерцового излучения на поглощение и отражение в металлической пленке и диэлектрическом слое, неизбежными тепловыми потерями на теплопередачу и электромагнитное излучение во внешнюю среду; отсутствие возможности вывода результатов измерений на портативный персональный компьютер и исследования терагерцового излучения на отдельно контролируемых частотах.
В основе изобретения лежит техническая проблема, заключающаяся в необходимости создания устройства контроля электромагнитных излучений терагерцового диапазона, позволяющего с высокой скоростью и точностью измерять электромагнитные сигналы терагерцового диапазона и выводить полученные результаты измерений в цифровом и графическом виде на портативный персональный компьютер, а также исследовать уровни электромагнитных излучений на отдельно контролируемых частотах в границах терагерцового диапазона.
Решение данной технической проблемы достигается тем, что устройство контроля электромагнитных излучений терагерцового диапазона, содержащее детектирующий элемент, размещенный в экранированном корпусе, согласно изобретению снабжено терагерцовым полосовым резонансным фильтром, предназначенным для передачи контролируемого электромагнитного сигнала на детектирующий элемент, в качестве которого использована фотопроводящая антенна, у которой вход соединен оптоволоконным кабелем с выходом установки фемтосекундного лазера, а выходы соединены с первым входом синхронного усилителя, микропроцессором, выходы которого соединены с первым входом установки фемтосекундного лазера и выходом модуля TFT-дисплея через шину интерфейса UART, с портативным персональным компьютером через шины USB или шину интерфейса UART, также снабжено встроенным в микропроцессор аналого-цифровым преобразователем, вход которого связан с выходом синхронного усилителя, источником питания, выход которого соединен через вход контроллера питания со вторым входом синхронного усилителя, входом микропроцессора, входом модуля TFT-дисплея и вторым входом установки фемтосекундного лазера. При этом в экранированном корпусе дополнительно размещены синхронный усилитель и микропроцессор со встроенным аналого-цифровым преобразователем.
Высокая скорость и точность измерений обусловлены использованием в качестве детектирующего элемента фотопроводящей антенны, при фокусировке на поверхность которой фемтосекундного лазерного импульса, энергия которого превышает энергию запрещенной зоны полупроводниковой подложки фотопроводящей антенны, между выходами антенны происходит фотогенерация носителей заряда; при создании смещения напряжения на выходах фотопроводящей антенны формируется электрическое поле, ускоряющее носители заряда в течение оптического импульса, что приводит к снижению потерь терагерцового излучения на поглощение и отражение и изменяет дипольный момент с ускоренным формированием электромагнитной волны терагерцового диапазона.
Вывод результатов измерений на портативный персональный компьютер и исследование уровней электромагнитных излучений на отдельно контролируемых частотах в терагерцовом диапазоне обусловлены объединением в предложенном изобретении синхронного усилителя, установки фемтосекундного лазера, микропроцессора с встроенным в него аналого-цифровым преобразователем, TFT-дисплея и контроллера, соединенным с портативным персональным компьютером, что в совокупности обеспечивает измерение электромагнитных излучений в терагерцовом диапазоне и позволяет осуществлять автоматизированную передачу данных на портативный персональный компьютер для обработки по универсальному алгоритму и представления в формализованной структуре.
Вывод результатов измерений на портативный персональный компьютер в цифровом виде осуществляется в результате преобразования аналогового сигнала с синхронного усилителя в цифровой сигнал посредством встроенного в микропроцессор 12-битного аналого-цифрового преобразователя с частотой дискретизации до 2 млн. измерений в секунду, дальнейшей обработки собственными вычислительными мощностями микропроцессора, сохранения на носитель информации, microSD-карту и, передачи на портативный персональный компьютер для последующей обработки через встроенные интерфейсы: Universal Serial Bus (далее USB) или Universal Asynchronous Receiver/Transmitter RS-232 (далее UART) через СОМ-порт портативного персонального компьютера.
Вывод результатов измерений и управление настройками устройства в графическом виде обеспечивается введением TFT-дисплея, имеющего собственное графическое ядро; при этом формирование графического интерфейса достигается за счет встроенного в модуль TFT-дисплея микроконтроллера, который формирует его по заранее записанной на носитель информации, microSD-карту, программе, а обмен данными между центральным микропроцессором устройства и ядром дисплея осуществляется через интерфейс UART.
Возможность исследования электромагнитных излучений на отдельно контролируемых частотах, то есть селективность измерений, в границах терагерцового диапазона обеспечивается введением в устройство терагерцового полосового резонансного фильтра.
На приведенном чертеже представлена функциональная схема устройства контроля электромагнитных излучений терагерцового диапазона.
Пример конкретного выполнения устройства контроля электромагнитных излучений терагерцового диапазона.
Устройство контроля электромагнитных излучений терагерцового диапазона содержит детектирующий элемент, в качестве которого использована фотопроводящая антенна, размещенный в экранированном корпусе, терагерцовый полосовой резонансный фильтр, предназначенный для передачи контролируемого электромагнитного сигнала на фотопроводящую антенну, у которой вход соединен оптоволоконным кабелем с выходом установки фемтосекундного лазера, а выходы соединены с первым входом синхронного усилителя, микропроцессор, выходы которого соединены с первым входом установки фемтосекундного лазера и выходом модуля TFT-дисплея через шину интерфейса UART, с портативным персональным компьютером через шины USB или шину интерфейса UART, встроенный в микропроцессор аналого-цифровой преобразователь, вход которого связан с выходом синхронного усилителя, источник питания, выход которого соединен через вход контроллера питания со вторым входом синхронного усилителя, входом микропроцессора, входом модуля TFT-дисплея и вторым входом установки фемтосекундного лазера. При этом в экранированном корпусе дополнительно размещены синхронный усилитель и микропроцессор со встроенным аналого-цифровым преобразователем.
Через терагерцовый полосовой резонансный фильтр 1 устройства контроля электромагнитных излучений терагерцового диапазона измеряемый электромагнитный сигнал поступает на фотопроводящую антенну 2, выходы которой соединены с первым входом синхронного усилителя 3. Для оптической накачки фотопроводящей антенны 2 использована установка фемтосекундного лазера 4, выход которой соединен с входом фотопроводящей антенны 2 с помощью оптоволоконного кабеля 5. Для управления установкой фемтосекундного лазера 4 используется микропроцессор 6, выходы которого соединены с первым входом установки фемтосекундного лазера 4 через шину 7 интерфейса UART. Выход синхронного усилителя 3 соединен с входом 12-битного аналого-цифрового преобразователя 8 с частотой дискретизации до 2 млн. измерений в секунду, встроенного в микропроцессор 6, выходы которого соединены с выходом модуля TFT-дисплея 9 через шину 7 интерфейса UART для вывода информации в графической форме. Микропроцессор 6 также соединен с портативным персональным компьютером (на чертеже не показан), имеющим программное обеспечение для организации автоматизированного процесса измерения, обработки данных и представления информации в виде спектральных картин электромагнитного поля с возможностью их вывода на экран портативного персонального компьютера, через шины USB (на чертеже не показаны) или шину 7 интерфейса UART посредством разъема 10.
Питание подается на второй вход синхронного усилителя 3, вход микропроцессора 6, вход модуля TFT-дисплея 9 и второй вход установки фемтосекундного лазера 4 через вход контроллера питания 11, соединенный с выходом источника питания 12.
Фотопроводящая антенна 2, синхронный усилитель 3 и микропроцессор 6 с внутренним аналого-цифровым преобразователем 8 размещены в экранированном корпусе 13.
Устройство контроля электромагнитных излучений терагерцового диапазона работает следующим образом.
Источник питания 12 через контроллер питания 11 создает разность потенциалов на синхронном усилителе 3, микропроцессоре 6, модуле TFT-дисплея 9 и установке фемтосекундного лазера 4. Измеряемый электромагнитный сигнал проходит через терагерцовый полосовой резонансный фильтр 1 и поступает на фотопроводящую антенну 2, где, взаимодействуя со свободными носителями заряда в фотопроводящей подложке антенны 2, созданными установкой фемтосекундного лазера 4, создает смещение напряжения на выходах фотопроводящей антенны 2 и преобразуется в электрический сигнал. Сигнал с фотопроводящей антенны 2 поступает в синхронный усилитель 3, где усиливается и передается на встроенный в микропроцессор 6 аналого-цифровой преобразователь 8. В аналого-цифровом преобразователе 8 усиленный электрический сигнал преобразуется в цифровой сигнал, значения которого кодируются 12 битами. Далее цифровой сигнал обрабатывается микропроцессором 6 и передается в модуль TFT-дисплея 9, где полученный сигнал представляется в графической форме. Затем сигнал передается через шину 7 интерфейса UART на портативный персональный компьютер (на чертеже не показан), имеющий программное обеспечение для организации автоматизированного процесса измерения, обработки данных и представления информации в виде спектральных картин электромагнитного поля с возможностью их вывода на экран портативного персонального компьютера.
Оптическая накачка фотопроводящей антенны 2 выполняется с помощью установки фемтосекундного лазера 4, соединенной с фотопроводящей антенной 2 через оптоволоконный кабель 5. Управление установкой фемтосекундного лазера 4 реализуется с помощью микропроцессора 6, соединенного с установкой фемтосекундного лазера 4 через шину 7 интерфейса UART.
Технико-экономическая эффективность предлагаемого изобретения выражается в создании устройства, позволяющего с высокой скоростью и точностью измерять электромагнитные сигналы терагерцового диапазона и выводить полученные результаты измерений в цифровом и графическом виде на портативный персональный компьютер, а также исследовать уровни электромагнитных излучений на отдельно контролируемых частотах в границах терагерцового диапазона.