ИСТОЧНИК ИЗЛУЧЕНИЯ ДАЛЬНЕГО ИНФРАКРАСНОГО ДИАПАЗОНА
FAR IR RADIATION SOURCE

Изобретение относится к источникам теплового излучения дальнего ИК диапазона, примыкающего к терагерцовой части микроволнового диапазона и может быть использовано в ИК измерительной технике и при медико-биологических исследованиях.
Проблема генерации излучения в дальнем ИК диапазоне обусловлена тем, что он находится в переходной области, где классические принципы взаимодействия электромагнитного излучения с веществом уступают место квантовым принципам.
Вместе с тем, указанный диапазон весьма информативен с точки зрения спектроскопии и интересен с точки зрения возможностей воздействия на сложные биологические структуры в интересах медицины и биологии. Известно, например, какие полезные применения в медицинской практике нашли после своего появления источники лазерного и КВЧ излучения (излучения крайне высокой частоты). Следует ожидать, что источники дальнего ИК диапазона также могут быть полезны в исследовательских и терапевтических целях. Практические результаты в этой области обсуждаются, например, в обзоре [Регуляторные эффекты волн терагерцового диапазона частот [Электронный ресурс]. — 2012. — URL: https://medconfer.com/node/1550 (дата обращения 06.05.2022)] Приведенные в нем данные свидетельствуют о том, что реализация эффекта волн терагерцевого диапазона в биосистемах возможна на молекулярном, клеточном, тканевом, органном и системном уровнях регуляции. Имеются данные об изменении нервной и гуморальной регуляции функций организма и метаболических эффектах терагерцевых волн.
x
1-x
Существующие источники когерентного излучения дальнего ИК диапазона представляют собой сложные, дорогие и редкие аппараты, что делает их недоступными для большинства исследователей. Известен, например ряд генераторов, в которых колебания возбуждаются в полупроводнике сверхкороткими лазерными импульсами. К их числу относится, например генератор на основе полупроводника InGaAs по патенту РФ «Материал для эффективной генерации терагерцового излучения» [Пат. № 2650575 Российская Федерация, МПК H01L 27/15 (2006.01), H01L 33/26 (2010.01). Материал для эффективной генерации терагерцового излучения : № 2016126551 : заявл. 04.07.2016 : опубл. 16.04.2018 / Пономарев Д.С., Хабибуллин Р.А., Ячменев А.Э., Мальцев П.П. ; заявитель ИСВЧПЭ РАН. – 5 с.] Генерация излучения дальнего ИК диапазона происходит за счет детектирования оптического излучения фотопроводящим полупроводниковым материалом с высокой эффективностью преобразования в терагерцовый (дальний ИК) диапазон.
Известен также ряд генераторов, основанных на параметрическом смешении колебаний двух лазеров в нелинейной среде. К их числу относится, например, генератор на основе кристалла трибората лития по патенту РФ [Пат. № 2617561 Российская Федерация, МПК G02F 1/35 (2006.01). Применение нелинейного кристалла трибората лития (LBO) для фазосогласованной генерации излучения терагерцового диапазона : № 2015148804 : заявл. 13.11.2015 : опубл. 25.04.2017 / Андреев Ю.М., Кох А.Е., Кох К.А., Кононова Н.Г., Ланский Г.В., Светличный В.А. ; заявитель ТГУ, ИГМ СО РАН. – 14 с. : ил.]. В нем нелинейный анизотропный кристалл LiB3O5(LBO) применяют в качестве активной среды для генерации излучения дальнего ИК диапазона (1000–30 мкм) путем обеспечения выполнения условий фазового синхронизма при генерации разностной частоты излучения лазеров, при реализации трехчастотных взаимодействий. Типичные уровни мощности таких источников составляют единицы милливатт.
Между тем известно, что в аспекте измерительной техники спектроскопия с момента зарождения традиционно имеет дело с источниками излучения теплового уровня. В аспекте терапевтических применений известно, что особенности взаимодействия электромагнитного излучения с биологическими объектами таковы, что для получения эффекта достаточно малых интенсивностей, находящихся далеко ниже порога теплового воздействия. Как отмечалось еще в трудах акад. Девяткова [Девятков Н.Д. Влияние электромагнитного излучения миллиметрового диапазона волн на биологические объекты // Успехи физических наук, 1973, Т. 110, № 3, С. 453‒454], значение имеет не тепловое, а информационное воздействие на уровне энергий отдельных квантов, вызывающих отклик в биологических молекулах.
В связи с этим реальной альтернативой сложным и дорогим генераторам длинноволнового ИК излучения остаются тепловые источники. В них источником излучения в соответствии с законом Планка служит нагретое тело. Однако существующие источники ориентированы преимущественно на ближний инфракрасный диапазон, соответствующий частотам в десятки и сотни терагерц. Для этой области частот температура нагрева, соответствующая максимуму спектральной плотности излучения, составляет сотни и тысячи градусов К. В дальнем ИК диапазоне максимуму спектральной плотности излучения соответствуют криогенные температуры, при этом нагрев до привычных температур порядка тысячи градусов создает трудно подавляемую засветку в более коротковолновой области.
Одним из популярных источников теплового излучения является глобар, описанный в источнике [Ишанин Г.Г., Панков Э.Д., Андреев А.Л., Польщиков Г.С. Источники и приемники излучения // С.-Петербург: Политехника, 1991, С. 11–12] Тепловое излучение генерируется в нем нагреваемым элементом.
Усовершенствованные конструкции позволяют несколько повысить температуру и излучательную способность нагреваемых элементов за счет применения термостойких материалов и специальных покрытий, как, например, в техническом решении по патенту [Пат. № 2050502 Российская Федерация, МПК F21K 7/00 (1995.01). Инфракрасный источник излучения : № 92010992/07 : заявл. 26.11.1992 : опубл. 20.12.1995 / Смолкин И.К. ; заявитель Смолкин И.К. – 3 с.: ил.]. Данный инфракрасный источник излучения содержит платиновый нагреватель и излучающее тело, выполненное из материала с составом: окись алюминия 70–85, каолин 10–20 и окись хрома 5–10%. Работа ИК-источника излучения заключается в нагреве излучающего тела в результате пропускания тока через платиновый нагреватель. Спектральный диапазон ИК-источника составляет 4–50 мкм, что не соответствует дальней ИК области длин волн до 1000 мкм.
Известны источники ИК излучения фирмы Helioworks [Мощные инфракрасные излучатели // Компания "АЗИМУТ ФОТОНИКС". ‒ [Б.м.], 2021. ‒ URL: https://azimp.ru/catalogue/infrared-emitters1/279/ (дата обращения: 06.05.2022)] на основе нагреваемой током вольфрамовой нити, помещаемой в фокусе параболического отражателя. Расширение диапазона в длинноволновую сторону обеспечивается выбором материала окон, выполняемых из сапфира (прозрачность до 5 мкм), фторида кальция (до 10 мкм) или селенида цинка (до 20 мкм). Указанный диапазон также не соответствует дальней ИК области до 1000 мкм.
Для селекции относительно длинноволнового излучения ИК диапазона предложен излучатель инфракрасный [Пат. № 2417354 Российская Федерация, МПК G01J 3/00 (2006.01). Излучатель инфракрасный : № 2009127677/28 : заявл. 17.07.2009 : опубл. 27.04.2011 / Трубаров В.А., Снытко Ю.Н. ; заявитель Трубаров В.А., Снытко Ю.Н. – 6 сю], содержащий в качестве нагреваемого тела диск из сапфира. Технический результат – повышение эффективности и селективности излучателя – обеспечивается оптическими свойствами сапфира. Для волн короче 5 мкм сапфир прозрачен и его излучательная способность близка к нулю. Для волн длиннее 5 мкм сапфир становится поглотителем и по излучательной способности приближается к черному телу. Таким образом, спектральная характеристика поглощения обеспечивает селекцию излучения в диапазоне длин волн более 5 мкм с подавленной коротковолновой частью с длинами волн менее 5 мкм. Граница диапазона частот, соответствующая длине волны 5 мкм, составляет 60 ТГц. Данное устройство по принципу действия близко к предлагаемому и выбрано в качестве прототипа.
Недостаток прототипа – невозможность селекции более длинноволнового излучения, характеризуемого частотами порядка единиц терагерц. Физические характеристики сапфира и альтернативных материалов, определяемые параметрами кристаллической решетки и силами межатомного взаимодействия, хотя и позволяют в некоторых пределах варьировать границу поглощения в окрестности десятков терагерц, но не позволяют сдвинуть ее в область единиц терагерц. Кроме того, как и у всех других тепловых источников, излучение имеет хаотическую поляризацию. Между тем, для взаимодействия с биологическими молекулами поляризационные характеристики излучения могут иметь специфическое значение, поскольку указанные молекулы в ряде случаев имеют правовинтовую или левовинтовую структуру. Например, известно, что относительно простое вещество сахароза имеет правую и левую формы, отличающиеся направлением вращения поляризации света. Не менее известен также факт винтовой структуры молекул ДНК. Таким образом, циркулярная поляризация излучения может способствовать или препятствовать проявлению его биологических эффектов.
Задача, на решение которой направлено заявляемое в качестве изобретения техническое решение, состоит в разработке источника циркулярно поляризованного излучения дальнего ИК диапазона, исключающего нежелательную засветку и связанные с ней помехи, ухудшающие экспериментальную погрешность, которые обусловлены характерным для источников с нагреваемым элементом резким повышением спектральной плотности излучения в области более коротких волн.
Технический результат состоит в генерации циркулярно поляризованного излучения дальнего ИК диапазона с селекцией излучения с верхней граничной частотой порядка 1 ТГц и подавлением излучения в более высокочастотном диапазоне.
Технический результат достигается тем, что в заявляемом изобретении источник излучения дальнего инфракрасного диапазона, содержащий в качестве излучающего тела нагреваемый элемент в виде пластины, отличается тем, что в качестве материала нагреваемого элемента используют молекулярный кристалл фуллерита с внедренными кластерами ионов железа, при этом нагреваемый элемент помещен в постоянное магнитное поле напряженностью 200–1000 А/м, направленное перпендикулярно поверхности пластины.
Связь отличительных признаков с достижимостью технического результата обусловлена следующим.
Использование кристалла фуллерита обусловлено особенностями его физических и химических свойств. Фуллерит представляет собой гранецентрированную кубическую структуру, образованную фуллеренами, содержащими 60-70 атомов углерода. Основные свойства материала фуллерит приведены в источнике [Золотухин И.В. Фуллерит – новая форма углерода // Соросовский образовательный журнал, 1996, № 2, С. 51–56]. Связь элементов структуры осуществляется не полярными силами, как в обычных кристаллах, а более слабыми силами Ван дер Ваальса. Этим обусловлена относительно большая свобода фуллеренов, проявляющаяся в их способности вращаться. Коллективное взаимодействие приводит к синхронизации вращений, причем, аналогично оптическим колебаниям в полярных кристаллах, существует область предпочтительных (собственных) частот, лежащих в терагерцовом диапазоне, переходящем в дальний ИК диапазон. Многократное снижение колебательно-вращательных частот связано с большими массами и слабым взаимодействием фуллеренов, составляющих кристалл. Чистые фуллерены электрически нейтральны, и их вращение не связано с внешними электрическими полями. Однако если в фуллерене присутствуют включения ионов, он приобретает дипольный момент и способность взаимодействовать с электрическим полем. Легирование фуллеренов, как правило, производится путем ионной имплантации.
Особое значение для реализации технического результата имеет внедрение в фуллерены кластеров из ферромагнитных ионов, обладающих коллективным магнитным моментом. Благодаря этому кластер вместе с фуллереном ориентируется в магнитном поле определенным образом – вдоль поля. В поле, соответствующем выраженному насыщению магнитной индукции, внутренние диполи оказываются ориентированными в поперечном направлении. Диапазон напряженностей магнитного поля выбран от 200 А/м (начало выраженного насыщения магнитной индукции у железа) до 1000 А/м (технически достижимая величина, на требующая сложных магнитопроводов). Тепловое возбуждение стимулирует вращательное движение фуллеренов вместе с встроенными диполями, а выше упомянутая взаимная синхронизация приводит к появлению суммарного вращающегося дипольного момента. Таким образом, фуллеритовый кристалл проявляет свойства резонансного дипольного волчка, вращающегося с терагерцовой частотой и в связи с этим испускающего электромагнитное излучение с круговой поляризацией. В соответствии с диаграммами излучения элементарных диполей, суммарная диаграмма направленности излучения преимущественно обращена вдоль направления упорядочивающего магнитного поля, то есть перпендикулярно поверхности пластины.
Термостойкость фуллерита достигает 1200ºК, что позволяет успешно использовать его в сочетании с железом (температура Кюри 1040ºК). Железу следует отдать предпочтение перед двумя другими выраженными ферромагнетиками – никелем и кобальтом – поскольку его атомы обладают наибольшим нескомпенсированным магнитным моментом и в лучшей степени способны упорядочивать структуру вращающихся диполей.
Изобретение поясняется иллюстрациями фиг. 1, фиг. 2.
Источник излучения дальнего инфракрасного диапазона, представленный на фиг. 1, содержит нагреваемый элемент 1 в виде пластины, служащий излучающим телом. В качестве материала нагреваемого элемента используют молекулярный кристалл фуллерита с внедренными кластерами ферромагнитных ионов, Нагреваемый элемент расположен на нагреваемой подложке 2 и помещен в магнитное поле электромагнита 3, перпендикулярное излучающей поверхности. Регистрация излучения производится при помощи оптико-акустического преобразователя 4 (приемник Голея), снабженного фокусирующей линзой 5 из полиэтилена.
Внутреннее строение кристалла условно изображено на фиг. 2. Отдельные фуллерены изображены в виде сфер 6. Кластеры из ферромагнитного материала, например, железа7, внедренные в фуллерены методом ионной имплантации, имеют тенденцию закрепляться у стенки. Благодаря несимметричному расположению кластера относительно центра сферы фуллерен приобретает электрический дипольный момент, вследствие чего проявляет способность взаимодействовать с внешним электрическим полем.
12
Изобретение работает следующим образом. Источник излучения дальнего инфракрасного диапазона с нагреваемым элементом 1 выполняют на основе кристалла фуллерита, синтезированного из фуллеренов 6, включающих кластеры ионов железа 7, при этом вдоль оси предполагаемого излучения прикладывается постоянное магнитное поле. Напряженность магнитного поля выбирают в пределах, обеспечивающих, с одной стороны, одинаковую ориентацию магнитных моментов ионов (порядка 200 А/м) и с другой стороны, не вызывающих технических сложностей реализации (порядка 1000 А/м). Такая напряженность магнитного поля легко реализуется с помощью электромагнита 3.Возможно также использование постоянного магнита. Фуллеритовый элемент 1 подогревают, помещая на нагретую подложку 2 или иным доступным способом. Температуру подогрева ограничивают исходя из предельной термостойкости фуллерита и из температуры Кюри железа. Как правило, температуру ограничивают на уровне 1000ºК. Выбор фуллерита в качестве материала нагреваемого элемента обусловлен способностью фуллеренов, составляющих кристаллическую структуру материала, к синхронному вращению с частотой порядка 10 Гц и соответствующей терагерцовому диапазону. Внедрение в фуллерены 6, составляющие кристалл, ионных кластеров 7 обеспечивает наличие у фуллеренов электрического дипольного момента и способность благодаря этому взаимодействовать с электромагнитным полем. Выбор для внедрения в фуллерены ионов железа обеспечивает наличие магнитного момента и способность упорядоченной ориентации в прикладываемом магнитном поле. При всех перечисленных признаках нагрев материала приводит к тепловому возбуждению синхронного вращательного движения диполей и связанному с этим излучению электромагнитных волн круговой поляризации в основном вдоль направления магнитного поля. Спектр излучения имеет некоторое тепловое уширение, но при этом группируется в области частоты вращения фуллеренов, составляющих кристалл фуллерита. Поскольку на других частотах условий для излучения волн нет, можно предположить, что энергия теплового возбуждения перекачивается в область синхронных (резонансных) частот, где условия для излучения оптимальны, что придает излучению нетепловой характер, вплоть до мазерного эффекта.
Примеры осуществления изобретения.
Пример 1. Эксперимент по регистрации надтеплового уровня излучения проведен со структурой искусственно выращенного кристалла фуллерита размерами 5х5 мм. Кристалл 1 с подложкой 2 помещали вблизи полюса электромагнита 3. Напряженность магнитного поля устанавливали равной середине диапазона 200÷1000 А/м, то есть 600 А/м. Подложку с образцом фуллерита нагревали в среде аргона. Приемником излучения служил оптико-акустический преобразователь 4 (приемник Голея), снабженный фокусирующей линзой 5 из полиэтилена. Излучение фильтровалось слоистой структурой из фторопластовых пленок, разделенных воздушными зазорами. Преимущественная полоса пропускания фильтрующей структуры определялась толщинами пленки и воздушных зазоров, составляющих для максимума пропускания половину длины волны. Для сравнения кристалл фуллерита замещали графитовой пластиной, имитирующей черное тело. В диапазоне пропускания фильтрующей структуры отмечено превышение сигнала от фуллеренового образца с внедренными кластерами из ионов железа на 40±15% по сравнению с сигналом от графитовой пластины. При использовании фильтров с частотами пропускания в 1,5 раз выше или в 1,5 раз ниже вращательной частоты фуллеренов интенсивность излучения фуллеритового образца уменьшалась до фоновых значений.
Пример 2. При прочих одинаковых условиях напряженность магнитного поля устанавливали равной 200 А/м. Уровень сигнала от фуллеритового кристалла, регистрируемого приемником Голея, составил 93% от сигнала, регистрируемого в примере 1.
Пример 3. При прочих одинаковых условиях напряженность магнитного поля устанавливали равной 1000 А/м. Уровень сигнала от фуллеритового кристалла составил 105% от сигнала, регистрируемого в примере 1.
Пример 4. При уменьшении напряженности магнитного поля до 180 А/м и ниже наблюдалось монотонное снижение интенсивности излучения.
Пример 5. При увеличении напряженности магнитного поля до 1050 А/м и далее интенсивность излучения не изменялась, но наблюдался разогрев электромагнита, связанный с превышением допустимого тока обмотки.
Таким образом, показано, что предлагаемое техническое решение позволяет генерировать излучение дальнего ИК диапазона с селекцией излучения с верхней граничной частотой порядка 1 ТГц и подавлением излучения в более высокочастотном диапазоне, отличающееся от обычного теплового излучения резонансным спектром. Кроме того, в соответствии с принципом вращения ориентированных диполей в магнитном поле, излучение обладает круговой поляризацией. Эти особенности спектральных и поляризационных характеристик позволяют рассчитывать на получение новых эффектов в биотерапии и смежных областях. Например, в терапии признана эффективность поляризованного излучения аппаратов серии Биоптрон [Попова Е.В. Оценка клинической эффективности светотерапии поляризованным полихроматическим светом аппарата Биоптрон… // Успехи современного естествознания, № 7, 2013, С. 173–174].