Устройство визуализации источников терагерцового излучения

Устройство визуализации источников терагерцового излучения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области оптической и оптоэлектронной техники, в частности к визуализаторам 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.

Предшествующий уровень техники

С точки зрения практического применения одним из наиболее перспективных аспектов применения ТГц-излучения является его использование в медицине для визуализации, голографирования и томографии тканей, терапии и хирургии. Кроме того, ТГц-излучение также находит свое применение в биохимических и биофизических исследованиях при определении ТГц-спектров поглощения и отражения органических и биологических молекул, белков, ДНК и т.д., для определения концентрации веществ, в специальной технике противодействия терроризму и борьбе с наркотиками, при создании устройств дистанционного обнаружения скрытых токсических и взрывчатых веществ.

При исследовании источников ТГц-излучения, мониторинге и контроле полей, измерении слабых потоков ТГц-излучения в задачах, требующих регистрации низкоэнергетических сигналов в ТГц-диапазоне, также возникает необходимость в визуализации источников ТГц-излучения.

Визуализация изображений при малой мощности, как правило, осуществляется либо сканированием объекта сфокусированным пучком ТГц-излучения, либо длительной экспозицией. Однако в первом случае для этого требуются мощные источники ТГц-излучения, а во втором - изображение получается малоконтрастным, что не дает возможность получить достоверную информацию об объекте.

Известен преобразователь ТГц-излучения в инфракрасное (ИК) излучение, выполненный в виде ультратонкой (не менее чем в 50 раз меньше длины волны ТГц-излучения) многослойной структуры на основе диэлектрического слоя. Со стороны падения ТГц-излучения на поверхности диэлектрического слоя выполнен металлизированный топологический рисунок, образующий частотно-избирательную поверхность. С обратной стороны диэлектрического слоя нанесен сплошной слой с металлической проводимостью, поверх которого нанесен тонкий слой материала, обладающего высокой излучательной способностью в ИК-диапазоне (коэффициент серости, близкий к единице) [RU 2447574, H03D 7/00, публ. 10.04.2012]. К числу недостатков данного решения следует отнести сложность конструкции и ограниченные возможности применения вследствие высокого уровня шума, что требует применения дополнительных средств фильтрации.

Известно также решение устройства визуализации, включающего: конвертер ТГц-излучения в ИК-излучение, состоящий из слоя искусственно созданного метаматериала с резонансным поглощением ТГц-излучения, нанесенного на твердую подложку из сапфира, расположенный между входным ТГц-объективом и объективом приемной камеры (видимого света), расположенной со стороны подложки; источник видимого света, настроенный для освещения задней стороны конвертера; и камеру с объективом и детектором, адаптированным для выявления излучения видимого света от задней стороны конвертера. При этом конвертер состоит из жидкокристаллического слоя, нанесенного на жесткую подложку из сапфирового стекла, и содержит поглощающий слой, включающий в себя частицы металла в виде порошка (железа, алюминия, олова или меди), а детектор принимает соответствующее изображению излучение видимого света, сформированное на задней грани конвертера [US 2008179519, G02F 1/13, публ. 31.07.2008]. Данное решение является наиболее близким к заявляемому изобретению по совокупности существенных признаков и принято за прототип. К числу недостатков рассматриваемого решения можно отнести невысокую чувствительность при одновременно высоком уровне шума, неоднородный отклик пикселя, избыточную сложность конструкции.

В связи с вышесказанным в настоящее время актуальной задачей является разработка новых способов визуализации ТГц-излучения.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является разработка простого устройства визуализации ТГц-излучения посредством преобразования последнего в ИК-излучение и его регистрации с помощью ИК-камеры с широким спектром применения.

Технический результат, достигаемый заявленным изобретением, состоит в повышении помехоустойчивости конструкции, снижении уровня шума и повышении чувствительности при одновременно простой конструкции устройства визуализации.

Вышеуказанный технический результат достигают тем, что используют устройство визуализации источников ТГц-излучения, содержащее конвертер ТГц-излучения в ИК-излучение, состоящий из слоя искусственно созданного метаматериала с резонансным поглощением ТГц-излучения, нанесенного на твердую подложку, расположенный между входным ТГц-объективом и объективом ИК-камеры. При этом в отличие от прототипа конвертер выполнен на основе желатиновой матрицы, содержащей наночастицы металла, и снабжен отрезающим фильтром, размещенным перед матрицей с возможностью фильтрации теплового излучения источника ТГц-излучения с длинами волн не более 30 мкм.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения желатиновая матрица конвертера может содержать наночастицы металла размером около 2 нм, имеющего пик плотности электронных состояний на уровне Ферми, с возможностью преобразования ТГц-излучения в теплоту. При этом наночастицы изолированы друг от друга и выполнены диспергированными в желатиновой эмульсии матрицы конвертера и предпочтительно выполнены из переходного металла с пиком плотности состояний электронов на уровне Ферми, например никеля, или выполнены из соединения с тяжелыми фермионами. Кроме того, в предпочтительном варианте осуществления изобретения подложка может быть выполнена из сапфира, а объектив инфракрасной камеры расположен со стороны подложки.

К числу предпочтительных относятся также варианты осуществления, в которых наночастицы металла распределены на поверхности конвертера с поверхностной плотностью, определяемой из соотношения:

N=Δε_λ/(Q/2),

где Q - мощность, требуемая для поддержания наночастицы в желатиновой матрице при температуре Т+ΔТ, Вт;

Т - температура конвертера, К;

ΔТ - величина роста температуры наночастицы относительно Т в результате ее облучения терагерцовым излучением, К;

Δε_λ - порог чувствительности инфракрасной камеры по поверхностной плотности мощности излучения, определяемый из соотношения:

Δε_λ=4σ·T³·ΔТ_АЧТ,

где σ=5,67·10^-8 Вт·м^-2·К^-4 - постоянная Стефана-Больцмана;

ΔТ_АЧТ - температурная чувствительность инфракрасной камеры, приведенная к абсолютно черному телу, К.

Отрезающий фильтр может быть выполнен с возможностью фильтрации ИК-излучения от источника ТГц-излучения в диапазоне длин волн 3-30 мкм и пропускающим ТГц-излучение от источника с длинами волн не менее 30 мкм. При этом предпочтительно выполнение отрезающего фильтра, желатиновой матрицы, содержащей наночастицы, и сапфировой подложки плотно прилегающими друг к другу с обеспечением возможности защиты наночастиц в желатиновой матрице от боковых потоков инфракрасного излучения.

Диаметр входного ТГц-объектива преимущественно выполнен существенно большим по отношению к диаметру объектива ИК-камеры с возможностью обеспечения защиты наночастиц конвертера от шумовых излучений, а ИК-камера может дополнительно содержать отрезающий фильтр с отверстием для объектива с возможностью защиты конвертера от фонового ТГц-излучения камеры и ее корпуса, где отрезающие фильтры ИК-камеры и конвертера предпочтительно выполнены из однородных материалов с длиной волны отрезки не более 120 мкм.

В еще одном варианте осуществления изобретения возможно выполнение желатиновой матрицы конвертера, содержащей наночастицы металла, нанесенной на обращенную в сторону объектива ИК-камеры поверхность отрезающего фильтра конвертера, дополнительно выполненного в виде подложки. При этом возможно использование инфракрасной камеры с рабочим диапазоном 7-15 мкм.

В другом варианте осуществления изобретения возможно дополнительное включение в состав устройства плавно перестраиваемого по частоте источника лазерного излучения.

Перечень чертежей

Изобретение поясняется схемой визуализации источника ТГц-излучения, представленной на Фиг.1. Следует отметить, что прилагаемая схема иллюстрирует только один из наиболее предпочтительных вариантов выполнения изобретения и поэтому не может рассматриваться в качестве ограничений содержания изобретения, которое включает другие варианты выполнения.

При этом на:

Фиг.2 представлена характеристика излучательной способности абсолютно черного тела (АЧТ) при температуре 300 К;

Фиг.3 - зависимость мощности Q как функции роста температуры ΔТ_m для наночастицы Ni радиусом R₀=1,2 нм в сферической желатиновой оболочке;

Фиг.4 - увеличение температуры ΔT как функция времени нагрева/охлаждения t для наночастицы Ni радиусом R₀=1,2 нм в сферической желатиновой оболочке для пяти значений Q_i.

Кроме того, для понимания сущности заявленного изобретения на Фиг.5 представлен спектр пропускания слоя воздуха толщиной 1,2 м при нормальных условиях, а на Фиг.6 представлены спектры пропускания различных сортов ткани в ТГц-диапазоне длин волн (снизу вверх: шерсть, джинсовая ткань, шелк, хлопок с синтетикой).

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Используя сверхчувствительные ИК-камеры высокого разрешения (~14-38 мК) [1], а также оптические элементы ТГц-диапазона, производящиеся промышленностью, можно предложить простую схему визуализации объектов-источников ТГц-излучения (Фиг.1).

В соответствии со схемой, представленной на Фиг.1, ТГц-объектив 2 формирует в ТГц-лучах изображение объекта, являющегося источником 1 ТГц-излучения на двухмерном конвертере 4, который преобразует ТГц-излучение в ИК-излучение. Сформированное конвертером 4 изображение в ИК-лучах, в свою очередь, служит предметом для объектива ИК-камеры 6. При этом фильтр 3 служит для фильтрации теплового излучения объекта в диапазоне длин волн 3-30 мкм, в котором находится пик излучения тела с температурой ≈300 К, а подложка 5 из сапфира обеспечивает в данном примере осуществления изобретения фильтрацию теплового излучения ИК-камеры с целью защиты конвертера от ИК-излучения камеры.

Конвертер 4 представляет собой желатиновую матрицу, содержащую наночастицы металла размером ≈2 нм, имеющего пик плотности электронных состояний на уровне Ферми. В данных частицах происходит преобразование энергии ТГц-квантов в теплоту благодаря возбуждению и последующему рассеянию электронов. При уменьшении размеров наночастиц металлов расстояние между энергетическими уровнями электронов увеличивается до величин, равных энергии ТГц-кванта, и благодаря этому наночастицы нагреваются в ТГц-лучах.

Если в желатиновую матрицу внести достаточно много наночастиц металла, ТГц-излучение будет нагревать наночастицы до температуры порога чувствительности ИК-камеры или выше. Последняя, нагреваясь, создает изображение уже в ИК-лучах. ИК-камера с высоким температурным разрешением и большим числом пикселей (~320×256 пикселей) позволяет, таким образом, визуализировать ТГц-излучение объекта-источника ТГц-излучения.

Чтобы сохранить свойство наночастиц преобразовывать ТГц-излучение в теплоту, необходимо, чтобы их размер оставался достаточно малым и составлял, как указано выше, около 2 нм, при этом необходимо сохранять изолированность наночастиц, не допуская образования наночастицами кластеров («комочков»). Изолированность наночастиц друг от друга достигается, в частности, при выполнении их диспергированными в матрице, прозрачной для ТГц-излучения, например в желатиновой эмульсии, используя технологии, разработанные в производстве фотоматериалов.

В качестве материала для наночастиц конвертеров предпочтительно выбирать переходной металл с пиком плотности состояний электронов на уровне Ферми Е_F, что позволяет обеспечить нагрев наночастиц до более высокой температуры, чем в случае обычного металла. В частности, в заявленном изобретении предложен вариант с использованием наночастиц никеля. Как известно, ширина 3d-зоны никеля равна ≈5,5 эВ, причем часть ее находится выше Е_F, что определяет интенсивное рассеяние электронов в никеле. Кроме того, по сравнению с другими металлами у никеля наибольшая плотность состояний на уровне Ферми [2].

Для реализации заявленного изобретения, согласно рассматриваемому примеру его осуществления, средний размер частиц Ni выбран равным ≈2,4 нм, то есть меньше средней длины свободного пробега электрона (≈4 нм). Такой размер частиц, а также наличие пика плотности состояний на уровне Ферми Ni повышают вероятность рассеяния электронов на поверхности наночастицы, то есть увеличивают вероятность передачи энергии, полученной электроном от фотона, - иону наночастицы и таким образом повышают эффективность преобразования ТГц-энергии в теплоту.

Средний размер наночастиц Ni выбирался также из условия равенства энергетического зазора между электронными уровнями в 3d-зоне средней энергии фононов в Ni, оцененной в 20,5 мэВ.

Верхний край 3d-зоны Ni расположен выше уровня Ферми приблизительно на 0,5 эВ [3], что обеспечивает способность наночастицы Ni конвертировать в теплоту энергию фотонов всего ТГц-диапазона. Однако эта широкополосность поглощательной способности сопровождается нежелательным свойством: наночастицы конвертера могут нагреваться ИК-фотонами с энергиями вплоть до 0,513 эВ (с длинами волн ≥2,42 мкм). При этом фотоны, наиболее опасные с точки зрения вклада в фоновый шум, соответствующие области при пике с λ≈10 мкм, попадают в полосу поглощения (см. Фиг.2). Поэтому для защиты наночастиц конвертера от нежелательного нагрева необходим фильтр, способный отфильтровывать фоновое ИК-излучение от объекта-источника с длинами волн λ<30 мкм, но пропускающий полезное ТГц-излучение с длинами волн λ>30 мкм (см. Фиг.2).

Для достижения заявленного технического результата оценивались наиболее важные технические параметры ТГц-ИК-конвертера с точки зрения определения их влияния на степень роста температуры наночастицы Ni диаметром 2,4 нм в желатине в результате выделения в частице теплоты. При этом в рамках рассматриваемого примера осуществления изобретения выбрана температурная чувствительность высокочувствительных камер, например, таких, как Mirage P производства компании Infrared Cameras, Inc., США [1].

Очевидно, температурная чувствительность ΔТ_АЧТ, указываемая в технических условиях известных ИК-камер, приведена к излучению АЧТ. Тогда порог чувствительности Δε_λ камеры по поверхностной плотности мощности излучения может быть определен из условия (1):

Δ ε λ = 4 σ ⋅ Т А Ч Т 3 Δ Т А Ч Т ,                                         ( 1 )

где σ - постоянная Стефана-Больцмана, а Т_АЧТ=300 К. При ΔТ_АЧТ=14 мК для ИК-камеры (см. [1]) величина Δε_λ равна 8,58·10^-8 Вт/мм².

Поверхностная плотность мощности излучения Е_λ для тела со степенью черноты α определена как

Е λ = α ε λ = α σ Т α 4 ,                                               ( 2 )

где Т_α - температура тела со степенью черноты α. При росте температуры этого тела на ΔТ_α его поверхностная плотность мощности излучения возрастет на величину:

Δ Е λ = α Δ ε λ = 4 σ ⋅ Т α 3 α Δ Т α .                                   ( 3 )

Для того, чтобы камера Mirage P смогла заметить нагрев АЧТ (то есть, нагрев на 14 мК), его поверхностная плотность мощности излучения, согласно (1), должна возрасти на величину Δε_λ=8,58·10^-8 Вт/мм². Это означает, что для того чтобы тело со степенью черноты α тоже было замечено камерой Mirage P, его поверхностная плотность мощности излучения должна возрасти на величину ΔЕ_λ, также равную 8,58·10^-8 Вт/мм². Приравняв ΔЕ_λ=Δε_λ, при равенстве начальных температур обоих тел (Т_АЧТ=Т_α=300 К) определяем, что для этого требуется выполнение условия:

Δ Т α = Δ Т А Ч Т / α .                                                 ( 4 )

Таким образом, для того чтобы поверхность со степенью черноты α была замечена ИК-камерой, рост ее поверхностной плотности мощности излучения должен быть не меньше Δε_λ=8,58·10^-8 Вт/мм², а рост температуры должен быть не меньше ΔT=ΔТ_АЧТ/α.

Расчет величины мощности Q_i для пяти величин степени черноты α_i осуществлялся путем решения уравнения теплопроводности с учетом функции источника теплоты. В частности, величины мощности Q_i рассчитывались путем решения задачи об изменении температуры частицы Ni, находящейся внутри желатиновой оболочки, в результате выделения в ней теплоты. Изменение температуры частицы Ni описывалось уравнением теплопроводности в сферических координатах с учетом функции источника q(r):

ρ С ∂ Т ∂ t = 1 r 2 ∂ ∂ r ( λ r 2 ∂ Т ∂ r ) + q ( r ) ,                                            ( 5 )

где T(t, r) - температура, ρ - объемная плотность, С - удельная теплоемкость, λ - теплопроводность, q(r) - объемная плотность источника теплоты, r - сферический радиус. Расчеты осуществлялись в предположении, что теплофизические параметры не зависят от температуры и могут быть описаны следующим образом:

0≤r≤R₀:λ=λ₁, ρ=ρ₁, C=C₁, q = Q ( 4 / 3 ) π R 0 3 ,                         ( 6 )

R₀<r≤R:λ=λ₂, ρ=ρ₂, C=C₂, q=0,

где R₀ - радиус наночастицы, R - радиус желатиновой оболочки (R>>R₀; в данной задаче R=5·10^-7 м, это условие обусловлено доминированием желатина в объеме конвертера).

Уравнение теплопроводности решалось при следующих начальных и краевых условиях:

Т(0, r)=Т_R,

∂ Т ( t ,  r) ∂ r | r = 0 = 0,  Т(t , R) = Т R .                                             ( 7 )

Решение задачи (5-7) осуществлялось численным методом линий [6, 7] относительно ΔТ=Т-Т_R, где Т_R=300 К, для материалов, характеристики которых приведены в Таблице 1.

Таблица 1
Характеристики материалов, использованных при оценках
	Объемная плотность	Удельная теплоемкость
Материал	Теплопроводность
Никель	ρ1=8,9 г/см3	C1=440 Дж/кг·К	λ1=90,9 Вт/м·К
Желатин	ρ2=1,3 г/см3	С2=1900Дж/кг·К	λ2=0,3 Вт/м·К

Для пяти величин степени черноты α_i расчетные величины мощности Q_i, требуемой для нагревания наночастицы Ni размером 2,4 нм на температуру ΔТ_m (см. Фиг.3) и поддержания ее при температуре (300 K+ΔT_m), а также соответствующие значения поверхностной плотности числа наночастиц никеля на поверхности конвертера, равные N_i=Δε_λ/(Q_i/2), представлены в Таблице 2.

В ходе проведенных расчетов были также определены временные характеристики конвертера. Они показали, что как время нагревания наночастицы Ni в желатине, так и время ее охлаждения (до начальной температуры 300 К) приблизительно равны 13 нс (Фиг.4). Столь малые величины указывают на то, что предлагаемый ТГц-ИК-конвертер может работать в масштабе реального времени - как в активном, так и в пассивном режиме.

Таблица 2
Параметры ТГц-ИК-конвертера при различной степени черноты αi наночастиц Ni
Параметры конвертера	αi
1	0,7	0,5	0,3	0,1
ΔТm, мК	14	20	28	46,7	140
Qi, Вт	6,34·10-11	9,05·10-11	1,27·10-10	2,11·10-10	6,34·10-10
Ni, мм-2	2,71·103	1,90·103	1,35·103	8,13·102	2,71·102
Н, м	3,43	3,11	2,82	2,42	1,68

Еще одной важной характеристикой ТГц-ИК-конвертера, определяющей области его применения, является его рабочее расстояние Н, то есть расстояние между ТГц-объективом и объектом-источником ТГц-излучения.

Рабочее расстояние Н определено из условия равенства эффективной площади конвертера S* (то есть площади, способной нагреться мощностью ТГц-излучения) и геометрической площади конвертера S_конв, которую видит ИК-камера.

При этом оценка эффективной площади конвертера S*, способной нагреться на температуру ΔТ=ΔТ_АЧТ/α, осуществлена по ее связи с ТГц-мощностью Р, доставляемой от человека к эффективному конвертеру:

S * = α ⋅ Р / Δ ε λ = α ⋅ Р / 4 σ ⋅ Т 3 ⋅ Δ Т А Ч Т   ,                                   ( 8 )

где мощность Р определяется из соотношения:

Р ≈ S ч ⋅ Ω ⋅ T о б щ ⋅ T в 0,5 ⋅ c 2 ⋅ h ⋅ ∫ 34,9 103,4 d λ λ 5 ⋅ [ exp ( 47,97 / λ ) − 1 ] ,                          ( 9 )

где

S_ч - эффективная площадь тела человека, излучающая ТГц-излучение в ТГц-объектив, S_ч≈1,1·10¹² мкм² (она соответствует площади полуцилиндра диаметром 40 см и высотой 175 см);

Ω - телесный угол, в котором человек видит диаметр ТГц-объектива, рад;

Т_общ - общее пропускание ТГц-объектива и теплового фильтра [4] (мы оценили его величину как Т_общ≈0,08 - в области длин волн ~30 мкм, которые вносят наибольший вклад в общее ТГц-излучение тела человека);

Т_в - пропускание слоя воздуха между человеком и ТГц-объективом;

0,5 - коэффициент, вводимый, чтобы грубо учесть, что тело человека не является АЧТ;

∫ 34,9 103,4 d λ λ 5 ⋅ [ exp ( 47,97 / λ ) − 1 ] = 8,91 ⋅ 10 − 8  мкм -4 - интеграл в пределах от 34,9 мкм до 103,4 мкм от функции, описывающей распределение излучения АЧТ по длинам волн (здесь число 47,97 - величина hc/kT, выраженная в мкм, где h и k - соответственно постоянные Планка и Больцмана, с - скорость света, а T - температура). Пределы интегрирования определены в соответствии с распределением плотности состояний фононов в никеле.

Таким образом, ТГц-мощность, доставляемая от человека до желатиновой матрицы с внедренными в нее наночастицами Ni, равна Р≈0,23 Ω·Т_в, Вт. А эффективная площадь, способная нагреться ТГц-мощностью человеческого организма, равна S*=α·Р/Δε_λ=5,75·10^-2·α·Ω·Т_в/σ·Т³·ΔТ_АЧТ.

Оценку геометрической площади конвертера можно осуществить исходя из параметров стандартного объектива ИК-камеры Mirage P и оценки геометрической площади конвертера, которую видит камера. Согласно данным сайта [1], минимальное расстояние d между предметом (в нашем случае, ТГц-ИК-конвертером) и объективом ИК-камеры равно 4 дюймам, то есть d=101,6 мм. При угле поля зрения γ=26° высота конвертера h может быть определена из формулы (10):

h = 2 d ⋅ t g ( γ / 2 ) ≈ 47   м м .                            (10)

При стандартном соотношении сторон кадра 4:3 ширина w конвертера может быть рассчитана следующим образом:

w=(4/3)·47 мм=62,65 мм.

Таким образом, геометрическая площадь конвертера равна S_конв=h×w=47 мм×62,65 мм=2,94·10³ мм².

С учетом указанных параметров и принимая во внимание равенство площади конвертера S_конв и эффективной площади S*, которую сможет нагреть ТГц-мощность излучения человеческого организма на температуру ΔТ=ΔТ_АЧТ/α, рабочее расстояние Н между ТГц-объективом и объектом-источником ТГц-излучения может быть определено из уравнения (11):

5,75 ⋅ 10 − 2 ⋅ α ⋅ Ω ⋅ Т в / σ ⋅ Т 3 ⋅ Δ Т А Ч Т = 2,94 ⋅ 10 3  мм 2 .                         ( 11 )

В этом уравнении как телесный угол Ω, так и пропускание воздуха Т_в являются функциями расстояния Н. Определив для рассматриваемого примера осуществления изобретения диаметр линзы ТГц-объектива равным 0,3 м, оценив пропускание слоя воздуха Т_в из экспериментальных данных (см. Фиг.3), рассчитав величину Ω и оценив значение Т_в для одного и того же расстояния Н, подставляя Ω и Т_в в уравнение (11), можно определить величины Н, удовлетворяющие (11).

Допуская, в соответствии с Фиг.5, что в диапазоне длин волн между 30 и 250 мкм среднее пропускание слоя воздуха толщиной 1,2 м равно ≈0,55, пропускание воздуха для любого расстояния Н может быть определено по формуле Т_в≈(0,55)^k, где k=Н/(1,2 м). Величины Н для различных значений α_i, удовлетворяющие уравнению (11), даны в Таблице 2.

Вышеуказанные критерии оценки эффективности работы устройства визуализации источников ТГц-излучения позволяют определить область оптимального применения устройства в зависимости от примененных в составе конвертера наночастиц металла, характеристик объектива ИК-камеры и свойств окружающей среды. Так, например, при использовании в составе устройства, согласно изобретению, конвертера, содержащего наночастицы никеля, при среднем значении степени черноты α_i=0,5 рабочее расстояние Н до источника излучения составит 2,82 м (см. Таблицу 2). Таким образом, данный вариант осуществления из-за поглощения ТГц-излучения в воздухе не позволит, например, обеспечить реализацию режима пассивного отображения для задач безопасности - вследствие недостаточности расстояния в 2,82 м для их решения, поскольку они требуют возможности работы на расстояниях ≈4-20 м. Тем более, что при решении задач безопасности, помимо рабочего расстояния Н, необходимо учитывать поглощение одеждой высокочастотной части ТГц-излучения человеческого организма (см. Фиг.6), т.е. той части частот, которая наиболее эффективно преобразовывается наночастицами Ni в теплоту. Однако вышеприведенные расчеты показывают эффективность применения данного варианта осуществления изобретения в пассивном режиме формирования изображения в ТГц-лучах, например, в медицине, где расстояние между пациентом, являющимся источником излучения, и ТГц-объективом мало.

Исходя из вышеуказанных возможностей оценки эффективности применения устройства согласно изобретению рассмотренный вариант его осуществления также может быть использован как для активного с использованием дополнительно в составе устройства плавно перестраиваемого по частоте источника лазерного излучения, используемого известным из предшествующего уровня техники в системах активной визуализации, так и для пассивного дистанционного обнаружения скрытых предметов, например оружия и контрабанды в реальном масштабе времени. При этом, если эксплуатировать ТГц-ИК-конвертер в низкочастотной части ТГц-диапазона (в субмиллиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн), где пропускание одежды достаточно высоко, предпочтительно использовать в конвертере наночастицы не из Ni, а, например, из соединений с тяжелыми фермионами, (таких, как CePd₃, CeAl₃, CeCu₆ и др.). В соединениях с тяжелыми фермионами благодаря узкой и частично заполненной f-зоне электронов на уровне Ферми [5] плотность состояний электронов на уровне Ферми на два-три порядка выше, чем у обычных металлов. Это обусловливает чрезвычайно высокую интенсивность рассеяния электронов, то есть высокую эффективность конверсии низкочастотной части ТГц-излучения в теплоту (область длин волн от 0,3 мм до ~1 см, в которой пропускание тканей достаточно велико (см. Фиг.6)).

Как правило, у источников-объектов ТГц-излучения интенсивность излучения низка. Поэтому для обеспечения приемлемого соотношения «сигнал/шум» следует правильно выбирать материал для линз ТГц-объектива, обеспечивать защиту наночастиц конвертера от шумовых излучений, а также применять ТГц-объектив с достаточно большим диаметром (намного больше диаметра объектива ИК-камеры), при этом предпочтительно выбирать тип камеры, у которой диапазон регистрации (3-5 мкм) смещен относительно области длин волн с максимумом излучательной способности тела, нагретого до 300 К (≈5-20 мкм).

Соотношение потоков ТГц-излучения от объекта, собираемого ТГц-объективом и сфокусированного на конвертере, и от объектива ИК-камеры, попадающего на тот же конвертер, пропорционально отношению площадей объекта и входного отверстия объектива ИК-камеры. Чтобы сделать поток от объекта намного больше потока от входного отверстия объектива ИК-камеры, диаметр линз ТГц-объектива должен быть намного больше, чем диаметр отверстия объектива ИК-камеры (~10 мм).

Для линз ТГц-объектива применяется полиэтилен высокой плотности HDPE, который не пропускает ИК-излучение от объекта. Такие линзы фильтруют ИК-излучение в диапазоне длин волн 7-14 мкм, в котором находится пик распределения ИК-излучения, например, от объекта-человека. Кроме того, они задерживают ультрафиолетовое излучение и существенно ослабляют видимое излучение.

Защита наночастиц конвертера от шумовых излучений в заявленном решении изобретения может обеспечиваться следующими мерами: (а) использованием отрезающего фильтра, который имеет длину волны отрезки λ_с≈30 мкм и способен отфильтровать ИК-излучение, но пропустить полезное ТГц-излучение от исследуемого объекта; этот фильтр должен устанавливаться перед (по ходу луча) желатиновой матрицей с наночастицами; (б) установкой фильтра из сапфира за желатиновой матрицей с наночастицами. Сапфир хорошо пропускает полезное излучение в диапазоне 3-5 мкм, то есть излучение от нагретых наночастиц желатиновой матрицы, но отфильтровывает тепловое излучение в диапазоне длин волн 8-40 мкм, в котором находится основная доля теплового потока со стороны ИК-камеры. Кроме того, сапфир имеет более низкое, чем другие оптические ТГц-материалы, пропускание в диапазоне длин волн λ>50 мкм, что также способствует снижению шумового ТГц-фона, направленного от камеры к конвертеру. Таким образом, удается отсечь поток фонового излучения от ИК-камеры к конвертеру, имея при этом возможность наблюдать ИК-изображение, сформированное конвертером.

В предложенной схеме визуализации ТГц-излучения отрезающий фильтр, желатиновая матрица, содержащая наночастицы, и сапфировая подложка должны плотно прилегать друг к другу. Это обеспечит защиту наночастиц в желатиновой матрице от боковых потоков ИК-излучения.

В качестве дополнительной защиты наночастиц конвертера от фонового ТГц-излучения камеры и ее корпуса на камеру следует надеть отрезающий фильтр с отверстием для объектива, сделанный из материалов, из которых изготавливаются отрезающие фильтры. Этот фильтр должен иметь длину волны отрезки λ_с≈120 мкм. Такая мера позволила бы эффективно отфильтровать наиболее опасную часть спектра излучения корпуса камеры, а длинноволновая часть ТГц-излучения (λ>120 мкм), пропускаемая таким фильтром, вносила бы относительно малый вклад в общее фоновое облучение наночастиц конвертера.

Заявленное решение изобретения позволяет использовать устройство визуализации как в условиях, когда температура ИК-камеры во время работы становится выше температуры ТГц-ИК-конвертера, так и в случае, когда их температуры одинаковы. Однако в последнем случае, поскольку отпадает необходимость защиты конвертера от фонового излучения ИК-камеры, можно отказаться от сапфировой подложки, используя, например, в качестве подложки собственно тыльную сторону отрезающего фильтра конвертера, на которую наносят желатиновую матрицу с наночастицами. Кроме того, вместо ИК-камеры с рабочим диапазоном 3-5 мкм можно воспользоваться ИК-камерой с рабочим диапазоном 7-15 мкм, являющимся традиционным рабочим диапазоном ИК-камер, что существенно упрощает и удешевляет конструкцию устройства в целом без потери качества. Кроме того, при отсутствии фонового излучения ИК-камеры не требуется и установка отрезающего фильтра между ТГц-ИК-конвертером и ИК-камерой. Упрощение конструкции вышеописанным образом не влияет на помехозащищенность устройства и чувствительность заявленного устройства, так как оно обусловлено отсутствием необходимости дополнительных мер шумоподавления вследствие отсутствия источника шума. При этом в случае отсутствия нагрева ИК-камеры выше температуры конвертера все вышеописанные требования, предъявляемые к выбору материала наночастиц, их размеру и распределению, а также применение средств защиты от фонового излучения источника излучения и окружающей среды остаются в полном соответствии с вышеописанными вариантами осуществления заявленного изобретения.

Таким образом, очевидно, что заявленное техническое решение позволяет за счет выполнения конвертера на основе желатиновой матрицы, содержащей наночастицы металла, и применения в конструкции отрезающего фильтра, размещенного перед матрицей с возможностью фильтрации теплового излучения источника ТГц-излучения с длинами волн не более 30 мкм, обеспечить повышение помехоустойчивости конструкции, снижение уровня шума и повышение чувствительности при одновременно п