테라헤르츠 방사선

Terahertz radiation
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엄청나게 높은 주파수
주파수 범위
0.3THz~3THz
파장 범위
1 ~ 100 μm
무선 대역
ITU
– (TLF) 1 (ELF) 2 (SLF) 3(ULF)
4(VLF) 5 (LF) 6(MF) 7 (HF)
8(VHF) 9(UHF) 10 (SHF) 11 (EHF)
12(THF)
EU/나토/미국 ECM
IEEE
기타 TV 및 라디오
테라헤르츠파는 적외선 대역의 먼 끝, 즉 마이크로파 대역이 시작되기 직전에 있습니다.

테라헤르츠파 – 또한 T-waves, T-light, T-lux 또는 THz – 빈도의ITU-designated의 제한폭 내에서 0.33terahertz(THz)[2]지만 상부 경계는 약간 어리둥절해 하며 일부 sou 것으로 인식된다는 자의적이야까지 전자파로 구성되어 있submillimeter 방사선, 테라헤르츠 파도, 엄청나게 높은 frequency[1](THF), T-rays,으로 알려져 있다.rcess 30THz 입니다.[3]1 테라헤르츠는 10Hz12 또는 1000GHz입니다.테라헤르츠 대역의 방사선 파장은 1 mm ~ 0.1 mm = 100 µm이다.테라헤르츠 복사는 약 1밀리미터의 파장에서 시작하여 더 짧은 파장으로 진행되기 때문에, 그것은 때때로 서브밀리미터 대역으로 알려져 있고, 그 방사선은 특히 천문학에서 서브밀리미터 파장으로 알려져 있다.이 전자기 방사 대역은 마이크로파와 원적외선 사이의 전이 영역 내에 있으며, 둘 중 하나로 간주할 수 있습니다.

테라헤르츠 복사는 대기의 가스에 의해 강하게 흡수되어 몇 [4][5]미터 이내에 0으로 감쇠하기 때문에 지상 무선 통신에는 실용적이지 않다.얇은 층의 재료를 투과할 수 있지만 두꺼운 물체에 의해 차단됩니다.재료를 투과한 THz 빔은 재료 특성화, 층 검사, 릴리프 측정 [6]및 고체물체 [7]내부의 고해상도 이미지를 생성하기 위한 X선 대체 에너지로 사용할 수 있다.

테라헤르츠 방사선은 "테라헤르츠 간격"이라고 알려진 마이크로파와 적외선 파장의 범위가 겹치는 중간 지대를 차지하고 있다. 테라헤르츠 방사선의 생성과 조작 기술은 아직 초기 단계이기 때문에 "갭"이라고 불린다.이 주파수 범위에서 전자파의 발생과 변조는 전파와 마이크로파를 발생시키기 위해 사용되는 기존의 전자 장치로는 불가능하며, 새로운 장치 및 기술의 개발이 필요하다.

서론

THz-TDS 시스템에서는 THz 신호의 시간 영역 버전을 이용할 수 있기 때문에 회절의 왜곡 효과를 [8]억제할 수 있다.

테라헤르츠 복사는 전자기 스펙트럼에서 적외선과 극초단파 복사의 중간이며, 이것들 각각과 몇 가지 특성을 공유합니다.테라헤르츠 방사선은 시야를 따라 이동하며 이온화되지 않습니다.전자레인지와 마찬가지로 테라헤르츠 방사선은 의류, 종이, 골판지, 목재, 석조, 플라스틱 및 세라믹 등 다양한 비전도성 물질을 투과할 수 있습니다.투과 깊이는 일반적으로 마이크로파 방사선의 깊이보다 작다.적외선과 마찬가지로 테라헤르츠 방사선은 안개와 구름을 통한 투과가 제한적이며 액체 물이나 [9]금속을 투과할 수 없다.테라헤르츠 방사선은 X선처럼 신체 조직을 통해 어느 정도 거리를 투과할 수 있지만, 그것들과는 달리 이온화되지 않기 때문에 의료용 X선을 대체할 수 있는 것으로 관심을 끌고 있다.파장이 길기 때문에 테라헤르츠파를 사용하여 만든 이미지는 X선보다 해상도가 낮으므로 강화해야 합니다(오른쪽 [8]그림 참조).

지구의 대기는 테라헤르츠 방사선의 강한 흡수체이기 때문에 공기 중의 테라헤르츠 방사선의 범위는 수십 미터로 제한되어 있어 장거리 통신에는 적합하지 않다.단, 10m까지의 거리에서도 대역은 여전히 고대역폭 무선 네트워크 시스템, 특히 실내 시스템의 이미징과 구축에 많은 유용한 애플리케이션을 사용할 수 있습니다.또한 자이로트론, 역파 발진기 및 공명 터널링 다이오드를 [citation needed]포함한 저렴한 상용 선원이 현재 0.3-1.0THz 범위(스펙트럼의 하부)에 존재하지만, 일관된 테라헤르츠 방사선의 생성 및 검출은 여전히 기술적으로 어렵다.

테라헤르츠 대 서브밀리미터파

테라헤르츠 대역은 0.1~1mm의 파장 범위를 커버하며 서브밀리미터 파장 대역과 동일합니다.단, 일반적으로 "테라헤르츠"라는 용어는 테라헤르츠 시간 영역 분광법에서와 같이 펄스 레이저 생성 및 검출과 관련하여 마케팅에서 더 자주 사용되는 반면, "서브밀리미터"라는 용어는 고조파 [citation needed]증배와 같은 마이크로파 기술 생성 및 검출에 사용된다.

원천

자연의

테라헤르츠 복사는 흑체 복사의 일부로 약 2켈빈 이상의 온도에서 방출된다.이러한 열 방출은 매우 약하지만, 이러한 주파수에서의 관측은 우리은하의 성간 구름과 먼 폭발 은하에서 [citation needed]10-20K의 차가운 우주 먼지를 특징짓는 데 중요합니다.

이 대역에서 작동하는 망원경에는 제임스 클러크 맥스웰 망원경, 캘텍 서브밀리미터 천문대와 하와이 마우나케아 천문대의 서브밀리미터 어레이, BLOAST 풍선 운반 망원경, 허셜 천문대, 아리조나 그레이엄 마운트 국제 천문대의 하인리히 헤르츠 서브밀리미터 망원경이 포함됩니다.최근에 건설된 아타카마 대형 밀리미터 어레이에서요지구의 대기 흡수 스펙트럼 때문에, 대기의 서브밀리미터 방사선에 대한 불투명도는 이러한 관측소를 매우 높은 고도 지역이나 [10][11]우주로 제한한다.

인조

2012[업데이트]의 테라헤르츠 방사선의 생존 가능한 원인은 gyrotron, 후진파 발진관("BWO"), 유기적 가스는 적외선 레이저, 쇼트 키다이 오드 multipliers,[12]버랙터(varicap)multipliers, 양자 캐스케이드 laser,[13][14][15][16]은 자유 전자 레이저, 싱크로트론 광원, photomixing 소식통, 또는 펄스single-cycle sOurces 테라헤르츠 tim에서 사용했다.광전도성, 표면장, 광디버 및 광정류 방사체,[17] 공명 터널링 다이오드에 기초한 전자발진기 등의 e영역 분광법은 최대 700GHz까지 [18]작동하는 것으로 나타났다.

수년 동안 밀리미터와 밀리미터 이하의 파장의 고체 소스도 존재해 왔다.예를 들어 파리의 AB Millimeter는 솔리드 스테이트 소스와 검출기를 사용하여 8GHz에서 1000GHz까지의 모든 범위를 커버하는 시스템을 생산하고 있습니다.오늘날 대부분의 시간 영역 작업은 초고속 레이저를 통해 수행됩니다.

2007년 중반, 미국 에너지부의 아곤 국립 연구소의 과학자들은 터키와 일본의 협력자들과 함께 휴대용 배터리 구동 테라헤르츠 [19]방사선원으로 이어질 수 있는 소형 장치를 개발했다고 발표했다.이 장치는 일본 쓰쿠바 대학에서 재배된 고온 초전도 결정을 사용한다.이러한 결정들은 조지프슨 접합부의 스택으로 구성되어 있으며, 외부 전압이 인가되면 전압에 비례하는 주파수로 접합부를 통해 교류 전류가 흐릅니다.이 교류는 전자장을 유도합니다.작은 전압(접점당 약 2밀리볼트)은 테라헤르츠 범위에서 주파수를 유도할 수 있습니다.

2008년 하버드 대학의 엔지니어들은 반도체 소스를 사용하여 수백 나노와트의 테라헤르츠 방사선을 상온에서 방출했다.중적외선 양자 캐스케이드 레이저에서 두 모드의 비선형 혼합에 의해 THz 방사선이 생성되었다.이전의 선원은 극저온 냉각이 필요했기 때문에 일상적인 [20]용도로 사용이 크게 제한되었습니다.

2009년에는 접착 테이프가 벗겨지지 않으면 2THz에서 좁은 피크가 발생하고 18THz에서 넓은 피크가 발생하는 비편광 테라헤르츠 방사선이 발생하는 것으로 밝혀졌다.그 생성 메커니즘은 접착 테이프의 트리보징과 그에 따른 방전이다. 이것은 [21]가스의 유전체 파괴 동안 흡수 또는 에너지 밀도에 초점을 맞춘 제동과 관련이 있다고 가정되었다.

2013년 조지아 공과대학의 광대역 무선 네트워크 연구소와 카탈로니아 폴리테크닉 대학의 연구원들은 그래핀 안테나를 만드는 방법을 개발했습니다. 이 안테나는 가로 10에서 100나노미터, 세로 1마이크로미터의 그래핀 스트립 형태로 형성될 것입니다.그러한 안테나는 테라헤르츠 주파수 [22][23]범위에서 전파를 방출하는 데 사용될 수 있다.

조사.

의료 영상

X선과 달리 테라헤르츠 방사선은 이온화 방사선이 아니며 일반적으로 낮은 광자 에너지는 살아있는 조직과 DNA를 손상시키지 않는다.테라헤르츠 방사선의 일부 주파수는 수분 함량이 낮은 수 밀리미터의 조직(예: 지방 조직)에 침투하여 반사될 수 있다.테라헤르츠 방사선은 또한 조직의 수분 함량과 밀도의 차이를 감지할 수 있다.이러한 방법을 사용하면 안전하고 비침습적이며 [24]통증이 없는 영상촬영 시스템을 통해 상피암을 효과적으로 발견할 수 있습니다.COVID-19 선별에 대한 수요에 대응하여 테라헤르츠 스펙트럼 분석 및 이미징이 신속한 선별 도구로 제안되었다.[25][26]

테라헤르츠 방사선을 사용하여 생성된 첫 번째 이미지는 1960년대에 생성되었지만 1995년에 테라헤르츠 시간 영역 분광법을 사용하여 생성된 이미지는 많은 [citation needed]관심을 불러일으켰다.

테라헤르츠 방사선의 일부 주파수는 치아의 3D 영상에 사용될 수 있으며 [citation needed]치과에서 기존의 X선 영상보다 더 정확할 수 있다.

보안.

테라헤르츠 방사선은 직물과 플라스틱을 투과할 수 있기 때문에 보안 검사와 같은 감시에서 사람의 숨겨진 무기를 원격으로 발견하는 데 사용될 수 있다.이것은 특히 관심 있는 많은 물질들이 테라헤르츠 범위에서 독특한 스펙트럼 "지문"을 가지고 있기 때문에 흥미롭다.이것은 스펙트럼 식별과 이미징을 결합할 수 있는 가능성을 제공한다.2002년 러더포드 애플턴 연구소(영국 옥스포드셔)에 본부를 둔 유럽우주국(ESA) 스타 타이거 [27]팀은 [28]최초의 수동 테라헤르츠 이미지를 제작했다.2004년까지 Council for the Council of the Research Councils(CCLRC) Rutherford Appleton Laboratory의 스핀아웃인 ThruVision Ltd는 보안 검사 애플리케이션을 위한 세계 최초의 소형 THz 카메라를 시연했습니다.시제품 시스템은 [29]옷 속에 숨겨져 있는 총과 폭발물을 성공적으로 촬영했다.테라헤르츠 시그니처의 수동 검출은 매우 특정 범위의 물질과 [30][31]물체를 대상으로 하여 다른 검출의 신체적 프라이버시 문제를 회피한다.

1월 2013년에는 뉴욕 경찰 계획은 새로운 기술과 함께 맨해튼 연방 법원에 현재 부서는 같은 달에 대해 소송, 이 사용:"수천년 동안 인간은 그들을 보호하기 위해 옷을 사용하고 있고 도전하는 것을 제기할 마이애미 블로거 및 개인 정보 보호 운동가 조나단 Corbett게 weapons,[32]은폐를 감지할 수 있는 실험을 발표했다. 모드옷 안에 있는 모든 것에 대해 프라이버시를 기대하는 것은 당연하다.왜냐하면 아무도 그것을 꿰뚫어 볼 수 없기 때문이다.그는 타당한 의심이나 타당한 [33]이유 없이 그 기술을 사용하는 것을 금지하라는 법원의 명령을 요청했다.2017년 초까지, 국방부는 연방 [34]정부가 그들에게 준 센서를 사용할 생각이 없다고 말했다.

과학적 사용 및 이미징

테라헤르츠 방사선 분광법은 현재 밀리미터 미만의 천문학에서 사용되는 것 외에도 화학과 [citation needed]생화학에 대한 새로운 정보원을 제공할 수 있다.

최근 개발된 THz 시간 영역 분광법(THz TDS)과 THz 단층 촬영법은 스펙트럼의 가시 영역과 근적외선 영역에서 불투명한 샘플을 촬영할 수 있는 것으로 나타났다.THZ-TDS는 시료가 매우 얇거나 흡광도가 낮은 경우, 구동 레이저 소스 또는 실험의 장기적 변동에 의한 시료와 시료에 의한 THz 펄스의 변화를 구별하기가 매우 어렵기 때문에 효용이 제한됩니다.그러나 THZ-TDS는 일관성 있고 스펙트럼적으로 넓은 방사선을 생성하므로 이러한 이미지는 단일 주파수 [citation needed]선원으로 형성된 기존 이미지보다 훨씬 많은 정보를 포함할 수 있다.

높은 자기장(약 11테슬라 이상)에서는 전자 스핀 라모르 주파수가 서브밀리미터 대역이기 때문에 서브밀리미터 파동은 높은 자기장의 물질을 연구하기 위해 물리학에서 사용됩니다.플로리다에 [citation needed]있는 국립 고자기장 연구소(NHMFL)와 같이 많은 고주파 EPR 실험실에서 이러한 고주파 EPR 실험을 수행합니다.

테라헤르츠 방사선은 미술사학자들이 작품을 [35]손상시키지 않고 수백 년 된 건물의 회반죽이나 페인트 코팅 아래에 숨겨진 벽화를 볼 수 있게 해준다.

또한 렌즈 안테나를 사용하여 물체의 무선 이미지를 캡처하는 THz 이미징이 수행되었습니다.[36][37]

THz 구동 유전체 웨이크필드 가속

차세대 고에너지 충돌기의 크기와 비용을 줄이고 소형 가속기 기술을 전 세계 소규모 연구소에 널리 보급하기 위해 수 기가 전자 볼트/미터(GeV/m) 가속 구배를 달성할 수 있는 새로운 유형의 입자 가속기가 가장 중요합니다.100MeV/m의 구배는 기존 기술로 달성되었으며 RF에 의한 플라즈마 파괴로 [38]제한됩니다.빔 구동 유전체 웨이크필드 가속기(DWA)[39][40]는 일반적으로 테라헤르츠 주파수 범위에서 작동하며, 이는 표면 전기장의 플라즈마 파괴 임계값을 다중 GV/m [41]범위로 밀어낸다.DWA 기술은 번치당 상당한 양의 전하를 수용할 수 있으며 가속 구조에 대한 기존 제작 기술에 접근할 수 있습니다.지금까지 0.3GeV/m 가속 및 1.3GeV/m 감속[42] 구배는 서브밀리미터 가로 개구부의 유전체 라이닝 도파관을 사용하여 달성되었습니다.

체렌코프 스미스-퍼셀 복사기구에[43][44] 의해 가변 내부반경을 가진 유전체 캐피럴리 내에서 1GeV/m보다 큰 가속구배를 잠재적으로 생성할 수 있다.전자 다발이 모세관을 통해 전파될 때, 그 자기장은 유전체 물질과 상호작용하여 체렌코프 각도로 물질 내부에 전파되는 웨이크장을 생성합니다.물질의 상대 유전 유전율이 1보다 크기 때문에 웨이크장은 빛의 속도 이하로 느려집니다.그런 다음 방사선이 모세관의 금속 경계에서 반사되어 진공 영역으로 다시 회절되어 뚜렷한 주파수 신호로 모세관 축에 높은 가속장을 생성합니다.주기적인 경계에서 스미스-퍼셀 방사선은 주파수 [citation needed]분산을 일으킨다.

파형 모세혈관을 사용한 예비 연구는 생성된 [45]웨이크장의 스펙트럼 함량과 진폭에 대한 일부 수정을 보여주었지만, DWA에서 Smith-Purcell 효과를 사용할 가능성은 여전히 [citation needed]고려 중이다.

의사소통

2012년 5월, 도쿄공업대학[46] 연구팀이 전자레터지에 T선을 이용한 무선 데이터 전송의 새로운 기록을 세우고,[47] 향후 데이터 전송의 대역폭으로 사용할 것을 제안했습니다.이 팀의 개념 증명 장치는 공명 터널링 다이오드(RTD) 부저항 발진기를 사용하여 테라헤르츠 대역의 파형을 생성했다.이 RTD를 사용하여 연구진은 542GHz의 신호를 전송하여 초당 3기가비트 데이터 전송 속도를 얻었습니다.[47]이는 지난 [48]11월 데이터 전송률 기록을 2배로 끌어올렸다.연구에 따르면 시스템을 사용하는 Wi-Fi는 약 10m(33ft)로 제한되지만 최대 100Gb/[47][clarification needed]s의 속도로 데이터를 전송할 수 있습니다.2011년에는 일본 전자부품업체 럼(Rohm)과 오사카대 [49]연구팀이 테라헤르츠 방사선을 이용해 1.5기가비트/초를 전송할 수 있는 칩을 개발했다.

수증기가 신호 흡수를 일으키는 고도(항공기 대 위성 또는 위성 대 위성)[citation needed]에서 고공 통신에 잠재적 용도가 존재한다.

아마추어 라디오

주요 기사:서브밀리미터 아마추어 라디오

ITU 무선규정의 RR5.565에 의거한 면허조건에 따라 많은 관리기관에서 275~3000GHz 범위 내에서 또는 더 높은 주파수에서 아마추어 무선실험을 국가 단위로 허용하고 있습니다.서브밀리미터 주파수를 이용하는 아마추어 무선 사업자들은 종종 쌍방향 통신 거리 기록을 세우려고 시도한다.미국에서는 WA1ZMS 및 W4WWQ는 2004년 12월 21일 CW(모스 부호)를 사용하여 403GHz에서 1.42km(0.88mi)의 기록을 세웠습니다.호주에서는 30THz에서 VK3CV 및 VK3 관측소가 60m(200ft)의 거리를 달성했습니다.2020년 11월 [50][51]8일 LN.[52]

제조업

테라헤르츠 감지 및 이미징의 많은 가능한 사용은 제조, 품질 관리 및 프로세스 모니터링에서 제안됩니다.일반적으로 플라스틱과 골판지가 테라헤르츠 방사선에 투명하다는 특성을 이용하여 포장된 제품을 검사할 수 있습니다.광전자 테라헤르츠 시간 영역 분광법에 기초한 최초의 영상 시스템은 1995년 AT&T 벨 연구소의 연구자들에 의해 개발되어 패키지화된 전자 [53]칩의 전송 이미지를 생성하는 데 사용되었다.이 시스템은 지속시간이 피코초인 펄스 레이저 빔을 사용했습니다.그 이후로 상용/연구용 테라헤르츠 이미징 시스템은 펄스 레이저를 사용하여 테라헤르츠 이미지를 생성해 왔습니다.이미지는 전송된 테라헤르츠 [54]펄스의 감쇠 또는 위상 지연을 기반으로 현상될 수 있습니다.

빔은 가장자리에서 더 많이 산란되고 재료마다 흡수 계수가 다르기 때문에 감쇠에 기초한 이미지는 물체 내부의 가장자리 및 다른 재료를 나타냅니다.이 접근 방식은 전송된 [55]빔의 감쇠에 기반하여 이미지가 현상되는 X선 전송 영상과 유사합니다.

제2의 어프로치에서는, 수신 펄스의 시간 지연에 근거해 테라헤르츠 화상을 전개한다.이 접근법에서는 물체의 두꺼운 부분이 펄스의 시간 지연을 더 많이 일으키기 때문에 잘 인식됩니다.레이저 스팟의 에너지는 가우스 함수에 의해 분배된다.프라운호퍼 영역에서 가우스 빔의 기하학적 구조와 동작은 빔의 주파수가 감소함에 따라 전자파 빔이 더 많이 분산되어 분해능이 [56]떨어진다는 것을 의미합니다.이는 테라헤르츠 영상 시스템이 스캔 음향 현미경(SAM)보다 해상도는 높지만 X선 영상 시스템보다는 낮다는 것을 의미합니다.테라헤르츠는 포장된 물체의 검사에는 사용할 수 있지만 정밀 검사에는 낮은 해상도로 어려움을 겪습니다.오른쪽 [57]그림에는 전자칩의 X선 화상과 테라헤르츠 화상이 실려 있다.분명히 X선의 해상도는 테라헤르츠 이미지보다 높지만, X선은 이온화되어 반도체나 살아있는 [citation needed]조직과 같은 특정 물체에 해로운 영향을 미칠 수 있다.

테라헤르츠 시스템의 낮은 해상도를 극복하기 위해 근거리 테라헤르츠 영상 시스템이 [58][59]개발 중입니다.근접장 이미징에서는 검출기를 평면 표면과 매우 가깝게 배치해야 하므로 두꺼운 포장 물체의 이미징이 가능하지 않을 수 있습니다.분해능을 높이기 위한 또 다른 시도로 테라헤르츠보다 높은 주파수를 가진 레이저광을 이용하여 반도체 물체 내의 p-n 접합부를 들뜨게 하고, 이들의 접점이 끊어지지 않는 한 테라헤르츠 방사선을 발생시키며, 이와 같이 손상된 장치를 [60]검출할 수 있다.이 방법에서는 주파수에 따라 흡수가 기하급수적으로 증가하므로 두꺼운 패키지 반도체의 검사를 다시 수행할 수 없을 수 있습니다.따라서 달성 가능한 분해능과 포장재의 빔 투과 두께 사이의 트레이드오프를 [citation needed]고려해야 한다.

안전.

테라헤르츠 영역은 무선 주파수 영역과 레이저 광학 영역 사이에 있습니다.IEEE C95.1–2005 RF 안전[61] 표준과 ANSI Z136.1–2007 레이저 안전[62] 표준 모두 테라헤르츠 영역에 대한 제한이 있지만 두 안전 제한은 모두 외삽에 기초한다.생물학적 조직에 대한 영향은 본질적으로 열적이며, 따라서 기존의[citation needed] 열 모델에 의해 예측될 수 있을 것으로 예상된다.스펙트럼의 이 영역을 채우고 안전 [citation needed]한계를 검증하기 위한 데이터 수집 연구가 진행 중이다.

한 이론적 연구는 2010년에 실시한 알렉산드 로프에 의해 출판되는 센터의 비선형 연구원 로스 알라모스 국립 연구소 뉴 Mexico[63]에서,는, 비록 관련된 힘에 아주 작게, 비선형 공진(altho 같아 보여 주고 수학적 모델을 만드는 테라헤르츠 방사선 두 가닥 디엔에이와 상호 작용할지 예측을 만들었다.에휴테라헤르츠파가 "두 가닥 DNA의 압축을 풀어서 유전자 발현과 DNA 복제와 같은 과정을 크게 방해할 수 있는 두 가닥의 기포를 만든다"[64]는 것이다.이 시뮬레이션의 실험적인 검증은 이루어지지 않았다.스완슨의 2010년 알렉산드로프 연구에 대한 이론적 연구는 DNA 거품이 합리적인 물리적 가정 하에서 또는 온도의 영향을 [65]고려한다면 발생하지 않는다고 결론지었다.2003년에 발표된 서지학 연구는 T-선 강도가 처음 500 μm의 피부에서 1% 미만으로 떨어진다고 보고했지만, "현재 테라헤르츠 [66]주파수에서 인체 조직의 광학 특성에 대한 정보는 거의 없다"고 강조했다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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