ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2017, № 11 · СМЕЖНЫЕ ПРОБЛЕМЫ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Методы и приборы ТГц спектроскопии высокого разрешения для аналитических приложений

В.Л. Вакс1, Е.Г. Домрачева1, М.Б. Черняева1

1 Институт физики микроструктур РАН, Россия
Полный текст (PDF) УДК 535.343.4, 543.421/.422 EDN YMEPPP

Аннотация

Работа посвящена применению микроволновой и терагерцевой (ТГц) спектроскопии высокого разрешения для решения различных проблем аналитической химии, биологии, медицины, астрофизики, систем обеспечения безопасности и др. Описаны основные типы приборов для газовой ТГц спектроскопии высокого разрешения. Приведены некоторые экспериментальные результаты применения ТГц спектроскопии высокого разрешения для решения задач систем обеспечения безопасности и медицины. Особое внимание уделено повышению чувствительности ТГц спектрального анализа за счет комбинирования с квантовыми каскадными лазерами среднего ИК диапазона. Развитие полупроводниковых технологий позволит достичь высокого уровня производства источников излучения и детекторов для ТГц спектроскопии. Новым направлением может стать разработка миниатюрных и простых в использовании устройств на основе полупроводниковой электроники, представляющих собой комбинированные источники излучения разных диапазонов частот. В результате появится новый аналитический метод спектрального анализа для фундаментальных и прикладных исследований.

  • терагерцевая спектроскопия высокого разрешения
  • квантовый каскадный лазер
  • многокомпонентная газовая смесь
  • спектр поглощения
Abstract (in English)

This paper is devoted to using high resolution microwave and terahertz spectroscopy for solving various problems of analytical chemistry, biology, medicine, astrophysics, safety etc. The main types of devices for high resolution terahertz spectroscopy are described. Spectrometers with phase switching and fast frequency sweeping as well as radiation sources based on microwave generators with frequency multiplying, backward wave oscillator, quantum cascade lasers are presented. The two-channel THz spectrometer and combined subTHz-THz-IR spectrometer as a new analytical tool are proposed. Some experimental results of using the high resolution terahertz spectroscopy for various analytical applications are cited. The results of exhaled breath spectroscopic investigations for non-invasive medical diagnostics of diabetes and other diseases, as well as for monitoring the efficiency of radiotherapy on dynamics of NO concentration are presented. The results of studying the THz absorption spectra for gaseous phase of high energy substances and products of their natural and thermal decomposition have been presented. The decomposition products, being potential markers for detecting the high energy substances in atmosphere in real-time mode, have been revealed. The special consideration is given to improving the sensitivity of terahertz spectral analysis. The development of semiconductor technology will allow to achieve a high level for production of the radiation sources and detectors for terahertz spectroscopy. Developing the tiny and easy-to-use devices based on semiconductor electronics being combined radiation sources for different frequency ranges may be a new direction of devices design. This may result in a new analytical method of spectral analysis for fundamental and applied research.

Для цитирования

Вакс В.Л., Домрачева Е.Г., Черняева М.Б. Методы и приборы ТГц спектроскопии высокого разрешения для аналитических приложений // Журнал радиоэлектроники. – 2017. – № 11.

Литература

  1. J. El Haddad, B. Bousquet, et al., Review in terahertz spectral analysis // Trends in Analytical Chemistry, vol.44, pp.98-105, 2013
  2. G. Zhao, R.N. Schouten, et al., Design and performance of a THz emission and detection setup based on a semi-insulating GaAs emitter // Rev.Sci.Instr., vol.73 () pp.1715-1721, 2002.
  3. M.C. Hoffmann, K-L. Yeh, et al., Fiber laser pumped high average power single-cycle terahertz pulse source // Appl.Phys.Lett., vol.93, pp.141107 (1-2). 2008.
  4. J. Ekkers, W.H. Flygare, Pulsed microwave Fourier transform spectrometer // Rev.Sci.Instr., vol.47, pp.448-454, 1976.
  5. T.J. Balle, W.H. Flygare, Fabry Perot cavity pulsed Fourier transform microwave spectrometer with a pulsed nozzle particle source // Rev.Sci.Instr., vol.52, pp.33-45, 1981.
  6. J.C. McGurk, T.G. Schmalz, et al., Fast passage in rotational spectroscopy: Theory and experiment // J.Chem.Phys., vol.60, pp.4181-4188, 1974.
  7. V.V. Khodos, D.A. Ryndyk, et al. Fast passage microwave molecular spectroscopy with frequency sweeping // Eur.Phys.J.Appl.Phys., vol.25, pp.203-208, 2004.
  8. V.L.Vaks, A.B.Brailovsky, V.V.Khodos. Millimeter Range Spectrometer with Phase Switching - Novel Method for Reaching of the Top Sensitivity. // Infrared & Millimeter Waves, V. 20(5), p. 883-896, 1999
  9. Вакс В. Л., Домрачева Е. Г., Никифоров С. Д., Собакинская Е. А., Черняева М. Б. Применение микроволновой нестационарной спектроскопии для неинвазивной медицинской диагностики.// Известия Вузов. Радиофизика, т.51(6), с.490-498, 2008.
  10. S. Mata, I. Peña, et al., A broadband Fourier-transform microwave spectrometer with laser ablation source: The rotational spectrum of nicotinic acid // J.of Mol.Spectroscopy, vol.280, pp.91-96,2012.
  11. J.-U. Grabow, E. Samuel Palmer, et al., Supersonic-jet cryogenic-resonator coaxially oriented beam-resonator arrangement Fourier transform microwave spectrometer // Rev. Sci.Instr., vol.76, pp.093106 (1-11), 2005.
  12. http://vadiodes.com/index.php/en/
  13. E. Gerecht, K.O. Douglass, et al., Chirped-pulse terahertz spectroscopy for broadband trace gas sensing // Opt.Express, vol.19, pp.8973-8984, 2011.
  14. J.L. Neill, B.J. Harris, et al., Pure rotational spectrometers for trace-level VOC detection and chemical sensing // Next-Generation Spectroscopic Technology Proc. of SPIE, vol.9101, pp.91010B (1-9), 2014.
  15. G. Cazzoli, C. Puzzarini, et al., Pressure-broadening in the THz frequency region: the 1.113 THz line of Water // J.Quant.Spectrosc.Radiat.Transf., vol.109, pp.1563-1574, 2008.
  16. V.L. Vaks, A.N. Panin, et al., Nonstationary spectroscopy of the 1-2.5 THz frequency band with the use of solid-state devices // Radiophysics and Quant. Electronics, vol.52, pp.511-517, 2009
  17. V. Vaks, High-Precise Spectrometry of the Terahertz Frequency Range: The Methods, Approaches and Applications // J. of Infrared, Millimeter and Terahertz Waves, vol.33, pp.43-53, 2012.
  18. H. Yuan, X. Ge, et al., Terahertz Wave Two-dimensional Transmission Imaging with a Backward Wave Oscillator // Proceed. of SPIE, vol.7158, pp.71580T(1-5), 2009.
  19. L.H. Coudert, S.P. Belov, et al., Submillimeter spectrum and analysis of vibrational and hyperfine coupling effects in (HI)2 // Chem.Phys.Lett., vol.482, pp.180-188, 2009.
  20. V. Vaks, E. Domracheva, et al., Sub-THz Spectroscopy for Security Related Gas Detection, Chapter 24 in: M.F. Pereira, O. Shulika (Eds.), TeraMIR: Detection of Explosives and CBRN (Using Terahertz), NATO Science for Peace and Security Series B: Physics and Biophysics - Springer Science Business Media Dordrecht - 2014, pp. 189-196.
  21. A.A.Yablokov, V.A.Anfertev, et al., Two-Frequency THz Spectroscopy for Analytical and Dynamical Research // IEEE Trans. on Terahertz Science and Technology, vol.5, pp.845 - 851, 2015
  22. В.Л.Вакс, Е.Г.Домрачева, и др., Анализ выдыхаемого воздуха: физические методы, приборы и медицинская диагностика // Успехи физических наук, т.184, № 7, с. 739-758, 2014
  23. E.Peytavit, S.Lepilliet, et al., Milliwatt-level output power in the sub-terahertz range generated by photomixing in a GaAs photoconductor // Appl.Phys.Lett., vol.99, pp.223508 (1-3), 2011.
  24. S.Eliet, M.-A.Martin, et al., Doppler limited rotational transitions of OH and SH radicals measured by continuous-wave terahertz photomixing // J. of Molec.Struct., vol.1006, pp.13-19, 2011.
  25. Belkin, M. et al.: Room temperature terahertz quantum cascade laser source based on intracavity difference-frequency generation. Appl. Phys. Lett., 92, 201101 (2008)
  26. Hayton, D. J. et al.: Phase locking of a 3.4 THz third-order distributed feedback quantum cascade laser using a room-temperature superlattice harmonic mixer. Appl. Phys. Lett., 103, 051115 (2013)
  27. V.L.Vaks, E.Domracheva, E.Sobakinskaya, M.Chernyaeva Upgrading the sensitivity of spectroscopy gas analysis with application of supersonic molecular beams // Journal of Applied Physics, 2012, Vol. 111, p. 074903(1-6).
  28. V.Vaks. Multichannel subTHz-THz-IR spectroscopy with using quantum-cascade lasers for analytical applications// The 25th International Conference on Advanced Laser Technologies [ALT'17], Busan, Korea, Book of abstracts, p.2, 2017
  29. G. Cazzoli, C. Puzzarini, The rotational spectrum of hydrogen sulfide: The H233S and H232S isotopologues // J. of Molec.Spectr., vol.298, pp.31-37, 2014.
  30. B.J. Drouin, S. Yu, et al., Terahertz spectroscopy for space applications: 2.5-2.7 THz spectra of HD, H2O and NH3 // J. of Molec.Struct., vol.1006, pp.2-12, 2011.
  31. C. Cabezas, S. Mata, et al., LA-MB-FTMW spectroscopy of AlCCH and AgCCH with a discharge source // J. of Molec.Spectr., vol.278, pp.31-34, 2012.
  32. I. Haykal, L. Margulès, et al., The cm-, mm-, and sub-mm-wave Spectrum of Allyl Isocyanide and Radioastronomical Observations in Orion KL and the SgrB2 Line Surveys // The Astrophys.Journal, vol.777, p.120, 2013.
  33. H. Møllendal, L. Margules, et al., Rotational spectrum of a chiral amino acid precursor, 2-aminopropionitrile, and searches for it in Sagittarius B2(N) // A&A, vol.538, pp.A51 (1-14), 2012. doi: 10.1051/0004-6361/201116838
  34. C. Puzzarini, A. Ali, et al., Accurate spectroscopic characterization of protonated oxirane: a potential prebiotic species in Titan's atmosphere // The Astrophys. Journal, vol.792, p.118, 2014.
  35. В.Л. Вакс, Е.Г. Домрачева, и др., Применение методов и средств нестационарной спектроскопии субТГц и ТГц диапазонов частот для неинвазивной медицинской диагностики. // Оптический журнал, Т.79, с.9-14, 2012.
  36. V.L.Vaks, E.G.Domracheva, et al., Multifrequency high precise subTHz-THz-IR spectroscopy for exhaled breath research // Terahertz Emitters, Receivers, and Applications VII, Proc.of SPIE, vol. 9934, p.99340E, 2016.
  37. В.Л.Вакс, Е.Г.Домрачева, и др., Нестационарная ТГц спектроскопия высокого разрешения для решения медико-биологических задач // Журнал радиоэлектроники, 2014, №1, с. 1-14 http://jre.cplire.ru/jre/jan14/15/text.pdf
  38. http://www.sron.nl/stratosphere
  39. V P Koshelets, A B Ermakov, et. al., Superconducting integrated terahertz receivers // Journal of Physics: Conference Series 486 (2014) 012026 (1-2)
  40. C. He, W. Dong, S. Jingling. Study of atmospheric pollution using terahertz wave // Infrared, Millimeter Wave, and Terahertz Technologies, Proc.of SPIE, vol.7854, p.78542J (1-10)
  41. R.R.Bousquet, P.M.Chu, et al., Trends in microwave spectroscopy for the detection of chemical agents // Sensors Journal, IEEE, vol.5, pp.656-664, 2005.
  42. A. Cuisset, I. Smirnova, et al., Gas phase THz spectroscopy of toxic agent simulant compounds using the AILES synchrotron beamline // AIP Conf. Proc., 2009, vol.1214, pp.85-87, 2010.
  43. В.Л.Вакс, Е.Г.Домрачева, и др., Анализ продуктов распада люизита с использованием метода субтерагерцовой спектроскопии // Оптика атмосферы и океана, т. 25, с. 659-662, 2012.
  44. V.L.Vaks, E.G.Domracheva, et al., Methods and approaches of high resolution spectroscopy for analytical applications //Opt.Quant.Electron., vol.49, p.239, 2017.