ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2025, № 11 · БИОМЕДИЦИНСКАЯ РАДИОЭЛЕКТРОНИКА

Спектрометр высокого разрешения диапазона 75-110 ГГц для исследования многокомпонентных газовых смесей

В.Л. Вакс1, В.А. Анфертьев1, Е.Г. Домрачева1, С.И. Приползин1, М.Б. Черняева1,2, А.А. Яблоков1, А.С. Черняева1

1 Институт физики микроструктур Российской академии наук, Нижний Новгород, Россия
2 Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, Нижний Новгород, Россия
Полный текст DOI: 10.30898/1684-1719.2025.11.45 УДК 537.86.029 EDN LFPJGC

Аннотация

Использование измерений в нескольких диапазонах приводит к повышению достоверности определения веществ в составах многокомпонентных газовых смесей различного происхождения (детектирование вещества в нескольких диапазонах достоверно подтверждает наличие его в исследуемой смеси), что актуально для различных приложений, в том числе актуальных для медицинской диагностики и контроля лечения метаболитов-маркеров заболеваний и патологий. Кроме того, появляется возможность детектирования веществ в более удобном для измерений диапазоне. Целью работы является разработка и реализация нестационарного газового спектрометра диапазона 75-110 ГГц с фазовой манипуляцией воздействующего на газ излучения. Концепция спектрометра основана на использовании коммерчески доступных приборов и узлов. Тестовые измерения проведены на примере ацетонитрила, имеющего сильные линии поглощения в рабочем диапазоне спектрометра. Разработанный и реализованный спектрометр дополняет спектроскопический комплекс, включающий в себя газовые спектрометры высокого разрешения на основе эффекта быстрого свипирования частоты и фазовой манипуляции воздействующего на газ излучения диапазонов частот 18-26 ГГц, 118-175 ГГц, а также вблизи 2 ТГц и 3,78 ТГц. Кроме того, помимо разработанного программного обеспечения для проведения измерений и обработки полученных результатов, написана программа, позволяющая проводить идентификацию экспериментально измеренных линий поглощения с использованием спектроскопических баз данных свободного доступа.

  • спектрометр высокого разрешения
  • субтерагерцовый диапазон частот
  • устройства полупроводниковой электроники
  • многокомпонентная газовая смесь
  • спектр поглощения
Abstract (in English)

High-resolution spectrometer of 75-110 frequency range for study of the multicomponent fas mixtures

The use of measurements in several ranges leads to an increase in the reliability of the determination of substances in the compositions of multicomponent gas mixtures of various origins (detection of a substance in several ranges reliably confirms its presence in the studied mixture), which is relevant for various applications, including those actual for the medical diagnosis and control of the treatment of metabolites-markers of diseases and pathologies. In addition, it becomes possible to detect substances in a more convenient range for measurements. The aim of the work is to develop and implement a non-stationary gas spectrometer in the 75-110 GHz range with phase switching of radiation acting on the gas. The spectrometer concept is based on the use of commercially available devices and components. Test measurements were carried out using the example of acetonitrile, which has strong absorption lines in the operating range of the spectrometer. The developed and realized spectrometer complements the spectroscopic complex, which includes high-resolution gas spectrometers based on the effect of fast frequency swiping and phase manipulation of radiation acting on the gas in the frequency ranges 18-26 GHz, 118-175 GHz, as well as near 2 THz and 3.78 THz. In addition, besides developed software for measuring and processing the results obtained, a program has been written that allows the identification of experimentally measured absorption lines using freely available spectroscopic databases.

Для цитирования

Вакс В.Л., Анфертьев В.А., Домрачева Е.Г., Приползин С.И., Черняева М.Б., Яблоков А.А., Черняева А.С. Спектрометр высокого разрешения диапазона 75-110 ГГц для исследования многокомпонентных газовых смесей // Журнал радиоэлектроники. – 2025. – № 11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.11.45

Литература

  1. Cuisset A. et al. Terahertz rotational spectroscopy of greenhouse gases using long interaction path-lengths //Applied Sciences. - 2021. - Т. 11. - №. 3. - С. 1229. https://doi.org/10.3390/app11031229
  2. Rothbart N., Glück A., Hübers H. W. Terahertz gas spectroscopy applied to medicine and metrology //IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology. - 2024. - Т. 14. - №. 5. - С. 613. https://doi.org/10.1109/TTHZ.2024.3430107
  3. Elmaleh C. et al. THz cavity ring-down quantitative gas phase spectroscopy //Talanta. - 2023. - Т. 253. - С. 124097. https://doi.org/10.1016/j.talanta.2022.124097
  4. JPL Catalog search form. https://spec.jpl.nasa.gov/ftp/pub/catalog/catform.html
  5. Cologne Database for Molecular Spectroscopy. https://cdms.astro.uni-koeln.de/cdms/portal/queryForm
  6. Вакс В.Л. и др. Спектроскопия высокого разрешения терагерцевого частотного диапазона для аналитических приложений //Успехи физических наук. - 2020. - Т. 190. - №. 7. - С. 765-776. https://doi.org/10.3367/UFNr.2019.07.038613
  7. Вакс В.Л. и др. О возможности продвижении метода нестационарной газовой спектроскопии, реализованного путем быстрого свипирования частоты, вверх по ТГц диапазону //Известия высших учебных заведений. Радиофизика. - 2022. - Т. 65. - №. 10. - С. 835-852. https://doi.org/10.52452/00213462_2022_65_10_835
  8. Вакс В.Л. и др. Терагерцовая спектроскопия высокого разрешения для анализа многокомпонентных газовых смесей различного происхождения. //Глава коллективной монографии "Терагерцовая фотоника" (к 300-летию Российской академии наук (РАН)) М.: Издательство РАН. - 2023. - Т. 1. - С. 576. ISBN 978-5-907645-40-0
  9. Sharma N. et al. 85-to-127 GHz CMOS transmitter for rotational spectroscopy // Proceedings of the IEEE 2014 Custom Integrated Circuits Conference. - 2014. - P. 1. ISBN: 978-1-4799-3286-3 https://doi.org/10.1109/CICC.2014.6946140
  10. Zhang J. et al. 85-to-127 GHz CMOS signal generation using a quadrature VCO with passive coupling and broadband harmonic combining for rotational spectroscopy //IEEE Journal of Solid-State Circuits. - 2015. - Т. 50. - №. 6. - С. 1361-1371. https://doi.org/10.1109/JSSC.2015.2416312
  11. Tang A. et al. 95-105 GHz 352 mW all-silicon cavity-coupled pulsed echo rotational spectroscopy system in 65 nm CMOS //IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology. - 2017. - Т. 7. - №. 3. - С. 244-249. https://doi.org/10.1109/TTHZ.2017.2692041
  12. Chitarra O. et al. Rotational and vibrational spectroscopy of 1-cyanoadamantane and 1-isocyanoadamantane //Journal of Molecular Spectroscopy. - 2021. - Т. 378. - С. 111468. https://doi.org/10.1016/j.jms.2021.111468hal-03228610
  13. pycatsearch PyPi. https://pypi.org/project/pycatsearch
  14. QT | Tools for Each Stage of Software Development Lifecycle. https://www.qt.io
  15. pycatsearch-qt PyPi. https://pypi.org/project/pycatsearch-qt