مقاله

تراهرتز چیست؟ به زبان ساده

در این آموزش، با امواج تراهرتز آشنا می‌شویم.

طیف تراهرتز چیست؟

موج «تراهرتز» (Terahertz) یا به اختصار THz به طور کلی به عنوان ناحیه طیف الکترومغناطیسی در محدوده 100 گیگاهرتز (3 میلی‌متر) تا 10 تراهرتز (۳۰ میکرومتر) تعریف می‌شود که بین فرکانس‌های میلی‌متر و مادون قرمز است. باند THz با نام‌های مختلفی از جمله موج زیرمیلی‌متر (Sub-millimeter)، «مادون قرمز دور» (Far Infrared) و «میلی‌متر نزدیک» (Near-millimeters) نیز خوانده می‌شود.

در یک تراهرتز سیگنال تابشی دارای مشخصات زیر است:

علاوه بر این، دمای آن برابر با hf/kB = 48 K است که در آن، h ثابت پلانک (34-10 × ۶٫۶۲۶۰۷۰۰۴ ژول در ثانیه)، f فرکانس برحسب هرتز و kB ثابت بولتزمن (23-10 × 1٫380649 ژول بر کلوین) است.

باند THz در طیف الکترومغناطیسی در شکل 1 نشان داده شده است.

‌نمودار شماتیک نشان دهنده موقعیت باند تراهرتز در طیف الکترومغناطیسی
شکل 1: ‌نمودار شماتیک نشان دهنده موقعیت باند تراهرتز در طیف الکترومغناطیسی

این بخش از طیف الکترومغناطیسی در مقایسه با ناحیه‌های همسایه (باند مایکروویو و نوری) کمتر مورد بررسی قرار گرفته است.

به همین دلیل است که اصطلاح «شکاف تراهرتز» (THz Gap) برای توضیح مراحل رشد این باند در مقایسه با نواحی طیفی همسایه آن که به خوبی توسعه یافته‌اند، استفاده می‌شود. این امر موجب شده محققان در زمینه‌های مختلف (مانند فیزیک، علوم مواد، الکترونیک، اپتیک و شیمی) جنبه‌های مختلف کشف نشده یا کمتر کاوش شده امواج تراهرتز را بررسی کنند.

تراهرتز چیست ؟

معنی تراهرتز چیست

یک تراهرتز 10 12 هرتز یا 1000 گیگاهرتز است. طول موج تابش در باند تراهرتز به ترتیب از 1 میلی متر تا 0.01 میلی متر = 10 میکرومتر متغیر است.

ویژگی‌های امواج تراهرتز

گرچه گرایش به ناحیه THz به دهه 1920 برمی‌گردد، اما مطالعات گسترده فقط در سه دهه گذشته درباره این ناحیه انجام شده است. انگیزه اصلی برای این کار، ویژگی‌های استثنایی این موج و کاربردهای گسترده در محدوده فرکانس THz است.

امواج تراهرتز دارای ویژگی‌های میانی دو باندی هستند که در بین آن‌ها قرار گرفته‌اند. این خصوصیات را می‌توان به صورت زیر خلاصه کرد:

  • نفوذ: طول موج تابش تراهرتز بیشتر از طول موج مادون قرمز است. بنابراین، امواج تراهرتز در مقایسه با مادون قرمز (در محدوده میکرومتر) پراکندگی کمتر و عمق نفوذ بهتری دارند (در محدوده سانتی‌متر). بنابراین، مواد خشک و غیرفلزی در این محدوده شفاف‌اند، اما در طیف مرئی مات هستند.
  • وضوح: امواج تراهرتز در مقایسه با امواج مایکروویو طول موج کوتاه‌تری دارند. این ویژگی وضوح تصویربرداری فضایی بهتری را ارائه می‌دهد.
  • ایمنی: انرژی فوتون در باند تراهرتز بسیار کمتر از پرتو ایکس است. بنابراین، تابش THz غیریونیزه است.
  • اثر انگشت طیفی: حالت‌های بین‌ارتعاشی و درون‌ارتعاشی بسیاری از مولکول‌ها در محدوده تراهرترز قرار دارد.

تراهرتز چقدر است؟

تراهرتز ( THz ) واحد اندازه گیری فرکانس است که برابر با 1 تریلیون هرتز (1012 هرتز) است.

چالش‌های گسترش باند تراهرتز چیست؟

اگرچه باند THz چندین ویژگی جذاب دارد، اما چالش‌های خاصی برای فناوری‌های تراهرتز وجود دارد. دلیل اصلی عدم توسعه زمینه تراهرتز در مقایسه با باندهای همسایه عدم وجود منابع و آشکارسازهای کارآمد، منسجم و فشرده است.

این خصوصیات را می‌توان در منابع متداول فرکانس مایکروویو مانند ترانزیستورها یا آنتن‌های RF/MW و دستگاه‌هایی یافت که در محدوده مرئی و مادون قرمز کار می‌کنند (مانند دیودهای لیزر نیمه‌هادی). با این حال، اتخاذ این فناوری‌ها برای بهره‌برداری در ناحیه THz بدون کاهش قابل توجه توان و کارایی امکان‌پذیر نیست.

در ابتدای دامنه فرکانس تراهرتز، به طور کلی از ادوات الکترونیکی حالت جامد استفاده می‌شود. با این حال، چنین دستگاه‌هایی به دلیل اثرات سلفی-مقاومتی و زمان انتقال طولانی دارای «افت تدریجی» یا «رول آف» $$1/f^2$$ خواهند بود. از طرف دیگر، ادوات نوری مانند لیزرهای دیودی به دلیل کمبود مواد با انرژی «نوار ممنوعه» (Bandgap) کافی، در محدوده تراهرتز عملکرد خوبی ندارند.

چالش دیگر در باند THz تلفات زیاد آن است. امواج تراهرتز در شرایط جوی و محیط مرطوب جذب بالایی دارند. تضعیف جوی در طیف الکترومغناطیسی در شکل 2 نشان داده شده است.

تضعیف در سطح دریا برای شرایط مختلف جوی
شکل 2: تضعیف در سطح دریا برای شرایط مختلف جوی: باران = 4 میلی متر در ساعت؛ مه = 100 متر دید STD = 7٫5 گرم در متر مکعب بخار آب؛ 2 × STD = 15 گرم در متر مکعب بخار آب.

بدیهی است که تضعیف سیگنال در محدوده THz بسیار بیشتر از باند مایکروویو و مادون قرمز است. این تا حدی به این دلیل است که مولکول‌های آب در این محدوده به تشدید می‌رسند.

ویژگی‌های جوی نامطلوب امواج THz آن‌ها را به یک ناحیه با فرکانس کاری مناسب برای دو مورد زیر تبدیل می‌کند:

  • هوافضا: در فضا، محیط تقریباً خلأ است، بنابراین جذب سیگنال و تضعیف آن به دلیل قطرات آب مشکلی ایجاد نمی‌کند. همچنین، امضای طیفی گرد و غبار بین ستاره‌ای در ناحیه تراهرتز واقع شده است. بنابراین، فناوری تراهرتز به طور گسترده‌ای در نجوم رادیویی مانند پرتاب رصدخانه فضایی هرشل توسط آژانس فضایی اروپا مورد استفاده قرار گرفته است.
  • برد کوتاه: برای کاربردهای کوتاه‌برد‌، تضعیف جوی بسیار ناچیز است، به ویژه فرکانس‌های دارای جذب زیاد. این امر، حذف/بازشناسی اثر این خطوط باریک را آسان‌تر می‌کند. از این رو، فناوری تراهرتز ابزاری بسیار کارآمد برای تحقیقات بنیادی در رشته‌های مختلف مانند فیزیک و شیمی است. همچنین، تراهرتز یک گزینه جذاب برای ارتباطات بی‌سیم کوتاه‌برد با سرعت داده بالا است.

سنگ تراهرتز از چه ساخته شده است؟

سنگ تراهرتز ، سنگ معدن تولید با استخراج سیلیس از شن و ماسه و یا کوارتز یک دهه پیش توسط دانشمندان ژاپنی کشف شد به یک تراهرتز فرکانس ارتعاش نهفته است که بین که از مایکروویو و نور مادون قرمز دور در طیف الکترومغناطیسی با فرکانس آن اعم از 0.1 به 30THz .

کاربرد تراهرتز

بنابراین فناوری تصویربرداری تراهرتز و فناوری طیف سنجی تراهرتز دو فناوری اصلی را برای کاربردهای تراهارتز تشکیل می دهند. در عین حال ، از آنجا که انرژی تراهرتز بسیار کم است ، به ماده آسیب نمی رساند ، بنابراین در مقایسه با اشعه ایکس مزایای بیشتری دارد.

فناوری تصویربرداری تراهرتز

مانند سایر فناوری های تصویربرداری باند موج ، فناوری تصویربرداری THz نیز از پرتوهای تراهرتز برای تابش تابش جسم مورد اندازه گیری ، بدست آوردن اطلاعات نمونه از طریق انتقال یا بازتاب جسم و سپس تصویر استفاده می کند. فناوری تصویربرداری تراهرتز را می توان به دو حالت پالس و مداوم تقسیم کرد. مورد اول دارای ویژگی های طیف سنجی حوزه زمانی THz است. در عین حال می تواند تصویربرداری عملکردی از گروه مواد را انجام داده و توزیع ضریب شکست داخل ماده را بدست آورد. به عنوان مثال ، تخمه آفتابگردان می تواند و به راحتی اطلاعات داخلی دانه آفتابگردان را بدست آورد. شکل 4-3 عکس واقعی نمونه دانه آفتابگردان و تصویر انتقال تراهرتز را که با روش مربوطه بازسازی شده است نشان می دهد. به همین ترتیب ، اگر نمونه دندان انسان باشد ، قسمت طبیعی دندان و قسمت آسیب دیده به راحتی متمایز می شوند و دیگر نیازی به تابش اشعه ایکس نیست و هیچ آسیبی اضافی به بدن انسان وارد نمی کند.

کاربردهای موج تراهرتز چیست؟

تابش THz را می‌توان در بسیاری از کاربردها از جمله تصویربرداری تراهرتز، طیف‌سنجی و ارتباطات بی‌سیم استفاده کرد.

تصویربرداری زیست‌پزشکی یکی از زیرمجموعه‌های تصویربرداری THz است. امواج THz می‌توانند تا چند صد میکرومتر در بافت‌های انسان نفوذ کنند. بنابراین، می‌توان از تصویربرداری پزشکی تراهرتز برای تشخیص سطح بدن مانند تشخیص سرطان پوست، دهان و پستان و تصویربرداری از دندان استفاده کرد. همچنین، سیستم‌های THz بازار بالقوه‌ای برای کاربردهای امنیتی، تشخیص مواد منفجره جامد و غربال‌گری نامه دارند. نکته آخر اینکه تصویربرداری THz یک روش مناسب برای بازرسی‌های بسته‌بندی نیمه‌هادی است.

طیف‌سنجی تراهرتز یک تکنیک بسیار قدرتمند برای توصیف خصوصیات مواد و درک امضای آن‌ها در این باند است. طیف‌سنجی THz درک ویژگی‌های جذب در بسیاری از نمونه‌های تک‌بلوری، ریزبلورها و پودر مولکول‌های آلی را افزایش داده است.

شکل 3 نمونه‌ای از نتیجه اندازه‌گیری را برای شناسایی حالت‌های ارتعاشی مولکول‌های «مالتوز» (Maltose) نشان می‌دهد.

طیف ارتعاشی
شکل 3: طیف ارتعاشی اندازه‌گیری مالتوز در یک سیستم طیف‌سنجی حوزه زمانی THz، نمودار بالا سیگنال THz اندازه‌گیری شده را بدون نمونه مالتوز نشان می‌دهد. پیکان‌های زیر نمودار فرکانس‌های ارتعاشی مولکول‌های مالتوز را نشان می‌دهد. ساختار مولکولی مالتوز در شکل نشان داده شده است.

طیف‌سنجی THz در علوم بیوشیمیایی مانند تجزیه و تحلیل امضاهای DNA و ساختارهای پروتئینی کاربرد دارد. کنترل خطی فرایندهای تولید یکی دیگر از کاربردهای بالقوه طیف‌سنجی تراهرتز است که می‌تواند اندازه‌گیری‌های بدون تماس و در زمان واقعی را مهیا کند. به دلیل جذب زیاد آب در فرکانس‌های تراهرتز، می‌توان طیف‌سنجی THz را به طور مثبت دستکاری کرد تا مواد هیدراته را از مواد خشک شده تفکیک کرد. به عنوان مثال، در صنعت کاغذسازی، از طیف‌سنجی THz برای نظارت بر ضخامت و رطوبت کاغذها استفاده شده است.

در برخی کاربردها، مانند آزمایش غیرمخرب، از هر دو تصویربرداری و طیف‌سنجی تراهرتز استفاده می‌شود. به عنوان مثال، تصویربرداری و طیف‌سنجی تراهرتز در تحقیقات تاریخ هنر به تصویربرداری از آثار باستانی، کشف ضخامت لایه‌های مختلف آثار هنری و نشان دادن انواع مواد کمک می‌کند.

شکل 4 یک تصویر قابل مشاهده (سمت چپ) و تصویر تراهرتز از نقاشی را بر اساس طیف یکپارچه بین 0٫5 تا 1 تراهرتز (راست) نشان می‌دهد.

تصویر THz
شکل 4: (الف) عکس قابل مشاهده (ب) تصویر THz در طیف یکپارچه بین 0٫5 تا 1 تراهرتز.

تصویربرداری تراهرتز اطلاعات مربوط به زیرلایه‌های نقاشی را با درجه پیشگامانه جزئیات مربوط به ترتیب ده‌ها میکرون فراهم می‌کند.

علاوه بر این، تصویربرداری تراهرتز و طیف‌سنجی دو روش قوی کمی و کیفی برای بررسی اشکال جامد دوزهای مختلف دارو، پوشش‌های قرص و مواد دارویی فعال هستند. به عنوان مثال، شکل 5 تغییر ضخامت لایه پوشش هشت قرص را با همان زمان در فرایند پوشش در ناحیه THz نشان می‌دهد.

ضخامت پوشش
شکل 5: ضخامت متوسط پوشش هر قرص در برابر زمان پوشش. این ورق نقشه ضخامت پوشش (μm) هشت قرص با همان زمان پوشش 120 دقیقه را نشان می‌دهد. تغییر بزرگ قرص به قرص از ضخامت پوشش واضح است.

آیا آب تراهرتز خطرناک است؟

تولید تشعشعات تراه هرتز از آب “غیرممکن ، ممکن” را ایجاد می کند … بر خلاف اشعه ایکس ، امواج تراهرتز غیر یونیزه هستند – آنها انرژی کافی برای حذف الکترون از یک اتم ندارند – بنابراین اثرات مضر یکسانی ندارند بر روی بافت و DNA انسان.

پتانسیل‌های باند تراهرتز

در اواخر قرن بیستم و دهه اول قرن بیست و یکم، هنگامی که تعداد زیادی پژوهش آزمایشگاهی THz در حال انجام بود، محققان بیشتر روی کاربردهای مختلف بالقوه تراهرتز متمرکز شدند و نتایج بسیار امیدوارکننده‌ای نیز حاصل شده است. در واقع، این نتایج تجربی جالب توجه انگیزه و محرک بسیاری از محققان برای کاوش در حوزه THz و پژوهش آن از جنبه‌های مختلف بود.

با توجه به پیشرفت مداوم در زمینه پژوهش THz در سال‌های اخیر، سیستم‌ها و کاربردهای THz در برخی از کاربردهای تجاری جایگاه خود را پیدا خواهند کرد. با این حال، برای اینکه امواج تراهرتز بتوانند در سناریوهای واقعی به رقابت و غلبه بر سایر فناوری‌ها بپردازند، باید مسائل مختلفی را حل کرد و یا بهبود بخشید. به عنوان مثال، منابع THz با توان بالا و جمع و جور مورد نیاز است، سیستم‌های اندازه‌گیری THz باید کوچک شوند، روش‌هایی برای اسکن پرتو THz سریع‌تر مورد نیاز است و سیستم‌های THz باید هزینه کمتری داشته باشند.

یکی دیگر از زمینه‌های پژوهشی در حال پیشرفت، ارتباطات بی‌سیم THz است. این مورد به طور ویژه مورد تقاضا است، زیرا امکان ارتباطات بی‌سیم پرسرعت بیش از 5G را فراهم می‌کند. بنابراین، مطالعات مختلف برای رسیدن و دستیابی به پتانسیل‌های کامل باند THz ضروری است.

چگونه تراهرتز را تشخیص می دهید؟

برای تشخیص شکل موج کامل تراه هرتز ، لازم است اندازه گیری های مکرر با تاخیر زمانی متغیر بین پالس تراهرتز و پالس لیزر بر روی ردیاب نور رسانا انجام شود.

آب تراهرتز چقدر خوب است؟

فعالیت زیاد آب تراهرتز می تواند به طور قابل توجهی سیستم گردش خون بدن انسان را بهبود بخشد. به طور موثر محتوای آب سلول ها و کارایی ارتباط بین سلول ها را افزایش می دهد. این می تواند سلول ها را فعال و ترمیم کند.

آیا اشعه تراهرتز بی خطر است؟

تراهرتز تابش است غیر یونیزان و نظر گرفته می شود امن برای انسان در قدرت کم است. امواج THz به شدت توسط مولکول های آب جذب می شوند ، که باعث می شود صدها یا حتی ده ها میکرون نفوذ آنها به بافت ها محدود شود. بنابراین ، بافت پوست به دلیل موقعیت سطحی ، هدف ایده آل برای تصویربرداری با استفاده از اشعه THz است .

چه کسی تراهرتز را کشف کرد؟

در سال 2011 ، آلبرت ردو-سانچز و همکارانش کشف فوق العاده ای کردند . آنها با استفاده از فناوری تراهرتز ، اخیراً به مجموعه ای از ابزارهای تصویربرداری که می توانند فراتر از سطح یک نقاشی را ببینند ، امضای نقاشی 1771 ، ایثار به وستا ، توسط نقاش بزرگ فرانسیسکو دو گویا را کشف کردند.تیر 3 ، سال 1395 AP

نوشته های مشابه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *