Терагерцовые технологии: к производству готовы

Благодаря ряду разработок, системы, основанные на терагерцовых технологиях готовы к производству и к созданию значительных новых рынков в течение десяти лет. В исследовании рынка, недавно опубликованном Thintri, Inc, выделяют значительные коммерческие возможности в терагерцовых технологиях. Из многих потенциальных приложений терагерцового излучения, потенциально наиболее перспективным является производство.

Терагерцовая часть электромагнитного спектра определена нечетко, но в основном находится между инфракрасным и микроволновым излучением, как правило, от 300 ГГц до 10 ТГц.

Терагерцовое излучение является весьма важным инструментом в астрономии, учитывая, что примерно половина полной светимости Вселенной и 98% светимости фотонов, излученных в истории Вселенной, лежат в терагерцовой части спектра, и что терагерцовые волны не рассеиваются в газовых облаках в пространстве.

Терагерцовые волны отражаются от металлических поверхностей и поглощается водой, они остаются непрозрачными для терагерцовых сигналов. Однако, большинство других материалов в разной степени прозрачны для терагерцового излучения. Терагерцовые системы могут обеспечить получение изображений и спектроскопических данных (возможно, за одно измерение), а также данные, которые могут быть применены для измерений покрытий или толщины тонких слоев, даже в многослойных структурах.

Многочисленные технические прорывы в области фотоники, электроники и нанотехнологий, которые произошли с начала 1990-х годов, привели терагерцовые технологии на значительные коммерческие рынки, такие как безопасность, связь, неразрушающий контроль, медицина и электроника. Массовость и простота использования долгое время были проблемами терагерцовых технологий. Но недавно разработанные системы, которые легко использовать в качестве осциллографа, и некоторые из них настолько малы и надежны, что могут быть доставлены по почте.

В то время как продолжается развитие компонентов систем, внимание смещается на разработку практических приложений, в которых уже можно воспользоваться чрезвычайной универсальностью терагерцового излучения. Действительно, развитие технологий практического применения в настоящее время является основным препятствием на пути создания значительных рынков для терагерцовых систем в перспективных производствах.

Терагерцовые технологии распространяются на удивительно широкий спектр применения:

Производство: в режиме реального времени, на месте управления технологическими процессами, контроль продукции и оценка качества материалов;
Питание: контроль пищевых продуктов, определение содержания воды в пище;
Биомедицина: маммография, томография костей, эндоскопия, медицинская диагностика, выявление рака кожи и других заболеваний, выявления наркотиков или других веществ в крови, генетическое секвенирование;
Безопасность и оборона: обнаружение скрытого оружия и взрывчатых веществ; оценка биологических угроз; досмотра пассажиров воздушного транспорта; обнаружение контрабанды в багаже и контейнерах; проверка или чтение закрытой почты;
Визуализация: визуализация содержимого пакетов, запечатанных документов или закрытых книг, поиск полезных ископаемых или нефти;
Наука: зондирование окружающей среды, обнаружения загрязнений, диагностика плазмы, химия и биохимия
и многое другое

Основным преимуществом терагерцового излучения является его способность проникать в очень широкий спектр материалов. Оно было использовано для получения изображений через гипсокартон, чтобы обнаружить шпильки и электропроводку, для обеспечения качества таблеток внутри закрытой бутылки, не нарушая содержимого; для измерения содержания влаги в упакованных сигаретах; для получения изображений сквозь пластик, бумагу, картон и ткани.

Универсальность терагерцового излучения открывает широкие возможности в контроле и оценке материалов и изделий во время и после производства, для обеспечения стандартов качества и технических характеристик. Контроль может быть направлен на готовые (и даже упакованные) изделия или материалы, или на промежуточной или конечной стадии производства. Есть много материалов, которые не поддаются проверке с помощью терагерцового излучения, но огромное количество может быть проверено.

Контроль фармацевтической продукции (в первую очередь таблеток) является одним из перспективных приложений для терагерцовых систем, во многом потому, что коммерциализация уже начата.

Для миллиардов лекарственных средств, производимых ежегодно, качество является важным фактором, потому что как эффективность, так и безопасность, могут быть нарушены вследствие неправильной концентрации или даже распределения внутри таблетки. Таблетки, как правило, почти прозрачны в терагерцовом диапазоне частот, что делает их идеальными кандидатами для терагерцевого сканирования, в то время как излучение других частотных диапазонов, будет либо полностью отражаться или поглощаться, либо проходить насквозь без взаимодействия. Длины волн терагерцового излучения также обеспечивают необходимое разрешение для определения покрытий таблеток. Терагерцовые технологии могут обеспечить получение трехмерных химических и структурных изображений таблеток, не разрушая их, даже после упаковки таблеток.

Дефекты обработки также могут быть обнаружены. Например, поглощение терагерцовой части спектра некоторых общих фармацевтических препаратов значительно изменяется после того, как образец проходит термическую обработку, что в инфракрасном спектре остается практически неизменным при тех же обстоятельствах.

Польза терагерцовых технологий в области фармацевтики является презентацией их широких возможностей. Многие потенциальные реальные приложения, такие как определение толщины и равномерности изоляционного покрытия проводов, обнаружение ржавчины под слоями краски или нахождение трещин в пластмассовых деталях, не так широко освещалась, но они требуются в отраслях с большим объемом продукции.

Терагерцовые системы исследуются для многих приложений в оценке материалов, в том числе полупроводников, солнечных элементов, композитных материалов, полимерных пленок, диэлектрических пленок и других. Применение таких систем в полупроводниковой промышленности является особенно привлекательным, учитывая большой потенциальный рынок. Терагерцовые системы хорошо подходят для оценки эпитаксиальных пластин и соединений в упакованных чипах, где объемы рынка могут быть существенными.

Контроль конечной продукции, безусловно, является потенциально высоко значимым применением для терагерцовых систем, но контроль материалов на промежуточных стадиях изготовления или, может быть так важно, как проверка более сложной готовой продукции. Выявление дефектов, таких как трещины и неоднородности в материалах, особенно задачи визуализации, является естественным применением для терагерцовых систем.

Терагерцовые системы подходят для проверки материалов, обработка которых еще не закончена. Например, были продемонстрированы измерения толщины мокрой краски с использованием терагерцового излучения. Пустоты в керамике были обнаружены до того, как материал остыл после термической обработки, что позволяет избежать необходимости ждать больше часа для охлаждения перед настройкой параметров процесса для предотвращения пустот, что необходимо для других методов, таких как ультразвуковое изображение. Исследование также дало многообещающие результаты в выявлении растворителей и других химических примесей в керамической матрице.

Контроль процессов обработки, контроль продукции, оценка материалов и связанные с ними процессы, являются, вероятно, наиболее перспективными из новых применений терагерцовых систем. Этот сектор существенно возрастет, даже в худшем случае при относительно медленном техническом прогрессе. Терагерцовые технологии могут решать очень реальные и конкретные задачи в производстве, и предлагают во многих случаях уникальные возможности.