Терагерцовые технологии обнаружения ВВ на основе  квантово-каскадных лазеров: проблемы, подходы, решения

Ш.Ш. Набиев; Вакс В.Л.; Е.Г. Домрачева; Е.А. Собакинская; М.Б. Черняева

doi:10.18321/

Авторы

Ш.Ш. Набиев Российский научный центр «Курчатовский институт», Институт физики микроструктур РАН.
Вакс В.Л. Российский научный центр «Курчатовский институт», Институт физики микроструктур РАН.
Е.Г. Домрачева Российский научный центр «Курчатовский институт», Институт физики микроструктур РАН.
Е.А. Собакинская Российский научный центр «Курчатовский институт», Институт физики микроструктур РАН.
М.Б. Черняева Российский научный центр «Курчатовский институт», Институт физики микроструктур РАН.

DOI:

https://doi.org/10.18321/

Ключевые слова:

лазер, взрывчатое вещество, спектрометр, чувствительность

Аннотация

Представлены рекомендации, которые позволят разработать и создать компактный нестационарный спектрометр ТГц диапазона с высокой чувствительностью и спектральным разрешением детектирования химических агентов и взрывчатых веществ в атмосферном воздухе в режиме on-line. Ожидаемая чувствительность спектрометра позволит регистрировать концентрации целого ряда газов на уровне 1÷0,1 ppb. Показано, что ТГц спектрометр по своим возможностям может стать первым в ряду нового поколения высокочувствительных газовых анализаторов, которые обычно используются для контроля атмосферного воздуха вблизи и внутри важных и стратегических объектов.

Библиографические ссылки

(1) Terahertz Frequency Detection and Identification of Materials and Objects. NATO Science for Peace and Security Series B: Physics and Biophysics / Eds. R.E. Miles, X.C. Zhang, H. Eisele, A. Krotkus. — Berlin–Heidelberg: Springer, 2007. — 364 p.

(2) Terahertz Science and Technology for Military and Security Applications. Selected Topics in Electronics and Systems / Eds. D.L. Woolard, J.O. Jensen, R. Hwu, M.S. Shur. — New York–London: World Scientific Publ. Comp., 2007. — 260 p.

(3) Ueno Y., Ajito K. Analytical Terahertz Spectroscopy // Analytical Sciences. — 2008. — Vol. 24. — P. 185–192.

(4) He Zhihong, Ren Xia, Yang Yang, Luo X., Wang P. Study of optimal gas pressure in optically pumped D₂O gas terahertz laser // Proc. SPIE: Terahertz Photonics. — 2007. — Vol. 6840. — P. 684004.

(5) Vaks V.L., Pripolsin S.I., Panin A.N. et al. Fast sweep solid state spectrometer for sub-THz and THz frequency ranges // Proc. Int. Conf. IRMMW-THz. — California Institute of Technology (Pasadena, USA), 2008. — P. 1627.

(6) Madey J. Spontaneous emission of bremsstrahlung in a periodic magnetic field // J. Appl. Phys. — 1971. — Vol. 42. — P. 906–1913.

(7) Belkin M., Capasso F., Xie F. Room temperature terahertz quantum cascade laser source based on intracavity difference-frequency generation // Appl. Phys. Lett. — 2008. — Vol. 92. — P. 201101(1)–201101(3).

(8) Hoffmann M.C., Yeh K.-L., Hwang H.Y., Sosnowski T.S. Fiber laser pumped high average power single-cycle terahertz pulse source // Appl. Phys. Lett. — 2008. — Vol. 93. — P. 141107(1)–141107(3).

(9) Алфёров Ж.И. История и будущее полупроводниковых гетероструктур // Физика и техника полупроводников. — 1998. — Т. 32. — С. 3–18.

(10) Ye Z., Campbell J.C., Chen Z. et al. Voltage-controllable multiwavelength InAs quantum dot infrared photodetectors for mid- and far-infrared detection // J. Appl. Phys. — 2002. — Vol. 92, № 7. — P. 4141–4143.

(11) Kawano Y., Fuse T., Toyokawa S. et al. Terahertz photon-assisted tunneling in carbon nanotube quantum dots // J. Appl. Phys. — 2008. — Vol. 103. — P. 034307(1)–034307(4).

(12) Astafiev O., Komiyama S., Kutsuwa T. Single-photon detector in the microwave range // Appl. Phys. Lett. — 2002. — Vol. 80. — P. 4250–4252.

(13) Liu H.-B., Zhang X.-C. Terahertz Spectroscopy for Explosive, Pharmaceutical, and Biological Sensing Applications // Terahertz Frequency Detection and Identification of Materials and Objects. — Springer, 2007. — P. 251–323.

(14) Liu H.-B., Chen Y., Bastians G.J., Zhang X.-C. Detection and identification of explosive RDX by THz diffuse reflection spectroscopy // Opt. Express. — 2006. — Vol. 14. — P. 415–423.

(15) Zhong H., Redo A., Chen Y., Zhang X.-C. THz wave stand-off detection of explosive materials // Proc. SPIE: Terahertz for Military and Security Applications IV. — 2006. — Vol. 6212. — P. 62120L.

(16) Hubers H.W., Semenov A.D., Richter H., Böttger U. Terahertz imaging system for stand-off detection of threats // Proc. SPIE: Terahertz for Military and Security Applications V. — 2007. — Vol. 6549. — P. 65490A.

(17) Allis D.G., Prokhorova D.A., Korter T.M. Solid-state modeling of the terahertz spectrum of the high explosive HMX // J. Phys. Chem. A. — 2006. — Vol. 110. — P. 1951–1956.

(18) Вакс В.Л., Володин А.В., Набиев Ш.Ш. и др. Спектроскопия терагерцового диапазона: возможности и перспективы противодействия террористической угрозе. Ч. 1 // Наука и технологии в промышленности. — 2009. — № 29. — С. 45–53.

(19) Вакс В.Л., Володин А.В., Набиев Ш.Ш. и др. Спектроскопия терагерцового диапазона: возможности и перспективы противодействия террористической угрозе. Ч. 2 // Наука и технологии в промышленности. — 2009. — № 3. — С. 32–44.

(20) Вакс В.Л., Володин А.В., Набиев Ш.Ш. и др. Обнаружение и идентификация ВВ методами терагерцовой спектроскопии // Вопросы оборонной техники. Сер. 16: Технические средства противодействия терроризму. — 2009. — Вып. 11–12. — С. 23–37.

Williams B. Terahertz quantum-cascade lasers // Nature Photonics. — 2007. — Vol. 1. — P. 517–525.

(21) Гольцман Г.Н., Лудков Д.Н. Сверхпроводниковые смесители на горячих электронах терагерцового диапазона и их применение в радиоастрономии // Изв. вузов. Радиофизика. — 2003. — Т. 46, № 8–9. — С. 671–686.

(22) Chen J., Kang L., Jin B.B. et al. Properties of terahertz superconducting hot electron bolometer mixers // Terahertz Science and Technology. — 2008. — Vol. 1, № 1. — P. 37–41.

(23) Григорьев Г.Ю., Каретников М.Д., Набиев Ш.Ш. и др. Комбинированная система для обнаружения и идентификации взрывчатых веществ и взрывных устройств // Вопросы оборонной техники. Сер. 16: Технические средства противодействия терроризму. — 2008. — Вып. 7–8. — С. 33–42.

(24) Григорьев Г.Ю., Карапузиков А.И., Набиев Ш.Ш. и др. Комплексная лазерно-оптическая система обнаружения и идентификации ВВ в открытой атмосфере // Вопросы оборонной техники. Сер. 16: Технические средства противодействия терроризму. — 2009. — Вып. 1–2. — С. 86–96.

(25) Existing and Potential Standoff Explosives Detection Techniques. — Committee of the Review Existing and Potential Standoff Explosives Detection Techniques. — Washington: National Academic Science, 2004. — 149 p. — URL: http://www.nap.edu

(26) Counterterrorist Detection Techniques of Explosives / Ed. J. Yinon. — New York: Elsevier, 2007. — 454 p.

(27) Gruznov V.M., Baldin M.N., Filonenko V.G. High-speed gas analysis for explosives detection // NATO Science Series II: Mathematics, Physics and Chemistry. — 2004. — Vol. 167. — P. 87–99.

(28) Конвенция о маркировке пластических взрывчатых веществ в целях их обнаружения. — URL: http://www.un.org/russian/documen/convents/markconv.htm

(29) Containing the Threat from Illegal Bombings: An Integrated National Strategy for Marking, Tagging, Rendering Inert, and Licensing Explosives and Their Precursors. — Committee on Marking, Rendering Inert, and Licensing of Explosive Materials, National Research Council. — New York: National Academy Science, 1998. — 384 p.

(30) Cutler D.P., Brown A.K. Investigation into an explosion and fire in a mononitrotoluene manufacturing plant // J. of Hazardous Materials. — 1996. — Vol. 46, № 2–3. — P. 169–183.

(32) Jones D.E.G., Lightfoot P.D., Fouchard R.C., Kwok Q.S.M. Thermal properties of DMNB, a detection agent for explosives // Thermochim. Acta. — 2002. — Vol. 388, № 1–2. — P. 159–173.

(33) Method and Apparatus for Detecting Explosives. — US Patent № 20090309016. — Publ. Date: 17.12.2009.

(34) Руденко А.Б. Хроматография опасных веществ при террористических актах, авариях и катастрофах // Российский химический журнал. — 2005. — Т. XLIX, № 4. — С. 125–131.

(35) Morrison R.D. The forensic detection of explosives in the subsurface // Environmental Claims Journal. — 2002. — Vol. 14, № 3. — P. 351–367.

(36) Mostak P., Stancl M., Preussler V. Consideration of some aspects of marking plastic explosive Semtex // Adv. Anal. Detect. Explos.: Proc. 4th Intern. Symp. Anal. Detect. Explos. / Ed. J. Yinon. — Jerusalem; Dordrecht: Kluwer Acad. Publ., 1992. — P. 429–436.

(37) Horacek M., Mostak P., Stancl M. Detection of plastic explosives // Proc. of the Annual Conf. of Explosive Blasting Technology. — 2001. — Vol. 27. — P. 257–283.

(38) Вакс В.Л., Володин А.В., Набиев Ш.Ш. и др. Исследование состава паров ВВ методами субтерагерцовой и инфракрасной Фурье-спектроскопии // Вопросы оборонной техники. Сер. 16: Технические средства противодействия терроризму. — 2009. — Вып. 11–12. — С. 78–90.

(39) Vaks V.L., Brailovsky A.B., Khodos V.V. Millimeter range spectrometer with phase switching – novel method for reaching of the top sensitivity // Infrared and Millimeter Waves. — 1999. — Vol. 20, № 5. — P. 883–896.

(40) Solid-State Mid-Infrared Laser Sources. Series: Topics in Applied Physics. Vol. 89 / Eds. I.T. Sorokina, K.L. Vodopyanov. — Berlin–Heidelberg: Springer, 2003. — 558 p.

(41) Yu N., Fan J., Wang Q., Edamura T. et al. Small-divergence semiconductor lasers by plasmonic collimation // Nature Photonics. — 2008. — Vol. 2. — P. 564–570.

(42) Maineult W., Gellie P., Andronico A. et al. Metal–metal terahertz quantum cascade laser with micro-transverse-electromagnetic-horn antenna // Appl. Phys. Lett. — 2008. — Vol. 93. — P. 183508(1)–183508(3).

(43) Orlova E.E., Hovenier J.N., Klaassen T.O. et al. Antenna model for wire lasers // Phys. Rev. Lett. — 2006. — Vol. 96. — P. 173904(1)–173904(4).

(44) Barkan A., Tittel F.K., Mittleman D.M., Dengler R. et al. Linewidth and tuning characteristics of terahertz quantum cascade lasers // Optics Letters. — 2004. — Vol. 29, № 6. — P. 575–577.

(45) Walther C., Fischer M., Scalari G., Terazzi R. et al. Quantum cascade lasers operating from 1.2 to 1.6 THz // Appl. Phys. Lett. — 2007. — Vol. 91. — P. 131122(1)–131122(3).

(46) Betz A.L., Boreiko R.T., Williams B.S., Kumar S. et al. Frequency and phase-lock control of a 3 THz quantum cascade laser // Optics Letters. — 2005. — Vol. 30, № 14. — P. 1837–1839.

(47) Barbieri S., Alton J., Beere H.E., Linfield E.H. et al. Heterodyne mixing of two far-infrared quantum cascade lasers by use of a point-contact Schottky diode // Optics Letters. — 2004. — Vol. 29, № 14. — P. 1632–1634.

(48) Hovenier J.N., Adam A.J.L., Kasalynas I., Gao J.R. et al. Phase-locking on the beat signal of a two-mode 2.7 terahertz metal–metal quantum cascade laser // Proc. IEEE/LEOS Benelux Chapter Symposium. — Eindhoven, 2006. — P. 125.

(49) Kumar S., Hu Q., Reno J.L. 186 K operation of terahertz quantum-cascade lasers based on a diagonal design // Appl. Phys. Lett. — 2009. — Vol. 94. — P. 131105(1)–131105(3).

(50) Dieleman P. Fundamental Limitations of THz and Niobium Nitride SIS Mixers. PhD Thesis. — University of Groningen, 1997. — 124 p.

(51) Кошелец В.П., Шитов С.В., Филиппенко Л.В. и др. Сверхпроводниковые интегральные приёмники субмиллиметровых волн // Изв. вузов. Радиофизика. — 2003. — Т. XLVI. — С. 687–701.

(52) Jiang L., Shiba S., Shimbo K., Sugimura M. et al. Development of 0.8 THz and 1.5 THz waveguide NbTiN HEB mixers // Proc. 19th Int. Symp. on Space Terahertz Technology. — Groningen, 2008. — P. 54–57.

(53) Khosropanah P., Gao J.R., Laauwen W.M. et al. Low noise NbN hot electron bolometer mixer at 4.3 THz // Appl. Phys. Lett. — 2007. — Vol. 91. — P. 221111(1)–221111(3).

(54) Khosropanah P., Zhang W., Hovenier J.N., Gao J.R. et al. 3.4 THz heterodyne receiver using a hot electron bolometer and a distributed feedback quantum cascade laser // J. Appl. Phys. — 2008. — Vol. 104. — P. 113106(1)–113106(6).

(55) Richter H., Semenov A.D., Pavlov S.G. et al. Terahertz heterodyne receiver with quantum cascade laser and hot electron bolometer mixer in a pulse tube cooler // Appl. Phys. Lett. — 2008. — Vol. 93. — P. 141108(1)–141108(3).