НАУКА И ТЕХНИКА, А ЧТО ДАЛЬШЕ?

В центре перспективных материалов Университета штата Мэриленд создан первый детектор, регистрирующий широкий спектр ЭМИ при комнатной температуре. Терагерцовое излучение он регистрирует на восемь-девять порядков быстрее традиционных установок, зачастую требующих охлаждения до 3 – 4 K. Поэтому разработчики видят его основную область применения в создании терагерцовых сканеров нового поколения. Такие установки используются для медицинской диагностики, а также при досмотре людей и багажа.

В детекторе используется фототермоэлектрический эффект, возникающий в графене. У графена максимальная подвижность носителей заряда среди всех известных материалов. Описывая движение электронов, соавтор исследования профессор Деннис Дрю (Dennis Drew) поясняет, что в графене «они остаются «горячими», в то время как атомная решётка остаётся «холодной»».

Перемещаясь между узлами атомной решётки графена электроны достигают одного из двух металлических электродов. Под воздействием внешнего ЭМИ на один из них они попадают чаще, чем на другой. Именно эта асимметрия распределения и создаёт электрический сигнал, соответствующий уровню зарегистрированного терагерцового излучения. Используя графеновый детектор можно определить количество отражённого излучения и оцифровать результат, превратив его в изображение структуры сканируемого объекта.

Прототип графенового детектора (изображение: Thomas Murphy).

Работа по созданию детектора ЭМИ на базе графена выполнялась в сотрудничестве с исследователями из Университета Монаша (Австралия) и Научно-исследовательской лаборатории ВМФ США. Интерес последней организации вполне понятен. В отличие от рентгеновского, терагерцовое излучение относится к неионизирующему. Это позволяет применять его повсеместно без риска оказать негативное воздействие на чувствительное оборудование и здоровье людей.

На спектре ЭМИ терагерцовое излучение располагается между ИК и СВЧ областью. Оно
легко проникает сквозь одежду и кожу человека, но отражается от плотных объектов (металл, костная ткань) и поглощается жидкостями. Благодаря этому врач может легко определить повреждения надкостницы, оценить состояние сосудов и мышц без лишнего облучения пациентов. Вместо рентгеновского аппарата часто можно использовать терагерцовые томографы, чем и пользуются в современной (военной) медицине.

Т-лучи применяются и в других областях: они помогают археологам проводить неразрушающие исследования ветхих артефактов, искусствоведам – определять подлинность картин и находить скрытые под слоем краски надписи, дефектоскопистам – проводить анализ образцов и выявлять мельчайшие аномалии структуры материала.

С их же помощью сотрудники службы безопасности выявляют спрятанное под одеждой оружие и спиртные напитки у пассажиров и посетителей.

Последние два направления представляют большой интерес для ВМФ. Проблема в том, что существующие сканеры для слишком дороги и громоздки. Более того, как показало недавнее исследование, их довольно просто обмануть.

Слева: пистолет калибра 9×17 мм примотан липкой лентой над коленом. Справа: тот же пистолет пришит к штанине. В обоих случаях он не отображается на Т-сканере.(изображение: radsec.org).

По результатам независимых тестов стало очевидно, что у существующих версий сканеров есть проблемы с интерпретацией сигнала. При том, что сам детектор корректно фиксирует различный уровень отражения Т-лучей, программа огрубляет картинку и показывает скрытые за слоем пластика металлические предметы как часть тела человека. Это происходит в том числе потому, что в своё время правозащитники настояли на модификации софта таким образом, чтобы с его помощью нельзя было получить узнаваемые изображения людей в обнажённом виде.

Слева направо: фотография девушки, её изображение в терагерцовом спектре и оно же после инвертирования цветов с минимальной обработкой (изображение: freedom-school.com).

Поэтому Управление транспортной безопасности США недавно демонтировало уязвимые сканеры производства Rapiscan и L-3 Communications, отправив их изготовителю на доработку. Однако старые версии сканеров до сих пор используются в других государственных учреждениях и частных охранных агентствах, создавая иллюзию досмотра.

Новые сканеры на базе графеновых детекторов можно сделать в разы компактнее, быстрее и чувствительнее. По словам соавтора исследования Майкла Фюрера (Michael Fuhrer), их можно даже использовать в очках и шлемах дополненной реальности, или вместо приборов ночного видения. Другим перспективным направлением станут исследования химических реакций, где с помощью Т-лучей смогут регистрировать быстрые движения молекул и образование существующих доли секунды промежуточных соединений.