Регистрация / Вход
Прислать материал

Терагерцовый анализатор газовых смесей на основе туннельных наноструктур для медицинской диагностики и систем безопасности

Докладчик: Кошелец Валерий Павлович

Должность: зав. лабораторией, заведующий лабораторией

Цель проекта:
Основной целью данного проекта является создание и испытание принципиального нового высокочувствительного спектрометра на основе туннельных наноструктур для сверхточного анализа газовых смесей, работающего в ТГц диапазоне частот. Такой спектрометр обладает высокой чувствительностью и компактностью, низким энергопотреблением и представляет большой интерес для двух важных направлений: медицинские исследования и системы безопасности. Перспективным также является использование спектрометра в промышленности и для экологического мониторинга. Значимость решения задач проекта для развития исследований в области неинвазивной медицинской диагностики и создания систем безопасности (включая экологический мониторинг) подтверждается возможностью получения уникального набора параметров, недостижимого при использовании традиционных подходов.

Основные планируемые результаты проекта:
В результате выполнения данного проекта будет разработан спектрометр для высокоэффективного анализа газовых смесей для неинвазивной диагностики заболеваний желудочно-кишечного тракта и дыхательных путей, экологического мониторинга атмосферы с борта высотных аэростатов, а также для выявления опасных (взрывчатых и ядовитых) веществ в системах безопасности. Созданный в процессе выполнения проекта интегральный спектрометр ТГц диапазона должен иметь уникальное сочетание характеристик (частотный диапазон, чувствительность, частотное разрешение) и заметное снижение стоимости по сравнению с традиционными спектрометрами с близкими характеристиками.
Кратко перечислим основные планируемые научно-технические результаты:
• Оптимизирована технология изготовления сверхпроводниковых туннельных наноструктур с рабочими частотами до 1 ТГц; а также технология изготовления интегральных микросхем спектрометра для высокочувствительного исследования газовых смесей и неинвазивной диагностики;
• Проведена разработка, компьютерное моделирование и изготовление микросхемы спектрометра на основе наноструктур для биомедицинских исследований и систем безопасности. Ожидаемые параметры: диапазон входных частот 450 – 700 ГГц, шумовая температура менее 150 К, диапазон выходных частот 4 – 8 ГГц, частотное разрешение лучше 1 МГц;
• Проведена диагностика созданных туннельных наноструктур, измерены основные параметры интегрального спектрометра на их основе. Создана автоматизированная система управления работой интегрального спектрометра для исследований газовой смеси. Разработаны и экспериментально проверены основные алгоритмы управления;
• Создан лабораторный прототип ТГц спектрометра для анализа выдыхаемого воздуха и разработаны методы спектрального анализа многокомпонентных газовых смесей. Апробированы методы обнаружения сложных химических соединений, входящих в состав выдыхаемого воздуха (аммиак, оксид азота, и т.д.) с чувствительностью к маркерам на уровне 0.001-0.01 ppm. Проведены детальные лабораторные измерения различных маркеров для медицинских тестов; определены оптимальные условия для быстрого обнаружения этих веществ.
• Проработана возможность создания криогенной системы замкнутого типа для обеспечения работы ТГц анализатора газовых смесей на основе туннельных наноструктур в клиниках для неинвазивной медицинской диагностики и мобильных системах безопасности.
Все запланированные результаты являются новыми, их получение будет базироваться на принципиально новых подходах и методиках, разработанных участниками проекта.
В результате выполнения проекта будет разработано и экспериментально апробировано семейство сверхпроводниковых интегральных спектрометров с высоким спектральным разрешением для ряда практических применений. По сравнению с разработанными к настоящему времени системами с близкими параметрами предлагаемый ТГц спектрометр имеет значительно больший диапазон входных частот (за счет уникально широкой перестройки частоты сверхпроводникового генератора гетеродина), значительно меньшие габариты и энергопотребление. При массовом производстве микросхема спектрометра будет стоить около 30 000 рублей, в то время как один лишь традиционный генератор того же диапазона на лампе обратной волны с магнитом и высоковольтным блоком питания (или генератор Ганна с умножителем) стоит более 1 миллиона рублей. Стоимость же и габариты криогенного оборудования, необходимого для работы сверхчувствительного СИС-приемника (наиболее чувствительного приемного элемента в этом диапазоне частот), остается одинаковой как в случае внешнего генератора, так и при использовании интегрального криогенного гетеродина (порядка 1 миллиона рублей). Таким образом, ТГц спектрометр позволяет реализовать одновременно уникальное сочетание характеристик (частотный диапазон, чувствительность, частотное (спектральное) разрешение) и заметное снижение стоимости по сравнению с традиционными спектрометрами с близкими характеристиками. Актуальность данного проекта не вызывает сомнения - предлагаемый подход, основанный на создании приборов с уникальными характеристиками за счет использования интегральных наностуктур, находится на переднем крае развития современной науки и полностью соответствует мировым тенденциям.
Предлагаемый проект создание интегрального спектрометр ТГц диапазона на основе туннельных наноструктур, предложенного авторами заявки. Прототип спектрометра был успешно испытан в рамках проекта по мониторингу атмосферы с борта высотного аэростата в диапазоне 500 – 700 ГГц в режиме лимбового сканирования. Все запланированные исследования будут проведены с использованием интегральных схем, изготовленных в ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, где имеется единственный в России технологический комплекс для получения сверхпроводниковых туннельных наностуктур с высокой плотностью тока, что уменьшает возможные риски.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Разрабатываемый в данном проекте прибор и ожидаемые научно-технические результаты будут крайне востребованы и могут быть использованы в следующих областях:
• Медицинская диагностика – анализ выдыхаемого воздуха в ТГц диапазоне, что может стать эффективным неинвазивным диагностическим средством, позволяющим быстро и эффективно выявлять заболевания на ранней стадии развития, а также осуществлять оценку состояния организма пациента в процессе лечения;
• Системы безопасности – выявление в газовой смеси опасных (отравляющих и взрывчатых) веществ, что позволит предотвращать террористические акты и повысит уровень безопасности населения;
• Промышленность – контроль чистоты газов, использующихся в производстве, анализ их примесного состава, контроль процесса очистки газов.
• Экологический мониторинг – исследование и определение химических процессов, происходящих в атмосфере Земли, что может послужить в задачах построения модели атмосферы; регистрация веществ, ответственных за разрушение озонового слоя, определение их концентраций и источников возникновения.
Для анализа многокомпонентных газовых смесей предлагается использовать метод нестационарной спектроскопии в ТГц диапазоне в сочетании с интегральным спектрометром на основе туннельных наноструктур, созданным и успешно испытанным для лимбового зондирования газовых составляющих атмосферы Земли с борта высотного аэростата. Предлагаемый подход позволит реализовать в одном устройстве чувствительность на уровне долей ppm, селективность (частотное разрешение менее 0,5 МГц) и возможностью измерения концентраций исследуемых веществ. Сочетание приведённых выше характеристик (недостижимых при использовании других, известных к настоящему времени подходов) позволит создать прибор для анализа выдыхаемого воздуха в клинических условиях и неинвазивной медицинской диагностики с уникальным набором параметров. Следует отметить, что на разработку интегрального приемника были получены четыре патента РФ. Применение радиофизических методов, дающих сверхвысокое спектральное разрешение, позволяет однозначно идентифицировать любой из известных маркеров и разделять близкорасположенные спектральные линии поглощения различных веществ. Предельная чувствительность интегрального спектрометра ограничена только квантовыми эффектами, что дает возможность проводить анализ ничтожно малого количества исследуемого вещества. Сверхчувствительные спектрометры высокого разрешения позволят проводить одновременно диагностику целого ряда заболеваний, что крайне важно для проведения скрининговых исследований.
Разрабатываемые приборы для неинвазивной диагностики и систем безопасности позволят: улучшить качество жизни и здоровья населения; получить новые знания; повысить престиж отечественной науки и техники.

Текущие результаты проекта:
Планируемая дата начала работ по проекту - 26 ноября 2014 года