Регистрация / Вход
Прислать материал

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

Номер контракта: 14.607.21.0100

Руководитель: Кошелец Валерий Павлович

Должность: заведующий лабораторией

Организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова Российской академии наук
Организация докладчика: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова Российской академии наук

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
туннельные наноструктуры, газовый анализ, спектрометр, терагерцовый диапазон частот, диагностика наноструктур, медицинские исследования, нано- и биотехнологии, системы безопасности

Цель проекта:
Наиболее сильные линии поглощения разнообразных молекул, представляющих интерес для медицины и биологии, экологии, промышленности и систем безопасности, химии высокочистых веществ лежат в терагерцовом (ТГц) диапазоне. Поэтому во всем мире прилагаются большие усилия по освоению ТГц диапазона частот. Однако, на сегодняшний день отсутствуют газовые анализаторы, основанные на спектроскопии газов в ТГц области. Основной целью данного проекта является создание и испытание принципиально нового высокочувствительного прибора на основе туннельных наноструктур для сверхточного анализа газовых смесей, работающего в ТГц диапазоне частот. Анализатор будет обладать высокой чувствительностью и компактностью, низким энергопотреблением и представляется актуальным для медицинских исследований и систем безопасности.

Основные планируемые результаты проекта:
Разработана технология изготовления туннельных наноструктур на основе Nb/AlN/NbN и Nb/AlOx/Nb с толщиной туннельного барьера 1-1.5 нм и плотностью тока от 5 до 10 кА/см2. Разработана принципиальная схема установка терагерцового анализатора газовых смесей (ТАГС), разработана эскизная конструкторская документация на экспериментальный образец ТАГС.
Созданный в результате выполнения проекта ТГц анализатор будет иметь уникальное сочетание характеристик: частотный диапазон 450-700 ГГц, чувствительность не хуже 10 ppb, частотное разрешение лучше 0,5 МГц, а также обладать более низкой стоимостью по сравнению с традиционными спектрометрами. Будут апробированы методы обнаружения сложных химических соединений, входящих в состав выдыхаемого воздуха: аммиак, оксид азота, и т.д., а также проведены детальные лабораторные измерения различных маркеров для медицинских тестов; определены оптимальные условия для быстрого обнаружения этих веществ.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
В результате выполнения проекта будет разработан анализатор для высокоэффективного анализа газовых смесей для неинвазивной диагностики заболеваний желудочно-кишечного тракта и дыхательных путей, для выявления опасных (взрывчатых и ядовитых) веществ в системах безопасности, а также для экологического мониторинга атмосферы с борта высотных аэростатов. Разработанный прибор будет иметь уникальное сочетание характеристик (частотный диапазон, чувствительность, частотное разрешение) и заметное снижение стоимости по сравнению с традиционными газовыми анализаторами. В настоящий момент в мире отсутствуют приборы для газового анализа с подобными характеристиками.
Для реализации приемных систем с предельными параметрами требуются туннельные переходы субмикронных размеров с чрезвычайно высокой плотностью тока (толщина туннельного барьера 1 - 1.5 нм), технология изготовления таких наноструктур уже разработана в рамках проекта. Для реализации прибора требуется также методика однозначной идентификации различных веществ-маркеров с помощью терагерцовой спектроскопии, отработка методов количественного определения содержания конкретного вещества в газовой смеси, наработка методик наиболее эффективного использования прибора для неинвазивной диагностики заболеваний человека и выявления опасных веществ. Данные методики будут разработаны в рамках проекта.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Потенциальными потребителями разрабатываемого анализатора газовых смесей являются:
 медицинские и лечебные учреждения;
 диагностические центры, нуждающиеся в быстром и точном определении диагноза пациента, его состояния;
 частные и государственные службы безопасности, производящие досмотр на наличие ядовитых и взрывчатых веществ (в аэропортах, на вокзалах, в зданиях государственных учреждений);
 научные и промышленные предприятия, выпускающие измерительную технику для медицинских целей, а также разрабатывающие и выпускающие технику для систем обеспечения безопасности, для экологического мониторинга и специальных применений;
 промышленные предприятия, нуждающиеся в контроле чистоты газов, использующихся в производстве, их примесного состава, а также контроле процессов очистки газов.
Российский рынок терагерцовых газовых анализаторов может составить сотни миллионов рублей в год, этот рынок складывается из нескольких составляющих:
– Медицинские исследования и диагностика – не менее 100 систем в ведущих медицинских центрах и крупных отраслевых больницах; ориентировочная стоимость 700 млн. руб.;
– Углубленный анализ в процессе лечения – не менее 30 комплексов для специализированных клиник и научно-медицинских центров (с дополнительными системами диагностики и методиками анализа); ориентировочная стоимость 350 – 500 млн. руб.
– Контроль сложных технологических процессов в микроэлектронике – около 25 комплексов для предприятий полупроводниковой промышленности, ориентировочная стоимость 150 млн. руб.
-Экологический мониторинг атмосферы Земли с борта высотных аэростатов – 3 бортовых комплекса для работы при температурах до - 100 С и в диапазоне давлений 5- 1000 мБар, ориентировочная стоимость 100 млн. руб.
Потенциальный мировой рынок таких спектрометров – порядка 20 систем в год при цене системы 170 - 200 тысяч Евро, что составляет более 100 миллионов рублей в год.

Текущие результаты проекта:
На сегодняшний день получены следующие результаты:
Проведён анализ литературы, посвященной методам и приборам газового анализа. Исследована конкурентоспособность существующих приборов газового анализа.
Проведены патентные исследования по теме проекта.
Проведена разработка и апробация технологии изготовления туннельных наноструктур. Разработан лабораторный технологический регламент по изготовлению туннельных наноструктур на основе Nb/AlN/NbN и Nb/AlOx/Nb с толщиной туннельного барьера 1-1.5 нм и плотностью тока от 5 до 10 кА/см2.
Выполнено обоснование актуальности и перспективности спектроскопического анализа газов в ТГц диапазоне. Обозначены существующие задачи медицины и биологии, решаемые ТГц методами.
Проведено компьютерное моделирование туннельных наноструктур. Построена компьютерная расчётная модель туннельных наноструктур на основе Nb/AlN/NbN и Nb/AlOx/Nb программе математического моделирования MathCad. Модель позволила рассчитать импедансы сосредоточенных и распределённых структур, включённых в микрополосковую линию передачи. Получен рабочий диапазон частот от 450 до 700 ГГц.
Проведено моделирование и численный расчёт основных элементов ТАГС на основе туннельных наноструктур. Габариты смоделированного смесительного блока Д х Ш х В составляют 121,5 х 43 х 57,5 (мм), а предполагаемая суммарная масса смесительного блока после изготовления составит менее 0,8 кг.
Разработаны алгоритмы работы ТАГС и руководство по эксплуатации.
Проведено моделирование установки ТАГС, в том числе криогенной системы замкнутого цикла. Установка ТАГС состоит из ТГц генератора на основе ЛОВ, газовой ячейки с системой поддержания давления газа и чувствительного элемента с системой охлаждения. Система охлаждения смоделирована в двух вариантах: заливного криостата и криогенной установки замкнутого цикла.
Разработана эскизная конструкторская документация на экспериментальный образец ТАГС.
Разработана методика исследования концентрации веществ-маркеров с помощью ТАГС в диапазоне частот 450-700 ГГц.