Регистрация / Вход
Прислать материал

14.607.21.0100

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.607.21.0100
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова Российской академии наук
Название доклада
Терагерцовый анализатор газовых смесей на основе туннельных наноструктур для медицинской диагностики и систем безопасности
Докладчик
Кинев Николай Вадимович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Проект направлен на решение задачи газового анализа в терагерцовом (ТГц) диапазоне частот. Проблема газового анализа в настоящее является крайне актуальной в таких областях, как медицинские исследования и системы безопасности.
Основной целью данного проекта является создание и испытание принципиально нового высокочувствительного газоанализатора на основе туннельных наноструктур для сверхточного анализа газовых смесей, работающего в ТГц диапазоне частот. Анализатор обладает высокой чувствительностью и компактностью, низким энергопотреблением и высоким спектральным разрешением.
Таким образом, основными задачами проекта являются:
• Разработка технологии изготовления туннельных наноструктур, работающих в ТГц диапазоне, для исследования газовых смесей;
• Оптимизация режимов работы спектрометра на основе наноструктур для работы совместно с газовой измерительной ячейкой. Разработка методики и алгоритмов измерения спектров сложных химических соединений (аммиак, ацетон, перекись водорода, и т.д.) и их смесей в газовой измерительной ячейке с помощью спектрометра;
• Определение газов-маркеров для медицинских тестов и тестов для систем безопасности. Выявление комбинации газов для некоторых задач диагностики, мониторинга заболеваний и для задач безопасности и противодействия терроризму;
• Разработка лабораторного прототипа спектрометра для сверхчувствительного анализа газовых смесей;
• Диагностика наноструктур и спектрометра на их основе в рамках лабораторного прототипа прибора и его апробация для быстрого обнаружения сложных химических соединений с системами управления и регистрации.
Актуальность и новизна исследования
На сегодняшний день во всем мире прилагаются большие усилия по освоению терагерцового (ТГц) диапазона частот. Дело в том, что наиболее сильные линии поглощения разнообразных молекул, представляющих интерес для химии высокочистых веществ, медицины и биологии, экологии, промышленности лежат в ТГц диапазоне. Поэтому существует достаточно большое количество новых возможностей применения ТГц излучения в научных исследованиях и в прикладных областях: медицина и биология, системы безопасности, радиоастрономия и астрофизика, экология и мониторинг окружающей среды, анализ высокочистых веществ для промышленности, системы связи и др.
1) Медицина
Нестационарная спектроскопия в ТГц диапазоне, обладающая чувствительностью на уровне десятых долей ppm, селективностью, возможностью измерения концентраций исследуемых веществ и простотой использования, может дать уникальный метод для анализа выдыхаемого воздуха.
2) Экологический мониторинг и атмосферные исследования
Развитие ТГц спектроскопии атмосферы в большей степени было стимулировано необходимостью удаленного измерения количества OH. Исследование дневных колебаний концентрации этих молекул (NO, OH, H2O, ClO) является существенным фактором для контроля уменьшения озона.
3) Промышленность
Одной из главных проблем современной промышленности является контроль чистоты газов, использующихся в производстве. Например, для реализации металлорганической газофазной эпитаксии – важнейшей технологии получения полупроводниковых материалов - необходимы высокочистые летучие вещества, в первую очередь аммиак.
Описание исследования

В данном проекте разработан спектрометр ТГц диапазона, обладающий чувствительностью, близкой к квантовому пределу, а также комплекс методик для его применения с целью исследования газовых смесей для медицинский диагностики и систем безопасности. Основным элементом спектрометра является сверхпроводниковый интегральный приемник (СИП), концепция которого была создана и апробирована авторами данного проекта. СИП представляет собой изготовленную методами нанотехнологии однокристальную СВЧ микросхему, которая включает в себя СИС-смеситель с планарной сверхпроводниковой приемной антенной и сверхпроводниковый генератор гетеродина. К его достоинствам относятся компактность, предельная чувствительность (ограниченная лишь квантовыми флуктуациями), высокое спектральное разрешение и малое энергопотребление, такой набор параметров недостижим при использовании традиционных технологий. Для проведения исследований использован разработанный авторами спектрометр с фазовой манипуляцией воздействующего на газ излучения, позволяющий получить рекордные параметры по чувствительности. Использован разработанный и изготовленный авторами проекта рабочий макет микроволнового спектрометра, реализующего новый метод Фурье–спектроскопии с быстрым свипированием частоты воздействующего излучения.

Для реализации приемных систем с предельными параметрами требуются туннельные переходы субмикронных размеров с чрезвычайно высокой плотностью тока (толщина туннельного барьера 1 - 1.5 нм). Поэтому одной из задач проекта является оптимизация технологии изготовления туннельных наностуктур с помощью методов электронно-лучевой литографии и плазмохимического травления. В результате выполнения проекта развиты и апробированы новые методы формирования туннельных наноструктур и интегральных микросхем на их основе. Это сделало возможным практическую реализацию интегрального спектрометра с шумовой температурой менее 120 К в частотном диапазоне 450 - 700 ГГц и спектральным разрешением лучше 0,5 МГц. Эти параметры недостижимы для традиционных спектрометров ТГц диапазона. Такая уникальная комбинация параметров стала возможной благодаря принципиально новому подходу - интеграции различных сверхпроводниковых элементов в единое устройство, изготовленное методами наноэлектроники на одной микросхеме. Интеграция элементов супергетеродинного приёмника на одной микросхеме даёт большой выигрыш в габаритах и весе устройства по сравнению с существующими приборами: так, микросхема имеет размеры 4 х 4 мм2, а смесительный модуль вместе с магнитным экраном весит не более 0,5 кг. Интегральный спектрометр для детектирования веществ-маркеров (био-маркеров выдыхаемого воздуха, маркеров ядовитых и взрывчатых веществ) используется совместно с внешним ТГц источником на основе лампы обратной волны. Конечный прибор представляет собой миниатюрный терагерцовый сенсор для анализа газовых смесей и выявления веществ-маркеров в исследуемой смеси. Такой сенсор является немаловажным вкладом в развитие компонентной базы медицинских приборов.

Еще одной задачей проекта является 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. Для решения этих задач проведён целый комплекс измерений для определения содержания выбранных маркеров у пациентов в норме, определён статистически достоверный уровень концентрации для каждого маркера и соответствующего этому маркеру заболевания, превышение которого может использоваться в качестве сигнала для начала более глубокой диагностики и лечения. В результате проведения исследований станет возможным предоставление медицинским организациям новых и эффективных методов и средств для проведения исследований и диагностики заболеваний человека на ранней стадии.

Использование интегральных приемных устройств на основе туннельных наноструктур позволяет не только реализовать предельно достижимые параметры, но и существенно снизить стоимость оборудования. Учитывая уникальность своих характеристик и габаритов, разрабатываемый спектрометр претендует на заметную часть рынка в сфере медицинской диагностики, он может быть также использован для экологического мониторинга, а также в системах безопасности и противодействия терроризму.

Результаты исследования

На первом этапе работ был проведён тщательный обзор современных существующих приборов и методов газового анализа, в
том числе анализа, имеющего отношения к медицинским исследованиям и системам безопасности. Был проведён
сравнительный анализ существующих на сегодняшний день методов газовой хроматографии, масс-спектрометрии, изучено
применение электрохимических сенсоров, ультрафиолетовой хемолюминесценции и инфракрасной спектроскопии. В
результате сделанного анализа было проведено обоснование актуальности методов ТГц спектроскопии в медицинской
диагностике заболеваний на основе исследования газовых составляющих выдыхаемого человеком воздуха.
Для разрабатываемого прибора требуется высокочувствительный элемент для детектирования различных веществ-маркеров в
исследуемой газовой смеси. Предложен детектор на основе джозефсоновских туннельных наноструктур Nb/AlN/NbN и
Nb/AlOx/Nb.

На втором этапе работ разработана компьютерная модель туннельных наноструктур, получены результаты
моделирования и численного расчёта основных элементов анализатора на основе туннельных наноструктур. Для охлаждения
чувствительного элемента до рабочих температур разработаны конструкции двух различных установок: с охлаждением на
основе заливного криостата с использованием жидкого гелия и охлаждение при помощи системы замкнутого цикла.
Проведены работы по моделированию установки анализатора, разработаны алгоритмы его работы.

На трьетьем этапе проекта была оптимизирована технология изготовления туннельных наноструктур на основе Nb/AlOx/Nb и
Nb/AlN/NbN с необходимыми параметрами и изготовлены ключевые научно-технические результаты проекта:
экспериментальные образцы чувствительного элемента ТАГС на основе туннельных наноструктур, экспериментальный
образец газовой ячейки с системой напуска, откачки, возможностью измерения давления и поддержания его на требуемом
уровне; и собственно экспериментальный образец ТАГС, состоящий комплексно из вновь разработанных и заимствованных
элементов, приборов и оборудования.

На четвёртом этапе работ проведено комплексное исследование ключевых научно-технические результатов проекта -
экспериментальных образцов чувствительного элемента на основе туннельных наноструктур, экспериментального образца
измерительной ячейки ТАГС и экспериментального образца конечного прибора. Исследование проведено в рамках
лабораторных испытаний экспериментальных образцов.
Чувствительный элемент ТАГС на основе туннельных наноструктур Nb/AlN/NbN и Nb/AlOx/Nb имеет плотность туннельного
тока ~6-7 кА/см2 и толщину туннельного барьера ~1,2 нм, охлаждается до рабочей температуры 4,8-5 К в системе охлаждения
на основе заливного криостата, обладает рабочим диапазоном частот 450-700 ГГц. Экспериментальный образец измерительной
ячейки ТАГС длиной ~35см работает в диапазоне давлений исследуемой газовой смеси от 0,00001 мБар до 1000 мБар с
возможностью поддержания стабильного давления в пределах отклонения 0,1% от заданной величины в течение не менее 5
минут. Экспериментальный образец ТАГС обладает чувствительностью на уровне шумовой температуры 130 К и
спектральным разрешением порядка 0,1 МГц в полосе промежуточных частот 4-8 ГГц, способен работать в непрерывном
режиме более 8 часов от одной заливки в криостат жидкого гелия.

Авторам проекта неизвестны аналогичные работы в данном направлении.

Практическая значимость исследования
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.