Az emberi test szkennelése és anyagvizsgálat számára

Jan Kappa (re.) és Dominik Sokoluk csapata fejlesztette ki ezt az új építőelemet. (Fotó: Koziel/TUK)

A kutatók azon dolgoznak, hogy optimalizálják mikroreflektor-modulátorukat az anyagvizsgálathoz. (Kép: Koziel/TUK)

Az repülőtéren alkalmazott testszkennerekben használják: terahertzes hullámokat. Ezzel az energiatakarékos sugárzással, amely az egészségre ártalmatlan, betekintést nyerhetünk a belső szerkezetbe: például átlátszik műanyag és textil anyagokon. Ezért érdekes a sérülésmentes anyagellenőrzéshez is. Azonban a képalkotó spektroszkópiai eljárások alkalmazásához eddig nagyon nagy erőfeszítésre volt szükség. Ezen segíthet a jövőben egy olyan alkatrész, amelyet a Kaiserslautern-i kutatók fejlesztettek ki. Elektromechanikusan vezérelhető mikroszkóp tükörmodulátorukkal a jövőben lehetőség nyílik gyors képalkotó terahertzes spektroszkópia segítségével tárgyakat vizsgálni.

A terahertzes hullámok az elektromágneses spektrumban a mikrohullámok és az infravörös sugárzás között helyezkednek el. „Átengednek anyagokat, például papírt, fát és kerámiát, nem ionizálóak és nem ártalmasak az emberi szervezetre” – mondja Jan Kappa a Metamateriálok és Terahertzes Technológia csoportból a Kaiserslautern Műszaki Egyetem (TUK) Elektrotechnikai és Információtechnikai Karán.

Azonban még mindig hatalmas technikai erőfeszítést és időt igényel, hogy tárgyakat érintés nélkül vizsgáljunk és azonosítsunk képalkotó terahertzes spektroszkópia segítségével. Az első olyan alkatrészt, amely lehetővé teszi ilyen technika jövőbeni alkalmazását, a TUK kutatói fejlesztették ki. Mikroszkóp tükörmodulátorukkal képesek térben célzottan módosítani a terahertzes sugárzást – hasonlóan a fény sugarainak egy beállítható fényrekesz esetében. A technológia működése a következő: egy forrás kibocsát terahertzes sugárzást, amely a modulátorhoz érkezik. „Ez a mikro tükör segítségével egy bizonyos mintázatot kapcsol be, amely bizonyos értelemben beleég a sugárzásba” – mondja Kappa a folyamatot. A mintázat ezután eléri a vizsgálandó tárgyat. A sugárzás egy része elnyelődik, egy része továbbhalad és egy detektorba fókuszálódik. Több átmenettel és különböző kapcsolt mintázatokkal végül rekonstruálható a kép. „Ez a módszer közvetett képalkotást jelent” – folytatja Kappa. „Ismerjük a kapcsolt mintázatot és a kiindulási jelet. Az algoritmusok ezekből az adatokból rekonstruálják a tárgy képét.”

A módszerrel a kutatók képesek egy igen széles frekvenciaspektrum lefedésére. „A térbeli információk mellett spektrális információt gyűjtünk minden egyes képpontra” – magyarázza Kappa. „Eddig ez csak korlátozottan volt lehetséges, mivel az összehasonlítható módszerek eddig csak nagyon szűk spektrális tartományban tudták befolyásolni a terahertzes hullámokat.”

Az új mikroszkóp tükör rendszer lehetővé teszi, hogy az objektumok spektrális tulajdonságait a lehető leggyorsabban vizsgáljuk. „Potenciálisan így azonosíthatók kémiai anyagok spektrális ujjlenyomatok alapján a terahertzes spektrális tartományban, anélkül, hogy az objektumokat percekig kellene scan-elni” – mondja professzor Dr. Marco Rahm a technikáról.

A kutatók saját maguk készítették el a mikroszkóp tükörmodulátorukat a NanoStructuringCenter tisztatérjében a campuson. A következő hónapokban elsősorban a modulátorok anyagvizsgálati képességeinek fejlesztésén dolgoznak majd. Érdekes lehet ez a technológia például az élelmiszer-ellenőrzésben, ahol a gyártásból és csomagolásból származó szennyeződések egészségügyi kockázatot jelenthetnek. De alkalmazható a sérülésmentes anyagvizsgálat az autó- vagy repülőgépiparban is, például a festékréteg alá való betekintéshez. Emellett a módszer a gyógyszeriparban és az orvosi technológiában is felhasználható.

A kutatók már az év elején bemutatták technológiájukat a rangos Scientific Reports szakfolyóiratban. Szeptemberben Jan Kappa a 2019-es párizsi Nemzetközi Infravörös, Milliméter és Terahertzes Hullámok Konferencián (IRMMW-THz) a második helyezést érte el a legjobb hallgatói dolgozat díján.

A Jan Kappa, Dominik Sokoluk, Corey Shemelya és professzor Dr. Marco Rahm által vezetett csapat szorosan együttműködött Steffen Klingellel és Dr. Egbert Oesterschulzével a Nanostruktúrák Fizikája és Technológiája Tanszéken a TUK-nál. A NanoStructuring Center csapata szintén részt vett a fejlesztésben. A kutatási munkák a Landesforschungszentrum Optik und Materialwissenschaften (OPTIMAS) részeként valósultak meg.

A „Elektromosan újratölthető mikroméretű tükörsorozat a közvetlen térbeli terahertzes modulációhoz több mint 1 THz sávszélességen” című tanulmány a Scientific Reports szakfolyóiratban jelent meg. DOI: 10.1038/s41598-019-39152-y

Kérdéseket megválaszol:

Jan Kappa
Elméleti Elektrotechnika Tanszék
Metamateriálok és Terahertzes Technológia Csoport
Telefon: 0631 205-5334
E-mail: kappa@eit.uni-kl.de