06.04.2021
Учеными Института прикладной физики РАН создан субтерагерцовый молекулярный спектрометр с рекордной для этого диапазона частот чувствительностью (способностью обнаруживать слабые сигналы) 1.3·10−11 см−1. Спектрометр объединил в себе две уникальные технологии, развиваемые в ИПФ РАН на протяжении десятилетий: гиротрон — источник мощного излучения, и радио-акустический (РА) детектор молекулярного поглощения. Рекордная чувствительность продемонстрирована на примере обнаружения слабых линий неполярной молекулы метана. Показана возможность многократного расширения диапазона рабочих частот вплоть до 1 ТГц за счет использования гармоник частоты излучения, которые могут одновременно возбуждаться в гиротроне.
Радио-акустический спектрометр субтерагерцового диапазона длин волн был создан в ИПФ РАН почти полвека назад и до настоящего времени признается одним из лучших в мире инструментов для регистрации спектров молекул и получении на их основе новых фундаментальных знаний. Принцип работы спектрометра основан на фото-акустическом эффекте, открытом Александром Беллом в 1880 году, который заключается в формировании акустических волн при прохождении через газ излучения, интенсивность которого меняется периодически. Возникающий в газе сигнал может быть зарегистрирован, например, микрофоном.
Достоинством радио-акустического метода является то, что выходной сигнал пропорционален мощности излучения, что позволяет повышать чувствительность метода за счет повышения мощности излучения. Попытка увеличить чувствительность РА спектрометра была предпринята в 1974 году за счет применения излучения мазера на циклотронном резонансе (МЦР). Однако, отсутствие плавной перестройки частоты излучения МЦР не позволило наблюдать спектральные линии, хотя на частоте одной из линий исследуемого газа наблюдался сильный акустический сигнал, по величине которого тогда и была сделана оценка чувствительности спектрометра, которая в то время казалась фантастической.
Решить задачу создания высокочувствительной молекулярной спектроскопии позволила недавно выпущенная в ИПФ РАН новая модификация гиротрона с возможностью плавной и контролируемой перестройки частоты излучения, необходимой для записи молекулярных линий. При этом ширина спектра генерации, благодаря использованию системы автоматической подстройки частоты излучения по фазе высокостабильного радиосигнала, составляет всего 1 Гц.
Совмещение уникальных возможностей двух разработок (гиротрона и РА приемника), объединенных в один спектрометр, позволило повторяемым образом и без потери качества получать многократные записи спектральных линий газов в течение нескольких часов. Демонстрация работы нового спектрометра была осуществлена на примере спектроскопии метана. Молекулы метана в силу симметрии структуры не должна взаимодействовать с излучением, но из-за их вращения и возникающего при этом центробежного искажения, симметрия структуры нарушается и возникает поглощение, которое ранее обнаружить не удавалось. Новый спектрометр обнаружил проявление этого эффекта с рекордной для субтерагерцового диапазона чувствительностью уже при мощности излучения примерно 15 Вт, что составляет всего 1/60 часть полной его мощности.
При исследовании спектров других молекул было обнаружено, что гиротрон излучает не только основную частоту (вблизи 263 ГГц), но и её гармоники (т.е. излучение на кратных частотах) вплоть до четвертой (выше 1 ТГц!), что существенно расширяет возможности гиротрона в качестве спектроскопического источника.
Полученный результат расширяет возможности исследований в области молекулярной газовой спектроскопии в перспективном для приложений субтерагерцовом диапазоне частот.
Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда.
Пресс-служба ИПФ РАН
Нет комментариев