Microwave and terahertz metrology for homeland security
Mit Terahertz (THz-Frequenzen: Wellen im sub-mm-Bereich)-Wellen und mm-Wellen können aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften berührungslos Informationen über Materialeigenschaften gewonnen werden, die auf eine andere Weise nicht zugänglich sind. Viele Jahre wurde dieser Wellentyp ausschließlich in wissenschaftlichen Anwendungen wie Laborspektroskopie oder Radioastronomie eingesetzt. Die fortschreitende technologische Entwicklung macht es möglich, dass THz-Wellen in zunehmenden Maß für Sicherheitsanwendungen wie Personenschutzscanner und Spektrometer zum Nachweis illegaler oder gefährlicher Substanzen genutzt werden.
Trotz der bereits begonnenen Kommerzialisierung dieser neuen Technologien sind wesentliche Eigenschaften von Scannern und Spektrometern wie Feldstärke und Frequenz, aber auch Leistungsparameter wie die Unsicherheit spektroskopischer Messungen immer noch schwierig zu ermitteln. Ein wesentlicher Faktor hierbei ist, dass die Messergebnisse von der verwendeten Instrumentierung abhängen, was dazu führt, dass Resultate unzuverlässig und nicht vergleichbar sind. Die hierfür erforderlichen Messmöglichkeiten und Methoden für die Hauptsystemparameter sind derzeit noch nicht vorhanden. Eine Folge hiervon ist, dass eine verlässliche Abschätzung der Belastung des Menschen durch THz- und mm-Wellen derzeit nicht möglich ist und somit eine Einhaltung von Grenzwerten nicht gewährleistet ist. Teilweise fehlen diese Grenzwerte bislang. Das Fehlen benötigter metrologischer Infrastruktur führt zudem dazu, dass THz-Systeme nicht in dem Umfang für Sicherheitsanwendungen genutzt werden können, wie es erforderlich wäre. Eine wesentliche Bedingung hierfür sind verlässliche Messungen. Dies kann aber nur gewährleistet werden, wenn Messunsicherheiten ausreichend abgeschätzt sind und die Systeme auf das internationale Einheitensystem rückgeführt sind.
Im Rahmen des Verbundprojektes wird die metrologische Rückführbarkeit von Quellen und Detektoren im sub-mm- und Thz-Bereich entwickelt werden, die eine Voraussetzung für die Rückführung von Spektrometern, Körperscannern und bildgebender Systeme ist. Durch die Arbeiten im Projekt wird es möglich werden, die Belastung des Menschen durch sub-mm- und mm-Wellen zu bestimmen und somit zukünftig eine Einhaltung der Grenzwerte sicherzustellen. Die gewonnenen Daten stehen für die Erarbeitung zukünftiger Rechtsvorschriften zur Verfügung, und es wird möglich sein, die neuen Technologien mit den kleinstmöglichen Strahlenbelastungen einzusetzen.
Nach Abschluss des Projektes werden neue Produkte und Kalibrierdienste zur Verfügung stehen. Die Projektergebnisse werden die Basis für erste Normungsarbeiten für Spektrometer und Scanner im mm-Wellen und THz-Bereich des elektromagnetischen Spektrums bilden. Damit wird der Weg für verlässliche Messungen in diesem Spektralbereich bereitet werden. Die Ergebnisse werden zudem dazu genutzt werden, die Standards IEC/EN 62479 und IEC/EN 62311, die die Anforderungen an elektromagnetische Installationen und Geräte zum Schutz des Menschen vor elektromagnetischen Feldern regulieren, zu verbessern. Das Projekt wird dazu beitragen, dass beispielsweise die Einhaltung der Vorgaben der EU-Richtline 2004/40/EC über die Gefährdung der Arbeitnehmer durch elektromagnetische Felder im Frequenzbereich von 2 GHz und 300 GHz nachgewiesen werden kann.
Die PTB koordiniert das Projekt und leitet zwei der technischen Arbeitspakete. In dem einen Arbeitspaket geht es darum, die Rückführbarkeit für Amplituden- und Frequenzmessungen von THz-Systemen im sub-THz- und THz-Bereich herzustellen. Im zweiten Arbeitspaket wird die Unsicherheit von Spektrometern in dem Frequenzbereich untersucht werden.
Weitere Informationen über das Projekt und die Projektpartner:
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Ansprechpartner
Dr.-Ing. Thomas Kleine-Ostmann
Telefon: 0531 592 2210
E-Mail: thomas.kleine-ostmann@ptb.de
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