Метод терагерцовой спектроскопии и его применение для исследования произведений живописи.

ВВЕДЕНИЕ
Ученые, занимающиеся культурным наследием, нуждаются в методологиях изучения искусства и археологии, чтобы понять художественные материалы и методы и разработать более эффективные процедуры сохранения. В данной работе рассмотрено применения терагерцовой технологии в науке о культурном наследии. Данная спектроскопия используется в национальной безопасности и во многих других отраслях промышленности и обладает рядом ценных особенностей, специально предназначенных для исследований в области искусства и археологии: отсутствие радиационного риска, малое энергопотребление, бесконтактный режим и режим отражения. Последние технические достижения также делают его приложение быстрым, мобильным и относительно доступным, создавая потенциал для его широкого внедрения в музеях. Хотя метод терагерцовой спектроскопии наиболее перспективен для исследования многослойных произведений искусства, таких как картины, он был протестирован на очень широком спектре артефактов: от рукописей до мумий и лакированной исторической мебели.
 
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕРАГЕРЦОВОЙ СПЕКТРОСКОПИИ
Терагерцовое (ТГц) излучение находится между инфракрасным и микроволновым диапазонами (диапазон частот около 0,1–10 ТГц). С появлением стабильных лазеров с субпикосекундной длительностью импульса исследователи Bell Laboratories в середине 1980-х годов исследовали генерацию и обнаружение коротких переходных процессов излучения, обладающего широким спектром от десятков гигагерц до нескольких ТГц. Эти переходные процессы, которые генерировались лазерным возбуждением смещенных постоянным током, быстро реагирующих фотопроводящих зазоров или нецентросимметричных электрооптических кристаллов и обнаруживались с помощью фотопроводящих затворов с лазерным запуском или электрооптической выборки, стали известны как ТГц импульсы.
Терагерцовая технология редко использовалась немногими исследователями в спектроскопии и астрономии до тех пор, пока недавние достижения в приборостроении не позволили теперь генерировать и обнаруживать терагерцовый диапазон с помощью коммерческого оборудования. Количество исследовательских работ, исследующих применение ТГц, значительно растет, а ТГц излучение в настоящее время используется в сфере контроля качества и национальной безопасности для выявления скрытого оружия и взрывчатых веществ, поскольку оно может проникать через одежду. Его применение также исследуется в медико-диагностической (в основном для диагностики рака) и фармацевтике для проверки таблеток, улучшения процесса и скрининга полиморфов, а также для исследования целостности покрытий.
Уникальные ТГц характеристики:
ТГц дополняет другие методы, обычно используемые для экспертизы произведений искусства, и предоставляет разнообразную и уникальную информацию.
• Оптически непрозрачные материалы становятся прозрачными
ТГц излучение проникает в неполярные, неметаллические, оптически непрозрачные материалы (такие как пластмассы, бумага, лакокрасочные материалы и текстиль), и его можно использовать для визуализации недр, поскольку оно проникает в образец гораздо дальше, чем инфракрасные методы, обычно используемые в художественной экспертизе.
• Чувствителен к воде
В отличие от инфракрасного излучения, вызывающего изгиб и растяжение молекул, ТГц возбуждает коллективные движения, особенно в молекулах воды. ТГц излучение настолько чувствительно к воде, что его используют для биомедицинских исследований тканей, содержание воды в которых связано с важной информацией. Влажность и содержание воды также являются важной информацией при консервации произведений искусства.
• Безопасный
ТГц импульсы имеют низкую энергию и мощность, а ТГц излучение неионизирующее. В соответствии с международными правилами техники безопасности умеренное воздействие ТГц излучения безопасно, оно не нагревает образец и не вызывает повреждений. Другие неразрушающие методы, обычно используемые для визуализации недр в искусстве и археологии (рентгеновское излучение, гамма-излучение, протоны и нейтроны), являются ионизирующими и, следовательно, их доступность ограничена.
ТГц диапазон.
Различные длины волн подходят для анализа разных типов культурных ценностей: искусства (особенно станковой живописи), для которого предпочтительнее ТГц излучение в более высоком диапазоне частот (0,5–13 ТГц), а также исторической архитектуры и археологии, для которых более низкие частоты (0,01–13 ТГц). 0,5 ТГц) можно успешно применять для анализа более толстых объектов, таких как настенные росписи и архитектурные конструкции.
Сканирование.
Фокусируя терагерцовый луч с помощью короткофокусной линзы, пространственное разрешение можно уменьшить до десятков микрометров, что намного лучше, чем у подземных радаров. ТГц волны лежат между инфракрасной и микроволновой областями спектра и поэтому сочетают в себе превосходное поперечное разрешение инфракрасного излучения (по сравнению с микроволнами) с большей глубиной проникновения электромагнитных полей ГГц-частоты (по сравнению с инфракрасными). Высокое пространственное разрешение позволяет сканировать ТГц зонды по поверхности образца как в режиме пропускания, так и в режиме отражения. Датчики соединены оптоволоконными кабелями, что позволяет сканировать образец, а не перемещать его, и быстро настраивать сканер для режима передачи или отражения. ТГц-излучатель обычно выдает ТГц-импульс пикосекундной длительности, что позволяет легко создавать высокоскоростные сканированные изображения, получая форму сигнала в каждой позиции[3].
Существует два основных типа ТГц приборов, и использование каждого из них зависит от конкретных целей исследования. Спектрометры на основе временной области (TDS) используют короткие импульсы (несколько пикосекунд) для создания мгновенного широкого частотного спектра, охватывающего обычно до 3 ТГц. Информация во временной области собирается с помощью анализатора быстрого преобразования Фурье, а затем изучается спектр поглощения или отражения. Это очень мощный метод, но его динамический диапазон ограничен из-за очень низкой мощности, обеспечиваемой сверхкороткими импульсами. Путем стробирования сигнала во временной области можно выявить отражения от подповерхностных неоднородностей внутри слоистого образца как в режиме отражения, так и в режиме пропускания.
Частотный анализ — это еще один тип анализа, заключающийся в измерениях частоты. В этом случае посылается непрерывная или