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Entwicklung und Anwendung von Verfahren zur Bestimmung der Exposition gegenüber nichtionisierender Strahlung mit Frequenzen im Terahertzbereich

Thema

Entwicklung und Anwendung von Verfahren zur Bestimmung der Exposition gegenüber nichtionisierender Strahlung mit Frequenzen im Terahertzbereich

Beginn

01.05.2011

Ende

30.09.2012

Projektleitung

Bergische Universität Wuppertal

Hintergrund

Im elektromagnetischen Spektrum bildet Terahertzstrahlung (THz-Strahlung) das Bindeglied zwischen Millimeterwellen und infraroter optischer Strahlung. In der Vergangenheit wurde diesem Teil des Spektrums wenig Aufmerksamkeit gewidmet, da keine künstlichen Quellen zur Verfügung standen und keine technischen Anwendungen bekannt waren. Über Expositionen von Personen sowie über praxistaugliche Verfahren zu deren Bestimmung und Bewertung liegen nur wenige Informationen vor. Mittlerweile sind einige Entwicklungen auf diesem Gebiet zu beobachten und technische Quellen stehen zur Verfügung. Mögliche Anwendungen sind zum Beispiel Körperscanner für Sicherheitskontrollen, bildgebende diagnostische Verfahren in der Medizin, zerstörungsfreie Materialprüfungen und drahtlose Datenübertragungen im Nahbereich.

Ziel

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung und Anwendung von Verfahren zur Bestimmung der Exposition von Personen gegenüber THz-Strahlung. Das Eindringen der Strahlung in den menschlichen Körper soll im Hinblick auf eine geeignete Dosimetrie rechentechnisch simuliert und praxistaugliche messtechnische Verfahren sollen vorgeschlagen werden.

Ergebnisse

Der erste Zwischenbericht (5 MB) enthält eine aktuelle Aufarbeitung von Wissenschaft und Technik basierend u. a. auf einer Literaturrecherche.

Der vollständige Abschlussbericht ist im Digitalen Online Repositorium und Informations-System DORIS (http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:0221-2014111011856) veröffentlicht.

Terahertz-Strahlung kann diffus oder fokussiert emittiert werden; dies gilt auch für Quellen, die für die Exposition der allgemeinen Bevölkerung relevant werden können, wie z.B. Geräteanwendungen, die mit Sicherheitskontrollen ("Körperscanner") oder Datenkommunikation verknüpft sind. Zur messtechnischen Immissionsbestimmung kann ein zweistufiges Verfahren verwendet werden:

1.) Bestimmen der Einfallsrichtung der Strahlung oder Lokalisieren des Hotspots.

2.) Bestimmung der Immissionsverteilung am Expositionsort durch räumliches Abscannen.

Für 1.) kann eine Terahertz-Kamera auf Silizium-CMOS-Basis eingesetzt werden. Das vorgeschlagene Verfahren sieht vor, die Kamera zunächst in die Mitte eines zu untersuchenden Raums bzw. in den vermuteten Strahlengang einer Quelle zu positionieren. Die Linse sollte in Richtung der vermeintlichen Terahertz-Quelle ausgerichtet werden, möglich ist aber auch ein kompletter Scan des Raums. Anschließend kann der Hotspot entlang der Strahlrichtung gesucht werden.

Für 2.) werden in Abhängigkeit der Quellen-Richtcharakteristik zwei Verfahren vorgeschlagen:

a) Direktes Abscannen des Raumes mit einem pyroelektrischen oder einem CMOS-Direktdetektor kleiner Apertur: Unterschiede der beiden Detektorprinzipien, die deren jeweilige Einsatzmöglichkeiten bestimmen, bestehen unter anderem in den abgedeckten Frequenzbändern, den erreichbaren Empfindlichkeiten, der Notwendigkeit des externen Choppens, den Detektorzeitkonstanten, die die Scangeschwindigkeit begrenzen, oder in der Aperturgröße, die das Auflösungsvermögen bestimmen.

b) Knife-Edge-Verfahren: Dieses aus der Optik bekannte Verfahren ist für die möglichst genaue Schätzung von Strahlleistungsdichteprofilen fokussierter Terahertz-Strahlung sinnvoll. Notwendig ist allerdings, dass die Strahlrichtung für die Messdauer unverändert bleibt.

Für die Expositionsbestimmung mittels numerischer Dosimetrie wurden detaillierte Modelle der menschlichen Haut und des Auges sowie Feld-Anregungsmodelle erstellt. Zur Expositionsbewertung wurden - ausgehend von der SAR als Quelle - die expositionsbedingten Temperaturanstiege ermittelt. Als Ergebnisse liegen für einfallende Leistungsdichten zwischen 0,1 und 100 Watt pro Quadratmeter und für einen weiten Frequenzbereich (0,1 bis 10 Terahertz) Daten über in der Haut und im Auge zu erwartende Feldstärken und SAR-Werte sowie über die mit der Wärmetransportgleichung davon abgeleiteten zu erwartenden Temperaturerhöhungen in den oberflächennahen Körpergeweben vor.

Fazit

Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens verbessern die Voraussetzungen für den Strahlenschutz und die Strahlenschutzvorsorge in einem bislang noch wenig genutzten und untersuchten Frequenzbereich.

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