Der vorliegende Artikel gibt Ihnen eine Einführung in die Terahertz-Technologie und erläutert den aktuellen Stand der Technik im Bereich der Sicherheitstechnik. Im Detail werden mögliche EMV-Probleme bei der THz-basierten Sicherheitstechnik diskutiert und der derzeitige Stand der Technik beschrieben.

Terahertz-(THz)-Wellen können entweder als sehr hochfrequente Mikrowellen oder als sehr langwelliges Licht angesehen werden. Ihr Frequenzfenster reicht von 100 GHz bis 10 THz. Da die Terahertz-Strahlung, die manchmal auch dem fernen Infrarot zugerechnet wird, lange nicht oder nur sehr eingeschränkt nutzbar war, sprach man auch von der Terahertz-Lücke im elektromagnetischen Spektrum. Diese Bandlücke befindet sich zwischen dem Frequenzbereich, der klassisch von der Mikrowellentechnik erschlossen wurde und dem Infrarot-Frequenzbereich

Hauptprobleme im Terahertz-Frequenzbereich sind die Herstellung von Sendern und Empfängern. Kompakte und kostengünstige Sender mit ausreichender Ausgangsleistung stehen heute noch nicht so zur Verfügung, wie sie für niedrigere Frequenzen im Mikrowellenbereich oder höhere Frequenzen im Infrarotbereich vorhanden sind. Auch die Empfängertechnik bedarf weiterer Entwicklung, um mit empfindlicheren Empfängern noch schwächere Signale detektieren zu können.

Terahertz-Strahlung durchdringt viele Materialien und auch biologisches Gewebe, wirkt jedoch aufgrund der geringen Energie ihrer Photonen (diese bewegt sich im Bereich von wenigen Millielektronenvolt) nicht ionisierend. Sie erwärmt jedoch, ähnlich wie Mikrowellen, bestimmte Stoffe und wird u.a. von Wasser und verschiedenen Metallen absorbiert, weshalb einigen Anwendungen Grenzen gesetzt sind (beispielsweise durch die Luftfeuchtigkeit).

Die auftretenden Phänomene der THz-Strahlung sind sehr verschieden. Sie reichen von Rotationsübergängen polarer Moleküle in der Gasphase bis zu Schwingungsmoden von Kristallen und biologischen Makromolekülen. Auch die Dynamik struktureller Veränderungen im molekularen Netzwerk von Flüssigkeiten spielt sich im THz-Frequenzfenster ab. Daneben sind Untersuchungen an strukturierten Metallfilmen, Plasmen und Supraleitern zu nennen.

Die Technologien, die den einzelnen Anwendungen zugrunde liegen, sind sehr unterschiedlich.  Bei den bildgebenden Verfahren kommen sowohl mikrowellenbasierte THz-Kameras zum Einsatz als auch breitbandige Systeme, die mit kurzen THz-Pulsen arbeiten, die optoelektronisch erzeugt und detektiert werden.

Daneben gibt es sehr empfindliche Detektionsverfahren, die beispielsweise in der Astronomie eingesetzt werden. Sie basieren auf sogenannten „hot electron“-Bolometern oder Superconductor-Insulator-Superconductor-Mischern, die allerdings auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlt werden müssen, was einer Massenanwendung entgegensteht. Als effiziente THz-Quelle erscheint der sogenannte Quantenkaskadenlaser, ein Intraband-Halbleiterlaser mit einer komplexen Schichtstruktur, als aussichtsreichster Kandidat.

Materialien wie Drogen oder Sprengstoff können mit der THz-Strahlung durch verschlossene Briefumschläge oder versiegelte Plastikbeutel hindurch identifiziert werden.

Seit 2005 werden schon auf ausgewählten Flughäfen Terahertz-Messgeräte zur Untersuchung von Personen getestet. Der große Unterschied bei der Anwendbarkeit besteht in der Risikominimierung gegenüber dem Einsatz von ionisierender Strahlung im Fall der Röntgentechnik. Abbildung 1 zeigt eine Aufnahme einer versteckten Waffe mit einem THz-System.

Abb. 1: Aufnahme einer versteckten Waffe mit einem THz-System

Wichtig für den Einsatz an Flug- oder Bahnhöfen ist eine relativ schnelle Messdauer, da eine große Anzahl von Personen durchleuchtet werden müssen. Aufgrund des relativ hohen Anschaffungspreises sind solche THz-Scanner im Moment nur an sehr großen Flughäfen wirtschaftlich rentabel zu betreiben. Die bekannten THz-Firmen arbeiten aber schon an Systemen mit einem Anschaffungspreis unter 50.000 Euro, um den Markt der Klein- und Mittelgroß-Flughäfen zu adressieren.

EMV-Probleme im THz-Frequenzbereich

Zur Beurteilung von möglichen EMV-Problemen muss zwischen zwei unterschiedlichen Systemaufbauten für THz-Scanner unterschieden werden.

Aktive Scanner

Bei diesen Systemen sendet eine (oft um die zu scannende Person rotierende) Antenne Millimeterwellen aus und ein Detektor rekonstruiert aus den reflektierten Wellen ein (dreidimensionales) Körperbild. Die kommerziellen Systeme arbeiten in einem Frequenzbereich von ca. 300 GHz. Die erzeugten zweidimensionalen Bilder sind hoch aufgelöst und werden in den Geräten Software-mäßig so verpixelt, dass keine anatomischen Details erkannt werden können. Abbildung 2 zeigt den Systemaufbau eines aktiven THz-Scanners.

Abb. 2: Systemaufbau eines aktiven THz-Scanners (Quelle: Eigene Darstellung)

Passive Scanner

Passive Systeme detektieren die vom Körper natürlicherweise abgestrahlten Millimeterwellen und erzeugen daraus ein Körperbild. Das System ist vergleichbar mit einer Infrarot- oder Wärmebildkamera. Auf dem Markt erhältliche passive Personenscanner verwenden typischerweise einen 90-GHz-Detektor mit einer Bandbreite von ca. 20 GHz.

Die Bilder zeigen keine anatomischen Details. Sie sind vergleichsweise schwach aufgelöst, lassen aber versteckte Gegenstände, wie z.B. Messer, gut erkennen.

Passive Systeme sind aus gesundheitlicher Sicht unproblematisch, da sie den Körper nicht aktiv bestrahlen, sondern nur die vom Körper natürlicherweise ausgesendete Strahlung erfassen und in einer Art Wärmebild visualisieren. Für aktive Systeme sind die Grenzwerte der Strahlenschutzverordnungen des Bundesamts für Strahlenschutz maßgebend.

Der maßgebende Grenzwert für Millimeterwellen bei aktiven Scannern beträgt 60 V/m. Laut Herstellerangaben liegt die Sendestärke weit unter derjenigen eines Mobiltelefons, sodass der Immissionsgrenzwert eingehalten wird. Die absorbierte Leistung durch in der Nähe telefonierende Handybesitzer ist in aller Regel größer als die Energieaufnahme aufgrund des ca. zehnsekündigen Scans.

Grundsätzlich ist die Eindringtiefe der nicht ionisierenden Strahlung in den menschlichen Körper im möglichen Frequenzbereich gering. Bei 10 GHz beträgt sie nur noch Millimeter und nimmt mit zunehmender Frequenz weiter ab. Tiefer liegende Organe werden deshalb praktisch nicht erreicht. Allerdings ist die Eindringtiefe ausreichend, um Zellen der Haut und des peripheren Blutkreislaufs zu erreichen.

Dort gesetzte Schäden könnten sich sowohl lokal als auch systemisch auswirken. Unstrittig ist, dass die im Körper absorbierte Strahlung bei ausreichender Intensität zu thermischen Wirkungen führt. Dies ist Grundlage der Grenzwertempfehlungen in diesem Bereich. Im Mikrowellenbereich bis etwa 10 GHz liegen eine Reihe von Laboruntersuchungen zu diversen zellulären und subzellulären Endpunkten vor. Bei höheren Frequenzen ist die Anzahl der vorliegenden wissenschaftlichen Untersuchungen allerdings sehr gering.

Wirkung der Strahlung

Nur von wenigen Arbeitsgruppen wurden Wirkungen von Millimeter- oder Terahertz-Strahlung auf Zellkultursysteme untersucht. In erster Linie ist hier das EUForschungsprogramm „THz-Bridge“ zu nennen. Untersucht wurden insbesondere Effekte auf die DNA oder die Verteilung von Chromosomen. Bei Expositionsdauern unter einer Stunde wurden keine Effekte gefunden. Eine israelische Arbeitsgruppe fand bei einer Expositionsdauer von mindestens zwei Stunden (nicht darunter) bei 100 GHz Hinweise auf Störungen der Chromosomenverteilung in teilungsfähigen Lymphozyten (Korenstein et al., 2008).

Allerdings wurden diese Ergebnisse bisher nicht durch andere Untersuchungen bestätigt. Da die Datenlage zu biologischen Wirkungen im Terahertz-Bereich äußerst gering ist, führt das Bundesamt für Strahlenschutz im Rahmen der Ressortforschung weitere Untersuchungen durch. Die wissenschaftlichen Ergebnisse werden bis Ende 2010 erwartet.

Anforderungen an die EMV für THz-Scanner

Um THz-Scanner in der Sicherheitstechnik weiter zu etablieren, ist eine starke Fokussierung auf deren Wirtschaftlichkeit notwendig. Dabei ist eine Optimierung der Systemkosten für Sender, Empfänger und Systemaufbau wesentlich. Daraus resultiert auch eine erhöhte Anforderung an kostengünstige EMV-Konzepte für derartige Systeme. Im Wesentlichen beinhalten solche EMV-Konzepte für THz-Scanner geeignete Schirmungsmaterialien, Filter und eine Optimierung auf Systemebene.

Terahertz – Die Röntgenstrahlung der Zukunft

Die Terahertz-Strahlung hat das Potenzial, langfristig die Röntgenstrahlung in vielen Applikationen abzulösen. Der große Unterschied bei der Anwendbarkeit besteht in der Risikominimierung gegenüber dem Einsatz von ionisierender Strahlung im Fall der Röntgentechnik. Um THz-Systeme in die verschiedenen Anwendungsfelder kurz- bis mittelfristig zu etablieren, ist eine starke Fokussierung auf deren Wirtschaftlichkeit nötig, d.h. es ist eine drastische Minimierung der Anschaffungskosten unumgänglich. Daraus resultiert auch eine erhöhte Anforderung an kostengünstige EMV-Konzepte für derartige Systeme.

Autor: Dr.-Ing. Florian Krug