טרה-הרץ: המהפכה בפתח

חלקים ניכרים מהספקטרום האלקטרומגנטי מפורסמים למדי: גלים ארוכים כמו גלי הרדיו, תחום הביניים של גלי השידור של הטלוויזיה, גלי המיקרו, המשמשים במכשירי החימום, תחום התת-אדום, האור הנראה והעל-סגול. מעבר להם הגלים הקצרים של קרני רנטגן וקרני גאמא. לגלים בכל התחומים הללו יש שימושים רבים, כולל שימושים יום יומיים.
לעומת תחומים "פופולריים" אלה, אך מעטים מכירים את תחום הטֶרָה-הֶרץ (לאמור – טריליוני תנודות בשניה, TH ). הכוונה ביתר דיוק היא לתדירות שבין TH0.3 ל- TH 30 , תחום המשתרע בין קרינת התת-אדום לבין הגלים המילימטרים, תחום אורכי הגל שבין 1 מ"מ למאית מ"מ.
הסיבה העיקרית שהתחום אינו מוכר היא טכנולוגית: הקושי ליצור ולמדוד קרינה בתחום זה. כאשר רוצים לייצר קרינה באורך גל גדול יותר, כמו גלי רדיו, משתמשים במעגלים אלקטרוניים שבהם האלקטרונים נעים הלוך וחזור ופולטים קרינה בתחום הנדרש. עבור תחום הטרה-הרץ נדרשים מעגלים מהירים מאוד, בגבול האפשרויות הטכנולוגיות. אם רוצים לייצר קרינה בעל אורך גל קטן יותר, כמו האור הנראה, משתמשים בהתקנים אופטיים, אך כמעט שאין התקנים אופטיים היכולים לעבוד בתחום-הטרה הרץ ואלה שישנה הם מסובכים ויקרים. הסיבה לכך היא, שעבודה עם התקנים אופטיים מבוססת על חומרים שבהם מעבר ממצב אחד לשני משחרר קרינה בתחום הנדרש. דוגמה למעבר כזה יכולה להיות מעבר של אלקטרון מרמת אנרגיה אחת לשנייה. במעבר כזה נפלטת אנרגיה בצורת קרינה – יש קשר ישיר בין כמות האנרגיה לאורך הגל. קשה למצוא חומרים שמעברי האנרגיה שלהם מתאימים לתחום הטרה-הרץ.
כל תחום של אורך גל מצטיין בתכונות אחרות. כך, למשל, גלי רדיו חודרים מבעד לקירות, בעוד שקרינת אור נראה כמובן נעצרת בהם. וכן, אור נראה ניתן למקד באמצעים אופטיים פשוטים (עדשות זכוכית, פלסטיק קוורץ ואף רקמות חיות, כמו בעין), בעוד שעבור גלים מילימטריים צריך התקנים מיוחדים. כך גם לקרינה בתחום הטרה-הרץ תכונות מיוחדות. התכונה התכונה שנראית כרגע השימושית ביותר, היא יכולת הקרינה לעבור דרך עצמים כמו נייר, עור, בגדים ולפעמים אפילו דרך קירות. לעומת זאת, הקרינה נעצרת על-ידי מתכות או חומרים בעלי תכולת מים גבוהה; יש לציין שקרינה זו אינה מסוכנת כמו קרינת רנטגן שגם לה היכולת לעבור דרך עצמים.

אמצעי ביטחון בשדות תעופה

השימוש המיידי והמפתה ביותר הוא כאמצעי ביטחון בשדות תעופה, שימוש בפעולות מעקב ושימושים אחרים נגד טרור. באנגליה נמצאת בפיתוח מתקדם, במצב של טיפוס-אב, מצלמה בתחום הטרה-הרץ. בניסוי הדגמה ראשון של מצלמה זאת, ניתן היה לראות יד אדם שהיתה מאחורי ספר עבה.
בניסוי דומה ניתן היה להבחין במתכות או חומרים קשים מתחת לבגדיו של אדם, כולל בקווי מתאר של הגוף. יתרונה של מצלמת הטֶרה על מצלמות רנטגן, פרט להיבט הבריאותי, הוא שאין צורך לעבור דרך מתקן מיוחד. המצלמה פועלת בכל כיוון ותאפשר גם סריקת אדם מרחוק. הסיבה לכך היא שגוף האדם פולט מעצמו קרינה בתחום הטרה-הרץ! אמנם, העוצמה לא גבוהה, אך מספיקה כדי שהמצלמה תפיק תמונה ברורה. קרינת הרנטגן מחייבת מתקן מיוחד מכיוון שיש צורך להקרין גלי רנטגן על העצם הנבדק כדי להפיק תמונה. שימושים בטחוניים נוספים יכולים להיות בדיקות של מעטפות סגורות לגילוי אבקות כמו אנטרקס. לטענת המפתחים, אם יהיה ייצור בקנה מידה גדול מחיר המצלמה לא יהיה שונה משמעותית ממחיר מצלמה דיגיטלית משוכללת.
ברור שמצלמה כזאת תגרום למאבק גדול בין הדרישת להגנה על הפרטיות לבין דרישות הביטחון. יכולת המצלמה לזהות קווי גוף מתחת לבגדים עשויה לעורר התנגדות רבה. סימן לכך כבר נראה בהתנגדות נוסעים בארה"ב לסריקות בקרינת רנטגן חלשה, למרות שהפגיעה בפרטיות קטנה בהרבה מהצפוי עם מצלמות הטרה-הרץ. ההערכה של החוקרים בנושא היא שדרישות הבטחון ינצחו לבסוף, אך קשה לנבא*.
שימוש אחר שעליו ודאי תהיה הסכמה הוא בתחום הרפואי. קרינת טרה-הרץ תוכל לשמש לסריקות רפואיות. כאמור, הקרינה אינה מסוכנת כמו קרינת רנטגן ובמקרים מסוימים כושר האבחנה שלה טוב יותר. שימוש במצלמות בתחום הטרה-הרץ לא יוכל להחליף את כל צילומי הרנטגן, אבל כבר נמצא כי בצילומי שיניים תמונת טרה-הרץ מקנה יותר מידע מאשר צילום רנטגן. כמו כן, מתברר כי בעזרת קרינת טרה-הרץ ניתן לזהות גידולים קטנים של סרטן העור. עדיין אין הסבר ברור מדוע גידולי סרטן העור בולטים במיוחד בקרינת טרה-הרץ; ייתכן שזה השילוב בין יכולת החדירה מתחת לעור לריכוז כלי דם בגידול. ההנחה היא שככל שהטכנולוגיה תיעשה פופולרית יותר יימצאו לה שימושים נוספים.

שימושים גם בתחום החומרים

לקרינת טרה יש שימושים גם בתחום החומרים. חלק גדול מבדיקות החומרים נעשה תוך מדידת הקרינה הנפלטת מהחומר. הרחבת תחום הבדיקה לטרה הרץ תאפשר בחינת אפיונים נוספים. אך השימוש שנראה בעין בתחום החומרים קשור בחומרים אורגניים. בעזרת קרינת טרה ניתן להפיק נתונים על קשרים בין מולקולות אורגניות ועל שינויים במבנה המרחבי שלהן. בצורה כזאת ניתן יהיה לזהות חלבונים מסוימים בתוך רקמה חיה, או מים. ניתן יהיה לזהות שינויים בחלבונים עם הזמן וכך למשל, לטפל בהתיישנות מזון.
הראשונים המתכננים להשתמש בקרינת הטרה-הרץ הם האסטרונומים. באירופה מפתחים מצלמת חלל בתחום הטרה-הרץ שתשמש לתצפיות לעֵבר הכוכבים וגם לעבר כדור הארץ, כדי לנסות למדוד שינויי אקלים ושינויים בשכבת האוזון.
לחלק גדול מהשימושים האפשריים נדרשות לא רק מצלמות אלא גם מקורות ליצירת הקרינה. ב-1994 הצליחו מדענים לבנות חומר עם מעברי אנרגיה בתחום הטרה-הרץ תוך ריבוד שכבות רבות של מוליך-למחצה. חומר זה שימש כבסיס לבניית לייזר, אך לייזר זה לא הצליח להפיק קרינה מספקת. והנה, לפני כחצי שנה התגברו מדענים באיטליה ובאנגליה על בעיה זו והצליחו לייצר לייזר בתחום הפועל בתחום הטרה-הרץ. יש לקרר לייזר זה ל-30 מעלות קלווין (לאמור – 30 מעלות מעל האפס המוחלט, 243- מעלות צלזיוס), אך המומחים מעריכים כי ניתן יהיה לשפר את הטכנולוגיה כך שאפשר יהיה להסתפק בקירור פחות קיצוניי, בטמפרטורות של חנקן נוזלי, המשמש באופן שיגרתי בתעשיה.
בשבועות האחרונים נעשה פריצת דרך נוספת. חוקרים בארה"ב הצליחו – בעזרת האצת אלקטרונים בשדה מגנטי – לקבל פולס קרינת טרה הגבוה פי 100,000 מהעוצמה שהיתה אפשרית קודם לכן. אכן, נראה כי אנו על סף קפיצה טכנולוגית בתחום קרינת הטרה-הרץ, קפיצה שתוביל לשינויים משמעותיים, ואף מהפכניים, בתחומים רבים: אבטחה, רפואה וטכנולוגיות חומרים.