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翻訳 テラヘルツセンシングテクノロジーVol.2
〜最新応用事例と新規デバイスコンセプト〜
[コードNo.06NTS159]

■体裁/ B5判・464頁
■発行/ 2006年 5月 5日
(株)エヌ・ティー・エス
■定価/ 25,488円(税込価格)

 原書『TERAHERTZ SENSING TECHNOLOGY Volume 2』(2003) World Scientific(米)
 「テラヘルツ」とは、SI(国際単位系)の世界共通ルールに基づくと、電磁波の周波数が1012〜1015Hz、波長で表記すると0.3マイクロメートル〜0.3ミリメートルの電磁波のことである。特に、光と電波の境界領域にある周波数帯は今まで産業的に未踏の領域と言われ、テラヘルツの発生技術、測定技術、分光技術などのシーズ開発にも高度な技術が要求されるが、そのニーズはライフサイエンス、バイオテクノロジー、環境、情報通信、ナノテクノロジー、材料など多くの分野に応用展開が期待されている。
 原書の『TERAHERTZ SENSING TECHNOLOGY』は、これまでのアメリカの国防総省および商務省の研究背景や世界におけるテラヘルツテクノロジーの重要度を考慮し、「テラヘルツ」と「センサ技術」を融合した原書を三人の編者が「テラヘルツセンシングテクノロジー」と名付けたものである。第2巻では新しい応用分野と新規のデバイス概念を解説する。

監訳にあたって
 今から25年前の1981(昭和56)年10月に我が国では最初の『センサ工学』と名付けた単行本を上梓したことから(その当時は、海外においてもそれに類似した本は発刊されていなかった)、ある雑誌社のインタビューで「21世紀のセンサー社会に向けて」というテーマでセンサーの歴史・未来像について述べたことがある。
 筆者は30年前からの「21世紀はセンサー社会になる」という信念から、これからの大学にはセンサー工学のカリキュラムが必要となってくると考えていた。当時、日本の大学にはセンサー工学というカリキュラムは皆無であったが、その後、10数年前よりあちこちの大学にセンサー工学カリキュラムが見られるようになった。
 一方、米国は10数年前、当時の国防総省や商務省において、今後の重要技術の中にセンサー技術を取り上げ、重点的な研究開発を行って来た。特に国防総省においては、センサー技術の中のパッシブセンサーを取り上げ、赤外線センサーについての研究開発やパッシブセンサーで検出できないような材料、例えば、赤外線を発光しないような材料の研究開発などについても推進していたようである。また国防総省および商務省は、重要技術の自国の技術力を日本の技術力と評価するために海外の研究者や技術者に意見を求め、それらを基に評価結果を発表している。
 我が国には石油、石炭、ウランなどの「ハード資源」がほとんどないため、筆者はそれに代わる資源、すなわち、人材資源やテラヘルツなどの電磁波を「ソフト資源」として位置づけ、長年提唱してきた。その間、1978(昭和53)年から1987(昭和62)年にわたる9年間、資源調査会のエネルギー部会、工業原材料部会および国土資源部会の3部会の専門委員を務め、在任中に「電磁波資源」の調査を提案したが、当時、資源調査会としては適当な部会もなく、テーマとしては採用されなかった。
 その後間もなく、電磁波の中の「遠赤外線」や「テラヘルツ領域のデバイス」、さらには「極紫外線〜ソフトX線」、「準マイクロ波」などの電磁波が大きくクローズアップされ、1998(昭和63)年に6日本機械工業連合会において、産官学からなる電磁波応用交流会(主査:筆者)が設立された。3年後の1991(平成3)年には、同交流会で21世紀の新しい電磁波の研究開発課題を提言している。
 現在、テラヘルツテクノロジーが注目されているのは、テラヘルツ帯の電磁波、特に赤外光と電波の重複する電磁波の特性がいまだ解明されておらず、その応用も推進されていないことや、テラヘルツ帯の紫外光、可視光、赤外光の領域においても特にそれらの光のスペクトルとバイオ・生命分野における作用効果については未解明な領域も存在しているためである。
 今回の原書の『テラヘルツセンシングテクノロジー』は、これまでのアメリカの国防総省および商務省の研究背景や世界におけるテラヘルツテクノロジーの重要度を考慮し、「テラヘルツ」と「センサー技術」を融合した原書を三人の編者が「テラヘルツセンシングテクノロジー」と名付けたもので、その第2巻は、新規デバイス概念と最新のライフサイエンス分野などへの応用について10章にわたって記述されている。
 「テラヘルツ」とは、SI(国際単位系)の世界共通ルールに基づくと、電磁波の周波数が1012〜1015Hz、波長で表記すると0.3マイクロメートル〜0.3ミリメートルの電磁波のことである。特に、光と電波の重複する周波数帯は今まで産業的に未踏の領域と言われ、テラヘルツの発生技術、測定技術、分光技術などのシーズ開発にも高度な技術が要求されるが、そのニーズはライフサイエンス、バイオテクノロジー、環境、情報通信、ナノテクノロジー、材料など多くの分野に応用展開が期待されている。
 なお、原書の翻訳にあたっては、東京工業大学名誉教授・廣瀬千秋氏が詳細に検討し、翻訳した。国内の関係者、特に産・官・学の研究者、技術者に幅広く利用されることを望む次第である。
 最後に、この原書の翻訳を推進された(株)エヌ・ティー・エスの吉田隆社長および臼井唯伸副部長に心より感謝の意を申し上げます。
2006年3月 大森豊明
翻訳にあたって
 原書の”Terahertz Sensing Technology”Vol.1、2は、それぞれInternational Journal of High Speed Electronics and Systems, Vol.13のNo.2およびNo.4(2003年、(c)World Scientific Publishing Company)を再録したものである。
 本書は、そのVol.2であり、最新のテラヘルツ波技術の様々な側面が紹介されており、この分野に参入しようとする若手研究者および学生諸氏にとって、大いに役立つであろう。そして、さしあたり取っつきやすい章が必ず含まれているはずである。各章は、最新のオリジナル研究を紹介しながら、その理解に必要な情報が加味されている記述形式になっている。いくつかの最新論文の内容が順に並べられていると思われる章すらある。また、背景にある基本事項が辟易するほど詳しく記されている章もある。よって、現在この分野にどっぷり浸かっている研究者・技術者の諸氏にとっても、視野を広げかつ基礎を固め直すうえで役立つものと思われる。なお、本書の翻訳と時期を同じくして、日本分光学会誌「分光研究」54巻でも「テラヘルツ・遠赤外分光」と題したシリーズ記事(6回)が掲載されている。最新状況を知るうえでは、こちらも参考になるであろう。
 内容が様々な分野にわたっているため、国内で使われている専門用語がよく分からないケースもいくつかあった。そのため、違和感を感じる読者がおられるかもしれないが、意味するところは伝わるように最大の努力をしたつもりであるから、それに免じてお許し願いたい。また、一部には原書の校正ミスと思われる意味不明な文章もあったため、意訳(推測による創作)した部分もわずかながらあることをここに一言しておきたい。
 最後に、訳者のつたない日本語から用語にわたって丁寧なコメントを頂いた監訳の大森豊明氏、そして、本書の翻訳という苦しみと楽しみの機会を提供してくれた(株)エヌ・ティー・エス編集企画部の臼井唯伸副部長に、この場を借りて心から感謝する。
2006年3月 廣瀬千秋

原書編者
Dwight L Woolard
William R Loerop
Michael S Shur
監訳
大森豊明OHT技術士事務所 所長、工学博士
翻訳
廣瀬千秋東京工業大学名誉教授、理学博士

詳細目次
序言
第1章DNAおよび関連生体物質のテラヘルツ分光センシング
<T. Globus, D. Woolard, M. Bykhovskaia, B. Gelmmont, L. Werbos, and A. Samuels>
1まえがき
2生体分子のキャラクタリゼーションで使われる理論
2.1背景
2.1.1DNAのトポロジーと柔軟性
2.1.2DNAの振動モードの計算
2.1.3赤外強度
2.2エネルギーの最小化と基準モード解析
2.3振動子強度
2.4吸収スペクトルのモデリングとスペクトル解析
2.5DNA断片およびRNA断片のモデリング結果
3生体分子のキャラクタリゼーションに使われる実験技術
3.1技術の概説
3.2FTIR透過分光
3.2.1感度に対する要請
3.2.2試料調製
3.2.3実験手順
3.3実験結果
3.3.1吸収係数:広いスペクトル領域
3.3.2透過スペクトルにおける共鳴モード:低周波数領域
3.3.3実験的な課題
4実験結果と理論予測の比較
5応用:人工ニューラルネットワークの解析
6まとめ
参考・引用文献
第2章ケミカルセンシングおよびバイオセンシングのための各種テラヘルツ分光技術
<Min K. Choi, Kimberly Taylor, Alan Bettermann, and Daniel W. van der Weide>
1まえがき
2背景
3広帯域パルス/応答
4コヒーレント検出を用いた反射分光と透過分光
5試料調製
6反射分光
7透過分光
8タンパク質溶液の反射分光
9今後の方向性
10まとめ
参考・引用文献
第3章生体分子のセンシングにおけるテラヘルツの応用
<Andrea G. Markelz and Scott E. Whitmire>
1まえがき
2背景
2.1生体分子の立体構造と立体構造の変化
2.2既存の構造決定技術
2.3集団振動モード
3テラヘルツ時間領域分光による生体分子の立体構造
3.1実験装置
3.2エタロン効果の除去と水和依存性
3.3スペクトル感度と化学敏感性:基準モード密度との比較
3.4立体構造敏感度と変異敏感度:バクテリオロドプシン
4まとめ
参考・引用文献
第4章テラヘルツおよび赤外スペクトル領域におけるナノスケール複合材料の特性
<John F. Federici and Haim Grebel>
1まえがき
2テラヘルツ分光
2.1広域テラヘルツ分光
2.2近接場テラヘルツ分光
2.3赤外分光およびラマン分光
3ナノ材料:製作と性質
4ナノ複合材料のテラヘルツ分光
5ナノ複合材料の赤外分光およびラマン分光
6まとめ
参考・引用文献
第5章地球に対するミリ波およびテラヘルツ波リモートセンシングの基礎
<E. R. Brown>
1まえがき
1.1背景と目的
1.2センサーシステム
1.3テラヘルツ固体デバイス:積年の挑戦
2テラヘルツ放射
2.1ポインティング(Poynting)ベクトル:古典的描像
2.2調和振動子状態:量子的描像
2.3放射のタイプ
2.3.1コヒーレント放射
2.3.2熱放射
2.3.3黒体輻射という特例
2.4放射のゆらぎ
2.4.1量子ゆらぎ
2.4.2コヒーレント放射:ポアソンの光子統計
2.4.3非コヒーレントまたは熱的放射:ボルツマンの光子統計
2.4.4低周波数限界:ジョンソン・ナイキスト定理
2.4.5高周波数限界:光子のショット雑音
2.5テラヘルツ波の伝播
2.5.1大気中の吸収
2.5.2テラヘルツ波への影響:放射エネルギー移動
2.5.3空気による散乱
2.6テラヘルツパワーの測定
3自由空間へのテラヘルツ波の結合
3.1デバイス間の経路付け:テラヘルツ波の伝送線路
3.1.1金属導波管
3.2自由空間への結合:テラヘルツ波アンテナ
3.2.1ワイヤ型テラヘルツ波アンテナ
3.2.2ワイヤ型アンテナによる自由空間へのカップリング
3.2.3アパーチャ型テラヘルツ波アンテナ:皿形アンテナ、レンズアンテナ、フィードホーンアンテナ、パラボラアンテナ:回折限界
3.2.4レンズアンテナ
3.2.5フィードホーンアンテナ
3.3モードの数:アンテナ理論とプランク定理の解釈
3.4モード関数の実例
3.5ガウスビーム概論
3.5.1ガウスビームの方法論
3.5.2ガウスビームの表式
3.5.3ガウスビームの変換:代表的なシステム例
3.6Friisの自由空間伝送方程式
4テラヘルツ波受信器のタイプおよび雑音存在下での性能指標
4.1方式
4.1.1直接型
4.1.2前置増幅直接型
4.1.3ヘテロダイン型
4.1.4前置増幅ヘテロダイン型
4.2信号/雑音比と雑音等価パワー
4.3雑音等価パワー
4.4雑音等価デルタ温度
4.5雑音指数とFriisの公式
5テラヘルツ波信号および雑音の処理
5.1古典的2乗則検波および積分
5.2量子的2乗則検波および積分
5.3古典的なヘテロダイン型およびホモダイン型変換と検波
5.4量子的コヒーレントヘテロダイン型およびホモダイン型変換と検波
6放射雑音極限における限界感度
6.1直接検出型テラヘルツ波センサーの放射雑音限界NEPBD
6.1.1コヒーレント信号
6.1.2熱的信号
6.1.3任意の信号に対する熱的バックグランドの取り込み
6.2古典的および量子的コヒーレント受信器の放射雑音限界NEPBD
7受信器感度の実際の限界:エレクトロニクス雑音
7.1エレクトロニクスの物理雑音
7.2等価回路による表示
7.3テラヘルツ波2乗則検波器における電気的雑音限界
7.4ヘテロダインミキサーにおける電気的雑音限界
8受信器性能の限界と統計
8.1検出前信号/雑音比の最適値:Northの定理
8.2検出後のセンサー性能:受信器の動作特性
8.2.1直接検出型センサー
8.2.2ヘテロダイン型(またはホモダイン型)センサー
94タイプの受動型センサーの総合性能
9.1センサーのシナリオ
9.2古典的2乗則検波による直接検出
9.2.1一般的解析
9.2.2検出器個別的解析
9.2.3実例:ショットキーダイオード直接検出器
9.3ヘテロダイン検出
9.4前置増幅直接検出
9.5前置増幅ヘテロダイン検出
10能動センサーの課題と性能
10.1能動センサーのシナリオ
10.2トランスミッタのタイプ
10.2.1連続波
10.2.2パルス波:テラヘルツ波超短パルス(T-ray)
10.3受信器のタイプ
10.3.1古典的2乗則検波による直接変換
10.3.2古典的2乗則検波によるヘテロダイン変換およびホモダイン変換
10.4実例:吸収信号測定用能動センサーの設計
10.4.1吸収信号の特性
10.4.2センサー設計:直接型およびホモダイン型差分吸収レーダー
10.4.3425GHzにおける直接型センサーおよびホモダイン型センサーの性能
112次元イメージングと広範な利用の追求
11.1帰納的方法
11.2空間サンプリングによるイメージング
11.3ミリ波イメージング機器の応用と実例
参考・引用文献
第6章量子ドットと微小共振器を使用したテラヘルツ放射
<Glenn S. Solomon, Zhigang Xie, and Mukul Agrawal>
1まえがき
2テラヘルツ波の発振領域
2.1テラヘルツ波の発光源
2.2自由キャリヤ損失、フォノン損失、オージェ損失、および価電子帯間吸収損失
2.3テラヘルツデバイスの材料、製作、および幾何構造に関連する課題
3テラヘルツ波発生源としての量子ドット(QD)と共振器
4非対称結合量子ドット(CAD)レーザー
5量子ドット微小共振器テラヘルツ波源
5.1微小共振器における自然放出の増強
5.2マイクロディスクにおけるテラヘルツ波光学モードの計算
5.2.1共振器内の許容モード
5.3マイクロディスク内でのQDの配置
5.4レーザー用光学遷移の同調
6まとめ
付録:屈折率の計算
参考・引用文献
第7章半導体量子構造におけるテラヘルツ輸送
<S. J. Allen and J. S. Scott>
1まえがき
2高周波数量子輸送
3フォトンアシスト輸送
4動的局所化と負性コンダクタンス
5コヒーレントミニバンド超格子
6超格子デバイスが持つテラヘルツ利得媒質の可能性
7まとめ
参考・引用文献
第8章トンネル効果ナノ構造体における不安定化の先端理論
<D. L. Woolard, H. L. Cui, B. L. Gelmont, F. A. Buot, and P. Zhao>
1まえがき
2トンネル効果構造体における固有振動
2.1序論
2.2不安定の一般理論
2.3数値解の技術
2.3.1Wigner-Poissonモデル
2.3.2多重サブバンドモデル
2.4シミュレーション結果と不安定解析
2.4.1シミュレーション結果
2.5結論および設計基準のまとめ
3固体テラヘルツ発生における2重性理論
3.1序論
3.1.1タイプTRTS
3.1.2タイプURTS
3.2非線形量子動力学
3.2.1タイプTRTSの振動ダイナミクス
3.2.2タイプURTSの振動ダイナミクス
3.3安定性解析
3.4リミットサイクル(極限閉軌道)解
3.5考察
3.5.1電流の平均値
3.5.2振幅との関係
3.5.3振動周波数とその依存性
3.5.4テラヘルツ発生の等価回路モデル
3.6結語
4食い違い(staggered)バンドギャップトンネル構造体に対する多重バンド物理に基づく輸送モデル
4.1序論
4.2バンド間輸送のモデル
4.3シミュレーション結果と結論
5多重バンドトンネル構造に対する非平衡Green関数輸送理論
5.1序論
5.2多重バンド非平衡Green関数に対する運動方程式の第一原理による導出
5.3多重バンド半導体に対する量子輸送方程式のキネティック記述
5.3.1多重バンド非平衡Green関数(MBNGF)に対する運動方程式(EOM)のデカップリング
5.3.2MBNGFに対するEOMの積分
5.3.3輸送方程式のシミュレーション
5.4多重バンド半導体に対する量子輸送方程式のダイナミック記述
5.4.1粒子数バランス方程式
5.4.2エネルギーおよび運動量の保存則
5.5結論
6まとめ
付録:緩和時間近似
参考・引用文献
第9章量子デバイス−回路のウィグナー関数によるシミュレーション
<H. L. Grubin and R. C. Buggeln>
1まえがき
2スピンが設計パラメータでないときの物理モデル
3古典的構造体に対する計算
4ベースライン直流特性
5過渡デバイスのシミュレーション
6自励発振器としてのRTD(共鳴トンネルダイオード)
7まとめ
付録:離散型方程式
(1)離散型支配方程式
(2)ウィグナー行列
(3)行列要素
(4)行列の右辺
(5)逆行列
参考・引用文献
第10章プラズマおよび生体分子の連続波テラヘルツ分光
<D. F. Plusquellic, T. M. Korter, G. T. Fraser, R. J. Lavrich, E. C. Benck,C. R. Bucher,A. R. H. Walker, and J. L. Domenech>
1まえがき
2連続波テラヘルツ分光計
3プラズマ診断
4生体分子のテラヘルツスペクトル
4.1ビオチン(biotin)
4.2ミオグロビン
5まとめ
参考・引用文献
索引

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