Терагерцовый неразрушающий анализ относится к устройствам и методам анализа, происходящим в терагерцовой области электромагнитного излучения. Эти устройства и методы оценивают свойства материала, компонента или системы, не вызывая повреждений.
Терагерцовое изображение
Терагерцовая визуализация — это новый и важный метод неразрушающего анализа (NDE), используемый для анализа диэлектрических (непроводящих, т. е. изоляторов) материалов и контроля качества в фармацевтической, биомедицинской, охранной, характеристике материалов и аэрокосмической промышленности. . Он доказал свою эффективность при контроле слоев красок и покрытий.
выявление структурных дефектов в керамических и композиционных материалах
и визуализация физической структуры картин и рукописей.
Использование ТГц волн для неразрушающего контроля позволяет проверять многослойные конструкции и выявлять аномалии, связанные с включениями инородных материалов, отслоением и расслоением, повреждениями от механического воздействия, термическими повреждениями, а также проникновением воды или гидравлической жидкости.
Этот новый метод может сыграть значительную роль в ряде отраслей промышленности при определении характеристик материалов, где прецизионное картирование толщины (для обеспечения допусков на размеры продукта внутри продукта и от продукта к продукту) и картирование плотности (для обеспечения качества продукта внутри продукта и от продукта к продукту).
Неразрушающая оценка
Датчики и инструменты используются в диапазоне от 0,1 до 10 ТГц для неразрушающего контроля, включая обнаружение.
Терагерцовый тепловизор плотности и толщины
Терагерцовый сканер плотности и толщины — это метод неразрушающего контроля, который использует терагерцовую энергию для картирования плотности и толщины диэлектрических, керамических и композитных материалов. Этот бесконтактный односторонний метод терагерцового электромагнитного измерения и визуализации характеризует микроструктуру и изменение толщины диэлектрических (изоляционных) материалов. Этот метод был продемонстрирован для изоляции внешнего бака космического корабля «Спейс шаттл», напыленной пенопластом, и был разработан для использования в качестве метода проверки текущих и будущих систем тепловой защиты НАСА и других приложений для проверки диэлектрических материалов, где контакт с образцом невозможен из-за хрупкость и нецелесообразность использования ультразвуковых методов.
Вращательная спектроскопия
Вращательная спектроскопия использует электромагнитное излучение в диапазоне частот от 0,1 до 4 терагерц (ТГц). Этот диапазон включает в себя длины волн миллиметрового диапазона и особенно чувствителен к химическим молекулам. Результирующее поглощение ТГц создает уникальный и воспроизводимый спектральный рисунок, который идентифицирует материал. ТГц-спектроскопия может обнаружить следовые количества взрывчатых веществ менее чем за одну секунду. Поскольку взрывчатые вещества постоянно испускают следовые количества паров, должно быть возможно использовать эти методы для обнаружения скрытых взрывчатых веществ на расстоянии.
ТГц-радиолокатор
Радар на терагерцовой волне может обнаруживать утечки газа, химикатов и ядерных материалов. В ходе полевых испытаний радар на терагерцовой волне обнаруживал химикаты на уровне 10 частей на миллион на расстоянии 60 метров. Этот метод можно использовать в системе ограждения или в самолете, которая работает днем и ночью в любую погоду. Он может обнаруживать и отслеживать химические и радиоактивные шлейфы. Радар на терагерцовой волне, который может обнаруживать радиоактивные шлейфы от атомных электростанций, обнаруживал шлейфы на расстоянии в несколько километров на основе эффектов ионизации воздуха, вызванных излучением.
ТГц томография
Методы томографии ТГц — это неразрушающие методы, которые могут использовать импульсный луч ТГц или источники миллиметрового диапазона для определения местоположения объектов в 3D. Эти методы включают томографию, томосинтез, радиолокацию с синтезированной апертурой и время пролета. Такие методы могут разрешать детали в масштабах менее одного миллиметра в объектах размером в несколько десятков сантиметров.
Пассивные/активные методы визуализации
В настоящее время визуализация безопасности осуществляется как активными, так и пассивными методами. Активные системы освещают объект терагерцовым излучением, тогда как пассивные системы просто видят естественное излучение от объекта.
Очевидно, что пассивные системы изначально безопасны, тогда как можно утверждать, что любая форма «облучения» человека нежелательна. Однако в техническом и научном плане активные схемы освещения безопасны согласно всем действующим законодательным актам и стандартам.
Цель использования активных источников освещения — в первую очередь улучшить соотношение сигнал/шум. Это аналогично использованию вспышки на стандартной оптической камере, когда уровень окружающего освещения слишком низкий.
Для целей визуализации безопасности рабочие частоты обычно находятся в диапазоне от 0,1 ТГц до 0,8 ТГц (от 100 ГГц до 800 ГГц). В этом диапазоне кожа непрозрачна, поэтому системы визуализации могут видеть сквозь одежду и волосы, но не внутри тела. С такими действиями связаны проблемы конфиденциальности, особенно связанные с активными системами, поскольку активные системы с их более качественными изображениями могут показывать очень подробные анатомические особенности.
Активные системы, такие как L3 Provision и Smiths eqo, на самом деле являются системами визуализации в диапазоне миллиметровых волн, а не терагерцовыми системами визуализации, такими как системы Millitech. Эти широко распространенные системы не отображают изображения, избегая проблем с конфиденциальностью. Вместо этого они отображают общие контуры «манекена» с выделенными аномальными областями.
Поскольку проверка безопасности направлена на поиск аномальных изображений, будут обнаружены такие предметы, как искусственные ноги, искусственные руки, калоприемники, нательные мочеприемники, нательные инсулиновые помпы и внешние устройства для увеличения груди. Обратите внимание, что грудные имплантаты, находящиеся под кожей, не будут обнаружены.
Активные методы визуализации могут использоваться для выполнения медицинской визуализации. Поскольку терагерцовое излучение биологически безопасно (неионизирует), его можно использовать для визуализации с высоким разрешением для обнаружения рака кожи.
Инспекции космических челноков
Примером применения этой технологии являются инспекции космических челноков НАСА.
После катастрофы шаттла «Колумбия» в 2003 году рекомендация R3.2.1 Совета по расследованию катастрофы «Колумбия» гласила: «Инициировать агрессивную программу по устранению всех обломков системы тепловой защиты внешнего бака у источника…». Для поддержки этой рекомендации в НАСА оцениваются, разрабатываются и совершенствуются методы проверки дефектов пены.
STS-114 использовал космический челнок Discovery и стал первой миссией Space Shuttle «Return to Flight» после катастрофы космического челнока Columbia. Он стартовал в 10:39 EDT, 26 июля 2005 года. Во время полета STS-114 наблюдалось значительное сбрасывание пены. Поэтому возможность неразрушающего обнаружения и характеристики измельченной пены после этого полета стала важным приоритетом, когда считалось, что персонал, обрабатывающий бак, сдавил пену, наступив на нее или получив повреждения от града, когда челнок находился на стартовой площадке или во время других приготовлений к запуску.
Кроме того, изменения плотности пены также были потенциальными точками возникновения дефектов, вызывающих отслаивание пены. Описанная ниже инновация ответила на призыв разработать неразрушающий, полностью бесконтактный, не связанный с жидкостью метод, который мог бы одновременно и точно характеризовать изменение толщины (от раздавленной пены из-за обращения с ней работником и повреждения градом) и изменение плотности вспененных материалов. Было критически важно иметь метод, который не требовал бы соединения с жидкостью (водой); т. е. ультразвуковые методы испытаний требуют соединения с водой.
В полевых условиях и на рынке есть ультразвуковое оборудование стоимостью в миллионы долларов, которое используется в качестве толщиномеров и плотномеров. Когда терагерцовая неразрушающая оценка будет полностью коммерциализирована в более портативную форму и станет менее дорогой, она сможет заменить ультразвуковые приборы для конструкционных пластиковых, керамических и пенопластовых материалов. Новые приборы не будут требовать жидкостного сопряжения, тем самым повышая их полезность в полевых условиях и, возможно, для высокотемпературных приложений in situ, где жидкостное сопряжение невозможно. С помощью этой технологии можно разработать потенциально новый сегмент рынка.
- On this page also see the sections that follows for use of the Terahertz domain: Small Organic Molecular Crystals / Materials Properties (Glasses etc.), Understanding of Vibrational Modes at Terahertz Frequencies, Quantum Cascade Laser Applications, Implementation of Novel Sensing Paradigms, and Dynamics in Biomolecules.
- Original PhD. dissertation by Christopher D. Stoik, Lieutenant Colonel, USAF. December 2008.