Time of Flight Diffraction-Technik (ToFD) mit THz-Strahlung zur Untersuchung von Kunststoffobjekten
(2010)
Als Terahertz-Strahlung bezeichnet man eine elektromagnetische Strahlung im
Frequenzbereich zwischen 0.3 und 6 THz. Sie ist zwischen der Mikrowellen- und der Infrarotstrahlung
eingeordnet und steht erst seit einigen wenigen Jahren infolge der Entwicklung von effizienten
THz-Systemen für Untersuchungen im Labormaßstab zur Verfügung. Weit verbreitet ist
heutzutage die THz-Spektroskopie (Time-Domain Spectroscopy, TDS) und THz Bildgebung
(THz-Imaging). Die THz-Strahlung hat wesentliche Vorteile für die Materialuntersuchung und -
charakterisierung. Sie ist nicht ionisierend und verfügt über eine vergleichsweise große Eindringtiefe
bei vielen nichtleitenden optisch opaquen Materialien. Verpackungsmaterialen wie z.B. Papier,
Kunststoffe, Keramiken und am menschlichen Körper getragene Kleidungsstücke erscheinen
im Wellenlängenbereich der THz Strahlung transparent. Unterschiedliche Materialien, wie z.B.
Sprengstoffe oder Drogen zeigen im THz-Spektrum infolge kollektiver molekularer Anregungsmechanismen
im Material charakteristische Absorptionsbereiche, die als 'Fingerprints' in der
Pharmazie oder bei der Kriminalitätsbekämpfung zu deren Identifizierung verwendet werden.
Beim THz-Imaging wird die Probe z.B. mit Hilfe eines fokussierten THz-Strahls berührungslos
abgetastet, um Reflexions- oder Transmissionseigenschaften (Amplitude, Zeitverzögerung, spektrale
Information) ortsaufgelöst zweidimensional zu detektieren. Sowohl das THz-Imaging als
auch die THz-Spektroskopie weisen ein hohes Anwendungspotential für die berührungslose zerstörungsfreie
Werkstoffprüfung von Kunststoffen, Glasfaser-Verbundstoffen oder Keramiken auf.
Die ortsaufgelöste Messung der Feuchte in einem Bauteil, der Nachweis von Defekten oder von
Einschlüssen im Probeninneren oder die Delaminationsvorgänge in Verbundwerkstoffen sind
beispielgebend genannte Anwendungsmöglichkeiten. Die Auflösung lag dabei, bedingt durch die
Wellenlänge der THz-Strahlung, im Millimeter-Bereich und ist somit vergleichbar mit der typischen
Wellenlänge bei Ultraschalluntersuchungen. Die BAM verfügt über ein glasfasergekoppeltes
Picometrix T-Ray 2000 System, mit dem durch die Integration eines Mehrkreisgoniometers
der THz-Sender, THz-Detektor und der Probenkörper beliebig und unabhängig voneinander positioniert
werden können.
Bei getrennter V-förmige Reflexanordnung der Sende- und Empfangsantenne (z. B. 45º) in Bezug
zur Oberflächennormale des Prüfgegenstandes können z.B. Risse, Bohrungen oder Kerben, die
sich im Inneren des beleuchteten Probenvolumens befinden, nachgewiesen werden, weil die
eingelagerten Inhomogenitäten sowohl eine zusätzlich Reflexion als auch eine Beugung des THz
Pulses verursachen. Charakteristisches Merkmal von TOFD (Beugungslaufzeitmethode) ist die
Nutzung der von den Fehlerrändern verursachten (schwachen) Beugungssignale zur Bildgebung.
Damit bietet TOFD in Analogie zum gleichnamigen Ultraschallprüfverfahren generell nicht nur
die Möglichkeit zum Fehlernachweis, sondern vor allem auch die der Fehlergrößenbestimmung
und Fehlerlage. Der Beitrag zeigt, wie mit Hilfe der Time of Flight - Diffractions - Technik künstlich
in Kunststoffkörper eingebrachte Fehlstellen berührungslos nachgewiesen und deren laterale
Ausdehnungen bestimmt werden können.
Elektromagnetische Wellen von 0.3 bis 6 Terahertz (THz) werden als
THz-Strahlung bezeichnet. Im elektromagnetischen Spektrum sind sie zwischen
Mikro-/Millimeterwellen und Infrarot angesiedelt. Der nicht ionisierende Charakter
und die Möglichkeit, Verpackungsmaterialen sowie Kleidung zu durchstrahlen, machen
die THz-Strahlung für bildgebende- und spektroskopische Anwendungen sehr
interessant. Besondere Aufmerksamkeit gilt der Zeitaufgelösten Terahertz-
Spektroskopie (THz-TDS) im Sicherheitssektor. Feste Spreng- und Gefahrenstoffe
sind vielfach bezüglich ihrer Transmissions- und Reflexionseigenschaften untersucht
worden, um sie anhand ihrer Fingerprints zu identifizieren. Moderne mit Glasfaser
ausgerüstete THz-TD-Spektrometer zeichnen sich im Vergleich zu konventionellen
Freistrahlgeräten durch höhere Flexibilität aus. In Zukunft werden diese auch als
Handheld-Geräte entwickelt, um eine Nutzung außerhalb des Laboratoriums zu
ermöglichen. Das glasfasergekoppelte Picometrix T-ray 2000 System der BAM
wurde in ein Zwei-Kreis Goniometer integriert. Probe und Detektor können unabhängig
voneinander bewegt werden. Eine schnelle Überführung der Transmissionsin
die Reflexionsanordnung und umgekehrt, ist möglich. Seit der Verwendung flüssiger
Brand- und Gefahrstoffe bei terroristischen Anschlägen ist das Interesse an der
Identifizierung im Sicherheitsbereich zunehmend gewachsen. Um zu überprüfen, ob
die THz-TDS für die spektrale Charakterisierung von Flüssigkeiten eingesetzt werden
kann, wurden Transmissions- und Reflexionseigenschaften repräsentativer Flüssigkeiten
und Flüssigkeitsgemische bestimmt. Polare Flüssigkeiten sind starke Absorber
im THz-Bereich. Ab einer Flüssigkeitsschichtdicke von ca. 1mm ist mit dem
THz-Spektrometer T-ray 2000 kein Signal stark polarer Flüssigkeiten mehr
detektierbar. Der Einsatz einer Messzelle mit variabler Schichtdicke (50 - 1000 .m)
war für die Bestimmung der Transmissionseigenschaften polarer Flüssigkeiten notwendig.
Anhand von Transmissions- und Reflexionsuntersuchungen an polaren sowie
unpolaren Flüssigkeiten werden die Möglichkeiten der THz-TDS zur berührungslosen
Identifizierung von Flüssigkeiten aufgezeigt.