太赫兹波无损检测新技术及其应用
发布时间：2017-11-22
太赫兹(Terahertz,简称THz)波是指频率介于红外和微波之间的电磁波。在20世纪80年代中期以前,由于缺乏有效的产生方法和检测手段,科学家对该波段电磁辐射性质的了解非常有限。近年来超快激光技术的发展为THz波脉冲的产生提供了稳定、可靠的激发光源,使THz辐射的研究蓬勃发展。由于THz波的独特性质,它在物理、生物、化学、生物制药、材料科学和电子工程等许多领域得到了应用。利用THz波技术对航天飞机隔离层泡沫材料中缺陷的成功探测使得THz波技术在无损检测领域异军突起,成为无损检测行业的新技术之一。
1太赫兹辐射及其性质
THz辐射通常是指频率为1011~1013Hz (波长为30μm~3 mm)的电磁波。THz波位于远红外波段。近年来自由电子激光器和超快激光技术的发展为THz波脉冲的产生提供了稳定、可靠的激发光源,使THz辐射的产生机理、检测技术和应用技术的研究得到蓬勃发展。目前,世界上已有100多个研究小组从事有关THz辐射的研究,主要力量集中在美国、欧洲国家和日本。
THz辐射技术之所以引起人们广泛的关注,是由于THz电磁波有许多独特的优点,THz电磁波具有较低的光子能量。1 THz频率的光子能量只有4 meV ,因此不会如X射线(keV量级)那样在生物组织中产生有害的光致电离。④很多有机分子由于偶极子的振动和转动跃迁,在GHz~THz频段,都具有很强的吸收和色散,分子的这些光谱特征使得THz辐射鉴别成为可能。THz辐射测量是相干测量,即信号瞬时电场的强度和相位可以同时被测量,这样就可以通过对THz辐射进行时域探测,获得THz吸收光谱和色散光谱,得到被测物体更多信息THz时域光谱提供了非常高的信噪比,而且对黑体辐射(热背景)不敏感。
目前实验室常用THz辐射光源为利用电光晶体的光整流效应或光电导天线产生脉冲的THz辐射,此THz辐射具有较宽频谱,适于进行光谱测量。此外,THz辐射源还有自由电子激光器、气体激光器、耿氏(Gunn)振荡器、Bloch振荡器、冷等离子体沈京玲等:太赫兹波无损检测新技术及其应用NDT无损检测和量子级联激光器等。其中,耿氏振荡器可产生0.1 THz连续波辐射,是THz成像系统的理想光源。
THz辐射探测器主要有热辐射探测器(Bolom-eter)、热电探测器(Pyroelectric detector)、光电导偶极天线、电光晶体以及Schottky半导体管探测器。目前实验室最常用的是基于电光效应的电光晶体(如ZnTe)
2太赫兹波检测的成功应用
由于THz波的独特优点,它在物体成像、环境监测、医疗诊断、射电天文、卫星通讯和军用雷达等方面具有重大的科学价值和广阔的应用前景。最典型的案例是探测航天飞机隔离层泡沫中的缺陷[1]。
2003年2月1日刚刚完成16天(d)航行的哥伦比亚号航天飞机即将返回地球,还有16 min着陆时,在距离得克萨斯上空62 km的高空发生爆炸,机上七名宇航员全部遇难。调查委员会的初步认定和模拟试验都认为哥伦比亚号的悲剧应该归因于外置燃料箱的一块手提箱大小的泡沫隔离层的脱落对航天飞机左翼的撞击。因此对于泡沫材料中缺陷的检查成为确保以后安全发射的关键。为了探索太赫兹波成像技术检测泡沫材料缺陷的可能性,美国纽约州伦塞勒工学院太赫兹研究中心的研究人员测量了一系列预先设置缺陷的泡沫材料样品。这些样品均是由航天飞机燃料箱的制造商按照真实航天飞机泡沫隔离材料的规格制造的。泡沫样品中可能产生的缺陷有空洞(空气泡)和脱胶(两泡沫层间脱离或泡沫层和底板间脱离),大小为��.png)
6.36~50.8 mm(��0.25~2 in.),埋藏深度为6.36~228.6 mm(2.5~9 in.),不仅分布在铝制底板上,并且散布在纵桁和凸缘的边缘地带或底端。通过从顶部和侧面入射太赫兹波脉冲并纪录其反射波,研究人员成功探测到57个缺陷中的49个。这一结果在同时使用的四种无损检测方法(其它为超声、射线和红外热波)中效果最好。充分证明太赫兹波的确可以对航天飞机燃料舱的隔热材料进行有效的无损探伤,使得太赫兹波成像被美国宇航局选择为在以后的发射中可能用来进行缺陷探测的四种技术之一.
3太赫兹波技术与红外热波技术的比较
在伦塞勒工学院对PAL-Ramp SOFI绝热泡沫层成功进行太赫兹波成像的同时,据英国无损检测新闻报道,美国宇航局也将使用红外热波无损检测技术对航天飞机机翼上的碳-碳加强板(RCC)进行红外热成像检测[2]。哥伦比亚号的悲剧就是泡沫隔离层脱落后对航天飞机左翼的RCC材料的撞击造成的。探测深埋在绝热材料中的缺陷对于红外热波检测是困难的,从而使太赫兹波技术成为可供选用的检测手段。而探测机翼RCC板的内部缺陷利用红外热波检测技术又优于其它无损检测技术。表1对太赫兹波与红外热波无损检测技术进行了比较。作为无损检测新技术,太赫兹波与红外热波在无损检测领域可以优势互补,发挥各自的作用,是其它无损检测方法的有益补充,并在某些场合已经显示独特的优势和特点。与红外热波无损检测技术相比,THz波技术的应用才刚刚起步。
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4结语
2002年首都师范大学得到了北京市“THz光谱和成像研究”专项基金的支持,在物理系建立了“THz光谱和成像”实验室,成为国内较早进行THz辐射研究的单位。该实验室在2003年又得到了国家自然科学基金重大项目的支持。2004年5月,在国家863高新技术项目的支持下,首都师范大学与北京维泰凯信新技术有限公司、北京航空材料研究院在首都师范大学建立了“红外热波无损检测”联合实验室。两个实验室从事着两种新的无损检测技术的研究,将在无损检测技术的研究和应用领域发挥各自的作用。
摘自：中国计量测控网
