太赫茲波在無損檢測領域的應用

吳遵紅,徐 義,李昌勝,譚 凱,楊 林

(湖北省特種設備監督檢驗檢測研究院,湖北 武漢 430206)

1 概述

隨著各種新材料和新產品如雨后春筍般的涌現,傳統的檢測方法已經越來越難以滿足它們的檢測需求,與此同時一些新的無損檢測方法也開始應運而生了。太赫茲波無損檢測在行業當中得到廣泛應用,并且得到各行各業的支持,發展前景和發展空間十分廣闊。太赫茲波主要是指頻率在標準的范圍之內的電磁輻射率。但是,電磁波在具體應用過程當中又是分頻段來進行工作的,一頻段的電磁波也可以稱作為毫米波。在光譜學領域當中被稱之為遠紅外波,它的能量是在電子和光子之間,所以不能夠簡單的應用光學理論知識或者微波學理論知識來對其進行分析。

太赫茲波可以穿透如PE 管、玻璃、硬紙板、碳纖維及布料等復合材料和非金屬材料。太赫茲波的主要特征是太赫茲波長比較特殊,它處于毫米波和紅外光的中間位置。具備兩種光波的性質。與其他波段的電磁波相比,太赫茲波的特征表現為以下幾點：

(1)相干性高。相干性主要與產生機制有緊密聯系,電廠主要根據振幅和位置來對太赫茲波的相干技術進行科學合理分析,能夠有效地提取樣品當中的折射率和吸收系數等所需要的參數。

(2)能降低。太赫茲波的光能量與X 射線的光能量相比,不能夠達到X 射線的一個百分點。并且太赫茲波在具體的應用過程當中不會對組織應用產生有害的物體,能夠對生物組織的活體檢測帶來積極作用。

(3)透射能力強。太赫茲波在具體應用過程當中能夠對不同的材料和物質有穿透能力,并且還能夠對不同的物體形成透視成像。

(4)太赫茲波在具體應用過程當中,所需要的頻帶比較寬,并且測量的噪音比較高,能夠對大容量和保密性比較強的數據進行有效傳遞。并且太赫茲波能夠在高載波頻率范圍當中進行良好應用和切換,目前手機通訊的頻率只能夠達到太赫茲波的千分之一,太赫茲波在進行無線傳輸過程當中,能夠以10GB/s 速度傳遞,是6G 的理想波段選擇。

(5)吸水性：水對太赫茲波有跡象的吸收性,因此產品質量控制可以利用產品當中的含水量來對其進行分析。從醫學角度而言,腫瘤組織當中的含水量和正常組織當中的含水量存在著一定的差異性,所以可以通過腫瘤的含水量來對其進行系統性分析和對比。

圖1 THz-TDS 掃描成像系統示意圖

(6)分辨率比較高。太赫茲波在具體應用過程當中,自身的短波和長波性質能夠使成像技術得到大幅度提升,并且成像技術的分辨率也比較高。

2 太赫茲波無損檢測原理

這種原理應用過程主要是利用規定標準的太赫茲對被測物體進行充分照射。并且能夠對太赫茲的信號進行系統分析和傳遞,從而得出被測物體的內部結構和特征。檢測技術主要就是以太赫茲波譜技術為基礎,對其進行創新和改革。通過不同階段對太赫茲波技術進行分類,促進太赫茲波系統的合理運行。本文對三種系統進行概括。

2.1 太赫茲時域波譜技術

太赫茲時域波譜技術是一種可以同時獲得太赫茲脈沖的相位和振幅的相干檢測技術。并且光路在運行過程當中主要包括透射型和反射型兩種。有時還會應用差異型光路和啁啾展寬型光路。以太赫茲時域波譜技術為基礎,對掃描成像進行科學合理應用,促進掃描和反射型掃描的應用水平提升。太赫茲時域波譜技術掃描成像的系統主要應用光路為圖1(a)展示。因為PulsedLaser 在發出快激光脈的過程當中,會分成兩束光波,一束光波為泵浦光,入射到THzEmitter 上,在此基礎之上形成太赫茲脈沖,這種脈沖經過拋物面鏡聚焦后投射到檢測的樣品當中。另一束太赫茲脈沖就會作為探測光波,這束脈沖會通過樣品當中投射出來的信息和太赫茲電磁脈沖共同形成THzEmitter。時間裝置進行合理控制,通過不同探測光到達的時間分析太赫茲電廠的變化程度,對企業進行科學轉換,從而獲得頻率上的振幅和相位的變化。最后,信號經過電流前置放大器將DSP 輸入計算機,對采集到的數字信號形成圖像,應用圖像技術來對其進行解析,檢測樣品當中的圖像缺失部分。在x-y 移動臺上樣品移動讓太赫茲脈沖對其進行掃描,來對樣品當中的不同位置的頻譜信息進行記錄。再根據頻譜信息進行解析,得到頻譜信息的數據。

反射型系統的基本原理與上述透射型相同,試驗裝置也基本相同,不同的是從物體反射回來的波被用來作為成像信息。

2.2 太赫茲成像技術

這種技術指的是,通過解析被測物體的光譜所得振幅和相位等各種信息,進而得到太赫茲成像信息。太赫茲成像不僅能夠形成物體的密度空間分布圖,能夠對這個頻段的光波信息進行獲取。可是成像的本質就是能夠形成高強度的成像技術,能夠對連續波源提供更高輻射強度的脈沖。商品進行呈現過程當中,樣品內部的缺失和損傷也會和沒有損傷處的太赫茲波的散射效應存在著很大的差異,對太赫茲電磁場的檢測,物體內部的強度分布帶來嚴重影響,成像結果的亮度也會存在著差異。對物體內部缺失的尺寸和位置信息進行檢測。

3 太赫茲無損檢測應用

(1)太赫茲能夠在新型材料行業當中得到廣泛應用。隨著近些年來科學技術的快速進步和發展,越來越多的行業對高新材料進行科學合理應用,并且許多領域當中對材料的內部規整性有著很高的要求,這也要求制備工藝的創新和改革,為材料的質量奠定堅實基礎,需要探究有效的手段來對材料的破壞性進行系統研究,確保材料在使用過程當中穩定性強。太赫茲無損檢測技術主要利用非極性和非技術材料來對太赫茲波的透明性特征進行分析,如果太赫茲波投射到檢測樣品當中,那么檢測的材料就會吸收太赫茲輻射。大部分的太赫茲輻射都會被探測器接收,如果被測材料樣品內部表面存在著缺陷,包括雜質、位置錯位或纖維層體界面出現裂縫。那么缺陷位置就會出現散射,能量程度也會比較高,所以在成像過程當中會加強太赫茲波與材料之間的聯系和均勻性,成像的結果就會出現明顯的差異。對樣品進行掃描成像和成像處理,測試的樣品缺陷情況也會在成像結果當中清晰地反映出來。除此之外,太赫茲波的光子能量比較低。不能夠達到X 射線光子能量的一個百分點,對檢測對象影響十分微小,安全性能強。

(2)太赫茲在不同的農產品和食品當中也能夠得到廣泛應用。三聚氫氨奶粉和瘦肉精豬肉事件的發生,使人們對食品安全檢測予以更多關注,通過有效的檢測,能夠對食品的質量問題進行系統分析。太赫茲因具有自身獨特的屬性為無損檢測技術提供新的檢測形式。能夠應用太赫茲波譜技術對種子進行檢測,根據光譜信息可以判斷種子是否有轉基因分子還可以利用太赫茲波技術對肉制品吸收程度進行科學合理分析,判斷肉制品的質量是否符合規定標準。太赫茲波譜技術對地溝油進行檢測,對標簽物質的組成結構進行有效識別,判斷食品當中是否添加添加劑。

(3)太赫茲在安檢過程當中主要通過安檢儀來對人體發出的太赫茲波進行處理和分析,經分析處理后,形成圖像。檢測儀發現身上藏有物品就會發出警報。與正常圖像進行對比就可以判斷出隱藏物品的位置及大小形狀等,從根本上提高檢測的效率和水平,同時也大大節約了安檢的各項成本,提升了被安檢者的體驗度。另外,太赫茲檢測儀能夠以非接觸形式進行檢測,被檢人員脫掉衣物,提高檢測效果,還能夠減少檢測時間。

(4)太赫茲在通信行業也得到廣泛應用。太赫茲是一種微波和毫米波的創新,它所提供的通信寬帶技術要高于毫米波,并且隨著太赫茲輻射源和探測器的創新和改革,太赫茲也得到廣泛應用,促進太赫茲在通信領域的快速進步和發展。太赫茲應用通信技術可以獲得超過規定標準的無線傳播速度,甚至能夠超過傳統寬帶技術的幾百倍甚至幾千倍,并且與可見光和紅外光相比,它能夠同時具有很強的方向性和穿透能力。太赫茲頻段具有不同的特征,而且不同的移動設施對太赫茲段位的應用標準也不同。利用太赫茲電磁波技術對傳統無線電通信技術進行創新和改革,提高無線電通信技術的傳播速度,促進無線電傳播技術的良好應用。太赫茲頻段的自由空間光通信系統可以對無線電波和可見光的優點進行充分結合,在濃霧的天氣當中也可以促進數據的有效傳播。

(5)太赫茲在生物醫學中的應用從生物學上講,人是由眾多細胞組成的生命體,人在發病之后往往會在身體組織上出現反應。因此在疾病診斷中,就利用檢查病變組織的方法來快速診斷疾病。由于水對太赫茲波的吸收特點,而病變部位的組織其水量較正常組織會發生變化,通過太赫茲波對人體進行檢查,就可以判斷找到病變位置及病變組織大小。在實際身體檢查中,太赫茲直接穿過脂肪組織,并且在被反射之后能夠形成成像處理技術。

觀察在不同深度狀態下的圖像系統,清晰明顯,而且可以鎖定具體的病變位置。同時,病變部位的組織與正常組織之間明顯不同,因此會在成像系統上表現出差異,醫師就能通過這一結果判斷病灶組織。從應用上來看,該技術能快速辨別病變區域的大小、形態等,減少了傳統皮膚病診斷中需要逐層剔除皮膚的過程,不僅減少患者的痛苦,還會提高醫療診斷效率。目前,這種方法已經被應用在皮膚癌等皮膚疾病診斷中,并發揮著重要作用。另外,太赫茲技術在藥品質量控制中的應用是生物醫學的重要組成部分,人們主要依靠太赫茲光譜與成像技術分析不同狀態下的藥品轉換,或者藥品外包衣層離線等。同時在藥品成分檢查中,可以通過太赫茲光譜技術,監測藥品成分,判斷其主要成分是否滿足設計要求。

(6)太赫茲在軍事領域的應用主要以信息技術來對現代化戰爭中的武器裝備進行科學合理分析。太赫茲是一種新型的頻段資源,能夠在軍事上達到良好的應用價值和效果。與微波雷達技術比較,這雷達可以對小的目標進行有效探測,并且能夠對位置進行精確判斷,還能夠實現定位的保密性,分辨率強。紅外雷達和激光雷達相比太赫茲的雷達具有很強的穿透能力,對煙霧和沙塵天氣都能夠實現穿透效果。具有自身獨特的穿墻能力,太赫茲的雷達可以探測到敵方隱蔽的武器,還能夠對偽裝埋伏的武裝人員進行有效探測。另外太赫茲雷達技術還能夠實現遠程探測,對空氣當中傳播的有毒化學氣體進行探測,對航空領域當中的起飛或著陸位置進行探測。太赫茲輻射達到很強的穿透效果,對地下的雷場分布或者遠程炸彈也能夠實現很強的檢測。

4 結束語

近些年來,很多國家對太赫茲無損檢測技術進行系統研究和應用,太赫茲無損檢測技術水平大幅度提升。國內不少高校、科研院所及企業也注意到了這種現象,紛紛投入到了太赫茲波的理論研究與應用研究,逐漸興起了一股太赫茲熱潮。總而言之,國內太赫茲技術方興未艾,太赫茲波在無損檢測領域的應用也日漸廣泛成熟,對我國的經濟發展、科技創新及軍事發展都有著十分重要的推動作用。