Innere Werte

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Hyperspectral Imaging mit Terahertztechnologie

Die Terahertz-Technologie hat sich in den letzten Jahren vom interessanten Forschungsfeld zu einem zukunftsträchtigen Werkzeug in der zerstörungsfreien Materialuntersuchung entwickelt. Von Spektroskopie über polarisationssensitive Messmethoden bis hin zu bildgebenden Verfahren ist vieles möglich.
Terahertz (THz) Strahlung liegt im elektromagnetischen Spektrum zwischen dem IR-Bereich und den Mikrowellen. Per Definition entspricht dies einem Frequenzband von 100 Gigahertz bis 10 Terahertz und somit einer Wellenlänge von 30µm bis 3mm. Mit dieser, im Vergleich zum infraroten Spektrum, etwas größeren Wellenlänge werden in der Spektroskopie hauptsächlich größere Bereiche eines Moleküls angeregt, also Vibrations- und Rotationsmoden. Viele kristalline Strukturen weisen unterscheidbare und identifizierbare Absorptionsspektren auf (chemische Fingerabdrücke), wodurch sich THz-Strahlung hervorragend für spektroskopische Anwendungen eignet. Für die Untersuchung mittels THz-Wellen kommen vorwiegend nicht-leitende und nicht-polare Materialien/Stoffe in Frage. Vor allem in der Kunststoffindustrie ist das Anwendungsfeld groß. Neben der Spektroskopie ist die THz-Technologie auch als bildgebendes Verfahren vielfältig einsetzbar. Vorteile sind die höhere Eindringtiefe im Vergleich zur IR-Strahlung und die bessere Auflösung im Vergleich zur Mikrowellenstrahlung. Da die Strahlungsenergie der THz-Wellen äußerst gering und nicht ionisierend oder gesundheitsgefährdend ist, bietet sich die THz-Technologie als Alternative zur Untersuchung mit Röntgenstrahlen an. Lateral kann eine Auflösung im Bereich von Millimeter bis zu Sub-Millimeter erreicht werden.

THz-Hyperspectral Imaging

Rastert man eine Probe Punkt für Punkt ab, so werden in jedem Punkt spektrale Informationen detektiert. Dieses Verfahren wird Hyperspectral Imaging (HSI) genannt. Man erhält also nicht nur ein Intensitätsbild (wie etwa bei Röntgenaufnahmen), sondern kann auch einzelne Stoffe hervorheben. Erzeugt man Bilder aus den Absorptionsspektren und wertet dabei nur eine Wellenlänge aus, die z.B. einer Absorptionsbande eines Stoffes entspricht, dann wird auch nur dieser Stoff angezeigt. Es werden sozusagen Bilder erstellt, die chemische Information hervorheben. Bei den meisten realen technischen Proben muss man aber davon ausgehen, dass eine klare Unterscheidung der Materialien nicht möglich ist. Das ist z.B. bei Mischungen von Stoffen oder bei Verbundwerkstoffen der Fall, welche aus dem Hi-Tech Bereich nicht mehr wegzudenken sind. THz-HSI hat hier trotzdem Potential. Vor allem mit Hilfe von Chemometrie und statistischen Methoden können selbst aus Verbundwerkstoffen relevante Informationen herausgeholt werden. Anwendungsmöglichkeiten gibt es unzählige. Als Beispiel wird in Bild 1 eine Transponderkarte mit ihrer inneren Struktur gezeigt. Eine Transponderkarte ist eine Plastikkarte im Kreditkartenformat, in der ein RFID-Chip und eine Kupferantenne eingearbeitet sind. Diese Struktur ist nach der Verarbeitung meist nicht mehr sichtbar und kann dementsprechend nicht lokalisiert werden. Mit THz-HSI ist dies aber dennoch möglich. In Bild 1 sind ein Foto der Transponderkarte, der gescannte Bereich und das zugehörige Intensitätsbild (v.l.n.r.) zu sehen. Im THz-Intensitätsbild kann man die innere Struktur der Transponderkarte gut erkennen. Als Anhaltspunkt dient der Chip der elektronischen Geldbörse, der große blaue rechteckige Bereich am rechten Rand des Bildes. Daneben befindet sich der etwas kleinere RFID-Chip, und am linken und am unteren Rand kann man die Kupferantenne erkennen. Auf dem ursprünglichen Foto waren weder der Chip noch die Antenne sichtbar. In dem THz-Intensitätsbild wurde aber noch keinerlei spektrale Auswertung vorgenommen. Bild 2 zeigt, welche Möglichkeiten sich durch eine spektrale Auswertung ergeben. Hier sind sowohl die Antenne, der RFID-Chip als auch der Chip der elektronischen Geldbörse einzeln dargestellt. Dazu wurde eine chemometrisch-statistische Methode angewendet, die es ermöglicht, die interessanten Materialien bzw. Bereiche mathematisch voneinander zu trennen. Somit kann man Materialien, Bereiche oder Stoffe einzeln hervorheben und darstellen.

Einsatzbereiche

Die Anwendungsbereiche mit technischer Relevanz sind vielfältig. Topologische Bilder oder Dichteverteilungen von Materialien sind mit Zeitbereichsspektroskopie (also gepulster THz-Strahlung) möglich. Bei Messungen in Reflexionsgeometrie können Schichten tiefenaufgelöst dargestellt werden. Mit polarisationssensitiven Messungen kann man die Verteilung der Doppelbrechung in faserverstärkten Kunststoff- oder Glasfaserbauteilen feststellen. Die Anwendungsmöglichkeiten der Terahertz-Technologie sind schier unerschöpflich. Faserbasierte und somit leicht handzuhabende Messaufbauten sind mittlerweile einfach zugänglich. Vor allem in der Kunststoffindustrie sind die Möglichkeiten und das Potenzial für die neuen Systeme enorm.

Research Center for Non Destructive Testing GmbH
www.recendt.at

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