Terahertz-Imaging System

Die technische Entwicklung der letzten Jahre im Bereich der Terahertz-Technologie hat es ermöglicht, kostengünstige und robuste Systeme, die im Bereich von 0,1-10 THz arbeiten, für den industriellen Einsatz herzustellen. Dadurch ergeben sich für die industrielle Qualitätssicherung viele neue Möglichkeiten, wie z. B. die dreidimensionale Untersuchung und Visualisierung von Kunststoffprodukten. Terahertz-Systeme haben die Fähigkeit z.B. ein Produkt durch die Verpackung hindurch zu untersuchen oder, aufgrund der hohen Transparenz von Kunststofferzeugnissen, Schichtanalysen durchzuführen. Bedingt durch die geringe Strahlungsenergie sind im Gegensatz zur Röntgentechnologie keinerlei Strahlenschutzmaßnahmen erforderlich.

Derzeit sind jedoch nur wenige industrietaugliche Terahertz-Auswerte- und Analysesoftwaretools auf dem Markt vorhanden. Das Fraunhofer FHR hat deshalb, basierend auf einem handelsüblichen Time-Domain-THz-Spektrometer, die modular und flexibel aufgebaute graphische Softwareumgebung SaMT (Software für anwendungsorientierte Machbarkeitsstudien der Terahertzbildgebung) programmiert, die das gesamte Spektrum des Informationsgehalts von THz-time-domain-Systemdaten verarbeiten, auswerten und darstellen kann.

Foto einer Kunststoffklammer (links), 2D-Amplitudendarstellung (Mitte) und 3D-Darstellung der Absorption (rechts)
© Fraunhofer FHR

Foto einer Kunststoffklammer (links), 2D-Amplitudendarstellung (Mitte) und 3D-Darstellung der Absorption (rechts)

Mögliche Einsatzbereiche der Terahertz-Technologie

 

Der Vorteil der THz-Technologie liegt insbesondere in der Möglichkeit zur Identifikation von Stoffzusammensetzungen, bei denen andere Analyseverfahren wie die Röntgenspektroskopie oder optische Sensoren an ihre Grenzen stoßen. Für die Industrie ist dabei besonders interessant, dass THz-Systeme die Option bieten, selbst bei optisch nicht-transparenten Materialien oder chemischen Verbindungen sowie Multi-Layer-Systemen die Zusammensetzung der Proben zu analysieren oder Vermessungen von Schichtdicken durchzuführen. Da Messungen sowohl in Transmission als auch in Reflexion möglich sind, können Terahertz-Systeme auch in laufende Prozesse eingebunden werden.

Hochaufgelöste Aufnahme einer 1-Euro Münze
© Fraunhofer FHR

Hochaufgelöste Aufnahme einer 1-Euro Münze (d=2 cm)

Die THz-Technologie kann in der Qualitätssicherung in der Produktion oder bei der automatisierten Trennung von Materialien aufgrund ihrer Zusammensetzung im Recyclingbereich eingesetzt werden. Die Möglichkeit eines THz-Spektrometers, die erzeugten Datenmengen durch Auswahl unterschiedlicher Frequenzen (oder Frequenzbänder) bei spezifischen Absorptionen der Proben zu variieren, ist die Voraussetzung für die Anwendbarkeit in den unterschiedlichsten Produktionsstraßen oder Prozessen.

Ein zusätzlicher Vorteil ist die Transparenz von Stoffen mit kovalenten Bindungen für diese Art elektromagnetischer Strahlung, wodurch es möglich ist, optisch nicht-transparente polymerbeschichtete Stahlbleche hinsichtlich der Korrugation des Bleches zu untersuchen oder innerhalb eines Recyclingprozesses optisch nicht-transparente Polymere voneinander zu unterscheiden.

Eine weitere Anwendungsmöglichkeit ist die Prozessüberwachung von Verschweißungen von optisch intransparenten Polymer–Multi-Layer-Systemen.

Aufgrund der Sensitivität auf Wasserstoffbrückenbindungen kann mit THz-Strahlung der Trocknungsgrad des Klebers bei verklebten Kunststoffprodukten überwacht und die Qualität der Verklebung überprüft werden.

Aufgrund der Absorption elektromagnetischer Strahlung im THz-Frequenzbereich werden nur inter- bzw. intramolekulare Schwingungsmoden angeregt, wodurch keine Beeinträchtigung oder Veränderung der physikalischen Eigenschaften der untersuchten Probe auftreten.

Absorption eines Blattes bei 430 GHz
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Absorption eines Blattes bei 430 GHz (2 cm x 3 cm)