Zerstörungsfreie Prüfung mittels Terahertz-Messtechnik

Der Terahertz-Bereich liegt mit Frequenzen zwischen 0,1 und 10 Terahertz (THz) zwischen Mikrowellen- und Infrarotstrahlung. Die zugehörigen Wellenlängen reichen von 3 mm bis 30 μm. Aufgrund der vergleichsweise niedrigen Energie ist die Terahertz-Strahlung nicht ionisierend und für den menschlichen Organismus unbedenklich. Mögliche Anwendungsbereiche für industrielle Prozesse sind unter anderem die Überwachung der Aushärtungsprozesse von Klebstoffen, die ortsaufgelöste Messung der Feuchte in einem Volumen, die Schichtdickenmessung, die Delaminationskontrolle sowie Fremdkörperdetektion. Die Terahertz-Technik steht heute an einer vergleichbaren Schwelle wie die Röntgentechnik vor 10 bis 20 Jahren und verspricht ähnliche Entwicklungsmöglichkeiten. Insbesondere viele Kunststoffe und Keramiken sind im Terahertz-Frequenzbereich quasi transparent, wodurch es möglich ist, versteckte Objekte durch das Material hindurch zu detektieren.

Durch Fortschritte in der Laserentwicklung und verbesserte Fertigungsmethoden in der Höchstfrequenzelektronik stehen neue, leistungsfähige Quellen und Detektoren für Terahertz-Strahlung zur Verfügung.

Abbildung einer Terahertz-Messstation
© Fraunhofer IPM

Terahertz-Messstation

Das Fraunhofer IPM hat ein fasergekoppeltes Kurzpuls-Terahertz-System entwickelt, das sich vor allem durch eine hohe Flexibilität in der Anordnung auszeichnet, indem es in weniger als einer Stunde aufgebaut und in Betrieb genommen werden kann. Das System besteht aus zwei handlichen Modulen, die Sender beziehungsweise Empfänger enthalten, und ein 19“-Rack, welches Laser, Optik und Elektronik enthält. Sender und Empfänger sind durch elektrische Kabel und optische Fasern mit dem Rack verbunden. Je nach Anwendung kann das System in Transmission oder Reflexion eingesetzt werden.

Daneben steht am Fraunhofer IPM inzwischen vollelektronisches System zum schnellen Abtasten von Objekten zur Verfügung. Es stehen drei verschiedene Frequenzen (100 GHz, 300 GHz und 800 GHz) zur Verfügung, so dass es möglich ist, je nach Anwendung und Materialeigenschaft, die passende Frequenz aus zu wählen. Auch hier kann sowohl in Transmission als auch Reflexion gemessen werden.

Die beiden vorgestellten Systeme sind für den Einsatz in industrieller Umgebung geeignet.

Typische Einsatzbereiche liegen in den Branchen Keramik, Kunststoff sowie Pharma und Chemie, wo mit Terahertz-Systemen Bauteile Keramik, Kunststoffen, Glasfaser-Compounds und anderen nicht-metallischen bzw. nicht-leitenden Materialen  zerstörungsfrei und berührungslos untersucht werden bzw. hinsichtlich ihrer Bestandteile analysiert werden.

Einteilung der Werkstoffe

Technisch genutzte Werkstoffe haben im Terahertz-Spektralbereich sehr unterschiedliche Eigenschaften, die vor einer Anwendung geprüft werden müssen. Generell kann folgende Einteilung gemacht werden:

Transparente Werkstoffe, die einen Blick ins Innere oder einen Blick hindurch erlauben:

  • Keramiken
  • Kunststoffe
  • Verbundwerkstoffe wie GFK
  • Chemikalien
  • Farben und Lacke
  • Klebstoffe
  • Halbleiter
  • Textilien
  • Papier

Reflektierende Werkstoffe, die nur eine Inspektion der Oberfläche bzw. der aufgebrachten Schichten ermöglichen:

  • Metalle
  • elektrisch leitende Werkstoffe wie CFK

Absorbierende Materialien, die auf diese Weise u. U. nachgewiesen werden können:

  • Wasser
  • andere polare Flüssigkeiten
  • kristalline Substanzen

Im Bereich der zerstörungsfreien Prüfung sind folgende Anwendungen möglich:

  • Schichtdickenmessung
  • Fremdkörperdetektion
  • Feuchtebestimmung
  • verborgene Strukturen
  • Delamination
  • Klebverbindungen
  • Inhomogenitäten
  • Inspektion von verpackten und unverpackten Objekten

 

Darüber hinaus sind auch spektroskopische Anwendungen wie Identifizierung, Polymorphie und Analyse von Mischungen möglich.