太赫茲波無損檢測新技術及其應用
發布時間：2017-11-22
太赫茲(Terahertz,簡稱THz)波是指頻率介于紅外和微波之間的電磁波。在20世紀80年代中期以前,由于缺乏有效的產生方法和檢測手段,科學家對該波段電磁輻射性質的了解非常有限。近年來超快激光技術的發展為THz波脈沖的產生提供了穩定、可靠的激發光源,使THz輻射的研究蓬勃發展。由于THz波的獨特性質,它在物理、生物、化學、生物制藥、材料科學和電子工程等許多領域得到了應用。利用THz波技術對航天飛機隔離層泡沫材料中缺陷的成功探測使得THz波技術在無損檢測領域異軍突起,成為無損檢測行業的新技術之一。
1太赫茲輻射及其性質
THz輻射通常是指頻率為1011~1013Hz (波長為30μm~3 mm)的電磁波。THz波位于遠紅外波段。近年來自由電子激光器和超快激光技術的發展為THz波脈沖的產生提供了穩定、可靠的激發光源,使THz輻射的產生機理、檢測技術和應用技術的研究得到蓬勃發展。目前,世界上已有100多個研究小組從事有關THz輻射的研究,主要力量集中在美國、歐洲國家和日本。
THz輻射技術之所以引起人們廣泛的關注,是由于THz電磁波有許多獨特的優點,THz電磁波具有較低的光子能量。1 THz頻率的光子能量只有4 meV ,因此不會如X射線(keV量級)那樣在生物組織中產生有害的光致電離。④很多有機分子由于偶極子的振動和轉動躍遷,在GHz~THz頻段,都具有很強的吸收和色散,分子的這些光譜特征使得THz輻射鑒別成為可能。THz輻射測量是相干測量,即信號瞬時電場的強度和相位可以同時被測量,這樣就可以通過對THz輻射進行時域探測,獲得THz吸收光譜和色散光譜,得到被測物體更多信息THz時域光譜提供了非常高的信噪比,而且對黑體輻射(熱背景)不敏感。
目前實驗室常用THz輻射光源為利用電光晶體的光整流效應或光電導天線產生脈沖的THz輻射,此THz輻射具有較寬頻譜,適于進行光譜測量。此外,THz輻射源還有自由電子激光器、氣體激光器、耿氏(Gunn)振蕩器、Bloch振蕩器、冷等離子體沈京玲等:太赫茲波無損檢測新技術及其應用NDT無損檢測和量子級聯激光器等。其中,耿氏振蕩器可產生0.1 THz連續波輻射,是THz成像系統的理想光源。
THz輻射探測器主要有熱輻射探測器(Bolom-eter)、熱電探測器(Pyroelectric detector)、光電導偶極天線、電光晶體以及Schottky半導體管探測器。目前實驗室最常用的是基于電光效應的電光晶體(如ZnTe)
2太赫茲波檢測的成功應用
由于THz波的獨特優點,它在物體成像、環境監測、醫療診斷、射電天文、衛星通訊和軍用雷達等方面具有重大的科學價值和廣闊的應用前景。最典型的案例是探測航天飛機隔離層泡沫中的缺陷[1]。
2003年2月1日剛剛完成16天(d)航行的哥倫比亞號航天飛機即將返回地球,還有16 min著陸時,在距離得克薩斯上空62 km的高空發生爆炸,機上七名宇航員全部遇難。調查委員會的初步認定和模擬試驗都認為哥倫比亞號的悲劇應該歸因于外置燃料箱的一塊手提箱大小的泡沫隔離層的脫落對航天飛機左翼的撞擊。因此對于泡沫材料中缺陷的檢查成為確保以后安全發射的關鍵。為了探索太赫茲波成像技術檢測泡沫材料缺陷的可能性,美國紐約州倫塞勒工學院太赫茲研究中心的研究人員測量了一系列預先設置缺陷的泡沫材料樣品。這些樣品均是由航天飛機燃料箱的制造商按照真實航天飛機泡沫隔離材料的規格制造的。泡沫樣品中可能產生的缺陷有空洞(空氣泡)和脫膠(兩泡沫層間脫離或泡沫層和底板間脫離),大小為??.png)
6.36~50.8 mm(??0.25~2 in.),埋藏深度為6.36~228.6 mm(2.5~9 in.),不僅分布在鋁制底板上,并且散布在縱桁和凸緣的邊緣地帶或底端。通過從頂部和側面入射太赫茲波脈沖并紀錄其反射波,研究人員成功探測到57個缺陷中的49個。這一結果在同時使用的四種無損檢測方法(其它為超聲、射線和紅外熱波)中效果最好。充分證明太赫茲波的確可以對航天飛機燃料艙的隔熱材料進行有效的無損探傷,使得太赫茲波成像被美國宇航局選擇為在以后的發射中可能用來進行缺陷探測的四種技術之一.
3太赫茲波技術與紅外熱波技術的比較
在倫塞勒工學院對PAL-Ramp SOFI絕熱泡沫層成功進行太赫茲波成像的同時,據英國無損檢測新聞報道,美國宇航局也將使用紅外熱波無損檢測技術對航天飛機機翼上的碳-碳加強板(RCC)進行紅外熱成像檢測[2]。哥倫比亞號的悲劇就是泡沫隔離層脫落后對航天飛機左翼的RCC材料的撞擊造成的。探測深埋在絕熱材料中的缺陷對于紅外熱波檢測是困難的,從而使太赫茲波技術成為可供選用的檢測手段。而探測機翼RCC板的內部缺陷利用紅外熱波檢測技術又優于其它無損檢測技術。表1對太赫茲波與紅外熱波無損檢測技術進行了比較。作為無損檢測新技術,太赫茲波與紅外熱波在無損檢測領域可以優勢互補,發揮各自的作用,是其它無損檢測方法的有益補充,并在某些場合已經顯示獨特的優勢和特點。與紅外熱波無損檢測技術相比,THz波技術的應用才剛剛起步。
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4結語
2002年首都師范大學得到了北京市“THz光譜和成像研究”專項基金的支持,在物理系建立了“THz光譜和成像”實驗室,成為國內較早進行THz輻射研究的單位。該實驗室在2003年又得到了國家自然科學基金重大項目的支持。2004年5月,在國家863高新技術項目的支持下,首都師范大學與北京維泰凱信新技術有限公司、北京航空材料研究院在首都師范大學建立了“紅外熱波無損檢測”聯合實驗室。兩個實驗室從事著兩種新的無損檢測技術的研究,將在無損檢測技術的研究和應用領域發揮各自的作用。
摘自：中國計量測控網
