太赫兹波在无损检测领域的应用

吴遵红,徐 义,李昌胜,谭 凯,杨 林

(湖北省特种设备监督检验检测研究院,湖北 武汉 430206)

1 概述

随着各种新材料和新产品如雨后春笋般的涌现,传统的检测方法已经越来越难以满足它们的检测需求,与此同时一些新的无损检测方法也开始应运而生了。太赫兹波无损检测在行业当中得到广泛应用,并且得到各行各业的支持,发展前景和发展空间十分广阔。太赫兹波主要是指频率在标准的范围之内的电磁辐射率。但是,电磁波在具体应用过程当中又是分频段来进行工作的,一频段的电磁波也可以称作为毫米波。在光谱学领域当中被称之为远红外波,它的能量是在电子和光子之间,所以不能够简单的应用光学理论知识或者微波学理论知识来对其进行分析。

太赫兹波可以穿透如PE 管、玻璃、硬纸板、碳纤维及布料等复合材料和非金属材料。太赫兹波的主要特征是太赫兹波长比较特殊,它处于毫米波和红外光的中间位置。具备两种光波的性质。与其他波段的电磁波相比,太赫兹波的特征表现为以下几点：

(1)相干性高。相干性主要与产生机制有紧密联系,电厂主要根据振幅和位置来对太赫兹波的相干技术进行科学合理分析,能够有效地提取样品当中的折射率和吸收系数等所需要的参数。

(2)能降低。太赫兹波的光能量与X 射线的光能量相比,不能够达到X 射线的一个百分点。并且太赫兹波在具体的应用过程当中不会对组织应用产生有害的物体,能够对生物组织的活体检测带来积极作用。

(3)透射能力强。太赫兹波在具体应用过程当中能够对不同的材料和物质有穿透能力,并且还能够对不同的物体形成透视成像。

(4)太赫兹波在具体应用过程当中,所需要的频带比较宽,并且测量的噪音比较高,能够对大容量和保密性比较强的数据进行有效传递。并且太赫兹波能够在高载波频率范围当中进行良好应用和切换,目前手机通讯的频率只能够达到太赫兹波的千分之一,太赫兹波在进行无线传输过程当中,能够以10GB/s 速度传递,是6G 的理想波段选择。

(5)吸水性：水对太赫兹波有迹象的吸收性,因此产品质量控制可以利用产品当中的含水量来对其进行分析。从医学角度而言,肿瘤组织当中的含水量和正常组织当中的含水量存在着一定的差异性,所以可以通过肿瘤的含水量来对其进行系统性分析和对比。

图1 THz-TDS 扫描成像系统示意图

(6)分辨率比较高。太赫兹波在具体应用过程当中,自身的短波和长波性质能够使成像技术得到大幅度提升,并且成像技术的分辨率也比较高。

2 太赫兹波无损检测原理

这种原理应用过程主要是利用规定标准的太赫兹对被测物体进行充分照射。并且能够对太赫兹的信号进行系统分析和传递,从而得出被测物体的内部结构和特征。检测技术主要就是以太赫兹波谱技术为基础,对其进行创新和改革。通过不同阶段对太赫兹波技术进行分类,促进太赫兹波系统的合理运行。本文对三种系统进行概括。

2.1 太赫兹时域波谱技术

太赫兹时域波谱技术是一种可以同时获得太赫兹脉冲的相位和振幅的相干检测技术。并且光路在运行过程当中主要包括透射型和反射型两种。有时还会应用差异型光路和啁啾展宽型光路。以太赫兹时域波谱技术为基础,对扫描成像进行科学合理应用,促进扫描和反射型扫描的应用水平提升。太赫兹时域波谱技术扫描成像的系统主要应用光路为图1(a)展示。因为PulsedLaser 在发出快激光脉的过程当中,会分成两束光波,一束光波为泵浦光,入射到THzEmitter 上,在此基础之上形成太赫兹脉冲,这种脉冲经过抛物面镜聚焦后投射到检测的样品当中。另一束太赫兹脉冲就会作为探测光波,这束脉冲会通过样品当中投射出来的信息和太赫兹电磁脉冲共同形成THzEmitter。时间装置进行合理控制,通过不同探测光到达的时间分析太赫兹电厂的变化程度,对企业进行科学转换,从而获得频率上的振幅和相位的变化。最后,信号经过电流前置放大器将DSP 输入计算机,对采集到的数字信号形成图像,应用图像技术来对其进行解析,检测样品当中的图像缺失部分。在x-y 移动台上样品移动让太赫兹脉冲对其进行扫描,来对样品当中的不同位置的频谱信息进行记录。再根据频谱信息进行解析,得到频谱信息的数据。

反射型系统的基本原理与上述透射型相同,试验装置也基本相同,不同的是从物体反射回来的波被用来作为成像信息。

2.2 太赫兹成像技术

这种技术指的是,通过解析被测物体的光谱所得振幅和相位等各种信息,进而得到太赫兹成像信息。太赫兹成像不仅能够形成物体的密度空间分布图,能够对这个频段的光波信息进行获取。可是成像的本质就是能够形成高强度的成像技术,能够对连续波源提供更高辐射强度的脉冲。商品进行呈现过程当中,样品内部的缺失和损伤也会和没有损伤处的太赫兹波的散射效应存在着很大的差异,对太赫兹电磁场的检测,物体内部的强度分布带来严重影响,成像结果的亮度也会存在着差异。对物体内部缺失的尺寸和位置信息进行检测。

3 太赫兹无损检测应用

(1)太赫兹能够在新型材料行业当中得到广泛应用。随着近些年来科学技术的快速进步和发展,越来越多的行业对高新材料进行科学合理应用,并且许多领域当中对材料的内部规整性有着很高的要求,这也要求制备工艺的创新和改革,为材料的质量奠定坚实基础,需要探究有效的手段来对材料的破坏性进行系统研究,确保材料在使用过程当中稳定性强。太赫兹无损检测技术主要利用非极性和非技术材料来对太赫兹波的透明性特征进行分析,如果太赫兹波投射到检测样品当中,那么检测的材料就会吸收太赫兹辐射。大部分的太赫兹辐射都会被探测器接收,如果被测材料样品内部表面存在着缺陷,包括杂质、位置错位或纤维层体界面出现裂缝。那么缺陷位置就会出现散射,能量程度也会比较高,所以在成像过程当中会加强太赫兹波与材料之间的联系和均匀性,成像的结果就会出现明显的差异。对样品进行扫描成像和成像处理,测试的样品缺陷情况也会在成像结果当中清晰地反映出来。除此之外,太赫兹波的光子能量比较低。不能够达到X 射线光子能量的一个百分点,对检测对象影响十分微小,安全性能强。

(2)太赫兹在不同的农产品和食品当中也能够得到广泛应用。三聚氢氨奶粉和瘦肉精猪肉事件的发生,使人们对食品安全检测予以更多关注,通过有效的检测,能够对食品的质量问题进行系统分析。太赫兹因具有自身独特的属性为无损检测技术提供新的检测形式。能够应用太赫兹波谱技术对种子进行检测,根据光谱信息可以判断种子是否有转基因分子还可以利用太赫兹波技术对肉制品吸收程度进行科学合理分析,判断肉制品的质量是否符合规定标准。太赫兹波谱技术对地沟油进行检测,对标签物质的组成结构进行有效识别,判断食品当中是否添加添加剂。

(3)太赫兹在安检过程当中主要通过安检仪来对人体发出的太赫兹波进行处理和分析,经分析处理后,形成图像。检测仪发现身上藏有物品就会发出警报。与正常图像进行对比就可以判断出隐藏物品的位置及大小形状等,从根本上提高检测的效率和水平,同时也大大节约了安检的各项成本,提升了被安检者的体验度。另外,太赫兹检测仪能够以非接触形式进行检测,被检人员脱掉衣物,提高检测效果,还能够减少检测时间。

(4)太赫兹在通信行业也得到广泛应用。太赫兹是一种微波和毫米波的创新,它所提供的通信宽带技术要高于毫米波,并且随着太赫兹辐射源和探测器的创新和改革,太赫兹也得到广泛应用,促进太赫兹在通信领域的快速进步和发展。太赫兹应用通信技术可以获得超过规定标准的无线传播速度,甚至能够超过传统宽带技术的几百倍甚至几千倍,并且与可见光和红外光相比,它能够同时具有很强的方向性和穿透能力。太赫兹频段具有不同的特征,而且不同的移动设施对太赫兹段位的应用标准也不同。利用太赫兹电磁波技术对传统无线电通信技术进行创新和改革,提高无线电通信技术的传播速度,促进无线电传播技术的良好应用。太赫兹频段的自由空间光通信系统可以对无线电波和可见光的优点进行充分结合,在浓雾的天气当中也可以促进数据的有效传播。

(5)太赫兹在生物医学中的应用从生物学上讲,人是由众多细胞组成的生命体,人在发病之后往往会在身体组织上出现反应。因此在疾病诊断中,就利用检查病变组织的方法来快速诊断疾病。由于水对太赫兹波的吸收特点,而病变部位的组织其水量较正常组织会发生变化,通过太赫兹波对人体进行检查,就可以判断找到病变位置及病变组织大小。在实际身体检查中,太赫兹直接穿过脂肪组织,并且在被反射之后能够形成成像处理技术。

观察在不同深度状态下的图像系统,清晰明显,而且可以锁定具体的病变位置。同时,病变部位的组织与正常组织之间明显不同,因此会在成像系统上表现出差异,医师就能通过这一结果判断病灶组织。从应用上来看,该技术能快速辨别病变区域的大小、形态等,减少了传统皮肤病诊断中需要逐层剔除皮肤的过程,不仅减少患者的痛苦,还会提高医疗诊断效率。目前,这种方法已经被应用在皮肤癌等皮肤疾病诊断中,并发挥着重要作用。另外,太赫兹技术在药品质量控制中的应用是生物医学的重要组成部分,人们主要依靠太赫兹光谱与成像技术分析不同状态下的药品转换,或者药品外包衣层离线等。同时在药品成分检查中,可以通过太赫兹光谱技术,监测药品成分,判断其主要成分是否满足设计要求。

(6)太赫兹在军事领域的应用主要以信息技术来对现代化战争中的武器装备进行科学合理分析。太赫兹是一种新型的频段资源,能够在军事上达到良好的应用价值和效果。与微波雷达技术比较,这雷达可以对小的目标进行有效探测,并且能够对位置进行精确判断,还能够实现定位的保密性,分辨率强。红外雷达和激光雷达相比太赫兹的雷达具有很强的穿透能力,对烟雾和沙尘天气都能够实现穿透效果。具有自身独特的穿墙能力,太赫兹的雷达可以探测到敌方隐蔽的武器,还能够对伪装埋伏的武装人员进行有效探测。另外太赫兹雷达技术还能够实现远程探测,对空气当中传播的有毒化学气体进行探测,对航空领域当中的起飞或着陆位置进行探测。太赫兹辐射达到很强的穿透效果,对地下的雷场分布或者远程炸弹也能够实现很强的检测。

4 结束语

近些年来,很多国家对太赫兹无损检测技术进行系统研究和应用,太赫兹无损检测技术水平大幅度提升。国内不少高校、科研院所及企业也注意到了这种现象,纷纷投入到了太赫兹波的理论研究与应用研究,逐渐兴起了一股太赫兹热潮。总而言之,国内太赫兹技术方兴未艾,太赫兹波在无损检测领域的应用也日渐广泛成熟,对我国的经济发展、科技创新及军事发展都有着十分重要的推动作用。