Терагерцовая неразрушающая оценка
Терагерцовая неразрушающая оценка относится к устройствам и методам анализа, происходящим в терагерцовой области электромагнитного излучения . Эти устройства и методы оценивают свойства материала, компонента или системы, не вызывая повреждений. [1]
Терагерцовое изображение
Терагерцовая визуализация — это новая и значимая технология неразрушающего контроля (НКК), используемая для анализа и контроля качества диэлектрических (непроводящих, т. е. изоляторов ) материалов в фармацевтической , биомедицинской , охранной , аэрокосмической промышленности. [3] [4] Она доказала свою эффективность при проверке слоев в красках и покрытиях, [5] обнаружении структурных дефектов в керамических и композитных материалах [ 6] и визуализации физической структуры картин [7] и рукописей. [8] [9] Использование терагерцовых волн для неразрушающего контроля позволяет проводить проверку многослойных структур и выявлять отклонения от норм, вызванные включениями инородных материалов, отслоением и расслоением, механическими ударными повреждениями, тепловыми повреждениями и проникновением воды или гидравлической жидкости. [10] Этот новый метод может сыграть важную роль в ряде отраслей промышленности для приложений по характеристике материалов, где требуется точное картирование толщины (для обеспечения допусков размеров продукта в пределах одного продукта и от продукта к продукту) и картирование плотности (для обеспечения качества продукта в пределах одного продукта и от продукта к продукту). [11]
Неразрушающая оценка
Датчики и приборы используются в диапазоне от 0,1 до 10 ТГц для неразрушающей оценки , которая включает обнаружение. [11] [12]
Терагерцовый сканер плотности и толщины
Terahertz Density Thickness Imager — это метод неразрушающего контроля, который использует терагерцовую энергию для картирования плотности и толщины диэлектрических , керамических и композитных материалов . Этот бесконтактный, односторонний терагерцовый электромагнитный метод измерения и визуализации характеризует микроструктуру и изменение толщины диэлектрических ( изоляционных ) материалов. Этот метод был продемонстрирован для внешней пенной изоляции бака Space Shuttle и был разработан для использования в качестве метода контроля для текущих и будущих систем тепловой защиты NASA и других приложений контроля диэлектрических материалов, где невозможно установить контакт с образцом из-за хрупкости и нецелесообразно использовать ультразвуковые методы. [11]
Вращательная спектроскопия
Вращательная спектроскопия использует электромагнитное излучение в диапазоне частот от 0,1 до 4 терагерц (ТГц). Этот диапазон включает в себя длины волн миллиметрового диапазона и особенно чувствителен к химическим молекулам. Результирующее поглощение ТГц создает уникальный и воспроизводимый спектральный рисунок, который идентифицирует материал. ТГц-спектроскопия может обнаружить следовые количества взрывчатых веществ менее чем за одну секунду. Поскольку взрывчатые вещества постоянно испускают следовые количества паров, должно быть возможно использовать эти методы для обнаружения скрытых взрывчатых веществ на расстоянии. [12]
ТГц-радиолокатор
Радар на терагерцовых волнах может обнаруживать утечки газа, химикатов и ядерных материалов. В полевых испытаниях радар на терагерцовых волнах обнаруживал химикаты на уровне 10 частей на миллион на расстоянии 60 метров. Этот метод может использоваться в системе ограждения или в самолете, которая работает днем и ночью в любую погоду. Он может обнаруживать и отслеживать химические и радиоактивные шлейфы. Радар на терагерцовых волнах, который может обнаруживать радиоактивные шлейфы от атомных электростанций, обнаруживал шлейфы на расстоянии в несколько километров на основе эффектов ионизации воздуха, вызванных излучением. [12]
ТГц томография
Методы томографии ТГц являются неразрушающими методами, которые могут использовать импульсный луч ТГц или источники миллиметрового диапазона для определения местоположения объектов в 3D. [13] Эти методы включают томографию, томосинтез, радиолокацию с синтезированной апертурой и время пролета. Такие методы могут разрешать детали в масштабах менее одного миллиметра в объектах размером в несколько десятков сантиметров.
Пассивные/активные методы визуализации
В настоящее время визуализация безопасности осуществляется как активными, так и пассивными методами. Активные системы освещают объект терагерцовым излучением, тогда как пассивные системы просто видят естественное излучение от объекта.
Очевидно, что пассивные системы изначально безопасны, тогда как можно утверждать, что любая форма «облучения» человека нежелательна. Однако в техническом и научном плане схемы активного освещения безопасны согласно всем действующим законодательным актам и стандартам.
Цель использования активных источников освещения — в первую очередь улучшить соотношение сигнал/шум. Это аналогично использованию вспышки на стандартной оптической световой камере при слишком низком уровне окружающего освещения.
Для целей визуализации безопасности рабочие частоты обычно находятся в диапазоне от 0,1 ТГц до 0,8 ТГц (от 100 ГГц до 800 ГГц). В этом диапазоне кожа непрозрачна, поэтому системы визуализации могут видеть сквозь одежду и волосы, но не внутри тела. С такими действиями связаны проблемы конфиденциальности, особенно связанные с активными системами, поскольку активные системы с их более качественными изображениями могут показывать очень подробные анатомические особенности.
Активные системы, такие как L3 Provision и Smiths eqo, на самом деле являются системами визуализации в диапазоне миллиметровых волн, а не терагерцовыми системами визуализации, как системы Millitech. Эти широко распространенные системы не отображают изображения, избегая любых проблем с конфиденциальностью. Вместо этого они отображают общие контуры «манекена» с выделенными аномальными областями.
Поскольку проверка безопасности направлена на поиск аномальных изображений, будут обнаружены такие предметы, как искусственные ноги, искусственные руки, калоприемники, нательные мочеприемники, нательные инсулиновые помпы и внешние устройства для увеличения груди. Обратите внимание, что грудные имплантаты, находящиеся под кожей, не будут обнаружены.
Активные методы визуализации могут использоваться для выполнения медицинской визуализации. Поскольку терагерцовое излучение биологически безопасно (неионизирует), его можно использовать для визуализации с высоким разрешением для обнаружения рака кожи. [12]
Инспекции космических челноков
Примером применения этой технологии являются инспекции космических челноков НАСА .
После катастрофы шаттла «Колумбия» в 2003 году рекомендация R3.2.1 Совета по расследованию катастрофы «Колумбия» гласила: «Инициировать агрессивную программу по устранению всех обломков внешней системы тепловой защиты бака у источника…». Для поддержки этой рекомендации в НАСА оцениваются, разрабатываются и совершенствуются методы проверки дефектов пены. [1] [11] [12]
STS-114 использовал космический челнок Discovery и был первой миссией Space Shuttle "Return to Flight" после катастрофы космического челнока Columbia . Он стартовал в 10:39 EDT , 26 июля 2005 года. Во время полета STS-114 наблюдалось значительное сбрасывание пены. Поэтому возможность неразрушающего обнаружения и характеристики измельченной пены после этого полета стала важным приоритетом, когда считалось, что персонал, обрабатывающий бак, сдавил пену, наступив на нее или получив повреждения от града , когда челнок находился на стартовой площадке или во время других приготовлений к запуску.
Кроме того, изменения плотности пены также были потенциальными точками возникновения дефектов, вызывающих отслаивание пены. Описанная ниже инновация ответила на призыв разработать неразрушающий, полностью бесконтактный, не связанный с жидкостью метод, который мог бы одновременно и точно характеризовать изменение толщины (от раздавленной пены из-за обращения с ней работником и повреждения градом) и изменение плотности вспененных материалов. Было критически важно иметь метод, который не требовал бы соединения с жидкостью (водой); то есть ультразвуковые методы испытаний требуют соединения с водой.
В полевых условиях и на рынке есть ультразвуковое оборудование стоимостью в миллионы долларов, которое используется в качестве толщиномеров и плотномеров . Когда терагерцовая неразрушающая оценка будет полностью коммерциализирована в более портативную форму и станет менее дорогой, она сможет заменить ультразвуковые приборы для конструкционных пластиковых , керамических и пенопластовых материалов. Новые приборы не будут требовать жидкостного сопряжения, тем самым повышая их полезность в полевых условиях и, возможно, для высокотемпературных приложений на месте, где жидкостное сопряжение невозможно. С помощью этой технологии может быть разработан потенциальный новый сегмент рынка. [11] [12]
Смотрите также
Ссылки
- ^ ab Anastasi, RF; et al. (Май 2007). Терагерцовый неразрушающий контроль для аэрокосмических приложений (Название главы) . Название книги: Ультразвуковые и передовые методы неразрушающего контроля и характеристики материалов . World Scientific Publishing. С. 279–303. ISBN 978-981-270-409-2.
- ^ Ахи, Киараш (2019). «Метод и система повышения разрешения терагерцовой визуализации». Измерение . 138 : 614. Bibcode : 2019Meas..138..614A. doi : 10.1016/j.measurement.2018.06.044. S2CID 116418505.
- ^ Оспальд, Франк; Виссем Зуаги; Рене Бейганг; Матеис Карстер (16 декабря 2013 г.). «Контроль композитных материалов в аэронавтике с помощью системы спектроскопии во временной области терагерцового диапазона». Optical Engineering . 53 (3): 031208. Bibcode :2014OptEn..53c1208O. doi : 10.1117/1.OE.53.3.031208 .
- ^ Балбекин, Николай С.; Евгений В. Новоселов; Павел В. Павлов; Виктор Г. Беспалов; Николай В. Петров (19 марта 2015 г.). «Неразрушающий контроль композитов самолетов с использованием терагерцового излучения». В Genina, Элина А; Дербов, Владимир Л; Ларин, Кирилл В; Постнов, Дмитрий Е; Тучин, Валерий В (ред.). Saratov Fall Meeting 2014: Optical Technologies in Biophysics and Medicine XVI; Laser Physics and Photonics XVI; and Computational Biophysics . Vol. 9448. pp. 94482D. Bibcode :2015SPIE.9448E..2DB. doi :10.1117/12.2180021. S2CID 31308295.
{{cite book}}:|journal=проигнорировано ( помощь ) - ^ Petkie, Douglas; Izaak V. Kemp; Carla Benton; Christopher Boyer; Lindsay Owens; Jason A. Deibel; Christopher D. Stoik; Matthew J. Bohn (5 октября 2009 г.). "Неразрушающая терагерцовая визуализация для аэрокосмических приложений". В Krapels, Keith A; Salmon, Neil A (ред.). Датчики и технологии миллиметровых и терагерцовых волн II . Том 7485. стр. 74850D. Bibcode : 2009SPIE.7485E..0DP. doi : 10.1117/12.830540. S2CID 109221462.
{{cite book}}:|journal=проигнорировано ( помощь ) - ^ Йонушайт, Иоахим. "Техническая керамика: отслеживание дефектов" (PDF) . Институт физических измерительных технологий им. Фраунгофера ИПМ. Архивировано из оригинала (PDF) 2013-06-15.
- ^ Уокер, Джиллиан; Боуэн, Джон В.; Мэтьюз, Венди; Ройчоудхури, Сумали; Лабон, Жюльен; Муру, Жерар; Меню, Мишель; Ходдер, Ян; Джексон, Дж. Бьянка (27 марта 2013 г.). «Подповерхностная терагерцовая визуализация через неровные поверхности: визуализация неолитических настенных рисунков в Чатал-Хююке». Optics Express . 21 (7): 8126–8134. Bibcode : 2013OExpr..21.8126W. doi : 10.1364/OE.21.008126 . PMID 23571902.
- ^ Пасторелли, Джанлука; Трафела, Таня; Тадай, Филипп Ф.; Портьери, Алессия; Лоу, Дэвид; Фукунага, Каори; Стрлич, Матия (25 марта 2012 г.). «Характеристика исторических пластиков с использованием терагерцовой спектроскопии во временной области и импульсной визуализации». Аналитическая и биоаналитическая химия . 403 (5): 1405–1414. doi :10.1007/s00216-012-5931-9. PMID 22447218. S2CID 9504225.
- ^ "Terahertz for Conservation of Paintings, Manuscripts and Artefacts". TeraView . Архивировано из оригинала 2013-06-03 . Получено 2013-02-26 .
- ^ Hsu, David; Kwang-Hee Im; Chien-Ping Chiou; Daniel J. Barnard (23 июля 2010 г.). «Исследование полезности терагерцовых волн для неразрушающего контроля композитов». Труды конференции AIP . 30 : 533–540. doi : 10.1063/1.3591897. S2CID 4331137. Архивировано из оригинала 14 апреля 2013 г.
- ^ abcde Метод неразрушающего контроля использует терагерцовую энергию.
- Lei, Jih-Fen, официальный представитель NASA. "Terahertz Density Thickness Imager". Терагерцовые технологии . Исследовательский центр Гленна. Архивировано из оригинала (Онлайн - Этот материал находится в общественном достоянии (NASA)) 28-05-2010 . Получено 01-03-2011 .
- Исследовательский центр Джона Х. Гленна Рот, Рон (2009-02-01). "Бесконтактное измерение изменения плотности и толщины диэлектрических материалов" (Онлайн - Этот материал находится в общественном достоянии (NASA)) . Терагерцовые технологии . NASA Tech Briefs . Получено 2011-03-01 .
В этой статье использованы материалы из общедоступного источника Terahertz Density Thickness Imager. Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства . Получено 01.03.2011 .- В этой статье использованы материалы из общественного достояния Рона Рота для исследовательского центра Гленна. Бесконтактное измерение изменения плотности и толщины диэлектрических материалов. Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства . Получено 01.03.2011 .
- ^ abcdef Датчики и приборы и неразрушающая оценка
- Аргоннский испытательный центр.
- Неразрушающая оценка
- Заявки на внутреннюю безопасность.
- В статье использованы материалы, являющиеся общественным достоянием, с веб-сайтов или документов Министерства энергетики США .
- ^ Guillet, Jean-Paul; Recur, Benoit; Frederique, Louis; Bousquet, Bruno; Canioni, Lionel; Manel-Honninger, Inka; Desbarats, Pascal; Mounaix, Patrick (28 февраля 2014 г.). "Обзор методов терагерцовой томографии" (PDF) . Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves . 35 (4): 382–411. Bibcode : 2014JIMTW..35..382G. doi : 10.1007/s10762-014-0057-0. S2CID 120535020.
Дальнейшее чтение
- «Фармацевтика, покрытия, исследования процессов». Кембриджский университет. 2011. Архивировано из оригинала (веб-страница в Интернете) 2011-10-05 . Получено 2011-06-23 .
- На этой странице также см. следующие разделы по использованию домена терагерцового диапазона: Малые органические молекулярные кристаллы / Свойства материалов (стекла и т. д.), Понимание колебательных режимов на терагерцовых частотах, Приложения квантовых каскадных лазеров, Реализация новых парадигм датчиков и Динамика биомолекул .
- Стоик, Кристофер; Бон, Мэтью; Блэкшир, Джеймс (2010). «Неразрушающая оценка композитных материалов для самолетов с использованием отражательной терагерцовой спектроскопии во временной области». NDT & E International . 43 (2): 106–115. doi :10.1016/j.ndteint.2009.09.005.
- Оригинальная докторская диссертация Кристофера Д. Стоика, подполковника ВВС США. Декабрь 2008 г.
- Хосако, Ивао; Ода, Наоки (2011). «Терагерцовая визуализация для обнаружения или диагностики». SPIE Newsroom . doi :10.1117/2.1201105.003651.Бесплатная онлайн-статья.