Терагерцовый неразрушающий контроль
Терагерцовый неразрушающий контроль относится к устройствам и методам анализа, происходящим в терагерцовой области излучения электромагнитного . Эти устройства и методы оценивают свойства материала, компонента или системы, не вызывая повреждений. [ 1 ]
Терагерцовая визуализация
[ редактировать ]
Терагерцовая визуализация — это новый и важный метод неразрушающего анализа (NDE), используемый для анализа диэлектрических (непроводящих, то есть изоляторов ) материалов и контроля качества в фармацевтической , биомедицинской , охранной, характеристике материалов и аэрокосмической промышленности. [ 3 ] [ 4 ] Он доказал свою эффективность при контроле слоев красок и покрытий. [ 5 ] выявление структурных дефектов в керамических и композиционных материалах [ 6 ] и визуализация физической структуры картин [ 7 ] и рукописи. [ 8 ] [ 9 ] Использование ТГц волн для неразрушающего контроля позволяет проверять многослойные конструкции и выявлять аномалии, связанные с включениями инородных материалов, отслоением и расслоением, повреждениями от механического воздействия, термическими повреждениями, а также проникновением воды или гидравлической жидкости. [ 10 ] Этот новый метод может сыграть значительную роль в ряде отраслей промышленности при определении характеристик материалов, где прецизионное картирование толщины (для обеспечения допусков на размеры продукта внутри продукта и от продукта к продукту) и картирование плотности (для обеспечения качества продукта внутри продукта и от продукта к продукту). [ 11 ]
Неразрушающая оценка
[ редактировать ]Датчики и инструменты используются в диапазоне от 0,1 до 10 ТГц для неразрушающего анализа , включая обнаружение. [ 11 ] [ 12 ]
Терагерцовый тепловизор плотности и толщины
[ редактировать ]Терагерцовый сканер плотности и толщины представляет собой метод неразрушающего контроля, который использует терагерцовую энергию для картирования плотности и толщины диэлектрических , керамических и композитных материалов . Этот бесконтактный односторонний метод терагерцового электромагнитного измерения и визуализации характеризует микроструктуру и изменение толщины диэлектрических ( изоляционных ) материалов. Этот метод был продемонстрирован для изоляции внешнего бака космического корабля «Спейс шаттл» , напыленной пенопластом, и был разработан для использования в качестве метода проверки текущих и будущих систем тепловой защиты НАСА и других приложений для проверки диэлектрических материалов, где контакт с образцом невозможен из-за хрупкость и нецелесообразность использования ультразвуковых методов. [ 11 ]
Ротационная спектроскопия
[ редактировать ]Вращательная спектроскопия использует электромагнитное излучение в диапазоне частот от 0,1 до 4 терагерц (ТГц). Этот диапазон включает длины волн миллиметрового диапазона и особенно чувствителен к химическим молекулам. В результате ТГц поглощения создается уникальная и воспроизводимая спектральная картина, позволяющая идентифицировать материал. ТГц спектроскопия может обнаружить следы взрывчатых веществ менее чем за одну секунду. Поскольку взрывчатые вещества постоянно выделяют следовые количества пара, должна быть возможность использовать эти методы для обнаружения скрытых взрывчатых веществ на расстоянии. [ 12 ]
ТГц-волновой радар
[ редактировать ]ТГц-волновой радар может обнаруживать утечки газа, химикатов и ядерных материалов. В ходе полевых испытаний терагерцовый радар обнаружил химические вещества на уровне 10 частей на миллион на расстоянии 60 метров. Этот метод можно использовать в линии ограждения или в системе, установленной на самолете, которая работает днем и ночью в любую погоду. Он может обнаруживать и отслеживать химические и радиоактивные шлейфы. ТГц-волновой радар, который может обнаруживать радиоактивные шлейфы от атомных электростанций, обнаружил шлейфы на расстоянии нескольких километров на основе радиационно-индуцированных эффектов ионизации в воздухе. [ 12 ]
ТГц томография
[ редактировать ]Методы ТГц томографии — это неразрушающие методы, которые могут использовать импульсные ТГц лучи или источники миллиметрового диапазона для обнаружения объектов в 3D. [ 13 ] Эти методы включают томографию, томосинтез, радар с синтезированной апертурой и времяпролетное исследование. Такие методы позволяют разрешать детали масштаба менее одного миллиметра в объектах размером в несколько десятков сантиметров.
Методы пассивной/активной визуализации
[ редактировать ]В настоящее время создание образов безопасности осуществляется как активными, так и пассивными методами. Активные системы освещают объект ТГц-излучением, тогда как пассивные системы просто наблюдают за естественным излучением объекта.
Очевидно, что пассивные системы по своей сути безопасны, тогда как можно утверждать, что любая форма «облучения» человека нежелательна. Однако в техническом и научном плане схемы активного освещения безопасны согласно всем действующим законам и стандартам.
Целью использования активных источников освещения является, прежде всего, улучшение соотношения сигнал/шум. Это аналогично использованию вспышки на стандартной камере с оптическим освещением, когда уровень окружающего освещения слишком низкий.
Для целей обеспечения безопасности рабочие частоты обычно находятся в диапазоне от 0,1 до 0,8 ТГц (от 100 до 800 ГГц). В этом диапазоне кожа не прозрачна, поэтому системы визуализации могут видеть сквозь одежду и волосы, но не внутри тела. С такой деятельностью связаны проблемы конфиденциальности, особенно в отношении активных систем, поскольку активные системы с изображениями более высокого качества могут отображать очень подробные анатомические особенности.
Активные системы, такие как L3 Provision и Smiths eqo, на самом деле являются системами визуализации в миллиметровом диапазоне волн, а не системами визуализации терагерцового диапазона, такими как системы Millitech. Эти широко распространенные системы не отображают изображения, что позволяет избежать каких-либо проблем с конфиденциальностью. Вместо этого они отображают общие контуры «манекена» с выделенными аномальными областями.
Поскольку проверка безопасности ищет аномальные изображения, будут обнаруживаться такие предметы, как искусственные ноги, ложные руки, калоприемники, нательные писсуары, нательные инсулиновые помпы и внешние устройства для увеличения груди. Обратите внимание, что грудные имплантаты, находящиеся под кожей, не будут обнаружены.
Для выполнения медицинской визуализации можно использовать методы активной визуализации. Поскольку ТГц излучение биологически безопасно (неионизирующее), его можно использовать в визуализации с высоким разрешением для обнаружения рака кожи. [ 12 ]
Инспекции космических кораблей
[ редактировать ]НАСА Инспекции космических кораблей являются примером применения этой технологии.
После шаттла «Колумбия» аварии в 2003 году в рекомендации R3.2.1 Совета по расследованию происшествий Колумбии говорилось: «Начать агрессивную программу по устранению всех обломков внешней системы тепловой защиты резервуаров у источника…». Чтобы поддержать эту рекомендацию, в НАСА оцениваются, разрабатываются и совершенствуются методы проверки дефектов пенопласта. [ 1 ] [ 11 ] [ 12 ]
STS-114 использовал космический шаттл «Дискавери» и был первым космическим кораблем «Возвращение в полет» после космического корабля «Колумбия» катастрофы . Он был запущен в 10:39 по восточному времени 26 июля 2005 года. Во время полета STS-114 значительное выделение пены наблюдалось . Таким образом, возможность неразрушающего обнаружения и характеристики измельченной пены после этого полета стала важным приоритетом, когда считалось, что персонал, обрабатывающий резервуар, раздавил пену, ходя по нему или в результате повреждения градом, когда шаттл находился на стартовой площадке или во время других подготовка к запуску.
Кроме того, изменения плотности пены также были потенциальными точками возникновения дефектов, вызывающих осыпание пены. Инновация, описанная ниже, ответила на призыв разработать неразрушающий, полностью бесконтактный метод без жидкостной связи , который мог бы одновременно и точно характеризовать изменение толщины (из-за измельчения пенопласта из-за действий рабочих и повреждений градом) и изменение плотности вспененных материалов. Крайне важно было иметь метод, который не требовал бы взаимодействия жидкости (воды); т.е.; методы ультразвукового контроля требуют соединения воды.
На рынке и в отрасли имеется ультразвуковое оборудование стоимостью в миллионы долларов, которое используется в качестве толщиномеров и плотномеров . Когда терагерцевый метод неразрушающего контроля будет полностью коммерциализирован в более портативную форму и станет менее дорогим, он сможет заменить ультразвуковые инструменты для конструкционных пластиковых , керамических и пенопластовых материалов. Новым приборам не потребуется жидкостная связь, что повысит их полезность в полевых условиях и, возможно, для высокотемпературных применений на месте, где жидкостная связь невозможна. С помощью этой технологии можно разработать потенциальный новый сегмент рынка. [ 11 ] [ 12 ]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Анастаси, РФ; и др. (май 2007 г.). Терагерцовый неразрушающий контроль для аэрокосмических применений (название главы) . Название книги: Ультразвуковые и современные методы неразрушающего контроля и определения характеристик материалов . Мировое научное издательство. стр. 279–303. ISBN 978-981-270-409-2 .
- ^ Ахи, Киараш (2019). «Метод и система повышения разрешения терагерцовой визуализации» . Измерение . 138 : 614. Бибкод : 2019Измерение..138..614A . doi : 10.1016/j.measurement.2018.06.044 . S2CID 116418505 .
- ^ Оспалд, Фрэнк; Виссем Зуаги; Рене Бейганг; Матейс Карстер (16 декабря 2013 г.). «Проверка авиационных композитных материалов с помощью системы терагерцовой спектроскопии во временной области» . Оптическая инженерия . 53 (3): 031208. Бибкод : 2014OptEn..53c1208O . дои : 10.1117/1.OE.53.3.031208 .
- ^ Бальбекин Николай С.; Евгений Владимирович Новоселов; Павел Владимирович Павлов; Виктор Георгиевич Беспалов; Николай Владимирович Петров (19 марта 2015 г.). Генина, Элина А; Дербов Владимир Л; Ларин Кирилл В.; Постнов Дмитрий Е; Тучин, Валерий В. (ред.). «Неразрушающий контроль авиационных композитов с использованием терагерцового излучения» . Материалы SPIE . Саратовская осенняя встреча 2014: Оптические технологии в биофизике и медицине XVI; Лазерная физика и фотоника XVI; и вычислительная биофизика. 9448 : 94482D. Бибкод : 2015SPIE.9448E..2DB . дои : 10.1117/12.2180021 . S2CID 31308295 .
- ^ Петки, Дуглас; Исаак В. Кемп; Карла Бентон; Кристофер Бойер; Линдси Оуэнс; Джейсон А. Дейбель; Кристофер Д. Стойк; Мэтью Дж. Бон (5 октября 2009 г.). Крапелс, Кейт А; Салмон, Нил А. (ред.). «Неразрушающая терагерцовая визуализация для аэрокосмических применений» . Материалы SPIE . Датчики и технологии миллиметрового и терагерцового диапазона II. 7485 : 74850D. Бибкод : 2009SPIE.7485E..0DP . дои : 10.1117/12.830540 . S2CID 109221462 .
- ^ Йонушейт, Иоахим. «Техническая керамика: выявление дефектов» (PDF) . Институт методов физических измерений Фраунгофера ИПМ. Архивировано из оригинала (PDF) 15 июня 2013 г.
- ^ Уокер, Джиллиан; Боуэн, Джон В.; Мэтьюз, Венди; Ройчоудхури, Сумали; Лабон, Жюльен; Муру, Жерар; Меню, Мишель; Ходдер, Ян; Джексон, Дж. Бьянка (27 марта 2013 г.). «Подповерхностное терагерцовое изображение через неровные поверхности: визуализация неолитических настенных росписей в Чатал-Хююке» . Оптика Экспресс . 21 (7): 8126–8134. Бибкод : 2013OExpr..21.8126W . дои : 10.1364/OE.21.008126 . ПМИД 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. дои : 10.1007/s00216-012-5931-9 . ПМИД 22447218 . S2CID 9504225 .
- ^ «Терагерц для консервации картин, рукописей и артефактов» . ТераВью . Архивировано из оригинала 3 июня 2013 г. Проверено 26 февраля 2013 г.
- ^ Сюй, Дэвид; Кван Хи Им; Цзянь-Пин Чиу; Дэниел Дж. Барнард (23 июля 2010 г.). «Исследование использования терагерцовых волн для неразрушающего контроля композитов» . Материалы конференции AIP . 30 : 533–540. дои : 10.1063/1.3591897 . S2CID 4331137 . Архивировано из оригинала 14 апреля 2013 года.
- ^ Jump up to: а б с д и
Метод неразрушающего контроля использует терагерцовую энергию.
- Лей, представитель НАСА Цзих-Фэнь. «Терагерцовый прибор для измерения плотности и толщины» . Терагерцовые технологии . Исследовательский центр Гленна. Архивировано из оригинала (Онлайн — этот материал находится в общественном достоянии (НАСА)) 28 мая 2010 г. Проверено 1 марта 2011 г.
- Исследовательский центр Джона Х. Гленна Рот, Рон (1 февраля 2009 г.). «Бесконтактное измерение изменения плотности и толщины диэлектрических материалов» (онлайн — этот материал находится в общественном достоянии (НАСА)) . Терагерцовые технологии . Технические обзоры НАСА . Проверено 1 марта 2011 г.
В этой статье использованы общедоступные материалы из Терагерцовый прибор для измерения плотности и толщины . Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства . Проверено 1 марта 2011 г. - В этой статье использованы общедоступные материалы из Рон Рот из Исследовательского центра Гленна. Бесконтактное измерение изменения плотности и толщины диэлектрических материалов . Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства . Проверено 1 марта 2011 г.
- ^ Jump up to: а б с д и ж
Датчики и контрольно-измерительные приборы и неразрушающий контроль
- Аргоннский испытательный полигон .
- Неразрушающий контроль
- Приложения внутренней безопасности .
- Эта статья включает общедоступные материалы с веб-сайтов или документов Министерства энергетики США .
- ^ Гийе, Жан-Поль; Повторитесь, Бенуа; Фредерик, Луи; Буске, Бруно; Каниони, Лайонел; Манель-Хоннингер, Инка; Дебаратс, Паскаль; Муне, Патрик (28 февраля 2014 г.). «Обзор методов терагерцовой томографии» (PDF) . Журнал инфракрасных, миллиметровых и терагерцовых волн . 35 (4): 382–411. Бибкод : 2014JIMTW..35..382G . дои : 10.1007/s10762-014-0057-0 . S2CID 120535020 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- «Фармацевтика, покрытия, технологические исследования» . Кембриджский университет. 2011. Архивировано из оригинала (веб-страница в Интернете) 5 октября 2011 г. Проверено 23 июня 2011 г.
- На этой странице также см. следующие разделы, посвященные использованию терагерцовой области: малые органические молекулярные кристаллы / свойства материалов (стекла и т. д.), понимание колебательных режимов на терагерцовых частотах, применение квантовых каскадных лазеров, реализация новых парадигм зондирования и динамика. в Биомолекулах .
- Стоик, Кристофер; Бон, Мэтью; Блэкшир, Джеймс (2010). «Неразрушающая оценка авиационных композитов с использованием отражательной терагерцовой спектроскопии во временной области» . НДТ и Е Интернешнл . 43 (2): 106–115. дои : 10.1016/j.ndteint.2009.09.005 .
- Оригинальный доктор философии. диссертация Кристофера Д. Стоика, подполковника ВВС США. Декабрь 2008 года.
- Хосако, Ивао; Ода, Наоки (2011). «Терагерцовая визуализация для обнаружения или диагностики» . Отдел новостей SPIE . дои : 10.1117/2.1201105.003651 . Бесплатная онлайн-статья.