Deutsches Terahertz-Zentrum e.V.

Anwendungen von THz-Strahlung



Anwendungen

Viele technisch-orientierte Untersuchungen wurden mit Hilfe von THz-Messtechnik bereits durchgeführt. Grob teilt man diese in zerstörungsfreie Materialprüfung, in medizinisch-biologische Anwendungen sowie in Anwendungen in der Sicherheitstechnik ein. Mit THz-Wellen lassen sich chemische Verbindungen analysieren und Moleküle zu charakteristischen Rotationen und Schwingungen anregen. Die Liste der bereits untersuchten Proben umfasst fast alle Materialklassen einschließlich Halbleiter, Polymere, Biomoleküle, pharmazeutische Wirkstoffe, Drogen und Sprengstoffe. In den meisten technischen Anwendungen wird ein bildgebendes Verfahren gefordert, da Proben in ihrer Fläche nach untersucht und die Messergebnisse entsprechend ortsaufgelöst dargestellt werden müssen. Dafür kommen neben der rasternden Bildgebung entweder mehr-dimensionale Detektoren in Form von Antennen-Arrays oder eine CCD-Kamera mit entsprechenden elektrooptischen Kristallen zum Einsatz.

Aufgrund ihrer Eigenschaft, Verdecktes sichtbar zu machen, ist die THz-Messtechnik für den Sicherheitsbereich sehr interessant. Damit lassen sich Gegenstände wie z.B. Sprengstoffe oder Drogen unter Kleidung bzw. in nicht metallischen Behältern nachweisen. Für die Personenkontrolle werden zwei unterschiedliche Ansätze dabei parallel verfolgt: passive und aktive THz-Systeme, die sich darin unterscheiden, ob die natürliche THz-Strahlung verwendet wird oder eine künstliche THz-Quelle zum Einsatz kommt. Bei passiven Verfahren wird die von Körper ausgesendete oder reflektierte natürliche Strahlung mit Hilfe sehr empfindlicher Detektoren, meist auf Basis von Mikrobolometern, nachgewiesen. In diesem Fall sind keine spektroskopischen Aussagen möglich, d.h. man erhält keine Informationen über das Material der versteckten Objekte. Dem Vorteil der Vermeidung von künstlicher Beleuchtung und der damit verbundenen Strahlenschutzproblematik steht der Nachteil der sehr geringen Signalstärke gegenüber. Bei den aktiven Verfahren wird die zu untersuchende Person mit künstlich erzeugten THz-Wellen beleuchtet und das reflektierte Licht detektiert. Hier sind die erreichbaren Signale deutlich größer, sofern in direkter Reflexion gearbeitet wird, und nicht nur gestreute Signale zur Detektion kommt. Zur spektroskopischen Bildaufnahme ist eine große Dynamik des THz-Systems notwendig. Durch die Wellenlängenänderung der zur Beleuchtung eingesetzten THz-Strahlung oder durch breitbandige Quellen kann man prinzipiell spektroskopische Informationen erhalten. Neben Personen können auch andere Objekte wie Pakete und Briefe untersucht werden.

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Abb. 7: Links: Foto eines Briefumschlages mit metallischem Inhalt und einer Plastiktüte gefüllt mit Laktose. Darüber wurde da gemessene THz-Transmissionsbild gelegt. Rechts: Aus dem Datensatz berechnete frequenzabhängige Transmission. Rot: Briefumschlag; Blau: Plastiktüte gefüllt mit Laktose

Die Verfügbarkeit einer einfachen Detektion bei gleichzeitiger Identifizierung von Biomolekülen (DNA, Polynukleotide, Gene, Proteine) und deren Veränderungen ist der Schlüssel zur Biotechnologie. Hier wird an markerfreien Verfahren gearbeitet, da die Markierung einen zusätzlichen und komplexen Präparationsschritt darstellt. Im THz-Bereich lassen sich ergänzende Resultate zu standardmäßigen FTIR-Messungen erreichen, die das Verständnis des Aufbaus und des Verhaltens von komplexen Molekülen deutlich erhöhen können.

Die zerstörungsfreie Prozess- und Qualitätskontrolle umfasst alle Industriebranchen. In diesem Zusammenhang sind spektroskopische Messungen vorwiegend in der chemischen und pharmazeutischen Industrie zur Substanzidentifizierung von besonderem Interesse. Aus der Literatur sind Untersuchungen z.B. von Polymorphie oder zur Unterscheidung von Tabletteninhaltsstoffen und unterschiedlich hydratisierten Substanzen bekannt. Eine andere Anwendung ist die Untersuchung im Körperinneren der Probe. Hierfür muss diese für THz transparent sein. Keramiken und Kunststoffe sind meist für THz-Strahlung verlustarm und eignen sich daher für die THz-Inspektion. Diese Proben können im Hinblick auf Risse und Einschlüsse oder auf homogene Verteilung von Additiven (Füll- und Verstärkungsstoffe, Flammschutzmittel,…) untersucht werden. Verschiedene Teile aus faserverstärkten Kunststoffen wurden in der Vergangenheit untersucht, so. z.B. die Außenhülle eines Radardoms im Hinblick auf Delaminationen der unterschiedlichen Schichten und auf mögliche Wassereinlagerungen. Unterschiedliche Produkte wie z.B. Tabletten oder Flugzeugteile werden zum Schutz oder zur Funktionsverbesserung mit Beschichtungen versehen. Die THz-Technik wurde auch hier bereits zur Untersuchung eingesetzt. Zusätzlich zur Dicke der Tablettenbeschichtung konnte aufgrund der spektroskopischen Informationen sogar die Inhaltsstoffverteilung angegeben werden. Im modernen Gerätebau werden anstelle von Metallteilen immer mehr Kunststoffkomponenten verwendet. Deren Vermessung wurde mittels THz-Wellen bereits mehrfach erfolgreich demonstriert. Auch in der Lebensmittelindustrie ist es von entscheidender Bedeutung, Fremdteile zu detektieren. Während metallische Teile sehr empfindlich mit Metalldetektoren nachgewiesen werden können, steht für nichtmetallische Körper bisher nur die Röntgentechnik zur Verfügung. Aufgrund der Strahlenschutzproblematik versucht man diese durch THz-Technik zu ersetzen.

 

Einführung und Überblick

Terahertz-Zeitbereich-Spektroskopie

Erzeugung und Nachweis

veröffentlicht am 24. August 2016 durch