Terahertz-Frequenz durchdringt Materie

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Fraunhofer-Institut f. Nachrichten technik, Heinrich-Hertz-Institut

Die Wanddicke von Kunststoffrohren messen

Prototypen eines solchen THz-Messsystems werden seit einiger Zeit bei der Extrusion von Kunststoffrohren eingesetzt. Ziel des Messsystems ist es, die Wanddicke über den gesamten Umfang des Rohres während des Extrusionsprozesses zu überwachen. Kunststoffrohre müssen engen Spezifikationen genügen, da zu dünne Stellen das Rohr instabil werden lassen, während bei zu großer Wandstärke Material verschwendet wird. Bisher wurden bei der Produktion von Kunststoffrohren Ultraschallsysteme eingesetzt.

Solche Systeme haben einige entscheidende Nachteile: Zum einen ist die Messung temperaturabhängig und erfordert aufwendige Kalibrierungen. Weiterhin wird Wasser als Koppelmedium benötigt, weil die Ultraschallmessung nicht berührungslos erfolgen kann. Und schließlich lassen sich die einzelnen Schichtdicken von Mehrschichtrohren, wie beispielsweise Schaum- und Wellrohre, mit Ultraschall nicht auflösen.

Die THz-Messtechnik hingegen ermöglicht es, den Produktionsprozesses von Einzel- und Mehrschichtrohren mit Wandstärken von einigen Millimetern bis hin zu funktionellen Schichten mit Dicken von wenigen 10 µm berührungslos und vor allem auch zerstörungsfrei zu überwachen. Das Bild 2 zeigt exemplarisch das Ergebnis einer THz-Flugzeitmessung am Beispiel eines Schaumrohrs. Es besteht aus einem Außen- und einem Innenrohr aus Kunststoff, die durch eine Schaumschicht verbunden sind.

Die Gesamtdicke der Rohrwand beträgt 3,44 mm. Im Bild 2c ist das zugehörige Signal der THz-Flugzeitmessung abgebildet. Ein Teil des eingestrahlten THz-Pulses wird an jedem Materialübergang reflektiert, sodass der Abstand zweier Pulse ein Maß für die Dicke des Materials ist. Die Wandstärken von Außenrohr, Schaumschicht und Innenrohr, können somit aus dem Datensignal extrahiert werden.

Sender und Empfänger auf einem Sensorchip

Für kompaktere und flexiblere THz-Systeme hat das Fraunhofer HHI einen integrierten THz-Sensorkopf entwickelt. Dabei sind Sender und Empfänger auf einem einzigen Sensorchip. Diskrete THz-Sender und Empfänger müssen entweder unter einem Winkel zur Probe oder mithilfe eines THz-Strahlteilers angeordnet werden, wozu eine extrem präzise Ausrichtung der Messköpfe zur Probe notwendig ist. Die Folge sind Reflexionsverluste an den benötigten optischen Elementen.

Der THz-Transceiver des Fraunhofer HHI hat einen Durchmesser von 25 mm und ist 35 mm lang. Er misst THz-Reflexionen orthogonal zur Probenoberfläche ohne komplizierte THz-Optiken. Der THz-Transceiver demonstriert auf anschauliche Weise das Potential photonischer Integrationstechnologie für Anwendungen in der Sensorik.

* Die Autoren arbeiten am Fraunhofer Institut für Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut, in Berlin.

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