テラヘルツ非破壊評価

テラヘルツ非破壊評価は、電磁放射のテラヘルツ領域で発生する分析装置および技術に関するものである。これらの装置および技術は、損傷を与えることなく材料、部品またはシステムの特性を評価する。^[1]

テラヘルツイメージングは​​、製薬、生物医学、セキュリティ、材料特性評価、航空宇宙産業における誘電体（非伝導性、すなわち絶縁体）材料の分析と品質管理に使用される新興の重要な非破壊評価（NDE）技術です。^{[3] [4]}塗料やコーティングの層の検査、^[5]セラミックや複合材料 の構造欠陥の検出^[6]絵画[7]や原稿の物理的構造の画像化 に効果的であることが証明されています。 ^{[8] [9]} 非破壊評価に THz 波を使用すると、多層構造の検査が可能になり、異物の混入、剥離や剥離、機械的衝撃による損傷、熱による損傷、水や油圧流体の侵入による異常を特定できます。 ^[10] この新しい方法は、精密な厚さマッピング（製品内および製品間の寸法公差を保証するため）と密度マッピング（製品内および製品間の製品品質を保証するため）が求められる材料特性評価アプリケーションの多くの産業で重要な役割を果たすことができます。^[11]

0.1～10THzの範囲のセンサーや計測器は、検出を含む非破壊評価に使用されます。 ^{[11] [12]}

テラヘルツ密度厚さイメージング装置は、誘電体、セラミック、複合材料の密度と厚さのマッピングにテラヘルツエネルギーを使用する非破壊検査方法です。この非接触、片面テラヘルツ電磁気測定およびイメージング方法は、誘電体（絶縁）材料の微細構造と厚さの変化を特徴付けます。この方法は、スペースシャトルの外部タンクの吹き付けフォーム断熱材で実証され、現在および将来のNASAの熱保護システムや、サンプルが壊れやすいために接触できず、超音波法を使用することが実用的でないその他の誘電体材料検査アプリケーションの検査方法として使用できるように設計されています。^[11]

回転分光法は、0.1～4テラヘルツ（THz）の周波数範囲の電磁放射を使用します。この範囲にはミリメートル範囲の波長が含まれており、特に化学分子に敏感です。その結果生じるTHz吸収は、物質を識別するためのユニークで再現性のあるスペクトルパターンを生成します。THz分光法は、1秒未満で微量の爆発物を検出できます。爆発物は微量の蒸気を継続的に放出するため、これらの方法を使用して遠くから隠された爆発物を検出することが可能です。^[12]

テラヘルツ波レーダーはガス漏れ、化学物質、核物質を感知することができます。現場でのテストでは、テラヘルツ波レーダーは60メートル離れたところから10ppmレベルの化学物質を検出しました。この方法はフェンスラインや航空機搭載システムで使用でき、昼夜を問わずどんな天候でも機能します。化学物質や放射性物質の煙の位置を特定して追跡することができます。原子力発電所からの放射性煙を感知できるテラヘルツ波レーダーは、空気中の放射線誘発イオン化効果に基づいて、数キロメートル離れたところから煙を検出しています。^[12]

THzトモグラフィー技術は、THzパルスビームまたはミリメートル範囲の光源を使用して物体を3Dで特定できる非破壊的な方法です。^[13]これらの技術には、トモグラフィー、トモシンセシス、合成開口レーダー、飛行時間などがあります。これらの技術は、数十センチメートルの大きさの物体の1ミリメートル未満のスケールの詳細を解像できます。

セキュリティ画像処理は現在、能動的な方法と受動的な方法の両方で行われています。能動的なシステムは対象物を THz 放射線で照射しますが、受動的なシステムは対象物から自然に発生する放射線を観察するだけです。

明らかに、受動的なシステムは本質的に安全ですが、人体へのいかなる形の「照射」も望ましくないという議論もあります。しかし、技術的および科学的観点から見ると、能動的な照明方式は、現在のすべての法律および基準に従って安全です。

アクティブ照明源を使用する主な目的は、信号対雑音比を向上させることです。これは、周囲の照明レベルが低すぎる場合に、標準的な光学式カメラでフラッシュを使用するのと似ています。

セキュリティ イメージングの目的の場合、動作周波数は通常 0.1 THz ～ 0.8 THz (100 GHz ～ 800 GHz) の範囲です。この範囲では皮膚は透明ではないため、イメージング システムは衣服や髪の毛を透かして見ることができますが、体内を見ることはできません。このような活動にはプライバシーの問題があり、特にアクティブ システムでは高画質の画像で非常に詳細な解剖学的特徴を表示できるため、アクティブ システムを取り巻くプライバシーの問題が問題となります。

L3 Provision や Smiths eqo などのアクティブ システムは、実際にはミリ波イメージング システムであり、Millitech システムのようなテラヘルツ イメージング システムではありません。広く導入されているこれらのシステムは、プライバシーの問題を回避するために画像を表示しません。代わりに、異常な領域が強調表示された一般的な「マネキン」のアウトラインを表示します。

セキュリティ スクリーニングでは異常な画像が探されるため、義足、義腕、人工肛門バッグ、身体装着型小便器、身体装着型インスリン ポンプ、外部豊胸手術などのアイテムが見つかります。ただし、皮膚の下にある乳房インプラントは検出されません。

アクティブイメージング技術は医療用画像診断に使用できます。THz放射線は生物学的に安全（非イオン性）であるため、皮膚がんの検出のための高解像度画像診断に使用できます。^[12]

NASA の スペースシャトルの検査は、この技術の応用例です。

2003年のスペースシャトルコロンビアの事故後、コロンビア事故調査委員会の勧告R3.2.1には「外部燃料タンク熱保護システムの破片の放出を発生源からすべて除去するための積極的なプログラムを開始する」と記載されていました。この勧告をサポートするために、NASAでは断熱材の欠陥の検査方法が評価、開発、改良されています。^{[1] [11] [12]}

STS-114 はスペースシャトルディスカバリー号を使用し、スペースシャトルコロンビア号の事故後、最初の「飛行再開」スペースシャトルミッションでした。2005年 7 月 26 日10:39 EDTに打ち上げられました。STS -114飛行中に、重大な発泡スチロールの剥離が観測されました。そのため、タンクを処理するスタッフが発泡スチロールの上を歩いたり、シャトルが発射台にいる間、または他の打ち上げ準備中に雹の被害を受けたりして発泡スチロールが押しつぶされたと考えられるようになったため、飛行後に押しつぶされた発泡スチロールを非破壊的に検出し、特徴付ける能力が重要な優先事項となりました。

さらに、フォームの密度のばらつきも、フォームの剥離を引き起こす欠陥の発生源となる可能性があります。以下に説明するイノベーションは、非破壊、完全に非接触、非液体結合の方法を開発するという要請に応え、フォーム材料の厚さのばらつき (作業員の取り扱いや雹による損傷によるフォームの破砕による) と密度のばらつきを同時に正確に特徴付けることができる方法を開発しました。液体 (水) 結合を必要としない方法であることが重要でした。つまり、超音波検査方法では水結合が必要です。

現場や市場には、厚さ計や密度計として使用される数百万ドル相当の超音波機器が流通している。テラヘルツ非破壊検査がよりポータブルな形で完全に商品化され、より安価になれば、構造用プラスチック、セラミック、フォーム材料の超音波機器を置き換えることができるようになる。新しい機器は液体カップリングを必要としないため、現場での用途や、液体カップリングが不可能な高温の現場での用途でその有用性が高まる可能性がある。この技術によって、潜在的な新しい市場セグメントを開発できる可能性がある。^{[11] [12]}

• 「医薬品、コーティング、プロセス研究」。ケンブリッジ大学。2011 年。2011年 10 月 5 日にオリジナル(オンライン Web ページ)からアーカイブ。2011年 6 月 23 日に取得。

  このページでは、テラヘルツ領域の使用に関する次のセクションも参照してください：小さな有機分子結晶/材料特性（ガラスなど）、テラヘルツ周波数での振動モードの理解、量子カスケードレーザーのアプリケーション、新しいセンシングパラダイムの実装、および生体分子のダイナミクス。

• Stoik, Christopher; Bohn, Matthew; Blackshire, James (2010). 「反射テラヘルツ時間領域分光法を用いた航空機複合材の非破壊評価」NDT & E International . 43 (2): 106–115. doi :10.1016/j.ndteint.2009.09.005.

  クリストファー・D・ストイク（米国空軍中佐）によるオリジナルの博士論文。2008 年 12 月。

• 巖迫 巖; 小田 直樹 (2011). 「検出または診断のためのテラヘルツイメージング」SPIE ニュースルーム. doi :10.1117/2.1201105.003651.無料のオンライン記事。