Terahertz-Linienscanner für Kunststoff-Bauteile

Terahertzstrahlung wird routinemäßig an Flughäfen zur Sicherheitskontrolle eingesetzt. Sie durchdringt Kleidung, organisches Gewebe und viele weitere Materialien, wie etwa Kunststoffe, Polymere oder Keramik. In der Industrie eignet sie sich für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung und zur Identifikation verborgener Objekte, etwa um Defekte im Material zu erkennen. Für derartige Anwendungen hat das Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik in Berlin jetzt einen Terahertz-Linienscanner entwickelt, der einzigartig ist im Hinblick auf Skalierbarkeit, Durchsatz und Geschwindigkeit. Der Technologie-Demonstrator besteht aus einem neuartigen Detektor-Kopf, der Kunststoffteile auf einem Förderband scannt – dieser Scan wird zusammen mit einem Videobild auf einen Monitor übertragen.

Mit diesem Technologie-Demonstrator wurde erstmals ein Terahertz-Linienscanner realisiert, dessen Detektorkopf vollständig auf monolithisch-integrierten THz-Detektoren basiert. Da die Antennenstrukturen auf den Chips integriert sind, lässt sich die Chip-Produktion auch effizient und kostengünstig auf größere Scan-Linienlängen skalieren. Die THz-Detektoren können grundsätzlich in einem Frequenzbereich von etwa hundert Gigahertz bis zwei Terahertz breitbandig oder schmalbandig realisiert werden. Der Detektorabstand wird auf dem Chip definiert und kann damit deutlich kleiner gewählt werden als herkömmliche Realisierungen. Dies wiederum steigert die Bildauflösung.

Der realisierte Detektorkopf besteht aus einer sechs Zentmeter langen Detektorlinie, die aus zwanzig einzelnen Chips mit vier THz-Detektoren auf jedem Chip bestehen. Dies ergibt achtzig Detektoren, die im Abstand von 640 Mikrometern angeordnet sind. Je nach Wahl der Terahertzquelle können diese Detektoren im Frequenzbereich zwischen 100 GHz und bis zu 1,5 THz eingesetzt werden. Die Geschwindigkeit des 27 Zentimeter breiten Förderbands des Technologie-Demonstrators lässt sich variabel einstellen – auf bis zu 1,5 Meter pro Sekunde.

Jedes THz-Detektorsignal wird verstärkt und mit einer Auflösung von 16 Bit digitalisiert. Die Auslesegeschwindigkeit der Linie kann bis zu 15.000 Bilder pro Sekunde betragen. Messungen der THz-Detektoren liefern eine Bandbreite von mindestens zwei GHz. Beispielmessungen bei 110 GHz mit einer Abtastrate von 5.000 Bildern pro Sekunde belegen bei einer Fördergeschwindigkeit von 0,25 Metern pro Sekunde eine Aufzeichnungsgeschwindigkeit von weniger als einer Sekunde. Dies macht den THz-Linienscanner zu einer effizienten und kostengünstigen Lösung für industrielle Anwendungen.

FBH / RK