燃料箱泡沫板的连续太赫兹波无损检测

　　太赫兹波(简称THz波)是指频率在(0.1~10)×10¹²Hz,波长为30μm~3 mm的电磁波,其波段在微波和红外光之间。由于THz波的独特性,如在THz频率范围内,很多相对可见光和红外光不透明的材料是近似透明的^[1];THz波的波长远小于微波辐射,从而可以获得更高的空间分辨率;THz波对活性组织的无损害性等,使得THz波成像技术成为一种更安全、更有潜力的无损检测技术。连续THz波成像技术已发展了几十年^[2],在很多安全检测领域有广泛的应用。随着半导体技术的发展,小型、快速且易操作的便携式连续THz波成像系统成为现实,使得利用该技术进行无损检测变得更加便捷。

　　自2003年哥伦比亚号的悲剧发生以来,燃料箱泡沫隔离层的缺陷检测成为确保发射安全的关键之一。由于泡沫隔离层质地疏松且绝热性较好,利用常规的无损检测方法难以进行检测。由于THz波对绝热泡沫材料有较好的穿透性,所以可以利用THz波成像技术对绝热泡沫材料进行检测。笔者采用0.2 THz连续THz波成像系统,成功检测了铝制泡沫面板中的人工预埋缺陷。该系统利用耿氏二极管振荡器作发射器,无偏置肖特基二极管作探测器,采取反射式成像结构。

　　1　实验装置

　　0.2 THz连续THz波成像系统主要包含THz单元、平移台、电路控制板、电源(内含变压器)和控制用的计算机五个部分。其中,关键部分THz单元集发射器、探测器、聚焦和传导光束于一体,其内部结构见图1。耿氏二极管产生频率为0.1 THz的电磁波,经倍频器倍频,输出频率变为0.2 THz。这两部分组成发射器(Emitter),作为THz成像系统的光源。喇叭天线耦合传输THz波,使输出的THz波具有较好的方向性。被偏转镜(Deflecting mir-ror)反射的THz波穿过分束镜(Beam splitter),由聚焦透镜(Lens)聚焦在样品表面。THz波正入射到样品表面,经样品或金属底板反射后被聚焦透镜收集,再由分束镜反射到探测器(Detector)上。

　　THz信号被低噪音的放大器(Amplifier)放大后输出,由计算机采集后形成图像。在分束镜的背后,放置消光镜(Cancelling mirror),它的主要作用是将分束镜反射的部分THz波反射到探测器上,以消除透镜反射的部分THz波的影响。THz单元通过3个接口即PWR,SIG和5 V接口与外界连接。PWR和5 V是THz单元的输入接口,分别提供电压控制耿氏二极管和放大器。SIG是探测器的输出接口,经电缆连接到计算机上。THz单元的工作频率为0.2 THz,输出功率为10 mW,空间分辨率为2.6 mm,动态范围为34 dB,景深为20 mm,焦距为180 mm。在检测过程中,样品尽量放在THz单元的焦点处,且确保THz波正入射到样品表面,防止THz波没有反射到探测器上,造成信息的丢失,影响检测结果。