Fraunhofer / Terahertz / Hannover Messe Terahertz ist industriereif

Mittels Terahertz lassen sich Bauteile und Oberflächen zerstörungsfrei prüfen. Fraunhofer HHI ist es gelungen, kompakte Messköpfe aus Standardbauteilen herzustellen - das spart Kosten!

Vor ca. zehn Jahren war die Terahertz-Strahlung schon einmal von großem Interesse: Von Nacktscannern war die Rede - sie sollten am Flughafen Passagiere durchleuchten.

Aber auch in puncto Messsysteme macht die Terahertz-Strahlung von sich Reden: Mithilfe der Terahertz-Strahlung sollten Messsysteme für die Materialprüfung entwickelt werden. Im Vergleich zu klassischen Verfahren, wie Röntgen oder Ultraschall, die ebenfalls zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung eingesetzt werden, galt die Terahertz-Technik in der Vergangenheit jedoch als zu teuer, zu unhandlich und insgesamt nicht praxisnah.

Messsystem mit neuartigem Sensorkopf

Die aktuellen Entwicklungen des Fraunhofer-Instituts für Nachrichtentechnik  (Heinrich-Hertz-Institut, HHI in Berlin) könnten der Terahertz-Technik neuen Schwung verleihen: Den Forschern ist es gelungen, Terahertz-Geräte zu entwickeln, die erstmals aus kostengünstigen Standardbauteilen gefertigt wurden und vergleichsweise handlich sind. Auf der Hannover Messe werden Experten ein Terahertz-Messsystem mit neuem Sensorkopf zeigen. Diverse Bauteile lassen sich damit einfach und schnell untersuchen, z. B. Kunststoffrohre.

Das vom Fraunhofer HHI eingesetzte Prinzip zur Erzeugung von Terahertz-Strahlung basiert auf einem optoelektronischen Verfahren. Mithilfe eines speziellen Halbleiters werden Laserlicht-Pulse in elektrische Terahertz-Pulse umgewandelt, die nur Billionstel Sekunden stabil sind.
Dass der Terahertz-Technik bislang der große Erfolg verwehrt blieb, liegt insbesondere an den benötigten Eigenschaften der verwendeten Halbleiter. Die angesprochenen Eigenschaften konnten bisher nur generiert werden, wenn bestimmte Materialien mit einer Wellenlänge von 800 nm bestrahlt wurden. Sowohl der Anregungslaser, als auch die optischen Komponenten des Terahertz-Systems sind bei dieser Wellenlänge sehr teuer und nicht robust für den industriellen Einsatz.

Verbreiteter Wellenlängenstandard

Fraunhofer HHI hat deshalb einen Halbleiter entwickelt, der bei einer Wellenlänge von 1,5 Mikrometer angeregt wird. In der optischen Nachrichtentechnik ist das ein Wellenlängen-Standard. Es gibt also eine große Anzahl kostengünstiger und qualitativ hochwertiger optischer Bauteile und Laser in diesem Wellenlängenbereich.

Um das angesprochene Terahertz-System für die Materialprüfung zu realisieren, musste ein Sensorkopf entwickelt werden, der die Bauteile abtastet. Bisherige Sensorköpfe waren zu groß und zu umständlich in der Handhabung. Der Grund dafür: Der Terahertz-Sender und Empfänger bestand aus zwei getrennten Komponenten. Der Nachteil dieser Anordnung ist, dass Proben nur in einem Winkel gemessen werden können. Daher muss das Objekt exakt im Fokus von Sender und Empfänger liegen. Nur so kann das vom Sender abgestrahlte Terahertz-Signal über die Probe auf dem Empfänger abgebildet werden. Ändert sich der Abstand zwischen Sensorkopf und Probe, beispielsweise durch Vibrationen an einer Produktionslinie, erschwert das die Messung. Fraunhofer löste das Problem, indem ein integrierter Chip gefertigt wurde, der gleichzeitig senden und empfangen kann. Somit ist es möglich, eine einzige optische Linse zu nutzen - ein flexibler Arbeitsabstand ist die Folge. Der Sensorkopf hat einen Durchmesser von 25 mm und eine Länge von 35 mm.

Kunststoffrohre überwachen

Prototypen des Terahertz-Sensorsystems sind seit einiger Zeit bei Herstellern von Kunststoffrohren im Einsatz. Das Messsystem überwacht direkt in der Fertigungslinie die Dicke der Rohrwände.

Bislang wird die Produktion von Kunststoffrohren mittels Ultraschall überwacht. Da Ultraschall an Luft jedoch nicht korrekt misst, wird Wasser benötigt, das als Koppelmedium zwischen dem Ultraschall-Messkopf und dem Rohr fungiert. Die ca. 250 °C heißen Rohre müssen für die Materialprüfung durch einen Wassertank gezogen werden. Außerdem versagt die Ultraschalltechnik bei sog. intelligenten Rohren, die aus vielen unterschiedlichen Schichten aufgebaut sind.