Tomografia terahercowa

Tomografia terahercowa
Tomografia terahercowa
Zamiar	Obrazowanie odbywa się za pomocą promieniowania terahercowego

Tomografia terahercowa to klasa tomografii , w której obrazowanie przekrojowe jest wykonywane za pomocą promieniowania terahercowego . Promieniowanie terahercowe to promieniowanie elektromagnetyczne o częstotliwości od 0,1 do 10 THz; mieści się między falami radiowymi a falami świetlnymi w widmie; obejmuje części fal milimetrowych i długości fal podczerwonych . Ze względu na wysoką częstotliwość i krótką długość fali fala terahercowa ma wysoki stosunek sygnału do szumu w widmie domeny czasu. Tomografia wykorzystująca promieniowanie terahercowe może obrazować próbki, które są nieprzezroczyste w zakresie widzialnym i bliskiej podczerwieni widma. Technologia obrazowania trójwymiarowego (3D) za pomocą fal terahercowych rozwijała się szybko od czasu jej pierwszego udanego zastosowania w 1997 r. i sukcesywnie proponowano szereg nowych technologii obrazowania 3D.

Obrazowanie terahercowe

Obrazowanie terahercowe ma przewagę nad droższymi skanerami rentgenowskimi o krótszym zasięgu. Różnorodne materiały są przezroczyste dla promieniowania terahercowego, co pozwala mierzyć grubość, gęstość i właściwości strukturalne materiałów trudnych do wykrycia. Ponieważ teraherc nie jest promieniowaniem jonizującym, użycie teraherca nie powoduje uszkodzenia żywej tkanki, co czyni teraherc bezpieczną, nieinwazyjną techniką obrazowania biomedycznego. Ponadto, ponieważ wiele materiałów ma unikalną sygnaturę widmową w zakresie terahercowym, promieniowanie terahercowe można wykorzystać do identyfikacji materiałów. Obrazowanie terahercowe jest szeroko stosowane w badaniu właściwości materiałów półprzewodnikowych, biomedycznym obrazowaniu komórek oraz badaniach chemicznych i biologicznych. ^{[ potrzebne źródło ]} Terahercowe systemy domeny czasu (THz-tds) poczyniły znaczne postępy w obrazowaniu 2D. THz-tds jest w stanie określić zespoloną stałą dielektryczną próbki, zwykle 0,1–4 THz, i dostarcza informacji o statycznej charakterystyce próbki dla kilkudziesięciu częstotliwości. Technologia ta ma jednak pewne ograniczenia. Na przykład ze względu na mniejszą moc wiązki czujnik musi być bardziej czuły. Niskie prędkości pozyskiwania obrazu mogą wymusić kompromis między czasem a rozdzielczością.

Aplikacje

Obrazowanie terahercowe może być przydatne do kontroli bagażu i poczty, ponieważ może identyfikować substancje na podstawie ich charakterystycznych widm w tym paśmie częstotliwości, takie jak materiały wybuchowe i nielegalne narkotyki; na przykład kilka płynnych materiałów wybuchowych można rozróżnić na podstawie zmiany odpowiedzi dielektrycznej w zakresie terahercowym w funkcji procentowej zawartości alkoholu. Chociaż niebezpieczne metalowe przedmioty, takie jak noże, można rozpoznać po ich kształtach za pomocą pewnych algorytmów rozpoznawania wzorców, nie można widzieć przez metalowe opakowania za pomocą fal terahercowych. Dlatego spektrometry terahercowe nie mogą zastąpić skanerów rentgenowskich, chociaż dostarczają więcej informacji niż skanery rentgenowskie w przypadku materiałów o niskiej gęstości i separacji chemicznej.

Systemy terahercowe wykorzystywane są do sterowania produkcją w przemyśle papierniczym i polimerowym. Mogą wykrywać grubość i zawartość wilgoci w papierze oraz właściwości przewodzące, poziom wilgoci, orientację włókien i temperaturę zeszklenia w polimerach.

Systemy terahercowe ułatwiają wykrywanie zanieczyszczeń metalicznych i niemetalicznych w żywności. Na przykład fale terahercowe umożliwiły wykrycie metalicznych i niemetalicznych ciał obcych w tabliczkach czekolady, ponieważ żywność o niskiej zawartości wody, taka jak czekoladki, jest prawie przezroczysta w paśmie terahercowym. Tomografia terahercowa jest również przydatna w przemyśle winiarskim i spirytusowym do ilościowego oznaczania wilgoci i nieniszczącej analizy korka.

Obrazowanie terahercowe może wykryć różne izomery o różnych widmowych odciskach palców w zakresie terahercowym, co umożliwia spektroskopii terahercowej rozróżnienie stereoizomerów — kluczowe rozróżnienie w farmacji, gdzie jeden izomer może być związkiem aktywnym, a jego enancjomer może być nieaktywny lub nawet niebezpieczny. Systemy terahercowe są również wykorzystywane do pomiaru jakości powłoki tabletki.

Obrazowanie terahercowe umożliwia nieniszczącą analizę cennych dzieł sztuki i może być przeprowadzone na miejscu. Może ujawniać ukryte warstwy i przepuszczalność różnych pigmentów. Jest również badany jako narzędzie do wizualizacji 3D.

Metody tomografii terahercowej

Tomografię terahercową można podzielić na transmisyjną i odbiciową. Działa jako rozszerzenie rentgenowskiej tomografii komputerowej (CT) na inny zakres fal. Zajmuje się głównie badaniem tworzenia modeli procesów, takich jak refrakcja, odbicie i dyfrakcja, gdy fale terahercowe przesyłają próbki, co ma pewne wymagania dla algorytmów rekonstrukcji. Zgodnie z różnym opóźnieniem transmisji odbitego sygnału fali terahercowej na różnych głębokościach wewnątrz próbki, informacje o głębokości można uzyskać poprzez przetwarzanie odbitego sygnału wewnątrz próbki w celu wykonania tomografii. We wdrożeniach wykorzystuje się głównie terahercową tomografię czasu przelotu (THz-TOF) i optyczną koherentną tomografię THz (Thz-OCT).

Tomografia dyfrakcyjna THz

W tomografii dyfrakcyjnej wiązka detekcyjna oddziałuje z celem i wykorzystuje powstałe fale rozproszone do zbudowania trójwymiarowego obrazu próbki. Efekt dyfrakcyjny i twierdzenie o plastrze dyfrakcyjnym oświetlają powierzchnię rozproszonego obiektu i rejestrują odbity sygnał, aby uzyskać rozkład pola dyfrakcyjnego po próbce w celu zbadania kształtu powierzchni obiektu docelowego. W przypadku drobnych próbek o bardziej złożonej strukturze powierzchni tomografia dyfrakcyjna jest skuteczna, ponieważ może zapewnić rozkład współczynnika załamania próbki. Istnieją jednak również wady: chociaż szybkość obrazowania terahercowej tomografii dyfrakcyjnej jest większa, jej jakość obrazowania jest niska z powodu braku skutecznego algorytmu rekonstrukcji. W 2004 r. S. Waang i in. jako pierwsi zastosowali chromatografię dyfrakcyjną opartą na systemie THz-tds do obrazowania próbek polietylenu.

tomosynteza THz

Tomosynteza to technika wykorzystywana do tworzenia tomografii wysokoobrazowej. Rekonstrukcję można wykonać pod kilkoma kątami projekcji, co powoduje szybsze tworzenie obrazu. Ta technika ma niską rozdzielczość, ale większą szybkość obrazowania. Ta technika ma również przewagę nad terahercową tomografią komputerową. Na tomografię komputerową Teraherc znacząco wpływa odbicie i załamanie, zwłaszcza w przypadku szerokich i płaskich próbek płyt, które mają duży kąt padania na krawędzi i silne tłumienie sygnału. Dlatego trudno jest uzyskać jednocześnie pełne dane projekcji i istotne informacje o hałasie. Jednak refrakcja i odbicie nie mają wpływu na syntetyczną tomografię z błędem terahercowym ze względu na mały kąt padania podczas projekcji. Jest to skuteczna metoda obrazowania miejscowego, szybkiego obrazowania lub niepełnej rotacji próbek. W 2009 roku N. Unaguchi i in. w Japonii stosowano ciągły półprzewodnikowy mnożnik częstotliwości terahercowy o częstotliwości 540 GHz do przeprowadzania obrazowania TS na trzech literach „T”, „H” i „Z” na różnych głębokościach karteczek samoprzylepnych. Do odtworzenia przestrzennego rozkładu trzech liter wykorzystano metodę projekcji wstecznej oraz filtr Wienera.

THz czas lotu tomografii

Chromatografia błędów terahercowych może zrekonstruować rozkład 3D współczynnika załamania światła poprzez odbicie impulsu terahercowego na różnych głębokościach w próbce. Informacje o rozkładzie głębokości współczynnika załamania światła można uzyskać analizując opóźnienie czasowe wartości szczytowej odbitego impulsu. Rozdzielczość podłużna tomografii czasu przelotu zależy od szerokości impulsu fal terahercowych (zwykle w dziesiątkach mikronów); dlatego rozdzielczość pionowa chromatografii czasu lotu jest bardzo wysoka. W 2009 roku J. Takayanagi i in. zaprojektowali system eksperymentalny, który z powodzeniem wykorzystał tomografię na próbce półprzewodnika składającej się z trzech arkuszy nałożonego na siebie papieru i cienkiej warstwy GaAs o grubości dwóch mikronów.

Holografia 3D

Wiązkę THz można włączyć do holografii 3D, jeśli włączone jest różnicowanie każdej z wielu rozproszonych fal terahercowych o różnych rzędach rozpraszania. Po zarejestrowaniu zarówno intensywności, jak i rozkładu fazowego, wzór interferencji generowany przez światło obiektu i światło odniesienia koduje więcej informacji niż zogniskowany obraz. Hologramy mogą zapewnić wizualizację 3D interesującego obiektu po zrekonstruowaniu za pomocą optyki Fouriera . Jednak uzyskanie wysokiej jakości obrazów tą techniką pozostaje wyzwaniem ze względu na efekty rozpraszania i dyfrakcji wymagane do pomiaru. Pomiar rozpraszania wysokiego rzędu zwykle skutkuje złym stosunkiem sygnału do szumu (SNR).

Soczewki Fresnela

Soczewki Fresnela służą jako zamiennik tradycyjnych soczewek refrakcyjnych, a ich zaletą jest to, że są małe i lekkie. Ponieważ ich ogniskowe zależą od częstotliwości, próbki można obrazować w różnych miejscach wzdłuż ścieżki propagacji do płaszczyzny obrazowania, co można zastosować w obrazowaniu tomograficznym.

Przetwarzanie apertury syntetycznej (SA)

Przetwarzanie apertury syntetycznej (SA) różni się od tradycyjnych systemów obrazowania podczas zbierania danych. W przeciwieństwie do schematu pomiaru punkt-punkt, SA wykorzystuje rozbieżną lub nieogniskowaną wiązkę. Informacje o fazie zebrane przez SA mogą być wykorzystane do rekonstrukcji 3D.

Terahercowa tomografia komputerowa (CT)

Terahercowa tomografia komputerowa rejestruje zarówno informacje o amplitudzie, jak i fazie widmowej w porównaniu z obrazowaniem rentgenowskim. Terahercowa tomografia komputerowa może identyfikować i porównywać różne substancje, jednocześnie lokalizując je w sposób nieniszczący.

Zobacz też