THz-Imaging

Diplomarbeit von Kay Schmalstieg

Zusammenfassung:

In der vorliegenden Arbeit werden mit Hilfe eines Aufbaus zur Erzeugung von THz-Impulsen an verschiedenen Proben zweidimensionale Transmissionsmessungen durchgeführt. Die dabei entstandenen Bilder im Frequenzbereich zwischen 0,1-2 THz werden auf Charakteristika untersucht und die zukünftigen Möglichkeiten des THz-Imaging diskutiert.

Um die verwendeten Proben zu untersuchen, ist zunächst ein System nötig, um die THz- Impulse zu erzeugen. Die physikalischen Einzelheiten werden in dieser Arbeit nicht vertieft, sondern es wird lediglich der Versuchsaufbau kurz erläutert. Die beim THz-Imaging verwendete Hardware wird dabei genauer beschrieben. Das definierte Verschieben der Probe im THz-Strahlengang, sowie die Aufnahme und Auswertung der aufgenommenen Messwerte wird mit einer speziell für das THz-Imaging in LabView programmierten Software gesteuert. In dieser Arbeit sollen die Bedienung des Programms, sowie deren verschiedene Möglichkeiten der Messung erläutert werden.

Es werden des weiteren Messungen an verschiedensten Proben durchgeführt. Diese beginnen bei Experimenten mit einem F aus Kupferfolie, aufgeklebt auf Papier, um die Software zu testen und die Auflösung zweier Messmethoden miteinander zu vergleichen. Eine weitere Messung wird an einem Messergriff aus Kunststoff durchgeführt, um die Möglichkeiten in der qualitativen Untersuchung von Kunststoffen aufzuzeigen. Es werden unter anderen auch Untersuchungen an tierischen, sowie an pflanzlichen Proben durchgeführt, immer mit dem Hintergrund einer späteren, professionellen Verwendung des THz-Imaging.

In einem weiteren Teil dieser Arbeit werden die meisten bildgebenden Verfahren in der Medizintechnik kurz erläutert und jeweils deren Verwendung, Auflösung und Pro und Kontras aufgezählt. Dabei werden auch die möglichen Anwendungen für das THz-Imaging in diesem Bereich diskutiert und mit einigen Beispielen verdeutlicht. Daran schließt sich eine Diskussion über die mögliche Anwendung des THz-Imaging in der Biologie an. Dabei ist es mit der vorgestellten Art der Messung möglich, zerstörungsfrei und ortsaufgelöst den Wassertransport einer Pflanze zu dokumentieren. Außerdem gibt es eine Anwendung zur Bestimmung der Dichte von Holz, im speziellen von Jahresringen.

Zuletzt sollen die industriellen Möglichkeiten des THz-Imaging zur Qualitätskontrolle jeglicher Art von Plastikteilen und zur Bestimmung des Feuchtigkeitsgehalts z.B. von Lebensmitteln erläutert werden.

Inhaltsverzeichnis:

1.	Einleitung	1
2.	Versuchsaufbau	3
2.1	Lasersystem	3
2.2	THz-Aufbau	3
2.3	Das Braunschweiger THz-Signal	7
3.	Datenerfassung und Auswertung	9
3.1	Hardware	9
3.1.1	Datenerfassungskarte	9
3.1.2	Verschiebetisch (ODL)	9
3.1.3	x/y-Verschiebeeinheit	9
3.2	Software: Dauermessung	10
3.3	Software: Fast Scan	11
3.3.1	Intensitätsmessung im Zeitbereich	17
3.3.2	Multi-FFT-Integration	18
3.3.3	Intensitätsmessung im Frequenzbereich	19
3.3.4	time-shift-Messung	19
3.3.5	Flankenmessung	20
3.3.6	Linescan-Messung	21
4.	Messergebnisse	23
4.1	Experimente zum THz-Fokus	23
4.2	Erstes Image: Kupfernes F auf Papier	24
4.3	Vergleich der Auflösungen	25
4.4	Image eines Messergrffs	27
4.5	Image eines Kunststeins	28
4.6	Image eines dielektrischen THz-Spiegels mit einemDefekt	30
4.7	Images von Gelantinekapseln	33
4.8	Messungen an tierischen Gewebeproben	37
4.8.1	Image eines Schweinekehlkopfs	37
4.8.2	Image einer adulten Maus	39
4.9	Messungen an Pflanzen	41
4.9.1	Wassertransport von Wein	41
4.9.2	Schockreaktion einer Mimose	44
5.	Diskussion und Ausblick	47
5.1	Bildgebende Verfahren der Medizintechnik und die Aussichten für das THz-Imaging	47
5.1.1	Röntgenuntersuchung	47
5.1.2	Ultraschalluntersuchung (Sonographie)	52
5.1.3	Computertomographie (CT)	57
5.1.4	Magnetresonanz-Tomographie (MRT)	60
5.1.5	Positronen-Emissions-Tomographie (PET)	68
5.1.6	Ortsaufgelöste Fourier-Transformierte-Infrarot-Spektroskopie	75
5.1.7	Aussichten für das THz-Imaging in der Medizintechnik	83
5.2	THz-Imaging in der Biologie	86
5.3	THz-Imaging zur Qualitätskontrolle	87
	Literaturverzeichnis	89