虹科案例 | 太赫茲技術(shù)實現(xiàn)巖石孔隙的無損檢測

巖石是地質(zhì)歷史時期發(fā)生的地質(zhì)事件的產(chǎn)物，是地球和行星歷史的實物 “檔案”。因此，對巖石的特征、時空分布規(guī)律、形成時的物理化學(xué)環(huán)境和巖石成因過程的研究，可以為解決有關(guān)地球乃至太陽系形成和演化歷史的重大問題作出貢獻。除此以外，巖石廣泛應(yīng)用于人類生產(chǎn)生活，比如建筑物使用的石塊、水泥、混凝土、瀝青等材料，對建筑巖石類材料的檢測有助于評估建筑材料的質(zhì)量，保證建筑的安全性和可靠性。

另一方面，人類社會賴以生存的礦產(chǎn)資源就賦存在巖石之中，而巖石的性質(zhì)對人類賴以生存的地下水、油氣資源的賦存狀態(tài)以及地表的地質(zhì)作用、地質(zhì)災(zāi)害都有重要影響。因此，對各類巖石的研究，不僅是認識地球的需要，也是實現(xiàn)資源的永續(xù)利用、預(yù)防和減輕地質(zhì)災(zāi)害、保護人類的生存環(huán)境、促進人類社會可持續(xù)發(fā)展的需要。

巖石是富含孔隙和裂縫的天然多孔材料，孔隙裂縫的存在直接影響著巖石的宏觀物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)。在分析巖心材料時，感興趣的巖石物理特征是滲透率、潤濕性、孔隙度和孔徑分布。巖石結(jié)構(gòu)表征的方法包括場發(fā)射掃描電鏡（ＳＥＭ）、巖心壓汞法、氣體吸附法、核磁共振技術(shù)法、Ｘ射線斷層掃描法等。

圖2SEM獲取的巖石形貌圖

其中掃描電子顯微鏡（SEM）提供了這些成像技術(shù)的最高分辨率，低至幾納米/像素，可以生成2D和3D巖石圖像，并使用圖像處理方法測量孔隙率和孔徑分布。雖然大型平鋪2D-SEM（孔大于~5 nm）和激光掃描共聚焦顯微鏡（孔大于~200 nm）圖像可以高分辨率拼貼，以保持對整個巖石面成像的能力，但這些圖像的處理通常非常復(fù)雜，具有挑戰(zhàn)性，導(dǎo)致數(shù)據(jù)收集和量化之間的周轉(zhuǎn)時間較慢。

太赫茲技術(shù)在過去30年中取得了長足的發(fā)展，太赫茲波具有優(yōu)異的穿透性，根據(jù)樣品的材料特性，不同比例的脈沖將被散射、反射、吸收或透射。發(fā)射脈沖由光譜儀檢測，但也可以通過對檢測到的時間相關(guān)信號執(zhí)行傅里葉變換來找到頻譜中的吸收和散射頻率。該方法已應(yīng)用于化學(xué)品調(diào)查，藝術(shù)品修復(fù)，組織和植物的含水量、檢測次表面缺陷，以及用于安全應(yīng)用的成像。

圖3 太赫茲波的范圍

太赫茲成像相對于可見光和Ｘ射線具有非常強的互補特征，特別適合于可見光不能透過而Ｘ射線成像的對比度又不夠高的場合。此外，太赫茲波的光子能量極低（１THz約4.1meV），沒有Ｘ射線的電離性質(zhì)（光子能量在keV量級），不會對材料造成破壞，而且其穿透力強，是非接觸性的檢測，自動化程度較高。因此，許多研究人員通過太赫茲技術(shù)實現(xiàn)了對碳酸鹽巖（石灰火山巖）、建筑學(xué)的水泥基材料進行了相關(guān)研究，對巖石學(xué)和建筑學(xué)材料研究提供了新的技術(shù)嘗試與結(jié)論。

太赫茲用于碳酸鹽巖研究

碳酸鹽巖儲層，包括石灰?guī)r儲層，約占世界石油資源的60%，還有額外的氣藏潛力。在石油化工行業(yè)，精確測量巖心樣品中的微孔隙度及其分布，特別是碳酸鹽巖儲層的微孔隙度分布，已經(jīng)引起了人們的極大興趣，因為研究表明，在一次和二次枯竭之后，大部分殘余油和旁路油可能存在于這些孔隙中。

圖4火山巖的光學(xué)顯微鏡圖像與不同分辨率的SEM圖像

中國石油大學(xué)通過常規(guī)的光學(xué)顯微鏡與SEM技術(shù)得到巖石表面孔隙的圖像，發(fā)現(xiàn)孔隙的尺寸約為幾百μｍ 至２ｍｍ。隨后他們通過反射式太赫茲光譜成像系統(tǒng)獲得火山巖表面的太赫茲時域光譜．得到反射式光譜投影圖像。他們發(fā)現(xiàn)在火山巖的孔隙處太赫茲波發(fā)生散射及衍射效應(yīng)，孔隙處比其他處有更多損耗，太赫茲反射波的強度相差較為明顯，因此可以利用反射式太赫茲光譜成像技術(shù)表征火山巖的孔隙形狀和分布。

圖5火山巖樣品采樣三點的太赫茲時域光譜與基于時域光譜極小值的反射式光譜成像圖

近期，美國的伍斯特理工學(xué)院在Scientific Reports上發(fā)表了太赫茲用于巖石檢測的最新文章。其工作流程首次展示了使用太赫茲-TDS來繪制和量化碳酸鹽巖孔隙度。碳酸鹽巖孔隙大小分布具有雙峰特征，其中含有大量的微孔隙。

除了繪制微孔隙度空間變化的能力外，與行業(yè)標準MICP分析相比，THz-TDS在dp < 1 μm(石油工業(yè)地層評價的閾值)處獲得的微孔隙度相對量之間的良好一致性。太赫茲技術(shù)為特殊巖心分析工作提供了有價值的碳酸鹽巖微孔隙度分布定量信息。

圖6樣品(4 mm厚)的衰減和衰減差太赫茲圖作為所有樣品數(shù)據(jù)的代表性示例。(a)飽和、離心和干燥樣品的照片(b-d)歸一化衰減圖，以及飽和與干燥、飽和與離心、離心與干燥之間的衰減圖(e-g)差值圖，以表示飽和孔隙、大孔隙(dp > 1μm)和微孔隙(dp < 1μm)的空間變化。太赫茲能夠無損穿透各類巖石，深入到內(nèi)部反饋出內(nèi)部的孔隙度等信息，彌補了其他檢測技術(shù)的損傷、步驟繁瑣等技術(shù)空白，為石油存儲相關(guān)巖石的科學(xué)研究提供了有力的技術(shù)手段。

太赫茲用于水泥基材料研究

水泥基材料是建筑行業(yè)應(yīng)用最為廣泛的材料之一，是必不可少的墻體材料。其強度和耐久性是最重要的性能指標，水泥基材料的微觀結(jié)構(gòu),尤其是孔結(jié)構(gòu),對于其性能有重要的影響。因此,對水泥基材料微觀結(jié)構(gòu)的檢測是建立水泥基材料性能和結(jié)構(gòu)關(guān)系的關(guān)鍵。Fan等人于2017年利用太赫茲成像技術(shù)研究了加或不加超高分子量聚乙烯纖維的兩種水泥砂漿在受荷載作用下裂紋的擴展情況。研究顯示,使用太赫茲成像可以提供水泥砂漿中固有的裂縫以及缺陷的信息。太赫茲成像技術(shù)也可以用于觀察水泥砂漿在受荷過程中裂縫的擴展過程，并且聚乙烯纖維對于水泥砂漿的抗裂效果也可以在太赫茲成像圖中反映出來。圖7樣品時域圖和頻域圖的對比：(a)水泥砂漿樣品;(b)太赫茲波時域圖;(c)頻率為 0.1THz 的成像圖;(d)頻率為 0.2 THz 的成像圖;(e)頻率為 0.5 THz 的成像圖如圖7所示，通過比較太赫茲時域和頻域成像，為了取得信噪比和空間分辨率的平衡，實驗發(fā)現(xiàn)0.2 THz 是最佳頻率。文章最后指出，利用水分對太赫茲波的強吸收特性，可以使得有水存在或滲透的裂縫在太赫茲成像圖中更加明顯，這一發(fā)現(xiàn)對于未來將太赫茲成像技術(shù)用于水泥基材料的非接觸式無損檢測是十分有用的。

利用太赫茲對非金屬建筑材料(水泥、砂子、磚等)有較強的穿透性和對金屬材料(鋼筋)較強的反射性，可以用來檢測混凝土內(nèi)部鋼筋的直徑和位置。畢凌志及其課題組成員的研究結(jié)果表明,太赫茲波可以對直徑不小于6 mm的鋼筋進行準確定位，檢測分辨率達到 6 mm，檢測精度達到 1 mm，可以滿足實際工程精度要求。

圖8檢測模型實物圖與不同深埋位置鋼筋的太赫茲測試結(jié)果利用不同材料對太赫茲波不同的吸收特性，太赫茲技術(shù)可以用來觀察分析水泥基材料的微觀結(jié)構(gòu)，尤其是不同組成成分的分布情況。但是由于太赫茲波波長的限制,它的空間分辨率較低。然而，目前已經(jīng)有研究證實可以獲得亞波長的太赫茲波空間分辨率，因此未來使用太赫茲技術(shù)研究水泥基材料的微米甚至納米級微觀孔結(jié)構(gòu)或?qū)⒊蔀榭赡?。雖然水對太赫茲波的強吸收特性會導(dǎo)致太赫茲波的衰減，但是利用這種特性可以提高太赫茲成像圖中含水裂縫、缺陷的對比度，這對于靈敏、有效地觀察裂縫、缺陷很有幫助。混凝土的耐久性問題大多與水分或孔溶液的遷移有關(guān)，因此，利用這一特性，有助于實現(xiàn)使用太赫茲波對混凝土耐久性能的無損檢測。當(dāng)然，現(xiàn)階段的太赫茲技術(shù)對于巖石類材料的研究仍然局限于實驗室研究，這主要由于太赫茲源的功率限制、以及巖石材料的表面和成分復(fù)雜性。想要開發(fā)出現(xiàn)場檢測適用的太赫茲測量設(shè)備，還需要更多的技術(shù)突破與科研努力。

虹科太赫茲成像方案

虹科提供不同波段、不同成像方法以及不同應(yīng)用場景的太赫茲成像檢測方案，可用于巖石類樣品內(nèi)部微觀形貌、缺陷檢測的實驗室研究。

01. 虹科TeraScan 100 雷達掃描儀

基于 FMCW 雷達技術(shù)的深度 3D 亞太赫茲掃描儀，完整成像方案。120G的輸出波段能夠有效穿透巖石類樣品，實現(xiàn)對樣品內(nèi)部的檢測；x-y-z 機動平移臺上，可掃描 300x300mm 的大樣本，非常適合建筑墻體材料的采樣研究；結(jié)合定制設(shè)計的可互換光學(xué)元件，能夠提供 1.8mm 的空間分辨率；內(nèi)部開發(fā)的雷達信號處理算法在 100 ms 的單次測量中允許超過 60 dB 的動態(tài)范圍，實現(xiàn)對巖石類樣品的深度成像，查看其表面之下的缺陷及各類形貌信息。

02. 虹科亞太赫茲多功能雷達

基于GaAs肖特基二極管倍頻器原理的FMCW雷達。150G的輸出波段對巖石類材料具有優(yōu)異的穿透性；FMCW技術(shù)原理能夠采集深度信息，能夠獲得巖石不同深度位置的裂縫、孔隙等形貌信息，空間分辨率2mm；還有厚度測量與材料識別功能；緊湊單體結(jié)構(gòu)，可集成機械臂，適合多種應(yīng)用環(huán)境。

03. 虹科TeraEyes-HV系統(tǒng)

多功能、實時太赫茲成像系統(tǒng)，適用于全場高分辨率應(yīng)用。基于量子級聯(lián)激光器原理的高頻段（2~5THz）太赫茲源，具有250um的最優(yōu)分辨率，實現(xiàn)細節(jié)的高分辨探測；太赫茲相機每秒采集50幀圖像，可實現(xiàn)巖石類樣品的實時穿透成像，查看內(nèi)部缺陷情況，并最終可實現(xiàn)三維重建效果。