Заражение насекомыми становится все более дорогостоящей проблемой для лесной промышленности, особенно в районах, где наблюдается усиление засух и жарких периодов, связанных с изменением климата. Новый метод визуализации в терагерцовом диапазоне может помочь замедлить распространение этих инвазий путем обнаружения повреждений насекомыми внутри древесины до того, как они станут видны снаружи.
«Наш подход можно использовать для обнаружения заражения насекомыми на ранней стадии на стволах деревьев, в импортируемой древесине или на изделиях из древесины на ранней стадии заражения», - сказала член исследовательской группы Кирсти Крюгенер из Университета прикладных наук HAWK. Наука и искусство в Германии.«Это может помочь предотвратить проникновение вредоносных насекомых из других стран и остановить заражение до того, как оно распространится по всему лесу».
В журнале Optical Society Applied Optics исследователи сообщают, как они использовали терагерцовую времяпролетную томографию для неинвазивной идентификации образцов древесины с невидимыми другими повреждениями от жука-типографа, который заражает ели и другие хвойные деревья в Европе. Им также удалось реконструировать внутреннюю структуру образцов древесины.
«Обнаружение нор дереворазрушающих насекомых обычно осуществляется путем ручного осмотра древесины, после чего оценивается зараженная площадь леса, подлежащая удалению», - сказал Крюгенер. «Насколько нам известно, это первый случай использования технического метода для обнаружения нор насекомых».
Внедрение нового подхода в портативный инструмент может позволить проводить оценку отдельных деревьев в лесу, чтобы удалять только зараженные деревья. Поскольку он не повреждает изображаемый образец, этот метод также может быть полезен для исследования мумий, изучения и реставрации произведений искусства или для контроля качества в промышленности.
Видеть под поверхностью
Терагерцовая область электромагнитного спектра находится между микроволновым и инфракрасным диапазонами. Он используется для таких приложений, как сканеры всего тела, используемые во многих аэропортах, потому что он не наносит вреда людям или исследуемым материалам и может видеть сквозь такие материалы, как одежда, пластик и растительный материал.
Времяпролетная томография в терагерцовом диапазоне работает так же, как ультразвуковое измерение, поскольку каждая граница раздела в образце древесины отражает определенное количество терагерцового излучения, которое обнаруживается и анализируется в зависимости от времени. Каждый подземный туннель, проделанный насекомыми, ведет к новому интерфейсу, на котором отражается излучение.
«Зараженный образец будет отражать больше терагерцового излучения, чем незараженный, потому что будет меньше интерфейсов», - сказал Крюгенер.«Кроме того, отдельные отраженные терагерцовые сигналы можно использовать для формирования изображения всей области, чтобы можно было визуализировать внутреннюю структуру зараженной древесины».
За пределами плоских поверхностей
Хотя терагерцовая времяпролетная томография используется уже почти 20 лет, до недавнего времени ее можно было применять только к плоским образцам. Два года назад исследователи разработали новые процедуры использования робота-манипулятора для сканирования образца произвольной формы точка за точкой, удерживая головку излучателя-приемника перпендикулярно поверхности образца и на определенном расстоянии от нее.
Исследователи применили эти методы к изображениям образцов древесины как с известной, так и с неизвестной внутренней структурой. Они сравнили результаты с обычными томографическими методами и обнаружили, что внутренняя структура, реконструированная по терагерцовым сигналам, хорошо соответствует тому, что можно получить с помощью рентгеновской или компьютерной томографии. Они смогли различить зараженные и незараженные образцы, обнаружив норы жуков-типографов, которые находились на глубине до 1 сантиметра под поверхностью древесины.
«Разрешение по глубине терагерцовых измерений выше, чем у традиционных рентгеновских методов, и сравнимо с микро-КТ», - сказал Крюгенер. «Однако, в отличие от микро-КТ, терагерцовая система может использоваться с образцом любого размера».
В настоящее время исследователи работают над повышением скорости измерения и анализа данных, а также над разработкой более сложного анализа данных, чтобы сделать метод более практичным для обнаружения зараженной древесины. Они также хотят разработать портативный прибор, который можно было бы использовать в полевых условиях.