Tiefe-Thermografie: Präzise interne Temperaturmessung für 3D-Materialien

Ingenieure haben die Temperatur unter der Oberfläche bestimmter Materialien mit einer neuen Technik namens Tiefe-Thermografie ferngesteuert bestimmt. Die Methode kann in Anwendungen nützlich sein, wo herkömmliche Temperatursonden nicht funktionieren, wie bei der Überwachung von Halbleiterleistung oder nächsten-Generation-Kernreaktoren.

Viele Temperatursensoren messen thermische Strahlung, von denen die meisten im Infrarotspektrum liegen, die von der Oberfläche eines Objekts abgegeben wird. Je heißer das Objekt, desto mehr Strahlung emittiert es, was die Basis für Geräte wie Wärmebildkameras ist. Tiefe-Thermografie geht jedoch über die Oberfläche hinaus und funktioniert mit einer bestimmten Klasse von Materialien, die teilweise transparent für Infrarotstrahlung sind.

Die Forscher sind in der Lage, das Spektrum der thermischen Strahlung zu messen, die vom Objekt emittiert wird, und einen ausgeklügelten Algorithmus zu verwenden, um die Temperatur nicht nur auf der Oberfläche, sondern auch darunter – zehn bis hunderte Mikrometer tief – zu erschließen.

Für das Projekt erhitzte das Team ein Stück verschmolzenes Silica (eine Glasart) und analysierte es mit einem Spektrometer. Dann maßen sie Temperaturwerte aus verschiedenen Tiefen der Probe mit computergestützten Werkzeugen, die sie zuvor entwickelt hatten, bei denen die thermische Strahlung von Objekten gemessen wurde, die aus mehreren Materialien bestanden. Rückwärts arbeitend nutzten sie den Algorithmus, um den Temperaturgradienten zu bestimmen, der am besten zu den experimentellen Ergebnissen passte.

Diese besondere Anstrengung war ein Proof-of-Concept. In zukünftiger Arbeit hofft das Team, die Technik auf komplexere Mehrschichtmaterialien anzuwenden und Machine-Learning-Techniken einzusetzen, um den Prozess zu verbessern. Schließlich wollen sie Tiefe-Thermografie nutzen, um Halbleiterbauelemente zu messen, um Einblicke in ihre Temperaturverteilungen während des Betriebs zu gewinnen.

Diese Art von 3D-Temperaturprofiling könnte auch verwendet werden, um Wolken aus hochtemperierten Gasen und Flüssigkeiten zu messen und zu kartieren; zum Beispiel in Schmelzsalz-Kernreaktoren, wo es wichtig ist, die Temperatur des Salzes im gesamten Volumen zu kennen, ohne Temperatursonden verwenden zu müssen, die bei 700 °C möglicherweise nicht überleben.