Methode misst Temperatur in 3D-Objekten

Ingenieure haben die Temperatur unter der Oberfläche bestimmter Materialien mithilfe einer neuen Technik namens Tiefenthermografie aus der Ferne bestimmt. Das Verfahren kann in Anwendungen nützlich sein, in denen herkömmliche Temperatursonden nicht funktionieren, wie z. B. die Überwachung der Halbleiterleistung oder Kernreaktoren der nächsten Generation.

Viele Temperatursensoren messen Wärmestrahlung, die größtenteils im Infrarotspektrum liegt und von der Oberfläche eines Objekts ausgeht. Je heißer das Objekt ist, desto mehr Strahlung gibt es ab, was die Grundlage für Geräte wie Wärmebildkameras ist. Die Tiefenthermografie geht jedoch über die Oberfläche hinaus und arbeitet mit einer bestimmten Klasse von Materialien, die für Infrarotstrahlung teilweise transparent sind.

Die Forscher sind in der Lage, das Spektrum der vom Objekt emittierten Wärmestrahlung zu messen und mithilfe eines ausgeklügelten Algorithmus auf die Temperatur zu schließen, nicht nur auf der Oberfläche, sondern auch unter der Oberfläche – zehn bis hundert Mikrometer im Inneren.

Für das Projekt erhitzte das Team ein Stück Quarzglas (eine Glasart) und analysierte es mit einem Spektrometer. Anschließend maßen sie Temperaturwerte aus verschiedenen Tiefen der Probe mit zuvor von ihnen entwickelten Rechenwerkzeugen, mit denen die von Objekten aus mehreren Materialien abgegebene Wärmestrahlung gemessen wurde. Sie arbeiteten rückwärts und verwendeten den Algorithmus, um den Temperaturgradienten zu bestimmen, der am besten zu den experimentellen Ergebnissen passte.

Diese besondere Anstrengung war ein Proof of Concept. In zukünftigen Arbeiten hofft das Team, die Technik auf kompliziertere mehrschichtige Materialien anzuwenden und Techniken des maschinellen Lernens anzuwenden, um den Prozess zu verbessern. Letztendlich möchten sie die Tiefenthermografie verwenden, um Halbleiterbauelemente zu messen, um Einblicke in ihre Temperaturverteilungen während des Betriebs zu gewinnen.

Diese Art der 3D-Temperaturprofilierung könnte auch zur Messung und Kartierung von Wolken aus Hochtemperaturgasen und -flüssigkeiten verwendet werden; zum Beispiel in Kernreaktoren mit geschmolzenem Salz, wo es wichtig ist, die Temperatur des Salzes im gesamten Volumen zu kennen, ohne Temperatursonden verwenden zu müssen, die 700 °C möglicherweise nicht überleben.