基于太赫兹光谱技术的TNT炸药检测试验研究

刘晓东， 祁乐融， 张志杰， 王　高

(中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室， 山西 太原 030051)



基于太赫兹光谱技术的TNT炸药检测试验研究

刘晓东， 祁乐融， 张志杰， 王高

(中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室， 山西 太原 030051)

摘要:利用TAS7500SP光谱仪和太赫兹时域光谱技术研究了2,4,6-三硝基甲苯(TNT)在0.1～5 THz频率范围的光谱性质， 得到了其指纹谱信息， 对获得的光谱进行优化并提取了特征峰值. 实验表明， 所得结果与国内外其他机构测量的该炸药的吸收谱、 频域谱、 时域谱线走势和吸收峰位置基本一致， 并且首次测得该炸药在该频段的吸收系数、 反射率、 反射谱、 透射比、 透射光谱， 丰富和补充了该炸药在太赫兹波段的光谱数据.

关键词:TNT； 太赫兹光谱； 反射； 透射

0引言

近年来对爆炸物的探测和探测技术的发展革新日益成为安保工作的重点. 目前常见的爆炸物探测技术主要有以X射线成像技术、 毫米波成像技术、 微波成像技术、 太赫兹成像技术为代表的成像技术[1]和以中子技术、 核四极矩技术为代表的核技术[2-3]， 其中X射线成像是目前最常见的探测技术.X射线成像技术[4]通过投射X射线能量收集图像数据， 成像结果反映了目标物对X射线的吸收程度， 显示出投影图形， 缺点是提供的探测信息较少， 在图像中很难分辨出与X射线没有强相互作用的一个个独立物体， 且存在侵犯他人隐私和放射安全性等问题. 与微波、 红外光不同的是， 毫米波对各种绝缘材料都有良好的穿透性. 当物体表面产生的温度比绝对零度大时， 它就会向外辐射出一定的能量， 并且这种能量的大小与物体的性能和温度有关. 毫米波成像技术[5]通过检测不同能量辐射体辐射的毫米波能量可以显示出藏匿在衣物下的手枪、 炸弹和毒品等， 但是也存在侵犯他人隐私以及辐射安全性问题. 微波成像采用微型雷达发射微波脉冲， 根据反波成像， 这是一种主动式探测方法， 不用辐射体进行辐射. 微波是一种可以穿透空气、 雾和一些电介质的穿透能力很强的波， 它甚至可以穿透人的身体， 可检测出藏匿在人体内的物品(如爆炸物和毒品等). 中子探测技术[6-7]利用中子脉冲束和N，O，C，H原子核发生相互作用发射出特征射线来确定物品中上述元素的含量和空间分布图. 四极矩共振频率[8-9]具有唯一性， 不同的物质有不同的四极矩共振频率谱， 在这些频率谱中含氮分子的共振频率不同， 可以将其视为该分子的“指纹”[10]. 核四极矩技术使用的是低强度(低功率)调谐无线电脉冲， 这些脉冲是用来增强爆炸物中来自氮元素所产生的信号， 进一步探测出所测物质的分子结构. 这种检测方法的准确度高， 但目前可检测的爆炸物种类较少且金属屏蔽会使该方法失效. 以上传统方法存在各自缺点， 然而太赫兹波[11]穿透性好， 能量低， 这使得它在爆炸物的探测中有广阔的应用前景.

太赫兹时间分辨测量技术是同步相干探测， 对热背景噪声不敏感， 具有很高的信噪比[12-17]， 这样就有许多爆炸性物质的一些特性， 比如分子的振动和转动能级谱处在太赫兹波段[18]， 随后通过测量爆炸物的特征光谱可以很容易地识别爆炸物. 近年来， 太赫兹光谱技术不断被用来检测人体携带的隐蔽爆炸物， 用THz-TDS技术对爆炸物进行的研究也在不断深入[19-23]. 圣地亚国家实验室探测在0.05～2.7THz频段范围内2,4-DNT的气态THz吸收谱； 中国首都师范大学探测了RDX，HMX，PETN在多种湿度下处于0.2～2.5THz频段内的太赫兹光谱， 并采用THz-TDS法对爆炸物爆炸物的吸收谱进行探测， 探测了RDX，TNT，DNT的吸收谱， 同时以RDX为主要成分的8701，R852，R791，PW30在0.2～2.5THz频段内的THz吸收谱也在探测中[24]. 本文设计了太赫兹光谱检测系统对TNT炸药进行检测.

1实验系统

光谱测量使用的太赫兹波可表示成各个频率分量的线性叠加， 每个频率分量可表示为

(1)

式中：k=ω/c 表示电磁波的波数； Φ0代表电磁波的初始相位； t和z分别是时间和电磁波传播方向上的空间位置. 透过样品之后的太赫兹波电场在透射光谱中可表示为

(2)

(3)

式中：I0是初始的太赫兹波功率; Is是经过样品后太赫兹波功率; m是太赫兹波经过的样品质量; α是基于单位质量的吸收率[25].

本文采用爱德万公司的TAS7500SP进行光谱测量. 与传统光谱仪相比，TAS7500SP太赫兹光谱成像系统的处理速度快、 集成度高、 稳定性好. 其频率范围0.03～7THz， 动态范围≥60dB， 扫描速度达8ms/次， 工作温度范围10～30 ℃， 外形尺寸500×490×410mm， 便于移动， 可在绝大多数室内温度下工作. 仪器采用的是太赫兹时域光谱技术， 这是一种在飞秒超快激光技术上的远红外波段光谱测量技术， 它通过利用物质吸收太赫兹波， 从而引起低频运动来获得材料的特征谱线. 典型的太赫兹时域光谱系统[26]如图 1 所示， 由飞秒激光器(fslaser)、 太赫兹发射极(InAs作为发射晶体)、 太赫兹波探测极(ZnTe作为探测晶体)及时间延迟系统(光学透镜组成的delayline)组成. 飞秒激光器可以产生光脉冲， 并且光脉冲可以被分束镜分为两种光源， 分别为泵浦和探测光源. 泵浦脉冲可以通过可变的光学延迟线入射到太赫兹发射晶体InAs表面， 产生激光斑点. 飞秒激光脉冲激发InAs晶体， 使其表面耗尽层载流子发生跃迁， 产生THz脉冲， 然后被被离轴抛物面镜PM4聚焦到ZnTe晶体上. 探测光经过多次反射后通过偏振片P， 之后由硅片将其反射到探测晶体上， 与太赫兹脉冲聚焦在晶体上相同的位置. 太赫兹脉冲电场使脉冲偏振态发生改变， 然后用电光晶体探测可知太赫兹脉冲电场的大小和变化. 当探测脉冲的偏振态发生改变， 经过1/4波片QWP， 调节起始测量的平衡点， 差分探测器可测量到被偏振分束镜PBS分成的两偏振分量的强度差， 经一个双眼光电探头连接到锁相放大器上放大， 最后计算机进行数据采集和分析得到时域光谱.TAS7500SP系统内建有干燥空气单元， 减少空气中水分对太赫兹波的吸收， 提高了准确性.

图 1　太赫兹时域光谱系统Fig.1　Terahertz time domain spectroscopy system

2实验分析与结果讨论

2.1样品

被测爆炸物为梯恩梯(2,4,6-Trinitrotoluene，TNT)， 其分子式为C6H2CH3(NO2)3， 即2,4,6-三硝基甲苯. 这是一种黄色粉末状的烈性炸药， 可水下爆破， 难溶于水、 乙醇、 乙醚， 易溶于氯仿、 苯、 甲苯、 丙酮， 常用来做起爆药. 将其粉末制成直径为10mm， 厚度为4.13mm的圆盘状压片进行检测， 分析其光谱特性.

2.2实验结果

在室温23 ℃的条件下， 利用TAS7500SP太赫兹光谱系统得到了测试结果. 图 2 所示为透过4.13mm厚的2,4,6-TNT粉末压片的时域光谱. 图中给出了0～130ps的波形， 可以看出在17～20ps, 62～65ps之间存在脉冲的峰值， 20～60ps和65ps之后均为强度在0附近的振荡. 造成太赫兹脉冲尾部振荡的原因有很多， 不仅电光取样过程中相位匹配造成的频率过滤会造成太赫兹脉冲尾部振荡， 而且电光晶体对太赫兹脉冲的色散吸收也会造成太赫兹脉冲尾部振荡. 另外， 残留在空气中的水蒸气对太赫兹波的吸收也会导致太赫兹脉冲的振荡. 太赫兹脉冲的晶体探测材料中存在较强的TO声子共振， 与TO声子共振频率接近的太赫兹脉冲会作为分散的声子激化极元传播.

图 2　TNT时域光谱Fig.2　Time-domain spectroscopy of TNT

炸药的太赫兹频域谱可由其时域谱经过快速傅立叶变换(FFT)得到. 图 3 是TNT的太赫兹频域谱， 可得TNT的共振吸收峰值.

图 3　TNT频域谱Fig.3　Frequency domain spectrum of TNT

TNT的吸收系数如图 4 所示. 利用软件对光谱进行特征峰提取， 可知在0～5THz的频谱范围内，TNT在4.547 12, 4.638 67, 4.882 81THz处有显著的特征吸收尖峰. 由图 5 可知，TNT反射光谱在0.251 77,0.427 25,0.633 24,1.419 07,1.663 21THz处存在峰值. 反射率在4.585 27THz处存在明显峰值. 由图 6 可知，TNT透射光谱在0.480 65THz处有明显峰值， 透射在4.013 06, 4.203 8, 4.257 2, 4.348 75, 4.432 68, 4.585 27, 4.844 67THz处有显著峰值. 这些特征峰值可作为TNT炸药的指纹谱， 在实际的安检过程中可使用太赫兹光谱识别， 从而实现对TNT的探测. 表 1 为TNT实验测得的吸收峰和文献记载峰位， 可以看出实验测得的吸收峰位置与文献记载峰位基本吻合且丰富了TNT在低频太赫兹区域的光谱特性.

图 4　TNT的吸收系数Fig.4　Absorption coefficient of TNT

图 5　TNT的反射谱和反射率Fig.5　Reflection spectrum and reflectivity of TNT

图 6　TNT的透射比和透射光谱Fig.6　Transmittance and transmission spectrum of TNT

爆炸物名称共振吸收峰/THz文献记载峰位/THzTNT0.7019,0.81635,0.9075,1.10626,1.4267,1.66321,1.7166,1.83105,2.05994,2.25830.69,1.66,2.2

3结论

本文对TNT的太赫兹光谱进行了探测， 得到了其在0.1～5THz波段的时域光谱、 频域谱、 吸收系数、 反射谱、 反射率、 透射比、 透射光谱. 用Origin软件对光谱进行了寻峰操作， 找出了TNT炸药的指纹位置.TNT炸药在太赫兹波段独特的吸收性体现了太赫兹光谱技术在爆炸物探测和识别方面重要的应用价值， 同时也丰富了爆炸物的太赫兹光谱指纹库.

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文章编号：1673-3193(2016)04-0425-05

收稿日期：2015-12-16

基金项目：山西省自然科学基金资助项目(2014054)

作者简介：刘晓东(1979-)， 男， 讲师， 博士生， 主要从事测试计量技术及仪器， 光学器件设计等研究.

中图分类号:TN247

文献标识码:A

doi:10.3969/j.issn.1673-3193.2016.04.019

Experimental Study on TNT Detection Based onTechnologyofTerahertzSpectroscopy

LIU Xiao-dong, QI Le-rong, ZHANG Zhi-jie, WANG Gao

(Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement (North University of China),MinistryofEducation，Taiyuan030051,China)

Abstract:Using spectrometers TAS7500SP and based on the technology of Terahertz time-domain spectroscopy, spectroscopic properties of 2, 4, 6-trinitrotoluene (TNT) was studied within 0.1 THz to 5 THz range, and fingerprint spectrum was obtained. The obtained spectra were optimized and the characteristic peaks were extracted. Experimental results show that the trends of explosives absorption spectra, frequency domain spectra, time domain spectra and the position of absorption peak are basically consistent with other results measured by domestic and foreign institutions, and the absorption coefficient, reflectivity, reflection spectra, transmission ratio and transmission spectra of the explosives in the band are measured for the first time, so terahertz spectral fingerprint database of explosives are enriched.

Key words:TNT; terahertz spectroscopy; reflection; transmission