基于THz光譜的HNS單體猛炸藥含量分析系統(tǒng)

李 靜, 魯旭濤, 呂海峰, 孫運(yùn)強(qiáng)

1. 中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山西 太原 030051 2. 中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山西 太原 030051

基于THz光譜的HNS單體猛炸藥含量分析系統(tǒng)

李 靜1,2, 魯旭濤1,2, 呂海峰1,2, 孫運(yùn)強(qiáng)1,2

1. 中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山西 太原 030051 2. 中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山西 太原 030051

現(xiàn)有的傅里葉變換紅外光譜儀無(wú)法實(shí)現(xiàn)六硝基芪的光譜定量分析，而作為常見單體猛炸藥而言，能夠快速識(shí)別并定量分析其含量具有重要意義，故研究設(shè)計(jì)了一種基于THz光譜技術(shù)的HNS檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用透射式吸收光譜計(jì)算模式。光路中引入電光調(diào)制模塊，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定快速的光程靜態(tài)掃描。在實(shí)驗(yàn)獲取HNS特征吸收峰位置的基礎(chǔ)上，結(jié)合空氣在此波段的吸收特性，獲得了光譜數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)表達(dá)式，并由此確定了多特征波長(zhǎng)選擇依據(jù)。結(jié)合比爾-朗伯定律，給出了HNS含量的函數(shù)表達(dá)式及其系數(shù)公式。實(shí)驗(yàn)通過化學(xué)配置法得到不同HNS含量的樣品粉末，并以此含量作為標(biāo)準(zhǔn)值。將不同含量的多組HNS樣品粉末進(jìn)行壓片處理，分別采用太赫茲光譜儀和本系統(tǒng)進(jìn)行HNS含量檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，HNS含量在0.10%～50.00%范圍內(nèi)兩種檢測(cè)方法效果相近，與標(biāo)準(zhǔn)值誤差均低于5.0%，且本系統(tǒng)具有更好的線性度。

太赫茲技術(shù)；光譜檢測(cè)；光譜匹配；六硝基芪

引 言

六硝基芪(hexanitrostibene，HNS) 是—種單體猛炸藥，CAS： 20062-22-0，其化學(xué)分子式為[C6H2(NO2)3CH]2(六硝基二苯基乙烯)。其特點(diǎn)是低感度、高熔點(diǎn)、化學(xué)特性穩(wěn)定和機(jī)械感度低。其被廣泛地應(yīng)用于爆破、熔鑄炸藥制造等方面，對(duì)其快速檢測(cè)具有重要意義和實(shí)用價(jià)值[1-2]。

國(guó)內(nèi)外對(duì)常見爆炸物的檢測(cè)手段包括： X射線探測(cè)法、中子活化探測(cè)法[3]、核磁共振法[4]、等離子譜檢測(cè)法[5]、紅外光譜吸收法和THz檢測(cè)法。X射線探測(cè)法[6]是利用X射線具有強(qiáng)穿透性的特點(diǎn)，從而可以判斷是否存在高密度固體炸藥，其常用于機(jī)場(chǎng)、車站的安檢。但其主要依據(jù)密度檢測(cè)，基本不具備識(shí)別種類的能力。中子活化探測(cè)法[7]是通過發(fā)射γ射線照射爆炸物，其表面產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)從而分析其種類及濃度，精度高、穩(wěn)定性好，但其設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜且具有一定的放射性，限制了其應(yīng)用范圍。核磁共振法[8]是通過被測(cè)物中氫核的共振特性不同而實(shí)現(xiàn)的，通過計(jì)算其含氫量反演爆炸物的種類和濃度。但其檢測(cè)結(jié)果受被測(cè)物揮發(fā)性的影響，對(duì)于低揮發(fā)性的炸藥并不適用。等離子譜檢測(cè)法[9]是通過檢測(cè)由離子躍遷產(chǎn)生的特定波長(zhǎng)的物質(zhì)識(shí)別方法，雖然其識(shí)別能力強(qiáng)，但受被測(cè)物質(zhì)純凈程度的影響明顯。紅外光譜分析法通過被測(cè)物的光譜吸收特性分析物質(zhì)的成分和含量，被廣泛應(yīng)用于物質(zhì)分析領(lǐng)域，但包括六硝基芪在內(nèi)的多種單體猛性炸藥在近紅外光譜范圍內(nèi)都沒有明顯的特征吸收峰，所以很難應(yīng)用該法實(shí)現(xiàn)定性定量的分析。THz檢測(cè)法[10-12]是介于紅外與微波間的特殊波段，其特點(diǎn)在于有機(jī)物而言具有明顯的吸收特性，故非常適合應(yīng)用于對(duì)有機(jī)物構(gòu)成的炸藥的定性定量檢測(cè)。本研究基于THz光譜檢測(cè)技術(shù)對(duì)六硝基芪進(jìn)行定量分析。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于THz波段的物質(zhì)檢測(cè)技術(shù)主要分為透射式和反射式，相比而言，透射式系統(tǒng)的檢測(cè)精度高、穩(wěn)定性好，故采用透射式檢測(cè)六硝基芪的樣品粉末。

如圖1所示，系統(tǒng)由THz光源、分束器、調(diào)制模塊(調(diào)制電路、換能器、調(diào)制晶體)、反射鏡、光電探測(cè)器、樣品池、處理器等構(gòu)成。THz激光由系統(tǒng)產(chǎn)生，入射樣品檢測(cè)模塊。其中一束透射樣品池從而獲得包含樣品特征波長(zhǎng)信息的透射光，另一束作為參考光。為了獲取一定的光程掃描范圍且避免機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的擾動(dòng)，采用在參考光路2中加入調(diào)制模塊的方式，使參考光與信號(hào)光相干從而產(chǎn)生干涉信號(hào)。在對(duì)干涉信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換后得到含有HNS吸收特征信息的光譜分布函數(shù)，再與THz光譜數(shù)據(jù)庫(kù)中HNS的特征分布進(jìn)行比較從而實(shí)現(xiàn)對(duì)未知粉末中HNS含量的檢測(cè)。其中，樣品池中采用的粉末需要制成壓片，壓片厚度大約為0.6 mm，過厚會(huì)大幅影響透射效果，過薄吸收量少特征峰值不明顯影響信噪比。

圖1 透射式太赫茲?rùn)z測(cè)系統(tǒng)原理圖

2 HNS含量求解

采用透射模式可以套用定律[13]進(jìn)行計(jì)算，但由于HNS含量計(jì)算是針對(duì)HNS粉末壓片而言，即非一定是低濃度又不能保證高均勻性，故直接代入公式求解不合適，需要進(jìn)行校正。首先給出定律純HNS粉末的基本表達(dá)式

(1)

式(1)中d表示吸光被測(cè)樣品的厚度，α(λ)表示摩爾吸收系數(shù)，It(λ)表示透射被測(cè)物質(zhì)后的光強(qiáng)，I0(λ)表示初始光強(qiáng)。在此基礎(chǔ)上，通過求解高低濃度標(biāo)準(zhǔn)值和選取多個(gè)特征波長(zhǎng)的方式完成對(duì)HNS檢測(cè)濃度的校正。首先，對(duì)初始光進(jìn)行光譜分析，獲取其光譜分布函數(shù)，作為HNS含量0%的光譜特性函數(shù)。其次將純HNS粉末制作成HNS壓片進(jìn)行光譜分析，獲取其光譜分布函數(shù)，作為HNS含量100%的光譜特性函數(shù)。由此限定HNS粉末光強(qiáng)吸收范圍，減小其他物質(zhì)對(duì)HNS含量檢測(cè)的影響。最后，在特征光譜中選擇若干個(gè)具有HNS光譜特性的且相關(guān)系數(shù)小的特征波長(zhǎng)，并將該數(shù)據(jù)融合求解HNS含量。

2.1 系數(shù)計(jì)算

在通過初始光和透射光計(jì)算HNS濃度之前，首先要獲取標(biāo)準(zhǔn)量計(jì)算條件下的系統(tǒng)系數(shù)值。由于靜態(tài)調(diào)制范圍小，故將THz信號(hào)產(chǎn)生的弱電場(chǎng)和HNS樣品的作用過程近似為線性關(guān)系。則其信號(hào)比值為

(2)

式(2)中，Et(λ)表示HNS樣品產(chǎn)生的復(fù)電場(chǎng)信號(hào)，Eo(λ)表示參考光產(chǎn)生的復(fù)電場(chǎng)信號(hào)，T(λ)表示穿透HNS樣品的THz電場(chǎng)強(qiáng)度，Δδ(λ)表示相位產(chǎn)生的變化量。由此可知，信號(hào)比的獲得依賴于對(duì)T(λ)和Δδ(λ)的求解，T(λ)是直接探測(cè)得到的，故Δδ(λ)和α(λ)可別求解得到式(3)和式(4)

(3)

(4)

由式(2)和式(3)可知，在有樣品關(guān)于波長(zhǎng)的折射率函數(shù)n(λ)和透射光強(qiáng)T(λ)的基礎(chǔ)上，信號(hào)比即可獲得。然后通過對(duì)含量為0%和100%的HNS樣品進(jìn)行定標(biāo)就可以進(jìn)行任意含量HNS粉末的檢測(cè)了。

2.2 獲取特征峰

對(duì)于傳統(tǒng)的透射式吸收光譜濃度求解而言，只需找到對(duì)被測(cè)物質(zhì)吸收效果最強(qiáng)的波長(zhǎng)位置即可，但這樣不能排除干擾物質(zhì)的影響，受樣本組成影響明顯。本系統(tǒng)中選擇多個(gè)特征波長(zhǎng)，其中包括吸收效果最強(qiáng)的波長(zhǎng)位置以及多個(gè)參考波長(zhǎng)位置，用于排除干擾物造成的光譜變化。為了得到合適的特征波長(zhǎng)位置，采用型THz光譜儀完成對(duì)HNS樣品特征光譜的獲取，其THz光譜分布如圖2所示。

圖2 HNS的THz透射特征光譜

通過對(duì)HNS粉末在1.5～2.0 THz范圍內(nèi)的光譜分析可知，其在1.54 THz處存在一個(gè)明顯的吸收峰。由此可知，可以通過對(duì)中心波長(zhǎng)1.54 THz附近進(jìn)行波長(zhǎng)掃描，從而實(shí)現(xiàn)精確的HNS含量求解。

2.3 最佳光譜匹配

在得到了HNS的THz光譜分布及其主特征吸收峰位置的基礎(chǔ)上，還需要考慮實(shí)際測(cè)試中空氣介質(zhì)對(duì)樣品測(cè)試的影響，故首先獲取空氣在1.5～2.0 THz范圍內(nèi)存在的主要特征吸收峰，為1.47和1.76 THz。在此基礎(chǔ)上，利用光譜匹配算法完成對(duì)多特征波長(zhǎng)的選擇從而實(shí)現(xiàn)最佳光譜匹配。

對(duì)于光譜數(shù)據(jù)的匹配，主要考慮HNS特征光譜分布與空氣特征光譜分布對(duì)應(yīng)特征波長(zhǎng)位置上的相關(guān)系數(shù)，從而可以分析光譜數(shù)據(jù)的平均值以及協(xié)方差，計(jì)算兩組光譜數(shù)據(jù)的最佳匹配分布。為了盡量降低外部環(huán)境對(duì)HNS含量的檢測(cè)影響，確保數(shù)據(jù)分布的同比例效果，在統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，設(shè)HNS的光譜數(shù)據(jù)為xi|HNS，空氣的光譜數(shù)據(jù)為xj|air，有兩組數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)表達(dá)式為式(5)

(5)

在光譜數(shù)據(jù)選擇過程中，依據(jù)以上兩組光譜數(shù)據(jù)的相關(guān)性確定特征波長(zhǎng)的選擇。

3 實(shí)驗(yàn)部分

3.1 儀器

光源采用系列THz激光器，調(diào)制系統(tǒng)采用鈮酸鋰晶體及調(diào)制電路完成。被測(cè)單體猛炸藥為六硝基芪(HNS)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)應(yīng)樣品粉末的含量，被測(cè)樣品被做成厚度0.6 mm的薄片，再通過1000型太赫茲光譜儀的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

3.2 結(jié)果分析

采用化學(xué)配制法(A)配制不同含量的多組HNS混合粉末樣品，并以配制百分比作為標(biāo)準(zhǔn)值，將采用型THz光譜儀(B)對(duì)樣品粉末進(jìn)行分析，同時(shí)與本系統(tǒng)(C)的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從而分析采用調(diào)制型THz光譜儀對(duì)HNS含量的檢測(cè)能力。不同HNS含量粉末的檢測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。

通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析可知，對(duì)HNS含量在0.10%～50.00%范圍內(nèi)的多組樣品進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果基本符合標(biāo)準(zhǔn)值。當(dāng)HNS含量在0.10%～10.00%范圍內(nèi)時(shí)，檢測(cè)誤差優(yōu)于5.0%，當(dāng)HNS含量在20.00%～50.00%范圍內(nèi)時(shí)，檢測(cè)誤差優(yōu)于3.0%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著被測(cè)樣品中HNS的含量的增加，檢測(cè)誤差降低，對(duì)比太赫茲光譜儀也有此種變化特性，分析其原因是由于HNS比重增大而使THz激光吸收過程充分，受樣品中HNS分布位置影響降低所致。相比之下，兩種方法均可對(duì)HNS含量進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)，但對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值分析可知，本系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果線性度更高，有利于對(duì)未知含量的HNS粉末進(jìn)行標(biāo)定。

表1 不同HNS含量粉末的檢測(cè)數(shù)據(jù)表

4 結(jié) 論

研究了一種基于THz光譜分析的六硝基芪單體猛炸藥定量檢測(cè)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)。給出了HNS含量函數(shù)表達(dá)式及其對(duì)應(yīng)系數(shù)計(jì)算方程。通過實(shí)驗(yàn)獲取了六硝基芪與空氣的THz光譜數(shù)據(jù)分布及其主特征峰位置信息，在此基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了光譜數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)表達(dá)式，并由此確定了多特征波長(zhǎng)選擇依據(jù)。實(shí)驗(yàn)針對(duì)不同含量的多組HNS標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行HNS含量檢測(cè)，并對(duì)比太赫茲光譜儀與本系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示，在0.10%～50.00%范圍內(nèi)，兩種系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相近，誤差均小于5.0%，并且本系統(tǒng)的線性度略優(yōu)于太赫茲光譜儀。由此可見，本系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)要求。

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(Received Apr. 12, 2015; accepted Aug. 20, 2015)

Study on the Design of Explosive (HNS) Content Analysis System Based on THz Spectrum Monomer

LI Jing1,2, LU Xu-tao1,2, Lü Hai-feng1,2, SUN Yun-qiang1,2

1. Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement，North University of China, Ministry of Education, Taiyuan 030051, China 2. National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology of North University of China, North University of China, Taiyuan 030051, China

HNS quantitative spectral analysis can not be achieved with the existing infrared Fourier transform spectrometer. As a common monomer explosive concerned, quick identification and quantitative analysis of the substance is important，so it is necessary to research and design a HNS detection system based on THz spectroscopy. Transmissive mode was used in the system to calculate the content of HNS. Electro-optic modulator module was introduced in the system, in order to achieve steady and rapid static scanning optical path. In the experiments HNS characteristic absorption peak positions were acquired. With this basis, combined air absorption characteristics of the wavelength band and spectrum data correlation expression was obtained, thus more characteristic wavelengths selected were determined. According to Beer-Lambert law, the function expression of HNS content and coefficient formula were presented. In the experiment different content of HNS sample powder was obtained with chemical configuration method with the content at the standard level. It made HNS sample powder into HNS Sample slice for all HNS samples, and it carried out HNS content testing with MINI-Z Terahertz spectroscopy and the system. Experimental results show that the results of the two methods are similar in the range of 0.10% to 50.00% for HNS content. Their error is less than 5.0% compared to the standard value, and the system has better linearity.

Terahertz technology; spectroscopy; spectrum matching; HNS

2015-04-12，

2015-08-20

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51305409)，山西省教育廳高等學(xué)校科技創(chuàng)新項(xiàng)目(2014141) 資助

李 靜，女，1983年生，中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室講師 e-mail: lijnuc@163.com

TP216

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)11-3506-04