基于太赫茲光譜技術(shù)的TNT炸藥檢測試驗(yàn)研究

劉曉東， 祁樂融， 張志杰， 王　高

(中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西 太原 030051)

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基于太赫茲光譜技術(shù)的TNT炸藥檢測試驗(yàn)研究

劉曉東， 祁樂融， 張志杰， 王高

(中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西 太原 030051)

摘要:利用TAS7500SP光譜儀和太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)研究了2,4,6-三硝基甲苯(TNT)在0.1～5 THz頻率范圍的光譜性質(zhì)， 得到了其指紋譜信息， 對獲得的光譜進(jìn)行優(yōu)化并提取了特征峰值. 實(shí)驗(yàn)表明， 所得結(jié)果與國內(nèi)外其他機(jī)構(gòu)測量的該炸藥的吸收譜、 頻域譜、 時(shí)域譜線走勢和吸收峰位置基本一致， 并且首次測得該炸藥在該頻段的吸收系數(shù)、 反射率、 反射譜、 透射比、 透射光譜， 豐富和補(bǔ)充了該炸藥在太赫茲波段的光譜數(shù)據(jù).

關(guān)鍵詞:TNT； 太赫茲光譜； 反射； 透射

0引言

近年來對爆炸物的探測和探測技術(shù)的發(fā)展革新日益成為安保工作的重點(diǎn). 目前常見的爆炸物探測技術(shù)主要有以X射線成像技術(shù)、 毫米波成像技術(shù)、 微波成像技術(shù)、 太赫茲成像技術(shù)為代表的成像技術(shù)[1]和以中子技術(shù)、 核四極矩技術(shù)為代表的核技術(shù)[2-3]， 其中X射線成像是目前最常見的探測技術(shù).X射線成像技術(shù)[4]通過投射X射線能量收集圖像數(shù)據(jù)， 成像結(jié)果反映了目標(biāo)物對X射線的吸收程度， 顯示出投影圖形， 缺點(diǎn)是提供的探測信息較少， 在圖像中很難分辨出與X射線沒有強(qiáng)相互作用的一個(gè)個(gè)獨(dú)立物體， 且存在侵犯他人隱私和放射安全性等問題. 與微波、 紅外光不同的是， 毫米波對各種絕緣材料都有良好的穿透性. 當(dāng)物體表面產(chǎn)生的溫度比絕對零度大時(shí)， 它就會(huì)向外輻射出一定的能量， 并且這種能量的大小與物體的性能和溫度有關(guān). 毫米波成像技術(shù)[5]通過檢測不同能量輻射體輻射的毫米波能量可以顯示出藏匿在衣物下的手槍、 炸彈和毒品等， 但是也存在侵犯他人隱私以及輻射安全性問題. 微波成像采用微型雷達(dá)發(fā)射微波脈沖， 根據(jù)反波成像， 這是一種主動(dòng)式探測方法， 不用輻射體進(jìn)行輻射. 微波是一種可以穿透空氣、 霧和一些電介質(zhì)的穿透能力很強(qiáng)的波， 它甚至可以穿透人的身體， 可檢測出藏匿在人體內(nèi)的物品(如爆炸物和毒品等). 中子探測技術(shù)[6-7]利用中子脈沖束和N，O，C，H原子核發(fā)生相互作用發(fā)射出特征射線來確定物品中上述元素的含量和空間分布圖. 四極矩共振頻率[8-9]具有唯一性， 不同的物質(zhì)有不同的四極矩共振頻率譜， 在這些頻率譜中含氮分子的共振頻率不同， 可以將其視為該分子的“指紋”[10]. 核四極矩技術(shù)使用的是低強(qiáng)度(低功率)調(diào)諧無線電脈沖， 這些脈沖是用來增強(qiáng)爆炸物中來自氮元素所產(chǎn)生的信號(hào)， 進(jìn)一步探測出所測物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu). 這種檢測方法的準(zhǔn)確度高， 但目前可檢測的爆炸物種類較少且金屬屏蔽會(huì)使該方法失效. 以上傳統(tǒng)方法存在各自缺點(diǎn)， 然而太赫茲波[11]穿透性好， 能量低， 這使得它在爆炸物的探測中有廣闊的應(yīng)用前景.

太赫茲時(shí)間分辨測量技術(shù)是同步相干探測， 對熱背景噪聲不敏感， 具有很高的信噪比[12-17]， 這樣就有許多爆炸性物質(zhì)的一些特性， 比如分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)譜處在太赫茲波段[18]， 隨后通過測量爆炸物的特征光譜可以很容易地識(shí)別爆炸物. 近年來， 太赫茲光譜技術(shù)不斷被用來檢測人體攜帶的隱蔽爆炸物， 用THz-TDS技術(shù)對爆炸物進(jìn)行的研究也在不斷深入[19-23]. 圣地亞國家實(shí)驗(yàn)室探測在0.05～2.7THz頻段范圍內(nèi)2,4-DNT的氣態(tài)THz吸收譜； 中國首都師范大學(xué)探測了RDX，HMX，PETN在多種濕度下處于0.2～2.5THz頻段內(nèi)的太赫茲光譜， 并采用THz-TDS法對爆炸物爆炸物的吸收譜進(jìn)行探測， 探測了RDX，TNT，DNT的吸收譜， 同時(shí)以RDX為主要成分的8701，R852，R791，PW30在0.2～2.5THz頻段內(nèi)的THz吸收譜也在探測中[24]. 本文設(shè)計(jì)了太赫茲光譜檢測系統(tǒng)對TNT炸藥進(jìn)行檢測.

1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

光譜測量使用的太赫茲波可表示成各個(gè)頻率分量的線性疊加， 每個(gè)頻率分量可表示為

(1)

式中：k=ω/c 表示電磁波的波數(shù)； Φ0代表電磁波的初始相位； t和z分別是時(shí)間和電磁波傳播方向上的空間位置. 透過樣品之后的太赫茲波電場在透射光譜中可表示為

(2)

(3)

式中：I0是初始的太赫茲波功率; Is是經(jīng)過樣品后太赫茲波功率; m是太赫茲波經(jīng)過的樣品質(zhì)量; α是基于單位質(zhì)量的吸收率[25].

本文采用愛德萬公司的TAS7500SP進(jìn)行光譜測量. 與傳統(tǒng)光譜儀相比，TAS7500SP太赫茲光譜成像系統(tǒng)的處理速度快、 集成度高、 穩(wěn)定性好. 其頻率范圍0.03～7THz， 動(dòng)態(tài)范圍≥60dB， 掃描速度達(dá)8ms/次， 工作溫度范圍10～30 ℃， 外形尺寸500×490×410mm， 便于移動(dòng)， 可在絕大多數(shù)室內(nèi)溫度下工作. 儀器采用的是太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)， 這是一種在飛秒超快激光技術(shù)上的遠(yuǎn)紅外波段光譜測量技術(shù)， 它通過利用物質(zhì)吸收太赫茲波， 從而引起低頻運(yùn)動(dòng)來獲得材料的特征譜線. 典型的太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)[26]如圖 1 所示， 由飛秒激光器(fslaser)、 太赫茲發(fā)射極(InAs作為發(fā)射晶體)、 太赫茲波探測極(ZnTe作為探測晶體)及時(shí)間延遲系統(tǒng)(光學(xué)透鏡組成的delayline)組成. 飛秒激光器可以產(chǎn)生光脈沖， 并且光脈沖可以被分束鏡分為兩種光源， 分別為泵浦和探測光源. 泵浦脈沖可以通過可變的光學(xué)延遲線入射到太赫茲發(fā)射晶體InAs表面， 產(chǎn)生激光斑點(diǎn). 飛秒激光脈沖激發(fā)InAs晶體， 使其表面耗盡層載流子發(fā)生躍遷， 產(chǎn)生THz脈沖， 然后被被離軸拋物面鏡PM4聚焦到ZnTe晶體上. 探測光經(jīng)過多次反射后通過偏振片P， 之后由硅片將其反射到探測晶體上， 與太赫茲脈沖聚焦在晶體上相同的位置. 太赫茲脈沖電場使脈沖偏振態(tài)發(fā)生改變， 然后用電光晶體探測可知太赫茲脈沖電場的大小和變化. 當(dāng)探測脈沖的偏振態(tài)發(fā)生改變， 經(jīng)過1/4波片QWP， 調(diào)節(jié)起始測量的平衡點(diǎn)， 差分探測器可測量到被偏振分束鏡PBS分成的兩偏振分量的強(qiáng)度差， 經(jīng)一個(gè)雙眼光電探頭連接到鎖相放大器上放大， 最后計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析得到時(shí)域光譜.TAS7500SP系統(tǒng)內(nèi)建有干燥空氣單元， 減少空氣中水分對太赫茲波的吸收， 提高了準(zhǔn)確性.

圖 1　太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)Fig.1　Terahertz time domain spectroscopy system

2實(shí)驗(yàn)分析與結(jié)果討論

2.1樣品

被測爆炸物為梯恩梯(2,4,6-Trinitrotoluene，TNT)， 其分子式為C6H2CH3(NO2)3， 即2,4,6-三硝基甲苯. 這是一種黃色粉末狀的烈性炸藥， 可水下爆破， 難溶于水、 乙醇、 乙醚， 易溶于氯仿、 苯、 甲苯、 丙酮， 常用來做起爆藥. 將其粉末制成直徑為10mm， 厚度為4.13mm的圓盤狀壓片進(jìn)行檢測， 分析其光譜特性.

2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在室溫23 ℃的條件下， 利用TAS7500SP太赫茲光譜系統(tǒng)得到了測試結(jié)果. 圖 2 所示為透過4.13mm厚的2,4,6-TNT粉末壓片的時(shí)域光譜. 圖中給出了0～130ps的波形， 可以看出在17～20ps, 62～65ps之間存在脈沖的峰值， 20～60ps和65ps之后均為強(qiáng)度在0附近的振蕩. 造成太赫茲脈沖尾部振蕩的原因有很多， 不僅電光取樣過程中相位匹配造成的頻率過濾會(huì)造成太赫茲脈沖尾部振蕩， 而且電光晶體對太赫茲脈沖的色散吸收也會(huì)造成太赫茲脈沖尾部振蕩. 另外， 殘留在空氣中的水蒸氣對太赫茲波的吸收也會(huì)導(dǎo)致太赫茲脈沖的振蕩. 太赫茲脈沖的晶體探測材料中存在較強(qiáng)的TO聲子共振， 與TO聲子共振頻率接近的太赫茲脈沖會(huì)作為分散的聲子激化極元傳播.

圖 2　TNT時(shí)域光譜Fig.2　Time-domain spectroscopy of TNT

炸藥的太赫茲頻域譜可由其時(shí)域譜經(jīng)過快速傅立葉變換(FFT)得到. 圖 3 是TNT的太赫茲頻域譜， 可得TNT的共振吸收峰值.

圖 3　TNT頻域譜Fig.3　Frequency domain spectrum of TNT

TNT的吸收系數(shù)如圖 4 所示. 利用軟件對光譜進(jìn)行特征峰提取， 可知在0～5THz的頻譜范圍內(nèi)，TNT在4.547 12, 4.638 67, 4.882 81THz處有顯著的特征吸收尖峰. 由圖 5 可知，TNT反射光譜在0.251 77,0.427 25,0.633 24,1.419 07,1.663 21THz處存在峰值. 反射率在4.585 27THz處存在明顯峰值. 由圖 6 可知，TNT透射光譜在0.480 65THz處有明顯峰值， 透射在4.013 06, 4.203 8, 4.257 2, 4.348 75, 4.432 68, 4.585 27, 4.844 67THz處有顯著峰值. 這些特征峰值可作為TNT炸藥的指紋譜， 在實(shí)際的安檢過程中可使用太赫茲光譜識(shí)別， 從而實(shí)現(xiàn)對TNT的探測. 表 1 為TNT實(shí)驗(yàn)測得的吸收峰和文獻(xiàn)記載峰位， 可以看出實(shí)驗(yàn)測得的吸收峰位置與文獻(xiàn)記載峰位基本吻合且豐富了TNT在低頻太赫茲區(qū)域的光譜特性.

圖 4　TNT的吸收系數(shù)Fig.4　Absorption coefficient of TNT

圖 5　TNT的反射譜和反射率Fig.5　Reflection spectrum and reflectivity of TNT

圖 6　TNT的透射比和透射光譜Fig.6　Transmittance and transmission spectrum of TNT

爆炸物名稱共振吸收峰/THz文獻(xiàn)記載峰位/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結(jié)論

本文對TNT的太赫茲光譜進(jìn)行了探測， 得到了其在0.1～5THz波段的時(shí)域光譜、 頻域譜、 吸收系數(shù)、 反射譜、 反射率、 透射比、 透射光譜. 用Origin軟件對光譜進(jìn)行了尋峰操作， 找出了TNT炸藥的指紋位置.TNT炸藥在太赫茲波段獨(dú)特的吸收性體現(xiàn)了太赫茲光譜技術(shù)在爆炸物探測和識(shí)別方面重要的應(yīng)用價(jià)值， 同時(shí)也豐富了爆炸物的太赫茲光譜指紋庫.

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文章編號(hào)：1673-3193(2016)04-0425-05

收稿日期：2015-12-16

基金項(xiàng)目：山西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2014054)

作者簡介：劉曉東(1979-)， 男， 講師， 博士生， 主要從事測試計(jì)量技術(shù)及儀器， 光學(xué)器件設(shè)計(jì)等研究.

中圖分類號(hào):TN247

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: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