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爆炸性物质太赫兹时间分辨光谱测量

作者:admin    发布时间:2010-10-04 来源:互联网
摘要:利用自由空间电光取样方法,研究了四种炸药在太赫兹(THz)频段的光学特性。通过太赫兹时间分辨光谱测量,作者得到了四种炸药DNT(2,4_二硝基甲苯)、钝化的RI)x(黑索今)、HMx(奥克托金)和TNT(2,4,6一三硝基甲苯)的透射光谱,进而计算得出它们在o 2~2.5 THz频段的吸收系数和折射率。作者发现,2,4一DNT在1.08 THz,HMx在1.82 THz存在显着的吸收尖峰,RDx在此颤段存在多个吸收蟑,TNT的吸收谱线相对其他三种样品比较平缓,这种共振吸收一般认为是由分子间相互作用或声子共振模式引起的。四种炸药对太赫兹波独特的吸收性质说明,太赫兹时同分辨光谱测量技术在炸药特征识别及安全检测领域具有潜在应用价值。作者对致癌物质偶氮苯进行了太赫兹光谱研究,发现了国产偶氮苯和进口偶氮苯在太赫兹渡段均存在特征吸收峰,可用于物质鉴别。

关键词:爆炸物;太赫兹;飞秒激光;电光取样;


    时间分辨光谱引言由于爆炸性物质在安全检测和环境控制方面的重要地位,其光谱和成像研究是目前的焦点o q。特别是在美国发生“9.1l”事件后.此领域的研究工作进展非常迅速。多种爆炸物分子的转动和振动谱位于THz频段(100 GHz~10THz)口l,因此近年来开始羊Ⅱ用THo时域光谱测量技术对爆炸物进行探测和鉴别。THz时间分辨光谱仪是同步相干探测,对热背景噪声不敏感,具有很高的信噪比o”,可以对炸药进行无损、非电离和高灵敏度的光谱测量。目前,在低于600 cm_1的频率范围内还没有关于爆炸物的光谱数据,仅有实验表明一些炸药样品在o.1~2 THz之问存在连续吸收。爆炸物特征谱的测量是THz光谱学研究的重要组成部分”,也是环境监控危险物识别的前提条件。我们对四种典型的具有整体爆炸危险的炸药进行了THz时间分辨光谱测量,其中包括:(1)TNT,2,4,6一三硝基甲苯,磷状结晶片,淡黄色,分子式GHsNa 06,有毒,在地雷等爆炸后会残留在土壤中;(2)RDX,环三次甲基三硝胺[钝感的],俗称黑索今或旋风炸药,分子式巴He N6 06,粉红色粉末压片,通常用来与其他爆炸材料和可塑剂混合制成塑胶炸药;(3)DNT,2,4二硝基甲苯,是军用炸药的主要成分,蒸汽压力高于TNT,探测其蒸汽浓度可以发现隐藏的地雷或未爆炸的军火f(4)HMx,环四次甲基四硝胺[钝感的],俗称奥克托金,分子式G H8 N8Q,白色细腻粉末压片,是生产RDX的副产品,由于爆炸速率极高而与TNT等混合作为形状填料。文献中至今还没有这四种材料在l THz以下共振吸收特性的实验数据,美国伦斯勒理工大学THz研究中心目前正在利用高斯软件对爆炸性物质振动和转动谱线进行理论模拟计算,并得到关于2,4一肿共振吸收峰位的初步结果。我们的实验数据与其计算结果有一定的一致性,例如,根据DNT分子结构,由分子问相互作用模式及声子带隙模拟分析计算得到在o.29,o.46,o,66,1.08THz存在吸收峰,而从我们对DNT实验数据进行计算得到的吸收系数曲线中可以看到,在0,29,o.49,o.67,1.06THz处有尖峰出现。每一种样品均进行了6次以上光谱测量,数据具有高度重复性。以上事实可以表明我们的实验系统稳定,实验结果真实可靠。
  实验系统本工作中,我们利用自由空间电光取样进行TH2时问分辨光谱测量。我们使用的装置是发射源为InAs的反射式产生THz辐射和znTe作为探测晶体的实验系统,所示。锁模钛蓝宝石飞秒激光器产生的光脉冲中心波长800传播。

由于样品中不同的波速引起THz脉冲相对于空载时的时间延迟不同,样品对THz渡的反射和吸收使脉冲强度下降,并且样品的色散造成脉冲的展宽。经过快速傅里叶变换(FFT),我们可以得到THz信号的频域信息。图3是对应于的THz波形频谱图。由图可以看出,在o.2~2.5 THz的光谱有效区域内四种物质的样品信号相对于自由空间的参考信号具有显着__fr:同。由前面的理论分析我们知道,通过测量样品对THz脉冲的相位延迟和吸收可以计算出材料的复折射率。根据中透过不同爆炸物材料的THz脉冲波形,我们分别得到了所测量的四种样品的吸收系数(a一2枷/c)和折射率,如图4所示。由图可见,在o.2~2.5 THz的频谱范围内,四种爆炸性物质具有明显的特征吸收峰。2,4 DNT在1.08 THz,HMx在11 82 THz存在显着的吸收尖峰,RDX在此频段存在多个吸收峰,,rNT的吸收谱线相对其他三种样品比较平缓。由于属于低频波段,这种共振吸收一般认为是由分子问相互作用或声子共振模式引起的。四种爆炸物的特征吸收谱线均可以作为指纹谱用于物质的鉴别。它们的折射率都在1.5到1.8之间,与吸收谱线相对应,DNT和Mx的折射率分别在1 08和1.82THz存在突变。表1列出了四种物质的共振吸收峰位。
  3结论综上所述,我们对四种爆炸性物质的电光取样时间分辨光谱进行了比较,并由此得到了这些材料在o.2~2.5 THz波段的吸收谱和色散关系。结果表明,经过钝化的RDX在此频段的吸收谱存在较强烈的震荡,具有四个特征吸收峰位;TNT对此频率范围的太赫兹波的吸收相对平缓,吸收峰不十分显着;2,4一DNT和HMx存在非常明显的吸收尖峰,可以用于特征识别。四种物质对太赫兹波独特的吸收性质说明太赫兹时间分辨光谱测量技术在爆炸物特征识别及安全检测领域具有潜在应用价值。

 

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