爆炸物和污染物的THz光谱研究

摘要

太赫兹(THz，1THz=1012Hz)频段是指频率从0.1THz到10THz，介于毫米波与红外光之间的电磁辐射区域，属于远红外波段，其成像和光谱技术可以提供微波和X射线技术所不能提供的信息。近十几年来，随着超快激光技术和半导体材料科学与技术的迅速发展，为THz脉冲的产生提供了稳定、可靠的激发光源，使THz辐射的产生和应用得到了蓬勃发展。THz时域光谱技术作为一种新的THz探测技术，相比傅立叶红外变换光谱仪，它具有对热背景不敏感，信噪比高等优势。在THz光谱和成像研究中得到了广泛应用。 论文第一章总结了现有的安全检测技术，简单介绍了采用THz时域光谱技术进行炸药和污染物检测的特点和优势，综述了国际上利用THz技术对爆炸物研究的进展和本选题的目的与意义。 论文第二章对现有的THz时域光谱光路系统做了简单介绍，着重讲述了透射型THz时域光谱系统及相应的参数提取原理，详细介绍了首都师范大学自行搭建系统的光路原理，实验测量条件和样品制备等情况。 第三章是有关炸药和污染物的THz时域光谱实验测量结果。本论文对五种不同炸药进行了THz光谱测量并对其进行比较，得到了这些材料在THz波段的吸收和色散关系。结果表明，TNT炸药样品对THz波的吸收随着频率的增加而明显增强。2,4-DNT，RDX，HMX和HNIW炸药样品在0.2～2.6THz频率范围内均存在特征吸收峰。其中对于HNIW炸药的测量，在国际上尚属首次。实验得到的2,4-DNT，RDX，HMX的吸收峰同文献报道结果基本一致。五种材料对THz波特殊的吸收性质说明THz时域光谱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。对环境污染物邻、间、对硝基苯胺和偶氮苯的THz时域光谱研究表明，THz时域光谱技术对同分异构体比较敏感，不同的异构体之间具有明显不同的吸收峰。偶氮苯在此波段也有特征吸收峰出现。对污染物的THz光谱特性研究表明，THz时域光谱技术可以用来研究化合物的精细结构，进而应用于环境检测。 论文第四章是THz光谱理论解析工作，简要介绍了红外光谱的概念与划分、红外光谱的特点、量化计算的理论基础，详细说明了使用高斯软件进行频率计算的步骤及注意事项。根据文献调研情况和计算条件，本论文模拟选用密度泛函理论中的B3LYP方法，采用气相下单分子在绝对零度时的理论模型进行计算，根据计算分子大小的不同，对所研究材料选用了6-31G(d)和6-311G(d，p)基组分别进行计算。将计算得到的模拟结果与实验结果做了分析和比较。结果表明对于γ-HNIW分子，理论和实验结果符合较好，说明这种材料在0.2～2.6THz范围内的吸收光谱主要由分子内的振动模式所致，单分子模型具有适用性。对于RDX和邻硝基苯胺样品，理论和实验对比表明，只有个别吸收峰是由单分子振动模式所致，大多数吸收峰不能由该模式解释。对2,4-DNT、HMX，ε-HNIW、对硝基苯胺、间硝基苯胺和偶氮苯样品，计算结果表明，理论和实验结果完全不符合。对比了实验和理论结果的差异。 论文第五章总结了实验和模拟工作，讨论了THz技术在爆炸物检测及安检应用中面临的挑战和展望。

目录

文摘

英文文摘

首都师范大学学位论文原创性声明及授权使用声明

第一章引言

第二章THz时域光谱技术

第三章实验结果

第四章THz光谱的理论模拟

第五章结论

参考文献

在学期间发表和待发表的论文

致谢