山西中北大学仪器与电子学院 刘晓东 张志杰 李仰军 王高

1 引言

恐怖爆炸袭击事件时有发生，许多恐怖组织通过自杀式炸弹袭击、汽车炸弹等多种炸弹袭击方式给人民生命财产安全带来了巨大的隐患。近年来，在国内发生的爆炸袭击等事件也说明了防范恐怖爆炸袭击已经成为了安防工作的重要任务。目前应用的爆炸物探测技术有X射线检测、金属探测、中子活化检测等多种技术。X射线检测尽管技术发展成熟，但对生物体损害强，需要特定的防护和使用范围。金属检测则很容易受到金属杂物的干扰而增大误报率。中子活化检测虽然有高灵敏度、高准确性的优点，但放射性强、防护难度大、技术复杂、成本高，使其很难得到广泛应用。现有技术均存在不同的局限因素，需要其他有效的探测手段进行补充。由于太赫兹波具有高透视性、指纹谱性等重要特性以及快速发展成熟的相关技术，使得将太赫兹技术用于探测识别炸药成为了一种具有极大潜力的发展方向[1-2]。

目前太赫兹技术对爆炸物的探测主要分为两个方面，一方面是利用太赫兹成像技术对目标物体进行成像，以此判断检测物，也可以进行遥感成像探测。另一方面是利用许多物质在太赫兹频段拥有其特征光谱，因此可以通过太赫兹光谱技术探测爆炸物的指纹谱，从而确定爆炸物的种类、性质等等。本文通过太赫兹时域谱技术探测了两种军用炸药的太赫兹特征吸收谱，通过炸药的特征吸收谱来确定其相应的特性，可用于爆炸物探测时对炸药的识别判断。

2 实验装置及原理

太赫兹时域光谱技术是太赫兹探测领域的一项重要技术，属于一种相干连续探测技术。该技术直接测量的是太赫兹脉冲的时域电场强度，因此被称为太赫兹时域光谱技术，得到的时域谱通过傅里叶变换，能够同时获得太赫兹光谱的振幅和相位信息。通过相应的数据分析就可得到样品的吸收系数、折射率、消光系数等光谱参数。太赫兹时域谱技术已广泛用于通信、电子、医药等学科领域[3-4]。

本实验采用的太赫兹时域光谱系统由Coherent公司的Micra-5飞秒激光器和脉宽压缩仪、EKSPLA公司的THz-TDS Kit、电脑及其他光学元件组成。飞秒激光器为锁模钛蓝宝石飞秒激光器，中心波长为 800nm，重复频率为80MHz，脉宽100fm。飞秒激光器发射的激光经过压缩、衰减后激发光电导天线产生太赫兹波，由太赫兹探测器接收探测。光电导天线是目前广泛使用的脉冲太赫兹波发射器和探测器，由超快激光脉冲激发产生的光生载流子在电场驱动的作用下产生和探测太赫兹脉冲。光电导天线由蒸镀在半绝缘半导体基片上的两个平行电极构成。在两电极上施加偏置电压，飞秒激光照射在电极间隙时形成光生载流子，载流子在偏置电压作用下加速并辐射出太赫兹脉冲。基片通常采用低温生长的砷化镓或掺杂的硅等，用以提高光电导天线的响应速度。采用光电导天线探测太赫兹脉冲的装置和发射装置相似，但并不在两电极之间施加偏置电压，而是连接一个电流计测量太赫兹电场驱动的电流[4]。

THz-TDSKit由光路部分和电路部分组成，光路原理如图1所示。太赫兹脉冲的发射和探测是典型的泵浦探测方式，飞秒激光通过分束器分为泵浦光和探测光，探测光经过延时系统聚集到太赫兹探测器上，泵浦光照射到太赫兹发射器产生脉冲，太赫兹脉冲通过样品后与探测波在探测器上重叠，探测器携带的样品光谱信息由信号处理系统获取后通过放大、处理及分析，得到测量结果并将其显示。电路部分由锁相放大器、步进电机及其他辅助电路构成。锁相放大器为Lock-inAmplifierSR-810（简称SR-810），用于对探测器输出的信号有效抑制噪声，提高信噪比。步进电机为SMA4steppermotordriver（简称SMA4），可控制延迟系统和样品台的位置[4-5]。

图1 THz-TDS光路原理

数据分析处理采用由Dorney和Duvillaret等人提出的太赫兹光学参数提取物理模型。假设 Esam(ω)·e-jφs(ω)和 Eref(ω)·e-jφr(ω)分别表示测得的样品信号和参考信号的太赫兹时域谱进行傅里叶变换得到的频域谱。在透射光谱测量中，样品的光谱信息可以从信号与参考光谱的比较中获得[3-4]：

式中，a(ω)是样品的吸收系数，ns(ω)是样品的折射率，Ks(ω)是样品的消光系数，d是样品的厚度，ω是角频率，c是真空光速。为了避免样品表面的菲涅尔损耗影响，在实验测量时通常采用不同厚度的同质样品分别作为参考样品和待测样品。

3 实验样品

本文通过太赫兹时域光谱技术分别对两种军用炸药2,4-二硝基苯甲醚（DNAN）和1,4-二氢-5H-(二硝基亚甲基)-四唑（DNMT）进行太赫兹光谱探测，再对吸收谱数据进行分析计算，提取出炸药的吸收峰并确定它们的性质。这两类炸药应用广泛，测量它们的太赫兹吸收谱对于反恐防爆有着重要的意义。

2,4-二硝基苯甲醚（DNAN）为无色（或黄色）针状或单斜晶体，微溶于水，溶于乙醇、乙醚、丙酮、苯等多数有机溶剂，熔点在 94～96℃范围内，密度为1.34g/cm3。DNAN是高缺氧的含能材料，含能量只有TNT的90%，这些因素限制了其单独作为炸药应用。进入21世纪后，在钝感熔铸炸药的强烈需求下，DNAN重新受到了研究人员的重视。由于DNAN相对于TNT能量和密度损失最小，感度较低，并且已经实现了商业化，因而成为了以TNT为基的熔铸炸药的最有前景的替代品。经验证，利用工业原料DNAN配制出低成本的钝感熔铸炸药是完全可行的。目前，DNAN已逐渐成为各国军方制作钝感熔铸炸药的主要材料[2-4]。

1,4-二氢-5H-(二硝基亚甲基)-四唑（DNMT）为淡黄色粉末，熔点为95℃，密度为1.63g/cm3，属于硝基唑类的衍生物。DNMT是一种能量更高且感度较低的新型合成高能量密度化合物。目前最新的合成方法是采用二氰二胺和盐酸甲基肼为原料合成，该方法原理易得、操作简单且收率高。DNMT是推进剂、炸药的重要组成部分和含能配合物使用的含能配体，还是可以合成其它高能量密度化合物的重要中间体，在军事和工业领域有着广泛的应用和发展前景[2-5]。

在太赫兹时域光谱测试中，采用的待测样品通常为压片状的。经过酒精清洗实验用具、待测样品的研磨和压片机的压制，制成厚度约为1mm，直径约为10mm的圆盘形待测样品。但在对本次实验样品经过以上处理后，由于它们的物理特性很不稳定，造成样品成形率比较低，很难进行压片样品的测试，因此本次实验采用粉末状进行测试。直接进行粉末状测试，更加接近现实环境中炸药的实际情况。测试中将待测样品研磨成粉末状后，放入具有较好透光性的塑料袋中测试，由于太赫兹波能够以很小的衰减度穿过塑料、陶瓷等物质，对这些材料具有良好的穿透性，因此采取在塑料袋中对炸药光谱进行测试是可行的[2]。

4 实验结果及分析

由于一般的透射光谱测试比反射光谱测试具有更高的稳定性，本实验通过太赫兹时域光谱技术对两种炸药进行了透射式光谱测量分析，主要的探测频段为0.1-2THz范围，尽管粉末状样品吸收谱测量结果不如压片状的理想，但仍然获取了两类炸药的吸收谱线。以下为测得的两种炸药的特征吸收谱。

图2 DNAN特征吸收谱

图3 DNMT特征吸收谱

从图中可以观察到两种炸药吸收光谱的基本趋势。透射式系统测试中吸收峰位置不明显，需要经过分析和处理，得到比较明显的特征吸收峰。由于样品的物理状态和实验环境的限制，测试在2THz以上的数据已经不太稳定，因此对测试结果进行了截取，只对2THz以内的吸收谱进行处理分析。对炸药的太赫兹光谱数据进行部分截取和小波降噪后，可以将基本没有用的信息排除，并使吸收谱曲线变得平滑，有利于特征值的提取，将误差尽可能地减少。通过与空气光谱比较，排除掉不确定的吸收峰，得到比较准确的吸收峰位置。经过与空气光谱比较，排除了1.42和1.72等不确定的吸收峰后，DNAN确定了1.33和1.55两个位置的吸收峰；同样经过上述比较和排除后，DNMT确定了1.75的吸收峰位置[2]。

5 结论

本文运用太赫兹时域光谱技术对两种军用炸药进行了光谱测试，得到了这两类炸药在2THz范围内的太赫兹特征吸收谱，将获得的特征吸收谱通过处理分析获取了它们的吸收峰位置。在2THz范围内，两种炸药的吸收谱趋势都比较平缓，经过去噪和比较，最后确定了吸收峰位置。确定的两类炸药的特征吸收峰，可以作为标识该类型炸药的特征指纹谱线，从而有助于利用太赫兹技术对爆炸物的探测识别。

尽管在爆炸物探测识别以及安全检查领域，太赫兹探测技术都还处于研究发展阶段，但是其特有的性质和快速的发展都使得该技术应用具有了广阔的前景。太赫兹技术作为探测识别爆炸物新型探测方法极具潜力，具有本质性和可靠性。通过研究，一方面继续扩充其它爆炸物的特征谱，另一方面需要对实际应用中的有效性进行测试，使得该技术能够真正应用于现实，发挥更大的作用。

[1]崔玉华,黄校垣.爆炸物探测技术的应用与发展[J].中国安防,2010，11：35-40.

[2]李茜.三种军用炸药的太赫兹光谱研究[D].山西：中北大学,2012.

[3]许欣,吴勋,孟宪君等.太赫兹技术在爆炸物检测中的应用 [J].光学技术,2008,34Suppl.：265-266，269.

[4]王高,徐德刚,姚建铨.THz 光谱技术检测DNAN炸药含量的研究[J].光谱学与光谱分析,2013,33（4）：886-889.

[5]佘剑楠.1,4-二氢-5H-(二硝基亚甲基)-四唑(DNMT)及其盐的合成、结构与性质研究[D].陕西：西北大学，2010.