炸药太赫兹光谱的仿真解析与测量应用研究

摘要

近年来，恐怖爆炸事件时有发生，威胁了人身安全，扰乱了社会秩序，阻碍了国家发展，因此炸药的检测一直都是安检领域中最受关注的问题之一。太赫兹(Terahertz，THz)处于红外与微波之间，是目前未被全面开发的最后一个电磁波频段，具有对人体无害、对衣物等非极性材料有高透性等独特性质。更重要的是炸药在该频段的吸收光谱存在特征吸收峰，该特性可以用于炸药种类鉴别，因此太赫兹有望成为炸药检测的一种新型的、可靠的方法，成为现有安检技术的有效补充。
　　本文对炸药太赫兹吸收光谱进行仿真解析与测量应用两部分研究。仿真解析可以为实验研究提供理论参考以及从微观角度理解炸药在太赫兹波段产生特征吸收峰的原因。测量应用包括炸药在宽带太赫兹波段吸收光谱的测量以及利用太赫兹吸收光谱进行炸药含量分析。具体研究内容包括:
　　针对目前关于炸药太赫兹光谱仿真的研究中很难得到准确仿真结果的问题，首先基于Gaussian对炸药RDX、DNAN、LLM-105单分子模型仿真的基础上对炸药二聚体进行仿真，结果表明二聚体模型的仿真结果与实验结果相比，谱线的走势以及吸收峰位置吻合度更好，说明二聚体模型更适于作为模拟计算的初始模型。其次利用动态演示功能分析分子的振动模式，解析三种炸药在太赫兹波段产生特征吸收峰的原因，结果表明分子间作用在特征吸收峰的产生中也具有重要作用。
　　针对目前关于炸药太赫兹光谱检测多集中于2.5THz频段以下的现状，基于TAS7500SP太赫兹光谱仪测量了TNT、LLM-105、PETN在0.5THz～3.5THz波段的吸收系数光谱，扩展了光谱研究范围，补充了三种炸药太赫兹光谱数据，基本确定了LLM-105的3处吸收峰，对三种炸药的精确鉴别以及建立炸药太赫兹光谱数据库具有一定的推动作用。
　　进一步研究太赫兹时域光谱技术在炸药检测中的应用，基于TAS7500SP太赫兹光谱仪对不同比例(10％～100％)的HMX进行光谱检测，测量结果直观显示炸药吸光度随含量的升高而增大。利用一元线性回归对不同含量的HMX在1.7THz处吸光度进行线性拟合，利用样品含量与吸光度之间的回归模型对未知样品进行含量预测，误差小于7％，结果表明将炸药太赫兹吸收光谱结合化学计量学的分析方法可用于炸药含量检测。
　　三部分研究内容层层递进，首先形成了将模拟计算与实验结果相结合进行光谱解析的体系，实现对炸药太赫兹光谱从宏观到微观的深入研究;其次从炸药定性判别过渡到炸药的含量分析。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1研究背景及意义

1．2太赫兹基础与应用

1．3炸药太赫兹光谱研究现状与不足

1．3．1太赫兹光谱检测现状

1．3．2太赫兹光谱解析现状

1．3．3研究不足及问题

1．4本论文主要工作

2基于太赫兹时域光谱系统的炸药检测

2．1太赫兹时域光谱系统

2．1．1系统组成及作用

2．1．2系统工作原理

2．1．3样品光学参数提取算法

2．2本课题组研究进展

2．3本章小结

3炸药太赫兹光谱仿真及解析

3．1．1太赫兹光谱产生机理

3．1．2分子振动模式及特点

3．2太赫兹光谱仿真理论

3．2．1密度泛函理论

3．2．2仿真软件

3．2．3仿真步骤与方法

3．3炸药太赫兹光谱仿真

3．3．1三种炸药单分子太赫兹光谱仿真

3．3．2三种炸药二聚体太赫兹光谱仿真

3．3．3吸收峰归属与光谱解析

3．4本章小结

4炸药的宽带太赫兹吸收光谱研究

4．1系统概述

4．2样品制备

4．3炸药宽带光谱测量结果及分析

4．4本章小结

5基于太赫兹吸收光谱的炸药含量分析

5．1．2化学校正理论

5．1．3一元线性回归

5．2实验过程及结果分析

5．3本章小结

6总结与展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

致谢