炸药和一氧化碳气体的THz光谱及拉曼光谱研究

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本文概述了炸药检测技术的研究进展和存在的不足,以及太赫兹(THz)时域光谱技术在气体研究中的现状。鉴于炸药检测在安全领域的重要性及大气污染问题的日趋严重,初步开展了炸药样品的傅立叶变换拉曼光谱和THz时域光谱研究并以一氧化碳为例研究了气体THz时域光谱。介绍了拉曼光谱技术,THz辐射的基本性质、产生、探测和THz技术,尤其是在THz时域光谱技术的研究基础上,主要在以下领域进行了研究: 在炸药检测方面。利用傅立叶变换近红外拉曼光谱技术得到了五种炸药(TNT、2,4-DNT、HMX、RDX、HNIW)的傅立叶变换拉曼光谱,根据炸药样品的分子结构对实验结果进行了分类,结合已有的研究结果给出了峰位的归属。发现,结构相似的炸药样品的拉曼散射光谱非常相似,样品中所共有的官能团,如-N02的峰位,在不同样品的拉曼散射光谱中有相近的位置。 其次,利用THz时域光谱技术得到了炸药样品在THz波段的吸收系数和折射率,给出了它们在该波段的特征吸收峰,色散特性及其色散变化的规律。不同的炸药样品在THz波段有不同的特征吸收峰位,即使是结构很相近的炸药样品其吸收光谱也有显著的差异;在吸收峰对应的频率附近,色散呈反常性质,即样品折射率随频率增加而减小,而远离吸收峰位处,色散呈正常规律,即折射率随频率增加而增大。 再次,将炸药样品的傅立叶变换近红外拉曼光谱和THz吸收光谱结合起来,丰富了炸药样品的特征光谱范围。通过对两种技术得到的炸药样品的特征光谱进行分析,我们发现炸药样品的拉曼散射谱图和THz吸收谱图中都有明显的特征峰位。结构比较相似的样品,如TNT与2,4-DNT、ε-HNIW与γ-HNIW,虽然其拉曼散射谱的形状几乎相同,只是在强度及峰值位置上有很小的差异,THz吸收光谱不论是谱图形状还是吸收峰的位置和强度却又显著的区别。 在气体监测方面,基于THz时域光谱技术以一氧化碳气体为例进行了如下研究:首先,利用THz时域光谱技术测量了一氧化碳在THz波段的吸收光谱特性,得到了其在0.2~2.5THz波段的特征吸收峰。实验结果与已得到的理论计算结果有较好的一致性。研究了压强对一氧化碳吸收峰的影响。发现,在低于一个大气压的条件下,随着压强的减小,气体分子间碰撞的减弱,吸收峰更尖锐。 研究结果表明,傅立叶变换近红外拉曼光谱技术及THz时域光谱技术,在炸药特征识别及安全检测领域都具有潜在应用价值;在结构相似物质的鉴别,尤其是对同分异构体的鉴别中,与拉曼光谱相比THz时域光谱技术具有更大的优势。同时,弥补了利用THz时域光谱技术研究一氧化碳气体THz吸收光谱的空白,为利用THz时域光谱技术检测环境中的一氧化碳提供了参数,同时对进一步利用该技术探测更多的气体具有指导意义。
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