Terahertz-Erkennung energetischer Materialien : spektroskopische Analysen und technologische Perspektiven bildgebender Systeme

Abstract

In den letzten Jahren ist insbesondere in der Sicherheitstechnik eine steigende Nachfrage nach neuen Technologien zur Erkennung von sicherheitskritischen Materialien zu beobachten. Der Terahertz (THz)-Frequenzbereich, der sich im elektromagnetischen Spektrum zwischen Mikrowellen und Infrarot befindet, ist aufgrund seiner Eigenschaften prädestiniert für Anwendungen in der Sicherheitstechnik. Viele Materialien, wie beispielsweise Sprengstoffe besitzen resonante Absorptionen, sogenannte spektrale Fingerabdrücke im THz-Frequenzbereich, welche die Erkennung dieser Materialien erlauben. In Kombination mit der Transparenz vieler Kleidungs- und Verpackungsmaterialien liegt die Anwendung von THz-Technologie zum Erkennen versteckter Sprengstoffe nahe. Die Voraussetzungen für eine erfolgreiche Erkennung von energetischen Materialien mit THz-Technologie müssen in zwei Bereichen geschaffen werden. Diese zwei Bereiche sind geeignete THz-Technologien zur Materialerkennung einerseits und detaillierte spektroskopische THz-Analysen andererseits.

Diese Arbeit untersucht beide Aspekte durch die Evaluation einiger geeigneter Detektortechnologien zur THz-Materialerkennung sowie spektroskopische Untersuchungen einer Auswahl von interessanten energetischen Materialien. Im Rahmen dieser Arbeit entworfene THz-Spektroskopie-Aufbauten in Transmission und Reflexion werden zur THz-Analyse energetischer Materialien verwendet. Die Transmissionsspektroskopie mit einer hohen Bandbreite von 0,2 - 6,6 THz dient der Ermittlung des Absorptionskoeffizienten als quantitative Größe und ermöglicht erstmalig die zweifelsfreie Messung einer Resonanz des Sprengstoffs RDX bei 4,2 THz. Die Variabilität der spektralen Fingerabdrücke aufgrund von Additiven, Inhomogenitäten der Proben und Präparation werden spektroskopisch untersucht. Die dabei festgestellte Präparationsabhängigkeit kann zu einer inhomogenen Verbreiterung einer Resonanz führen und stellt somit eine Herausforderung für die THz-Erkennung von Sprengstoffen dar.

In dieser Arbeit werden einige interessante Detektortechnologien bezüglich des Potentials der THz-Sprengstofferkennung untersucht. Ein in Kooperation mit Projektpartnern entwickeltes echtzeitfähiges THz-Bildgebungssystem bei 800 GHz basierend auf einer Zeile von 32 subharmonischen Mischern sowie ungekühlte antennengekoppelte Thermoelemente, ebenfalls bei 800 GHz, werden charakterisiert. THz-Bildgebung an sicherheitskritischen Objekten wird mit verschiedenen THz-Bildgebungstechnologien demonstriert. Die THz-Bildgebung von Sprengstoffproben resultiert in einer Erkennung eines Sprengstoffs anhand einer resonanten Absorption mit verschiedenen THz-Technologien. Dabei wird die THz-Erkennung der Resonanz eines Sprengstoffs mit einem Thermoelement als THz-Leistungsdetektor weltweit erstmalig demonstriert. Abschließend wird das Potential der THz-Erkennung energetischer Materialen kritisch diskutiert und eine Einschätzung zur zukünftigen Entwicklung gegeben.

In recent years, there is a growing demand for technology to identify and recognize materials relevant to security. The terahertz (THz) frequency range, situated between microwaves and infrared in the electromagnetic spectrum, has certain properties making it predestined for security applications. Many materials, e.g. energetic materials (explosives), exhibit resonant absorptions, so called spectral fingerprints, in the THz-frequency range which facilitate their recognition. In combination with the transparent nature of many clothing- and packaging materials to THz-radiation, the application of THz-technology for the recognition of hidden explosives is obvious. In order to successfully recognize energetic materials with THz-technology, requirements in two areas have to be fulfilled, namely suitable THz-technologies for material detection and detailed spectroscopic THz-analyses of energetic materials.

This thesis investigates both areas by evaluation of suitable detector technologies for THz material recognition as well as an analysis of spectroscopic experiments on a selection of interesting energetic materials. THz time-domain spectroscopy setups in transmission and reflection, which where developed in the context of this thesis, are used to analyze the energetic materials. Spectroscopy in transmission mode, facilitating a very high bandwidth from 0,2 - 6,6 THz, is used to determine the absorption-coefficient as a quantitative measure and enabled the author to measure a clear resonance of the explosive RDX at 4,2 THz for the first time. The variability of spectral fingerprints due to additives, inhomogeneities and preparation of explosives are investigated via THz-spectroscopy. Results show that an inhomogeneous broadening of a resonance can occur due to the preparation of the energetic material. This is a challenge for THz-based recognition of explosives.

Furthermore, several THz-imaging technologies are investigated regarding their respective potential for THz explosives recognition. A realtime THz-imaging system based on a row of 32 sub-harmonic mixers, developed in cooperation with project partners, as well as a system based on uncooled antenna-coupled thermocouples, both operating at 800 GHz, are characterized. THz-imaging on objects relevant to security is demonstrated using different THz-imaging technologies. The outcome of THz-imaging of samples of explosives is their recognition based on resonant absorptions using different THz-imaging technologies. In this thesis, the THz-recognition of resonances of explosives using thermocouples as the THz power detector is demonstrated globally for the first time. To conclude, the potential of the THz-recognition of energetic materials is discussed and an assessment of future directions for research is given.