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

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.\n\nDiese 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.\n\nIn 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.