[논문]평행판 도파관 THz 분광을 이용한 폭발물 RDX 검출

유병화; 정동철; 강승범; 곽민환; 강광용

doi:10.5370/kiee.2012.61.12.1939

평행판 도파관 THz 분광을 이용한 폭발물 RDX 검출
Detection of Explosive RDX using Parallel Plate Waveguide THz-TDS 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.61 no.12, 2012년, pp.1939 - 1943

유병화 (우석대학교 대학원 전기전자공학과) , 정동철 (우석대학교 전기전자공학과) , 강승범 (SE중공업 중앙연구소) , 곽민환 (창원문성대학 전기과) , 강광용 (전자통신연구원 테라헤르츠 연구팀)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper we presented the detection of the explosive material RDX using a parallel plate waveguide (PPWG) THz time domain spectroscopy (TDS). Normally the explosive materials have been characterized through identification of vibrational fingerprint spectra. Until now, most of all THz spectroscopic measurements have been made using pellet samples where disorder effects contribute to line broadening such that individual resonances merge into relatively broad absorption features. In order to avoid such disadvantages we used the technique of PPWG THz-TDS to achieve sensitive characterization of explosive material RDX. The PPWG THz-TDS used in this work well established ultrafast optoelectronic techniques to generate and detect sub-picosecond THz pulses. The explosive material was analyzed as powder layers in $112{\mu}m$ gap of metal PPWG. The thin later mass was estimated to be about $700{\mu}g$. Finally, we showed spectra of explosives from 0.2 to 2.4 THz measured using PPWG THz-TDS.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

그림 6(a)에 평행판 도파관을 이용, THz-TDS에 의해 측정된 RDX의 기준펄스와 신호펄스를 제시하였다. 기준펄스는 35 psec ∼ 36.
본 논문에서는 다양한 분야에서 물질 분석에 관한 연구가 진행되고 있는 THz-TDS 시스템을 이용하여 폭발물질 RDX의 시간지연과 에너지 흡수를 비롯한 흡수 스펙트럼을 분석하였다. THz-TDS 시스템에 평행판 도파관을 제작하여 RDX를 분광, 물질의 고유 흡수 스펙트럼을 확인하였다. 평행판 도파관을 이용한 경우 물질의 특성을 나타내는 흡수 스펙트럼에서의 첨두값이 기존의 방법에 비해 매우 선명하게 고찰할 수 있음도 확인하였다.
THz-TDS 시스템을 이용하여 THz 대역에서의 폭발물질 RDX의 흡수 스펙트럼을 측정하기 위해 그림 3과 같이 평행판 도파관을 이용해 폭발 물질인 RDX를 측정하는 시스템을 구축하였다. 그림 3의 (a)는 미량 (700 ㎍)의 RDX 폭발물질을 넣은 평행판 도파관을 THz 빔 경로상에 위치시킨 사진이며 그림 3의 (b)는 도파관 안의 아래쪽에는 폭발 물질을 넣고 위쪽에는 빈공간으로 남겨놓은 평행판 도파관의 구조를 제시한 것이다.
그림 3의 (a)는 미량 (700 ㎍)의 RDX 폭발물질을 넣은 평행판 도파관을 THz 빔 경로상에 위치시킨 사진이며 그림 3의 (b)는 도파관 안의 아래쪽에는 폭발 물질을 넣고 위쪽에는 빈공간으로 남겨놓은 평행판 도파관의 구조를 제시한 것이다. 따라서 기준펄스의 측정은 도파관 위쪽의 빈 공간에 테라헤르츠 파를 입사시켜서 실시하였으며 신호펄스의 측정은 폭발 물질이 탑재된 도파관의 아래쪽에 테라헤르츠 파를 입사시켜 실시하였다.
본 논문에서는 다양한 분야에서 물질 분석에 관한 연구가 진행되고 있는 THz-TDS 시스템을 이용하여 폭발물질 RDX의 시간지연과 에너지 흡수를 비롯한 흡수 스펙트럼을 분석하였다. THz-TDS 시스템에 평행판 도파관을 제작하여 RDX를 분광, 물질의 고유 흡수 스펙트럼을 확인하였다.
본 논문에서는 평행판 도파관 (Parallel plate waveguide : PPWG)을 이용하여 분말 가루 형태의 폭발물질인 RDX의 고유 흡수 스펙트럼을 분석하였다. 실험결과, 평행판 도파관을 이용한 THz TDS 분석은 기존의 Teflon sample을 이용한 THz TDS 분석에 비해 극히 미량만으로도 폭발물질을 분석할 수 있었다.
실험을 실시하기에 앞서 광 초퍼와 수분에 의한 영향을 조사하였다. 광 초퍼의 경우, 실험 시스템의 진동을 야기할 수 있으며 수분의 경우 결과 분석에 잡음으로 작용할 수 있다.

대상 데이터

모드 잠김 방식의 Ti:Sapphire 펨토초 레이저는 15 ∼ 30 fs의 펄스폭과 80 MHz의 반복률로 중심 파장 795 nm, 펄스폭 62 nm의 펄스 파를 방사한다. 테라헤르츠 파의 발진 및 검출하기 위한 광전도안테나는 Low-Temperature-Grown GaAs (LT-GaAs)로 제작하여 사용했다. 발진 및 검출 안테나에 입력되는 펨토초 레이저의 파워는 각각 40 및 20 mW, 발진기에 가해지는 바이어스 전압은 15 ∼ 21 V였다.

성능/효과

1의 편차를 보여주었다. 따라서 본 실험실 환경에서 광 초퍼의 주파수에 의한 편차는 심각하지 않은 것으로 확인되었다. 또한 400 Hz 경우 작은 진동과 소리가 발생하였는데 이는 완충판의 설치로 인해 큰 영향을 받지 않는 것으로 판단되고 속도가 낮을수록 스펙트럼의 크기가 커지는 것을 확인할 수 있었다.
따라서 본 실험실 환경에서 광 초퍼의 주파수에 의한 편차는 심각하지 않은 것으로 확인되었다. 또한 400 Hz 경우 작은 진동과 소리가 발생하였는데 이는 완충판의 설치로 인해 큰 영향을 받지 않는 것으로 판단되고 속도가 낮을수록 스펙트럼의 크기가 커지는 것을 확인할 수 있었다.
5 THz였다. 또한 RDX에 의한 에너지 흡수가 특정한 주파수 대역에서 보이는 것을 주파수 스펙트럼으로 확인할 수 있었다. 그림 6(c)는 RDX 고유 흡수 스펙트럼을 나타내었으며 약 0.
72 THz의 주파수에서 수분에 의한 흡수가 관찰되었다. 또한 수분을 1 %미만으로 제거하면 수분(15%)에 의한 스펙트럼보다 선명한 스펙트럼 결과를 얻을 수 있었으며 이로부터 실험 장치 내의 수분 제거가 중요한 실험 요소임을 확인할 수 있었다.
9 psec에서 관찰되었으며, 신호펄스는 34 psec ～ 40 psec에서 관찰되었다. 신호펄스는 기준펄스에 비해 RDX 흡수로 인해 약 1/3의 크기 변화가 관찰됨을 알 수 있었다. 그림 6(b)에서 제시된 평행판 도파관에 의한 주파수 범위는 기준펄스의 경우 0 ～ 2.
본 논문에서는 평행판 도파관 (Parallel plate waveguide : PPWG)을 이용하여 분말 가루 형태의 폭발물질인 RDX의 고유 흡수 스펙트럼을 분석하였다. 실험결과, 평행판 도파관을 이용한 THz TDS 분석은 기존의 Teflon sample을 이용한 THz TDS 분석에 비해 극히 미량만으로도 폭발물질을 분석할 수 있었다. 이러한 결과는 추후 평행판 도파관 이용한 THz TDS 분석이 극미량의 생화학 물질 분석 등으로도 활용범위를 확대할 수 있을 것으로 기대된다 [7-8].
96의 주파수에서 흡수 스펙트럼을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 PPWG에 의한 분석이 참고문헌 [10]에 제시된 Teflon sample cell을 이용한 THz-TDS 분석에 비해 현격하게 적은 RDX 시료를 사용했음에도 불구하고 정확하고 분명한 흡수 스펙트럼 값을 얻을 수 있음을 의미한다. 여기서 주목할 수 있는 중요한 점은 Teflon sample cell에 의한 측정에서 관찰되지 않았던 1.
THz-TDS 시스템에 평행판 도파관을 제작하여 RDX를 분광, 물질의 고유 흡수 스펙트럼을 확인하였다. 평행판 도파관을 이용한 경우 물질의 특성을 나타내는 흡수 스펙트럼에서의 첨두값이 기존의 방법에 비해 매우 선명하게 고찰할 수 있음도 확인하였다.

후속연구

따라서 본 논문에 제시된 평행판 도파관을 이용한 THz-TDS 시스템을 이용할 경우, 실험된 폭발 물질 이외의 다양한 폭발물 검출이 용이할 것으로 생각되며 이를 통한 지뢰 감지, 폭발물 장치 발견, 폭발물 검색기술이 한층 발전할 것으로 기대된다. 또한 공항과 주요 시설물에서의 보안 검색에서 폭발물에 대한 테라헤르츠 파 영역의 진동지문을 제공함으로서 인체에 유해한 X-ray 검사 방법을 대체할 수 있는 새로운 검색 시스템으로의 발전가능성이 매우 높다고 보여 진다.
따라서 본 논문에 제시된 평행판 도파관을 이용한 THz-TDS 시스템을 이용할 경우, 실험된 폭발 물질 이외의 다양한 폭발물 검출이 용이할 것으로 생각되며 이를 통한 지뢰 감지, 폭발물 장치 발견, 폭발물 검색기술이 한층 발전할 것으로 기대된다. 또한 공항과 주요 시설물에서의 보안 검색에서 폭발물에 대한 테라헤르츠 파 영역의 진동지문을 제공함으로서 인체에 유해한 X-ray 검사 방법을 대체할 수 있는 새로운 검색 시스템으로의 발전가능성이 매우 높다고 보여 진다.
실험결과, 평행판 도파관을 이용한 THz TDS 분석은 기존의 Teflon sample을 이용한 THz TDS 분석에 비해 극히 미량만으로도 폭발물질을 분석할 수 있었다. 이러한 결과는 추후 평행판 도파관 이용한 THz TDS 분석이 극미량의 생화학 물질 분석 등으로도 활용범위를 확대할 수 있을 것으로 기대된다 [7-8].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	분말 가루 형태의 폭발물질인 RDX의 고유 흡수 스펙트럼을 분석한 결과 폭발물질 분석에 더 유리한 분석방법은?	본 논문에서는 평행판 도파관 (Parallel plate waveguide : PPWG)을 이용하여 분말 가루 형태의 폭발물질인 RDX의 고유 흡수 스펙트럼을 분석하였다. 실험결과, 평행판 도파관을 이용한 THz TDS 분석은 기존의 Teflon sample을 이용한 THz TDS 분석에 비해 극히 미량만으로도 폭발물질을 분석할 수 있었다. 이러한 결과는 추후 평행판 도파관 이용한 THz TDS 분석이 극미량의 생화학 물질 분석 등으로도 활용범위를 확대할 수 있을 것으로 기대된다 [7-8].
	테라헤르츠 (Terhertz, THz)파란?	테라헤르츠 (Terhertz, THz)파는 마이크로파와 적외선 사이의 주파수 대역으로 0.1 ～ 10 THz의 주파수 범위를 가지며 1 THz는 1 ps 진동수를 가진다. 또한 테라헤르츠 파는 30 ㎛의 파장, 33 ㎝-1의 파수, 에너지로는 4.1 meV에 해당하고 등가온도는 47.6 K를 가지는 원 적외선 영역의 전자기파이다. 더불어 테라헤르츠 파는 전파와 광파의 중간 성질을 가지며 일반적으로 사용되는 전자 및 광학기술로 테라헤르츠 파의 발생과 측정이 어려워 1990년대 초반까지 “THz Gap"이라 알려져 왔다. 그러나 최근에 반도체 재료기술의 발전과 광, 나노 기술의 발전으로 테라헤르츠 파 영역에서 많은 진전이 이루어졌다. 테라헤르츠 파 기술은 마이크로파와 광파가 투과 할 수 없는 물질을 쉽게 투과하고, 광파가 가지는 직진성을 동시에 지니고 있어 시간영역 분광학(THz Time Domain Spectroscopy : THz-TDS) 및 THz-Imging 등의 기술과 더불어 의료, 물리, 화학, 생물, 보안, 국방, 환경, 신물질 개발, 통신 분야 등 다양한 분야로 그 응용범위가 확대되고 있다 [1-2].
	테라헤르츠 파 기술의 활용분야는?	그러나 최근에 반도체 재료기술의 발전과 광, 나노 기술의 발전으로 테라헤르츠 파 영역에서 많은 진전이 이루어졌다. 테라헤르츠 파 기술은 마이크로파와 광파가 투과 할 수 없는 물질을 쉽게 투과하고, 광파가 가지는 직진성을 동시에 지니고 있어 시간영역 분광학(THz Time Domain Spectroscopy : THz-TDS) 및 THz-Imging 등의 기술과 더불어 의료, 물리, 화학, 생물, 보안, 국방, 환경, 신물질 개발, 통신 분야 등 다양한 분야로 그 응용범위가 확대되고 있다 [1-2].

참고문헌 (10)

X-C.Zhang and Jingzhou Xu, "Introduction to THz Wave Photonics", Springer, July 2009.
B.B. Hu and M. C. Nuss, "Imaging with terahertz waves", Optics Letters., vol. 20, pp. 1716-1718, 1995.

상세보기
M C kemp et. al., "Security applications of terahertz technology", Pro. of SPIE, vol. 5070, pp. 44-52, 2003.
J. Chen et. al., "Absorption coefficients of selected explosives and related compounds in the range of 0.1 - 2.8 THz", Opt. Exp, vol. 5, pp. 12060-12067, 2007.
N. Laman et. al., "High resolusion waveguide THz spectroscopy of biological molecules", Biophysics J., vol. 94, pp. 1010-1020, 2008.

상세보기
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G. Gallot. S. P. Jamison, R. W. McGowan, and D. Grischkowsky, "Terahertz waveguides", J. Opt. Soc. Am. B, vol. 17, pp. 851-863, 2000.

상세보기
A. Bingham, Y. Zhao, and D. Grischkowsky, "THz parallel plate photonic waveguide", Appl. Phys. Lett., vol. 87, pp. 5110-5117, 2005.
Seung Beom Kang et. al., "Optical and Dielectric Properties of Chalcogenide Glasses at Terahertz Frequencies", ETRI Journal, vol. 31, pp. 667-674, 2009.

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Byung Hwa Yoo et. al., "Guided wave specroscopy of explosive materials", J. of Korean Institue of Electromagnetic Eng. and Sci. vol. 11, no. 1 pp. 42-50, 2011.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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