[Zurück]

B. Zachhuber:
"Stand-off Raman Spectroscopy for the Detection of Explosives";
Betreuer/in(nen), Begutachter/in(nen): B. Lendl, H. Oestmark; Chemische Technologie und Analytik, 2012; Rigorosum: 03/2012.

Um modernen Terrorismus eindämmen zu können bedarf es, unter anderem, Analysatoren, um das Ausmaß einer bestimmten Bedrohung (z.B. verdächtiges Packet oder Fahrzeug) zu quantifizieren. Im EU FP-7 Projekt "OPTIX" werden drei Methoden kombiniert um Sprengstoffe aus einer Entfernung von 20 Metern zu identifizieren: Laserinduzierte Breakdown Spektroskopie, Infrarot Spektroskopie und Raman Spektroskopie.
Diese Dissertation behandelt dabei die Entwicklung des stand-off Raman Systems, seine Optimierung und Charakterisierung. Das System besteht aus einem gepulsten Laser (Nd:YAG 532, 355 oder 266 nm) zur Probenanregung, einem Teleskop um das Signal der Probe zu bündeln, einem Spektrographen um die spektrale Information aufzutrennen, sowie einer intensivierten CCD-Kamera, die mit dem Laser synchronisiert ist, die Störung durch Tageslicht und Fluoreszenz zu vermeiden.
Realistische Szenarien wurden simuliert indem Sprengstoffe auf unterschiedlichem Hintergrundmaterial (Kunststoffe, Autotüren, ...) aufgebracht wurden. Außerdem wurden die Sprengstoffe mit Substanzen gemischt, die eine korrekte Identifizierung erschweren. Dabei begrenzte die Länge des verfügbaren Testgeländes die Untersuchungen auf 100 Meter. In 20 Meter Entfernung wurden Detektionslimits ermittelt um die Möglichkeit der Sprengstoff-Spurenanalyse abschätzen zu können.
Weiters konnten feste und flüssige Reinstoffen quantifiziert werden und mittels multivariaten Kalibration wurde die Quantifizierung auf eine ternäre Isomer-Mischung ausgeweitet.
Eine Stand-off-Methode wurde entwickelt, die es erlaubt, Substanzen in Gefäßen zu detektieren, die für das menschliche Auge völlig undurchsichtig sind. Um das zu erreichen wurde die Stand-off Raman Spektroskopie mit Spatial Offset Raman Spektroskopie (SORS) kombiniert. Eine Alternative um Stoffe hinter undurchsichtigen Materialien zu messen, wurde in der zeitaufgelösten Raman Spektroskopie gefunden. Durch die relative lange Zeit, die Licht zum Durchqueren diffus streuenden Materials benötigt, können Signale verpackter Substanzen getrennt vom Signal der Verpackung aufgezeichnet werden.
Außerdem, wurde das Konzept der zeitaufgelösten Raman Spektroskopie auf ausgedehntere Messbereiche angewandt. Dabei erlaubten die unterschiedlichen Flugzeiten des Lichts die Positionsbestimmung des Signalursprungs entlang der Laser/Teleskop-Achse. Wird diese Technik um einen zweidimensionalen Scanner erweitert kann ein dreidimensionales, chemisches Bild ermittelt werden.
Außerdem wurden Experimente mit ultravioletter Probenanregung (355 und 266 nm) durchgeführt um den Einfluss auf das detektierbare Ramansignal zu bestimmen.

Meeting the requirements of today´s counter terrorism necessitates the development of analytical tools which quantify how dangerous a particular threat (i.e. suspicious parcel or vehicle) is. Within the EU FP-7 project "OPTIX" three methods will be combined for the detection and identification of explosives at a distance of 20 metres: laser induced breakdown spectroscopy, infrared spectroscopy and Raman spectroscopy.
This thesis covers the building of the stand-off Raman system, its optimisation and characterisation. The system consists of a pulsed laser (Nd:YAG 532, 355 or 266 nm) for sample excitation, a telescope for signal collection, a spectrograph to separate spectral information and an intensified charge-coupled device camera which is synchronised to the pulsed laser to avoid the collection of daylight and fluorescence.
To meet the challenging situations in real measurement scenarios explosives were analysed on different background materials (plastics, car doors) and were tested in mixtures which complicate a successful identification. Due to constraints of the testing ground the identification of substances was limited to a distance of 100 metres. Limits of detection were evaluated to estimate the capability of explosive trace detection at the distance of 20 metres. In addition, quantitative information was obtained from pure solids and liquids. Furthermore, three compounds in an isomere mixture were simultaneously quantified, via multivariate calibration.
A stand-off method was invented which allows the analysis of substances in bottles which are non-transparent to the human eye. This was achieved by combining stand-off Raman spectroscopy with Spatial Offset Raman Spectroscopy (SORS). Alternatively, time-gated Raman spectroscopy was employed to selectively determine substances behind a non-transparent barrier. This is possible due to the relatively long photon migration time in diffusely scattering media. Furthermore, the concept of time-resolved stand-off Raman spectroscopy was applied to more extended measurement ranges. In this case the difference in photon time of flight allows the determination of the signal origin along the laser/telescope axis. Together with a two-dimensional scanner this is the basis for three dimensional chemical imaging at stand-off distances.
Moreover, measurements with ultraviolet excitation (355 and 266 nm) were conducted to evaluate the influence on the detected Raman signal.