太赫兹波探测技术论文(2)
太赫兹波探测技术论文
太赫兹波探测技术论文篇二
利用太赫兹技术检测土壤中农药含量的猜想
【摘 要】我国土壤污染的总体形势严峻，土壤污染导致了严重的直接经济损失。对于土壤中的有机污染的探测及治理迫在眉睫。新兴技术太赫兹技术被广泛应用于公共安全、环境监测、生物医学、天文观测、军事及通讯等领域。本文就利用太赫兹技术检测土壤中的有机物含量进行了猜想。
【关键词】太赫兹技术 土壤污染 含量检测 太赫兹成像
【中图分类号】TN29 【文献标识码】A 【文章编号】1674-4810(2014)22-0189-02
一 我国土壤污染现状与危害
1.土壤污染的现状
目前，我国土壤污染的总体形势严峻，部分地区土壤污染严重，在重污染企业或工业密集区、工矿开采区及周边地区、城市和城郊地区出现了土壤重污染区和高风险区。土壤污染类型多样，呈现出新老污染物并存、无机有机复合污染的局面。土壤污染途径多，原因复杂，控制难度大。土壤环境监督管理体系不健全，土壤污染防治投入不足，全社会防治污染意识不强。由土壤污染引发的农产品质量安全问题和群体性事件逐年增多，成为影响群众身体健康和社会稳定的重要因素。
2.土壤污染的危害
第一，土壤污染导致严重的直接经济损失。初步统计，全国受污染的耕地约有1000万亩，有机污染物污染农田达3600万亩，主要农产品的农药残留超标率高达16%～20%;污水灌溉污染耕地216.7万亩，固体废弃物堆存占地和毁田13.3万亩。每年因土壤污染减产的粮食超过1000万吨，造成各种经济损失约200亿元。
第二，土壤污染导致生物产品品质不断下降。因农田施用化肥，大多数城市近郊土壤都受到不同程度的污染，许多地方的粮食、蔬菜、水果等食物中镉、砷、铬、铅等重金属含量超标或接近临界值。每年转化成为污染物进入环境的氮素达1000万吨，农产品中的硝酸盐和亚硝酸盐污染严重。农膜污染土壤面积超过780万亩，残存的农膜对土壤毛细管水产生阻流作用，恶化土壤物理性状，影响土壤通气透水，影响农作物产量和农产品品质。
第三，土壤污染危害人体健康。土壤污染会使污染物在植物体内积累，并通过食物链富集到人体和动物体中，危害人体健康，引发癌症和其他疾病。
二 太赫兹科学与技术
1.太赫兹技术
太赫兹(Terahertz，1THz=1012Hz)泛指频率在0.1～10THz波段内的电磁波，位于红外和微波之间，处于宏观电子学向微观光子学的过渡阶段。早期太赫兹在不同的领域有不同的名称，在光学领域被称为远红外，而在电子学领域，则称其为亚毫米波、超微波等。在20世纪80年代中期之前，太赫兹波段两侧的红外和微波技术发展相对比较成熟，但是人们对太赫兹波段的认识仍然非常有限，形成了所谓的“THz Gap”。
上图为太赫兹波在电磁波谱中所处的位置。太赫兹波具有一些其他波段电磁波所不具备的特殊性质，如低能性、宽带性、相干性、瞬态性、透视性、指纹性、水吸收特性等，这些特性使太赫兹波在物质识别、雷达通信、电子对抗、电磁武器、生物医药、航空航天、无损检测、安全检查等领域有着广泛的应用。随着飞秒激光的快速发展，电磁波的产生问题得到了初步解决，这为太赫兹波技术的广泛应用打下了良好的基础。在此背景下，太赫兹相关课题的研究也显著升温，各国政府也对太赫兹技术给予了高度的重视。2004年，美国政府将太赫兹技术称为改变未来世界的十大科技之一。2005年，日本将太赫兹技术列为国家支柱的十大重点战略目标之一。我国政府也对太赫兹技术给予了关注，2005年11月，组织多名国内外太赫兹领域研究专家和学者在香山召开学术会议，共同探讨了中国太赫兹技术的发展方向，并共同制定了我国太赫兹科技发展规划。现在，全球共有数百个研究小组在进行太赫兹领域的研究。可见，太赫兹领域的研究正迸发出蓬勃的生命力和巨大的潜能。
2.太赫兹时域光谱系统
随着飞秒激光技术的逐渐成熟，太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术从20世纪80年代开始得到了快速发展。它是由美国AT&T通讯公司的Bell实验室和公司的T.J.Watson研究中心提出并逐渐发展起来的，这是一种非常有效的相干探测手段，可作为红外光谱技术和X射线探测技术的有益补充。其基本原理是：用飞秒激光照射太赫兹辐射源(如光导天线或ZnTe晶体)，得到宽带太赫兹脉冲。使太赫兹脉冲透过样品或在样品表面反射，从而携带样品上的信息。通过延迟线改变探测光与太赫兹脉冲之间的光程差，借助太赫兹探测器的作用获得整个太赫兹时域波形。将样品信号与自由空间中传播的太赫兹脉冲的信号进行对比，分析幅值与相位的变化，并通过合理的算法算出样品的复折射率、介电常数、吸收系数和电导率等信息根据样品性质的不同和测试要求的不同，太赫兹时域光谱系统可分为透射式太赫兹时域光谱系统(以下简称“透射式系统”)和反射式太赫兹时域光谱系统(以下简称“反射式系统”)。在透射式系统中，太赫兹波穿过样品，携带上样品的信息，通过太赫兹电场的幅值和相位可计算得到样品的折射率和吸收。
三 将太赫兹技术应用于土壤中残留农药含量的测定
1.太赫兹技术的应用
由于太赫兹技术的特殊性质，它被应用于公共安全、环境监测、生物医学、天文观测、军事及通讯等领域。据了解，已有先人在各个领域上做过研究，如日本研制出的无线通信演示系统完成了世界上首例通讯演示;首都师范大学的研究生利用太赫兹技术对水中污染物的研究等。到目前为止，还没有人利用太赫兹技术对土壤中的有机物(农药残留等)进行研究。
2.利用太赫兹技术研究土壤中有机物含量的方法
根据太赫兹技术在药物化学领域的应用情况，利用太赫兹成像技术，就是将THz波光谱分辨性与成像技术相结合，可以实现THz波的功能性成像。在THz光谱成像中，不但可以显示出被检测物体的形状，还能根据其光谱特性分辨出被检测物体的组成。利用此技术便可将土壤中提取出的有机物的含量及性质呈现出来。并根据不同的含量建立出标准数据库。这样便可以对待测土壤先进行监测然后根据数据库的数据得出结论：该土壤中的农药残留含量。以此作为探测土壤中有机物含量的方法。
四 结束语
面对目前土壤污染的总体严峻形势，且新兴技术迅速发展的趋势。利用新兴技术太赫兹技术来研究当前热点问题是新一代研究者的目标和方向。根据如今太赫兹广泛研究的成功，以及将太赫兹技术应用于突然检测的可行性，利用太赫兹技术检测土壤中的农药含量的猜想是可行的。
参考文献
[1]熊严军.我国土壤污染现状及治理措施[J].现代农业科技，2010(8)
[2]牧凯军、张振伟、张存林等.太赫兹科学与技术[J].中国电子科学研究院学报，2009(3)
[3]岳凌月.利用太赫兹技术检测水中污染物的初步研究[D].首都师范大学，2013
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