太赫茲波探測(cè)技術(shù)論文(2)
太赫茲波探測(cè)技術(shù)論文
太赫茲波探測(cè)技術(shù)論文篇二
利用太赫茲技術(shù)檢測(cè)土壤中農(nóng)藥含量的猜想
【摘 要】我國(guó)土壤污染的總體形勢(shì)嚴(yán)峻，土壤污染導(dǎo)致了嚴(yán)重的直接經(jīng)濟(jì)損失。對(duì)于土壤中的有機(jī)污染的探測(cè)及治理迫在眉睫。新興技術(shù)太赫茲技術(shù)被廣泛應(yīng)用于公共安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物醫(yī)學(xué)、天文觀測(cè)、軍事及通訊等領(lǐng)域。本文就利用太赫茲技術(shù)檢測(cè)土壤中的有機(jī)物含量進(jìn)行了猜想。
【關(guān)鍵詞】太赫茲技術(shù) 土壤污染 含量檢測(cè) 太赫茲成像
【中圖分類號(hào)】TN29 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-4810(2014)22-0189-02
一 我國(guó)土壤污染現(xiàn)狀與危害
1.土壤污染的現(xiàn)狀
目前，我國(guó)土壤污染的總體形勢(shì)嚴(yán)峻，部分地區(qū)土壤污染嚴(yán)重，在重污染企業(yè)或工業(yè)密集區(qū)、工礦開采區(qū)及周邊地區(qū)、城市和城郊地區(qū)出現(xiàn)了土壤重污染區(qū)和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。土壤污染類型多樣，呈現(xiàn)出新老污染物并存、無機(jī)有機(jī)復(fù)合污染的局面。土壤污染途徑多，原因復(fù)雜，控制難度大。土壤環(huán)境監(jiān)督管理體系不健全，土壤污染防治投入不足，全社會(huì)防治污染意識(shí)不強(qiáng)。由土壤污染引發(fā)的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全問題和群體性事件逐年增多，成為影響群眾身體健康和社會(huì)穩(wěn)定的重要因素。
2.土壤污染的危害
第一，土壤污染導(dǎo)致嚴(yán)重的直接經(jīng)濟(jì)損失。初步統(tǒng)計(jì)，全國(guó)受污染的耕地約有1000萬畝，有機(jī)污染物污染農(nóng)田達(dá)3600萬畝，主要農(nóng)產(chǎn)品的農(nóng)藥殘留超標(biāo)率高達(dá)16%～20%;污水灌溉污染耕地216.7萬畝，固體廢棄物堆存占地和毀田13.3萬畝。每年因土壤污染減產(chǎn)的糧食超過1000萬噸，造成各種經(jīng)濟(jì)損失約200億元。
第二，土壤污染導(dǎo)致生物產(chǎn)品品質(zhì)不斷下降。因農(nóng)田施用化肥，大多數(shù)城市近郊土壤都受到不同程度的污染，許多地方的糧食、蔬菜、水果等食物中鎘、砷、鉻、鉛等重金屬含量超標(biāo)或接近臨界值。每年轉(zhuǎn)化成為污染物進(jìn)入環(huán)境的氮素達(dá)1000萬噸，農(nóng)產(chǎn)品中的硝酸鹽和亞硝酸鹽污染嚴(yán)重。農(nóng)膜污染土壤面積超過780萬畝，殘存的農(nóng)膜對(duì)土壤毛細(xì)管水產(chǎn)生阻流作用，惡化土壤物理性狀，影響土壤通氣透水，影響農(nóng)作物產(chǎn)量和農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)。
第三，土壤污染危害人體健康。土壤污染會(huì)使污染物在植物體內(nèi)積累，并通過食物鏈富集到人體和動(dòng)物體中，危害人體健康，引發(fā)癌癥和其他疾病。
二 太赫茲科學(xué)與技術(shù)
1.太赫茲技術(shù)
太赫茲(Terahertz，1THz=1012Hz)泛指頻率在0.1～10THz波段內(nèi)的電磁波，位于紅外和微波之間，處于宏觀電子學(xué)向微觀光子學(xué)的過渡階段。早期太赫茲在不同的領(lǐng)域有不同的名稱，在光學(xué)領(lǐng)域被稱為遠(yuǎn)紅外，而在電子學(xué)領(lǐng)域，則稱其為亞毫米波、超微波等。在20世紀(jì)80年代中期之前，太赫茲波段兩側(cè)的紅外和微波技術(shù)發(fā)展相對(duì)比較成熟，但是人們對(duì)太赫茲波段的認(rèn)識(shí)仍然非常有限，形成了所謂的“THz Gap”。
上圖為太赫茲波在電磁波譜中所處的位置。太赫茲波具有一些其他波段電磁波所不具備的特殊性質(zhì)，如低能性、寬帶性、相干性、瞬態(tài)性、透視性、指紋性、水吸收特性等，這些特性使太赫茲波在物質(zhì)識(shí)別、雷達(dá)通信、電子對(duì)抗、電磁武器、生物醫(yī)藥、航空航天、無損檢測(cè)、安全檢查等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。隨著飛秒激光的快速發(fā)展，電磁波的產(chǎn)生問題得到了初步解決，這為太赫茲波技術(shù)的廣泛應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)。在此背景下，太赫茲相關(guān)課題的研究也顯著升溫，各國(guó)政府也對(duì)太赫茲技術(shù)給予了高度的重視。2004年，美國(guó)政府將太赫茲技術(shù)稱為改變未來世界的十大科技之一。2005年，日本將太赫茲技術(shù)列為國(guó)家支柱的十大重點(diǎn)戰(zhàn)略目標(biāo)之一。我國(guó)政府也對(duì)太赫茲技術(shù)給予了關(guān)注，2005年11月，組織多名國(guó)內(nèi)外太赫茲領(lǐng)域研究專家和學(xué)者在香山召開學(xué)術(shù)會(huì)議，共同探討了中國(guó)太赫茲技術(shù)的發(fā)展方向，并共同制定了我國(guó)太赫茲科技發(fā)展規(guī)劃?，F(xiàn)在，全球共有數(shù)百個(gè)研究小組在進(jìn)行太赫茲領(lǐng)域的研究?？梢?，太赫茲領(lǐng)域的研究正迸發(fā)出蓬勃的生命力和巨大的潛能。
2.太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)
隨著飛秒激光技術(shù)的逐漸成熟，太赫茲時(shí)域光譜(THz-TDS)技術(shù)從20世紀(jì)80年代開始得到了快速發(fā)展。它是由美國(guó)AT&T通訊公司的Bell實(shí)驗(yàn)室和公司的T.J.Watson研究中心提出并逐漸發(fā)展起來的，這是一種非常有效的相干探測(cè)手段，可作為紅外光譜技術(shù)和X射線探測(cè)技術(shù)的有益補(bǔ)充。其基本原理是：用飛秒激光照射太赫茲輻射源(如光導(dǎo)天線或ZnTe晶體)，得到寬帶太赫茲脈沖。使太赫茲脈沖透過樣品或在樣品表面反射，從而攜帶樣品上的信息。通過延遲線改變探測(cè)光與太赫茲脈沖之間的光程差，借助太赫茲探測(cè)器的作用獲得整個(gè)太赫茲時(shí)域波形。將樣品信號(hào)與自由空間中傳播的太赫茲脈沖的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，分析幅值與相位的變化，并通過合理的算法算出樣品的復(fù)折射率、介電常數(shù)、吸收系數(shù)和電導(dǎo)率等信息根據(jù)樣品性質(zhì)的不同和測(cè)試要求的不同，太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)可分為透射式太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱“透射式系統(tǒng)”)和反射式太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱“反射式系統(tǒng)”)。在透射式系統(tǒng)中，太赫茲波穿過樣品，攜帶上樣品的信息，通過太赫茲電場(chǎng)的幅值和相位可計(jì)算得到樣品的折射率和吸收。
三 將太赫茲技術(shù)應(yīng)用于土壤中殘留農(nóng)藥含量的測(cè)定
1.太赫茲技術(shù)的應(yīng)用
由于太赫茲技術(shù)的特殊性質(zhì)，它被應(yīng)用于公共安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物醫(yī)學(xué)、天文觀測(cè)、軍事及通訊等領(lǐng)域。據(jù)了解，已有先人在各個(gè)領(lǐng)域上做過研究，如日本研制出的無線通信演示系統(tǒng)完成了世界上首例通訊演示;首都師范大學(xué)的研究生利用太赫茲技術(shù)對(duì)水中污染物的研究等。到目前為止，還沒有人利用太赫茲技術(shù)對(duì)土壤中的有機(jī)物(農(nóng)藥殘留等)進(jìn)行研究。
2.利用太赫茲技術(shù)研究土壤中有機(jī)物含量的方法
根據(jù)太赫茲技術(shù)在藥物化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用情況，利用太赫茲成像技術(shù)，就是將THz波光譜分辨性與成像技術(shù)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)THz波的功能性成像。在THz光譜成像中，不但可以顯示出被檢測(cè)物體的形狀，還能根據(jù)其光譜特性分辨出被檢測(cè)物體的組成。利用此技術(shù)便可將土壤中提取出的有機(jī)物的含量及性質(zhì)呈現(xiàn)出來。并根據(jù)不同的含量建立出標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫。這樣便可以對(duì)待測(cè)土壤先進(jìn)行監(jiān)測(cè)然后根據(jù)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)得出結(jié)論：該土壤中的農(nóng)藥殘留含量。以此作為探測(cè)土壤中有機(jī)物含量的方法。
四 結(jié)束語
面對(duì)目前土壤污染的總體嚴(yán)峻形勢(shì)，且新興技術(shù)迅速發(fā)展的趨勢(shì)。利用新興技術(shù)太赫茲技術(shù)來研究當(dāng)前熱點(diǎn)問題是新一代研究者的目標(biāo)和方向。根據(jù)如今太赫茲廣泛研究的成功，以及將太赫茲技術(shù)應(yīng)用于突然檢測(cè)的可行性，利用太赫茲技術(shù)檢測(cè)土壤中的農(nóng)藥含量的猜想是可行的。
參考文獻(xiàn)
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[3]岳凌月.利用太赫茲技術(shù)檢測(cè)水中污染物的初步研究[D].首都師范大學(xué)，2013
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