太赫茲波探測技術論文(2)
太赫茲波探測技術論文
太赫茲波探測技術論文篇二
利用太赫茲技術檢測土壤中農(nóng)藥含量的猜想
【摘 要】我國土壤污染的總體形勢嚴峻，土壤污染導致了嚴重的直接經(jīng)濟損失。對于土壤中的有機污染的探測及治理迫在眉睫。新興技術太赫茲技術被廣泛應用于公共安全、環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)學、天文觀測、軍事及通訊等領域。本文就利用太赫茲技術檢測土壤中的有機物含量進行了猜想。
【關鍵詞】太赫茲技術 土壤污染 含量檢測 太赫茲成像
【中圖分類號】TN29 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-4810(2014)22-0189-02
一 我國土壤污染現(xiàn)狀與危害
1.土壤污染的現(xiàn)狀
目前，我國土壤污染的總體形勢嚴峻，部分地區(qū)土壤污染嚴重，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)和高風險區(qū)。土壤污染類型多樣，呈現(xiàn)出新老污染物并存、無機有機復合污染的局面。土壤污染途徑多，原因復雜，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，全社會防治污染意識不強。由土壤污染引發(fā)的農(nóng)產(chǎn)品質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穩(wěn)定的重要因素。
2.土壤污染的危害
第一，土壤污染導致嚴重的直接經(jīng)濟損失。初步統(tǒng)計，全國受污染的耕地約有1000萬畝，有機污染物污染農(nóng)田達3600萬畝，主要農(nóng)產(chǎn)品的農(nóng)藥殘留超標率高達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)濟損失約200億元。
第二，土壤污染導致生物產(chǎn)品品質不斷下降。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或接近臨界值。每年轉化成為污染物進入環(huán)境的氮素達1000萬噸，農(nóng)產(chǎn)品中的硝酸鹽和亞硝酸鹽污染嚴重。農(nóng)膜污染土壤面積超過780萬畝，殘存的農(nóng)膜對土壤毛細管水產(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。
第三，土壤污染危害人體健康。土壤污染會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 太赫茲科學與技術
1.太赫茲技術
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，處于宏觀電子學向微觀光子學的過渡階段。早期太赫茲在不同的領域有不同的名稱，在光學領域被稱為遠紅外，而在電子學領域，則稱其為亞毫米波、超微波等。在20世紀80年代中期之前，太赫茲波段兩側的紅外和微波技術發(fā)展相對比較成熟，但是人們對太赫茲波段的認識仍然非常有限，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，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識別、雷達通信、電子對抗、電磁武器、生物醫(yī)藥、航空航天、無損檢測、安全檢查等領域有著廣泛的應用。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，這為太赫茲波技術的廣泛應用打下了良好的基礎。在此背景下，太赫茲相關課題的研究也顯著升溫，各國政府也對太赫茲技術給予了高度的重視。2004年，美國政府將太赫茲技術稱為改變未來世界的十大科技之一。2005年，日本將太赫茲技術列為國家支柱的十大重點戰(zhàn)略目標之一。我國政府也對太赫茲技術給予了關注，2005年11月，組織多名國內(nèi)外太赫茲領域研究專家和學者在香山召開學術會議，共同探討了中國太赫茲技術的發(fā)展方向，并共同制定了我國太赫茲科技發(fā)展規(guī)劃?，F(xiàn)在，全球共有數(shù)百個研究小組在進行太赫茲領域的研究?？梢姡掌濐I域的研究正迸發(fā)出蓬勃的生命力和巨大的潛能。
2.太赫茲時域光譜系統(tǒng)
隨著飛秒激光技術的逐漸成熟，太赫茲時域光譜(THz-TDS)技術從20世紀80年代開始得到了快速發(fā)展。它是由美國AT&T通訊公司的Bell實驗室和公司的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手段，可作為紅外光譜技術和X射線探測技術的有益補充。其基本原理是：用飛秒激光照射太赫茲輻射源(如光導天線或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光與太赫茲脈沖之間的光程差，借助太赫茲探測器的作用獲得整個太赫茲時域波形。將樣品信號與自由空間中傳播的太赫茲脈沖的信號進行對比，分析幅值與相位的變化，并通過合理的算法算出樣品的復折射率、介電常數(shù)、吸收系數(shù)和電導率等信息根據(jù)樣品性質的不同和測試要求的不同，太赫茲時域光譜系統(tǒng)可分為透射式太赫茲時域光譜系統(tǒng)(以下簡稱“透射式系統(tǒng)”)和反射式太赫茲時域光譜系統(tǒng)(以下簡稱“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，通過太赫茲電場的幅值和相位可計算得到樣品的折射率和吸收。
三 將太赫茲技術應用于土壤中殘留農(nóng)藥含量的測定
1.太赫茲技術的應用
由于太赫茲技術的特殊性質，它被應用于公共安全、環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)學、天文觀測、軍事及通訊等領域。據(jù)了解，已有先人在各個領域上做過研究，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;首都師范大學的研究生利用太赫茲技術對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對土壤中的有機物(農(nóng)藥殘留等)進行研究。
2.利用太赫茲技術研究土壤中有機物含量的方法
根據(jù)太赫茲技術在藥物化學領域的應用情況，利用太赫茲成像技術，就是將THz波光譜分辨性與成像技術相結合，可以實現(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物體的形狀，還能根據(jù)其光譜特性分辨出被檢測物體的組成。利用此技術便可將土壤中提取出的有機物的含量及性質呈現(xiàn)出來。并根據(jù)不同的含量建立出標準數(shù)據(jù)庫。這樣便可以對待測土壤先進行監(jiān)測然后根據(jù)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)得出結論：該土壤中的農(nóng)藥殘留含量。以此作為探測土壤中有機物含量的方法。
四 結束語
面對目前土壤污染的總體嚴峻形勢，且新興技術迅速發(fā)展的趨勢。利用新興技術太赫茲技術來研究當前熱點問題是新一代研究者的目標和方向。根據(jù)如今太赫茲廣泛研究的成功，以及將太赫茲技術應用于突然檢測的可行性，利用太赫茲技術檢測土壤中的農(nóng)藥含量的猜想是可行的。
參考文獻
[1]熊嚴軍.我國土壤污染現(xiàn)狀及治理措施[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2010(8)
[2]牧凱軍、張振偉、張存林等.太赫茲科學與技術[J].中國電子科學研究院學報，2009(3)
[3]岳凌月.利用太赫茲技術檢測水中污染物的初步研究[D].首都師范大學，2013
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