太赫茲波探測技術(shù)論文(2)
太赫茲波探測技術(shù)論文
太赫茲波探測技術(shù)論文篇二
利用太赫茲技術(shù)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(dǎo)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(shù)太赫茲技術(shù)被廣泛應(yīng)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(lǐng)域。本文就利用太赫茲技術(shù)檢測土壤中的有機物含量進行了猜想。
【關(guān)鍵詞】太赫茲技術(shù) 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(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，全社會防治污染意識不強。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(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或接近臨界值。每年轉(zhuǎn)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(zhì)。
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(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，處于宏觀電子學向微觀光子學的過渡階段。早期太赫茲在不同的領(lǐng)域有不同的名稱，在光學領(lǐng)域被稱為遠紅外，而在電子學領(lǐng)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(cè)的紅外和微波技術(shù)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(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(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，各國政府也對太赫茲技術(shù)給予了高度的重視。2004年，美國政府將太赫茲技術(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(shù)給予了關(guān)注，2005年11月，組織多名國內(nèi)外太赫茲領(lǐng)域研究專家和學者在香山召開學術(shù)會議，共同探討了中國太赫茲技術(shù)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(lǐng)域的研究。可見，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.太赫茲時域光譜系統(tǒng)
隨著飛秒激光技術(shù)的逐漸成熟，太赫茲時域光譜(THz-TDS)技術(shù)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(shù)和X射線探測技術(shù)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(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(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(shù)應(yīng)用于土壤中殘留農(nóng)藥含量的測定
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、生物醫(yī)學、天文觀測、軍事及通訊等領(lǐng)域。據(jù)了解，已有先人在各個領(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;首都師范大學的研究生利用太赫茲技術(shù)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(shù)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(shù)研究土壤中有機物含量的方法
根據(jù)太赫茲技術(shù)在藥物化學領(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(shù)便可將土壤中提取出的有機物的含量及性質(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(jié)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(jié)束語
面對目前土壤污染的總體嚴峻形勢，且新興技術(shù)迅速發(fā)展的趨勢。利用新興技術(shù)太赫茲技術(shù)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(shù)應(yīng)用于突然檢測的可行性，利用太赫茲技術(shù)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(shù)[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(shù)檢測水中污染物的初步研究[D].首都師范大學，2013
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