劉鴻源　徐碩　馬得茗

摘 要：社會(huì)發(fā)展帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題，由此催生了對(duì)氣體檢測(cè)技術(shù)的需求。在太赫茲波段內(nèi)，很多環(huán)境污染信息吸收特性非常強(qiáng)，基于此運(yùn)用太赫茲光譜技術(shù)對(duì)大氣污染物中的污染物進(jìn)行檢測(cè)具備理論可能。本文在此針對(duì)單一氣體、混合氣體以及識(shí)別同素異形體檢測(cè)中，如何運(yùn)用太赫茲光譜技術(shù)進(jìn)行研究，為行業(yè)發(fā)展提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

關(guān)鍵詞：氣體檢測(cè);太赫茲光譜技術(shù);大氣污染

引言

以往粗獷的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，帶來(lái)了非常嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題，尤以大氣污染最為突出。現(xiàn)階段，明確的污染大氣的成分已逾百余種，主要分為粉塵等氣溶膠狀的污染物與硫氧化物以及氮氧化合物等。而人類社會(huì)的快速發(fā)展，也在持續(xù)催生新污染物的產(chǎn)生，進(jìn)一步加劇了大氣污染的程度，催生了檢測(cè)大氣成分的需求。太赫茲具有很多電磁波并不具有的性質(zhì)，能夠同很多特殊的材料產(chǎn)生相互作用，對(duì)于環(huán)境和污染物檢測(cè)作用顯著。對(duì)于太赫茲波本身而言，其具有一定的寬帶性，單個(gè)脈波的頻帶能夠覆蓋的范圍，可以從幾赫茲到幾十太赫茲，因此對(duì)于分析物質(zhì)光譜性質(zhì)非常有利。除此之外，太赫茲波能夠通過(guò)氣象物質(zhì)，可以對(duì)低濃度極化氣體進(jìn)行探測(cè)，進(jìn)而更好的對(duì)污染進(jìn)行控制，因此在監(jiān)測(cè)氣體與保護(hù)環(huán)境等方面具有非常重要的實(shí)踐價(jià)值。

一、太赫茲光譜技術(shù)檢測(cè)單一氣體的應(yīng)用

對(duì)于太赫茲光譜而言，其性質(zhì)非常的獨(dú)特，在檢測(cè)氣體時(shí)所發(fā)揮的作用也非常大。通過(guò)運(yùn)用該技術(shù)，可以對(duì)很多氣體的吸收光譜進(jìn)行測(cè)量，其中包括一些極性氣體分子。針對(duì)污染環(huán)境的一些氣體，如甲醛和硫化氫等，運(yùn)用太赫茲波段吸收作用非常強(qiáng)，吸收峰特征顯著，比較適合運(yùn)用該技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)和觀察。

比如，在新世紀(jì)初期，國(guó)外學(xué)者運(yùn)用太赫茲光譜技術(shù)，對(duì)氨水蒸汽分子進(jìn)行測(cè)量，得到了該氣體分子的吸收與色散特性，并對(duì)其深入分析。在分子轉(zhuǎn)向光譜分析方面，運(yùn)用了分子響應(yīng)理論，并將控制參量設(shè)定為分子響應(yīng)的時(shí)間。通過(guò)運(yùn)用該理論，得出的氨氣的吸收與色散譜線，同實(shí)驗(yàn)取得的結(jié)果基本相符，也驗(yàn)證了運(yùn)用太赫茲光譜技術(shù)檢測(cè)單一氣體的科學(xué)性與準(zhǔn)確性[1]。自此之后，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)始結(jié)合更加先進(jìn)的理論，運(yùn)用太赫茲光譜技術(shù)的水平也不斷提升，檢測(cè)單一氣體的效果更好。從理論層面來(lái)看，運(yùn)用該技術(shù)，能夠擯除非常高比例的噪聲，測(cè)量信噪比相對(duì)較高，即便受到較強(qiáng)的輻射，仍然能夠?qū)我粴怏w進(jìn)行吸譜。在此之后，可以結(jié)合特定波長(zhǎng)吸收峰的大小，對(duì)所測(cè)單一氣體的濃度進(jìn)行計(jì)算。

二、太赫茲光譜技術(shù)檢測(cè)混合氣體的應(yīng)用

針對(duì)混合氣體，無(wú)法確定其成分時(shí)，可以運(yùn)用太赫茲光譜技術(shù)，根據(jù)吸收情況，對(duì)其中各種氣體化學(xué)組成及其濃度進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，以更好了解混合氣體的構(gòu)成。為對(duì)混合氣體進(jìn)行更好的檢測(cè)，尤其對(duì)于一些濃度相對(duì)較小的氣體，可以采用以光譜檢測(cè)為主，其他檢測(cè)為輔的檢測(cè)方法，同時(shí)對(duì)檢測(cè)的方法混合氣體的方法進(jìn)行不斷改進(jìn)。比如可以使用傳輸功率更高的光混頻器件，不斷強(qiáng)化太赫茲射線與被測(cè)氣體之間相互作用的強(qiáng)度，如可以利用多徑氣室，促使二者相互作用的長(zhǎng)度進(jìn)一步增加。

通過(guò)運(yùn)用普通光源，也可以分析混合氣體的成分和濃度，但是運(yùn)用太赫茲波具有諸多方面的優(yōu)勢(shì)，比如波長(zhǎng)相對(duì)較長(zhǎng)，穿透能力也因此更強(qiáng)，對(duì)于一些封閉的測(cè)量環(huán)境，也具有適用性;電子能量偏低，破壞被測(cè)氣體的程度比較有限?？傮w來(lái)看，運(yùn)用太赫茲光譜技術(shù)，對(duì)混合氣體的成分進(jìn)行測(cè)量與識(shí)別，具有非常積極的作用。結(jié)合各類氣體分子躍遷頻率的差異，就能夠?qū)旌蠚怏w中，各類氣體成分進(jìn)行準(zhǔn)備鑒別。

三、太赫茲光譜技術(shù)識(shí)別同素異形體的應(yīng)用

運(yùn)用太赫茲光譜技術(shù)，不僅可以對(duì)單一氣體和各類混合氣體進(jìn)行檢測(cè)，而且能夠有效區(qū)分各類氣體分子所具有的同素異形體，大大提升檢測(cè)的精確度。早在2007年，科學(xué)家就成功運(yùn)用太赫茲波對(duì)CO的同素異形體進(jìn)行了區(qū)分，取得了里程碑意義的成功[2]。最近幾年，寬頻可調(diào)諧太赫茲波技術(shù)得到了非?？焖俚陌l(fā)展，在對(duì)同素異形體進(jìn)行識(shí)別時(shí)，也得到了廣泛的應(yīng)用，順利實(shí)現(xiàn)了對(duì)CO12和13的透射譜的測(cè)量。根據(jù)測(cè)量的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，由于該種同素異形體轉(zhuǎn)動(dòng)常數(shù)并不相同，因此可以確保區(qū)分的可靠性。運(yùn)用該技術(shù)，在測(cè)量躍遷頻率與轉(zhuǎn)動(dòng)常數(shù)等方面，相對(duì)于傅里葉變換紅外光譜技術(shù)而言，精確度更高。

通過(guò)降低運(yùn)用該技術(shù)的輸出線寬，有助于光譜分辨率的有效提升。在最優(yōu)化設(shè)置太赫茲源后，能夠?qū)Ρ粶y(cè)量氣體同素異形體所需要的最小濃度進(jìn)行明確。在分離被測(cè)氣體的同素異形體時(shí)，在未來(lái)也很有可能使用到該技術(shù)，還需要業(yè)內(nèi)人士的共同努力。

結(jié)語(yǔ)

總體來(lái)看，太赫茲光譜技術(shù)信噪比相對(duì)較高，針對(duì)樣品成分任何微小的變化，運(yùn)用該技術(shù)都能夠快速有效的進(jìn)行分析與鑒別，而且該技術(shù)屬于非接觸測(cè)量技術(shù)，可以快速準(zhǔn)確的測(cè)量被檢測(cè)材料的物理信心。相對(duì)于傳統(tǒng)光譜技術(shù)，該技術(shù)還有很大的發(fā)展空間，隨著技術(shù)水平的提升，該技術(shù)在未來(lái)的應(yīng)用也將逐漸成熟，應(yīng)用范圍也會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展。

參考文獻(xiàn)

[1]尼浩，徐山森，冷文秀，等.真空環(huán)境下空氣的太赫茲光譜痕量檢測(cè)[J].現(xiàn)代科學(xué)儀器，2013（1）：120-123.

[2]常勝利，王曉峰，邵錚錚.太赫茲光譜技術(shù)原理及其應(yīng)用[J].國(guó)防科技，2015，36（2）：17-22.

作者簡(jiǎn)介：

劉鴻源，吉林長(zhǎng)春，本科，長(zhǎng)春理工大學(xué)，光電信息科學(xué)與工程 在校生。

徐碩，吉林農(nóng)安，本科，長(zhǎng)春理工大學(xué)，光電信息科學(xué)與工程 在校生。

馬得茗，甘肅景泰，本科，長(zhǎng)春理工大學(xué)，光電信息科學(xué)與工程在校生。