淺談太赫茲光譜技術在氣體檢測中的應用

劉鴻源　徐碩　馬得茗

摘 要：社會發展帶來了嚴重的環境污染問題，由此催生了對氣體檢測技術的需求。在太赫茲波段內，很多環境污染信息吸收特性非常強，基于此運用太赫茲光譜技術對大氣污染物中的污染物進行檢測具備理論可能。本文在此針對單一氣體、混合氣體以及識別同素異形體檢測中，如何運用太赫茲光譜技術進行研究，為行業發展提供經驗借鑒。

關鍵詞：氣體檢測;太赫茲光譜技術;大氣污染

引言

以往粗獷的經濟發展模式，帶來了非常嚴重的環境污染問題，尤以大氣污染最為突出。現階段，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。而人類社會的快速發展，也在持續催生新污染物的產生，進一步加劇了大氣污染的程度，催生了檢測大氣成分的需求。太赫茲具有很多電磁波并不具有的性質，能夠同很多特殊的材料產生相互作用，對于環境和污染物檢測作用顯著。對于太赫茲波本身而言，其具有一定的寬帶性，單個脈波的頻帶能夠覆蓋的范圍，可以從幾赫茲到幾十太赫茲，因此對于分析物質光譜性質非常有利。除此之外，太赫茲波能夠通過氣象物質，可以對低濃度極化氣體進行探測，進而更好的對污染進行控制，因此在監測氣體與保護環境等方面具有非常重要的實踐價值。

一、太赫茲光譜技術檢測單一氣體的應用

對于太赫茲光譜而言，其性質非常的獨特，在檢測氣體時所發揮的作用也非常大。通過運用該技術，可以對很多氣體的吸收光譜進行測量，其中包括一些極性氣體分子。針對污染環境的一些氣體，如甲醛和硫化氫等，運用太赫茲波段吸收作用非常強，吸收峰特征顯著，比較適合運用該技術進行檢測和觀察。

比如，在新世紀初期，國外學者運用太赫茲光譜技術，對氨水蒸汽分子進行測量，得到了該氣體分子的吸收與色散特性，并對其深入分析。在分子轉向光譜分析方面，運用了分子響應理論，并將控制參量設定為分子響應的時間。通過運用該理論，得出的氨氣的吸收與色散譜線，同實驗取得的結果基本相符，也驗證了運用太赫茲光譜技術檢測單一氣體的科學性與準確性[1]。自此之后，國內外學者開始結合更加先進的理論，運用太赫茲光譜技術的水平也不斷提升，檢測單一氣體的效果更好。從理論層面來看，運用該技術，能夠擯除非常高比例的噪聲，測量信噪比相對較高，即便受到較強的輻射，仍然能夠對單一氣體進行吸譜。在此之后，可以結合特定波長吸收峰的大小，對所測單一氣體的濃度進行計算。

二、太赫茲光譜技術檢測混合氣體的應用

針對混合氣體，無法確定其成分時，可以運用太赫茲光譜技術，根據吸收情況，對其中各種氣體化學組成及其濃度進行準確測量，以更好了解混合氣體的構成。為對混合氣體進行更好的檢測，尤其對于一些濃度相對較小的氣體，可以采用以光譜檢測為主，其他檢測為輔的檢測方法，同時對檢測的方法混合氣體的方法進行不斷改進。比如可以使用傳輸功率更高的光混頻器件，不斷強化太赫茲射線與被測氣體之間相互作用的強度，如可以利用多徑氣室，促使二者相互作用的長度進一步增加。

通過運用普通光源，也可以分析混合氣體的成分和濃度，但是運用太赫茲波具有諸多方面的優勢，比如波長相對較長，穿透能力也因此更強，對于一些封閉的測量環境，也具有適用性;電子能量偏低，破壞被測氣體的程度比較有限。總體來看，運用太赫茲光譜技術，對混合氣體的成分進行測量與識別，具有非常積極的作用。結合各類氣體分子躍遷頻率的差異，就能夠對混合氣體中，各類氣體成分進行準備鑒別。

三、太赫茲光譜技術識別同素異形體的應用

運用太赫茲光譜技術，不僅可以對單一氣體和各類混合氣體進行檢測，而且能夠有效區分各類氣體分子所具有的同素異形體，大大提升檢測的精確度。早在2007年，科學家就成功運用太赫茲波對CO的同素異形體進行了區分，取得了里程碑意義的成功[2]。最近幾年，寬頻可調諧太赫茲波技術得到了非常快速的發展，在對同素異形體進行識別時，也得到了廣泛的應用，順利實現了對CO12和13的透射譜的測量。根據測量的結果可以發現，由于該種同素異形體轉動常數并不相同，因此可以確保區分的可靠性。運用該技術，在測量躍遷頻率與轉動常數等方面，相對于傅里葉變換紅外光譜技術而言，精確度更高。

通過降低運用該技術的輸出線寬，有助于光譜分辨率的有效提升。在最優化設置太赫茲源后，能夠對被測量氣體同素異形體所需要的最小濃度進行明確。在分離被測氣體的同素異形體時，在未來也很有可能使用到該技術，還需要業內人士的共同努力。

結語

總體來看，太赫茲光譜技術信噪比相對較高，針對樣品成分任何微小的變化，運用該技術都能夠快速有效的進行分析與鑒別，而且該技術屬于非接觸測量技術，可以快速準確的測量被檢測材料的物理信心。相對于傳統光譜技術，該技術還有很大的發展空間，隨著技術水平的提升，該技術在未來的應用也將逐漸成熟，應用范圍也會進一步擴展。

參考文獻

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

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

作者簡介：

劉鴻源，吉林長春，本科，長春理工大學，光電信息科學與工程 在校生。

徐碩，吉林農安，本科，長春理工大學，光電信息科學與工程 在校生。

馬得茗，甘肅景泰，本科，長春理工大學，光電信息科學與工程在校生。