太赫兹无损检测在文物保护领域的研究进展

为更好地设计基于不同材料、不同制作工艺文物的最佳保护方案,文物保护科技人员首先需要选用最有效的无损检测方法对文物进行全面检测。太赫兹波具有光子能量低、对非金属和非极性物质有较强穿透性、可同时获得脉冲电场振幅和相位信息、较好的抗干扰能力等独特性质,使其在诸多无损检测方法中脱颖而出。本文系统综述了太赫兹技术在文物无损检测应用中的最新研究进展;阐述了不同类型文物材料的太赫兹光谱特征、太赫兹成像检测技术原理和特点;指出了太赫兹无损检测技术对不同类型文物进行无损检测的技术关键点,列举了太赫兹技术在文物科学领域最成功和最具代表性的应用实例。最后展望了太赫兹无损检测技术在文物保护领域的发展趋势。     

太赫兹光谱技术在气体检测中的应用

相关环境污染信息在太赫兹波段内具有较强的吸收特性,使得利用太赫兹光谱技术探测大气中的污染物成为可能.概述了国内外太赫兹时域光谱技术在气体检测方面的研究历史和发展现状,介绍了不同的气体分子在太赫兹波段的吸收谱,以及对混合气体分子和同素异形体分子的识别.对太赫兹时域光谱技术在气体检测方面的研究方向进行了展望.     

基于太赫兹技术的复合材料无损检测研究综述

随着高性能复合材料在航空航天和军事等高新领域的广泛应用,对其质量和性能检查的要求愈加引起重视,如何通过各种方法对复合材料进行无损检测成为近年来研究人员关注的热点和研究方向。太赫兹波量子能量低,对大多数非极性物质透明,因此使用太赫兹技术对复合材料进行无损检测有着独特的应用优势。本文基于太赫兹技术的特点,对太赫兹时域光谱和太赫兹成像技术的无损检测分别进行了详细的论述,并总结了目前复合材料的太赫兹无损检测技术发展趋势,最后对其发展前景进行了展望。     

纤维增强复合材料太赫兹成像无损检测

利用太赫兹时域光谱成像技术检测了内含缺陷的玻璃纤维与碳纤维增强复合材料,获得了材料内部缺陷的太赫兹透射图像,从而实现对复合材料样本的无损检测。实验结果表明,太赫兹透射成像技术可检测出多层玻璃纤维复合材料的层间缺陷。但该技术对于碳纤维复合材料中缺陷的检测能力有限,主要是因为碳纤维具有导电特性,导致太赫兹信号对其穿透能力有限。通过对成像模式的调节,太赫兹无损检测技术可对碳纤维材料内部深度约为0.2 mm、宽度为10 mm的缺陷进行成像检测。这为发展准确、灵敏、高效的纤维增强复合材料太赫兹无损检测技术提供了基础实验数据。     

太赫兹波对肾癌组织的光谱检测

利用太赫兹光谱技术,对人肾癌组织进行检测,分别比较了肿瘤组织和肿瘤旁正常组织对太赫兹波的响应。通过对新鲜含水和经冷冻真空脱水组织的测量分析,分别获得了不同样品在0.2~1.2 THz波段的吸收系数和折射率。结果显示,生物组织中含水量对太赫兹波吸收信号强度有很大的影响。同时,不同组织的细胞结构和成分也是影响太赫兹信号强度的重要因素。比如癌细胞和正常细胞的结构的不同,因此对太赫兹电磁波的吸收以及它们在太赫兹波段的折射率都有显著的不同。结果显示太赫兹光谱技术在生物组织检测和临床医学如肿瘤疾病诊断方面具有广阔的应用前景。     

太赫兹技术在陶瓷基复合材料缺陷无损检测中的应用

太赫兹时域光谱技术（THz-TDS）是一种通过宽频带太赫兹脉冲携带介质信息,从而完成对样品内部信息提取的无损检测技术。目前,这种技术大多应用于安全监测,外形成像等定性分析领域。将该应用广泛的陶瓷基复合材料做为检测样品,通过建立单点厚度检测模型和光学参数的提取,将该技术用于密度分布检测和孔洞缺陷尺寸检测,进行定量测量。设计并进行了验证实验,对标准材料及缺陷进行了探索性的测量及评价。实验获取了较为理想的时频光谱分析结果及成像结果,显示出了THz-TDS在材料的定量无损检测和探究材料特征方面具有揭示作用。     

太赫兹时域光谱技术用于药品检测

为研究太赫兹光谱技术用于药品检测的可行性,利用自行搭建的时间扫描太赫兹时域光谱系统对3种不同厂家生产的阿莫西林胶囊进行了测试。测试结果表明,尽管与文献上在氮气环境中获得的结果存在一定差异,但3种样品在太赫兹波段仍然显示出了明显的特征吸收,且不同厂家的药品在吸收峰位置、强度以及折射率谱等方面均有所差别。研究结果证实了太赫兹光谱技术在青霉素类药品的质量监控及在线检测等方面具有广阔的应用前景。     

表面粗糙度对太赫兹反射测量的影响

材料表面粗糙度会影响太赫兹无损检测结果。当材料表面粗糙度在微波区可以忽略不计时,在波长更短的太赫兹频段则需要考虑在内。研究讨论了在太赫兹频率下粗糙表面散射对反射谱的影响。通过考虑单个样品的反射模型,利用基尔霍夫近似可以将粗糙表面的反射信号与光滑表面的反射信号进行关联。此外,采用太赫兹时域光谱(THz-TDS)系统对不同粗糙度的葡萄糖片进行了测量,并对其反射光谱进行了分析。反射光谱结果表明,由于表面粗糙度引起的漫散射减弱了接收端反射光谱的强度。为了减小粗糙度对光谱的影响,提出了一种能恢复光谱功率的补偿方法。在0.5 THz和1 THz时,具有360目粗糙度规格样品的功率谱分别增加了约3 dB和9 dB。因此,可以认为所提出的粗糙表面光谱补偿方法在未来太赫兹无损检测技术的发展中具有一个特定的参考价值。     

硫酸镁水合物的太赫兹表征

太赫兹时域光谱技术作为一种新型光谱检测手段,可用于包括水合物在内的多种物质的表征。金属硫酸盐具有多种不同的水合物,在太赫兹波段表现出不同的吸收特性,利用太赫兹光谱技术可以对过渡金属硫酸盐的不同水合物进行有效表征。本文利用太赫兹时域光谱系统对硫酸镁及其水合物进行表征。通过对七水硫酸镁进行恒温干燥,得到不同的硫酸镁热解产物并对其太赫兹吸收光谱进行研究。实验结果表明不同水合物表现出差异明显的太赫兹吸收特性。这为硫酸镁水合物的多种应用提供了重要参考,也为过渡金属硫酸盐及其水合物的检测提供了简单、快捷、有效的表征手段。     

太赫兹波对肠黏液的光谱检测

主要利用太赫兹时域光谱技术对人体正常肠组织表面黏液与癌变肠组织表面黏液进行检测.分别获得了不同样品在0.2 THz～0.8 THz波段的吸收系数和折射率.研究发现,新鲜正常肠组织表面黏液的太赫兹吸收与水的吸收接近,这提示水的贡献是主要的.同时,癌变肠组织表面黏液在吸收系数和折射率强度上普遍比正常肠组织表面黏液样品高,这表明该技术在癌组织检测中具有潜在的应用.研究结果表明,太赫兹时域光谱技术在生物组织检测和临床医学如肿瘤疾病诊断方面具有广泛的应用前景.     

钝感RDX及HMX炸药的太赫兹光谱分析

采用太赫兹时域光谱技术（Terahertz time-domain spectroscopy,THz-TDS）对钝感RDX（黑索金）和HMX（奥克托金）炸药在0～2.5THz频段的太赫兹吸收光谱进行了探测.得到了待测样品的太赫兹吸收光谱,确定了其特征吸收峰的位置并与其他研究机构所测吸收谱进行了对比分析.实验结果表明：利用THz-TDS技术可以对炸药进行检测和识别,同时可以对样品组成的细微变化进行分析和鉴别.为利用THz-TDS技术研究其他爆炸性物质,建立爆炸物的指纹谱库提供了科学依据.     

太赫兹技术对二氯苯胺两种同分异构体的检测

采用太赫兹时域光谱技术测量了3,4-二氯苯胺和2,5-二氯苯胺在0.2~2 THz波段的吸收谱,3,4-二氯苯胺在1.00 THz,1.48 THz,1.88 THz处有3个吸收峰,2,5-二氯苯胺在0.83 THz,1.04 THz,1.17 THz处有3个吸收峰,吸收峰峰位强度也有明显不同。采用密度泛函理论进行理论光谱计算,理论光谱与实测光谱一致性良好。结果表明通过太赫兹时域光谱技术可以实现3,4-二氯苯胺和2,5-二氯苯胺2种同分异构体的指纹检测,为太赫兹波段有明显特征吸收峰的毒性物质检测提供了一种快速、准确的方法。     

丁基羟基茴香醚的太赫兹时域光谱检测与分析

利用太赫兹时域光谱（THz-TDS）技术对食品添加剂丁基羟基茴香醚（BHA）及其与聚乙烯不同配比的混合物进行了检测,获得了其在0.2-2.6THz波段的吸收谱和折射率谱。实验结果表明,在此波段内该物质有三个明显的吸收峰,分别位于0.64THz,1.14THz和1.81THz,该指纹谱可用于THz波段该物质的检测与识别。此外,利用最小二乘法对混合物太赫兹光谱峰位的吸收系数和质量分数进行线性拟合,结果表明聚乙烯中丁基羟基茴香醚的含量与太赫兹光谱的相关系数大于0.98。最后,用密度泛函理论对单分子丁基羟基茴香醚进行了数值计算,表明太赫兹指纹谱与分子构型和分子内部运动有关系。     

运用太赫兹时域光谱技术定量分析柴油的含硫量

测量柴油样品的太赫兹时域光谱并对其含硫量进行了定量计算.在0.2 ～1.5 THz范围内,柴油的吸收系数随着太赫兹频率和硫含量呈规律性递增.基于这一变化关系建立起了硫含量与太赫兹吸收系数和频率的多元非线性模型,通过测量柴油的太赫兹光谱代入此模型即可计算出柴油的硫含量.这一结果为太赫兹时域光谱技术应用于柴油含硫量的无损快速检测奠定了理论基础,显示出巨大的应用前景.     

THz时域频谱技术中若干效应的研究

在电磁波谱中所处的特殊位置使得THz波在物理、化学、生物医学、电子科学、材料科学、环境监测等领域有着广泛的应用前景。讨论了THz时域频谱技术的若干关键问题：THz发射晶体的双光子吸收、衍射效应和非线性效应（Kerr效应和类Kerr效应）等对THz产生效率的影响,THz辐射脉冲的载波包络相位差,THz小波变换频谱技术,以及利用光子晶体光纤飞秒激光作为激发源对THz时域频谱系统进行小型化和提高能量的方案。     

基于THz反射光谱的混合炸药中DNMT含量分析

为了快速地求解混合炸药中DNMT的含量,设计 了一种基于反射型太赫兹(THz)光谱分析的检 测系统。系统采用步进电机控制动镜获得大光程扫描范围,将照射在被测粉末上的回波 漫反射光和本振光信号做相干处理,从而得到反射吸收光谱数据,由此反演被测粉末中DNMT 的含量。推导DNMT含量求解表达式,给出提高反射式DNMT含量检测稳定性的滤波算法 及提取要求。实验采用TeraTune型THz激光器配合DSTMS-1型THz探测器完成数据采集, 对多组已知DNMT含量的混合样品进行测试,测试结果与TeraSys 4000 型THz光谱分析仪作 对比。实验结果显示,两种方法均可快速获取样品中DNMT含量,并且测量误低于3. 0%。在 采用本系统的光谱预处理方法后,在样品混合物种类增多的条件下仍具有较好的测试效果, 具有较高的抗干扰能力。     

FOX-7太赫兹波吸收特性及理论计算

为了研究新型高能钝感材料1,1-二氨基-2,2-二硝基乙烯(FOX-7)的分子结构特性,采用太赫兹时域光谱技术对FOX-7在0.2~2.3 THz波谱范围内的吸收光谱进行了探测,得到了待测样品的太赫兹吸收谱线,确定了其特征吸收峰的位置.基于密度泛函理论(DFT)对FOX-7单分子和晶体结构在小于2.4 THz范围内的吸收光谱进行了模拟计算,结果表明分子间相互作用对FOX-7吸收峰的形成起到很大的作用.完成了对实验光谱中特征吸收峰振动模式的分析和指认:1.59 THz处吸收峰的光谱特征主要由―NO2和―NH2的摆动造成,2.12 THz 处吸收峰光谱特征的产生包含―NO2和―NH2的摆动以及各自的扭动.     

2-巯基苯并噻唑的太赫兹时域光谱定量研究

为了减少由于橡胶促进剂2-巯基苯并噻唑(MBT)掺假而导致橡胶制品质量不过关的问题，提出利用太赫兹时域光谱技术对MBT的有效含量进行定量研究。利用太赫兹透射测量得到MBT和聚乙烯混合物在0.3THz~1.4THz的吸收特征谱，提出了一种基于最小二乘支持向量回归(LS-SVR)的MBT定量检测模型，将LS-SVR模型分别与偏最小二乘模型和支持向量机回归模型进行比较，得到模型预测集均方根误差分别为1.1330%，2.5583%和2.3869%。结果表明，LS-SVR的定量模型可取得更好的效果，其精度更高，稳定性更好。本研究为MBT定量检测提供了新的快速且有效的方法。     

基于太赫兹时域光谱的壁画信息提取的可行性研究

采用太赫兹时域光谱技术对传统中国壁画的部分制作流程进行了分析,获得了壁画制作每个流程的太赫兹时域反射谱。研究了传统中国壁画在0.2～1.0 THz频率范围内的太赫兹光谱特性,得到了其在室温环境下的太赫兹吸收谱和折射率。结果表明,各样品的折射率平均值和吸收系数的峰值频率差异显著。研究结果能为太赫兹时域光谱技术在壁画信息提取领域的应用提供参考。     

奶粉中山梨酸钾的太赫兹光谱检测

采用太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术测量了奶粉、山梨酸钾及其混合物在0.2?2.0 THz波段的光谱特性,得到了样品在室温氮气环境下的吸收谱和折射率谱。结果表明山梨酸钾在0.98 THz处存在明显的特征吸收峰。采用简单一元线性回归模型(SLR)对奶粉中山梨酸钾的含量进行了定量分析,结果表明吸收系数随着混合物中山梨酸钾含量的增大而增大。该研究对于食品质量安全检测具有重要意义。