1、北京科技大学自动化学院北京科技大学自动化学院 2014年年10月月18日日 太赫兹检测技术太赫兹检测技术 在冶金工业中的潜在应用在冶金工业中的潜在应用 张朝晖张朝晖 2014全国第全国第19届自动化应用技术学术交流会届自动化应用技术学术交流会 摘要摘要 一一 背景简介背景简介 二二 太赫兹时域谱仪太赫兹时域谱仪 三三 太赫兹检测技术的应用太赫兹检测技术的应用 四四 太赫兹检测的特点太赫兹检测的特点 1 1 电磁波谱电磁波谱 一一 背景简介背景简介 能否穿越物质与粒子能量无关，与物质的吸收特性有关。 光量子： 光子、太赫兹光子、微波光子 2 2 物质物质 原子 分子 晶体 无定型物质 物质(固态
2、)微观粒子的各种凝聚态 微观粒子的能级示意 单能级 微观粒子的能级是量子化的 多能级 微观粒子的能级示意 (1)从微观角度看,光子与粒子的三种能级跃迁有关。 诱导吸收 在能级 Ei 上的粒子吸收一个光子，被激发到能级 Ek 光子能量 h = Ek-Ei ，普郎克常数h=6.626069310-34 Js h Ei Ek 激发态 基态 3 3 电磁波与物质间的作用电磁波与物质间的作用 自发辐射 在能级 Ek 上的分子自发地蜕变到能级 Ei ，并辐射出一个光子。 Ei Ek h 这里，辐射出的光子的方向、相位是任意的。 受激（诱导）辐射 一个频率（能量）恰当的光子，会诱导一个粒子从能级Ek到能级E
3、i的跃迁。 此时，诱导出一个新的光子：频率、相位、方向与原光子完全相同。（在多能级系统中容易实现布居数目的反转，是激光辐射的原理） Ei Ek h h h E1E2E2E1Photon absorbedPhoton emitted+ h- hPhoton absorbedPhoton emitted 总之，量子力学的能级跃迁理论（传统力学中的共振理论）是电磁波谱学（Spectroscopy）的基础。 例子 01lnIICl 吸收系数谱(2)从宏观角度看,物质对电磁波存在吸收、透射、反射等三种可能的作用。 吸收和透射（Absorption & Transmission) 透射波强度 I() =
4、I0() e() Cl 利用吸收系数谱，可以分辨物质种类和浓度。 反射、散射（Reflection & Scattering) 大的、表面平整的物体-反射; 微小颗粒-散射。 二二 太赫兹时域谱仪太赫兹时域谱仪 太赫兹时域谱仪THz TDSTHz TDS（Time Domain Spectroscopy）是能够在该波段产生相干辐射，并能够在时域中记录波形的仪器。 THz TDS结构框图 本仪器采用超快飞秒激光激发砷化镓晶体，在晶体表面的H型天线上辐射出太赫兹波；太赫兹波经抛物面镜聚束后穿越待测样品，并在另一个H型天线上被检测出来；最后利用锁相放大、重复扫描采样技术，获得高信噪比的时域电场波形。
5、 1 1 物质的成分、浓度检测物质的成分、浓度检测 气体混合物、高分子材料 三三 太赫兹检测技术的应用太赫兹检测技术的应用 2 2 物质的成分分布成像物质的成分分布成像 固态物质 吸收谱成像（ 1.1577 THz） 透射谱3D 成像 3 3 材料涂层、腐蚀检测材料涂层、腐蚀检测 金属/聚合物表面的涂层厚度、均匀性； 金属腐蚀后介电常数的变化； 泡沫材料的缺陷。 4 4 危险品成像检测危险品成像检测 炸药、毒品 5 5 字画鉴定、肿瘤诊断字画鉴定、肿瘤诊断 6 6 冶金检测冶金检测 （1）冶金反应过程炉气成分，热风炉烟气氧含量等在线测量中，检测器有飞行时间质谱仪、氧化锆电池等。但是，取样系统均
6、面临高温、高粉尘、高流速等不利因素影响。而太赫兹成分检测是透射式光谱检测，属于不接触测量，有可能摆脱上述因素。 （2）镀层成分、均匀性、厚度、层间扩散情况； 彩钢板中的铅、镉是否超标？ 与可见光相比较，具有一定的透视能力。（透射能力不仅取决于光子能量，更取决于介质的吸收谱） 与X光、伽玛射线相比较，光子能量低，不会导致生物细胞的电离损伤，是一种安全的检测。 与红外线相比较，频率分辨力更强。（但空间分辨力下降） 对分子内化学键的转动能级敏感；对分子间的弱相互作用敏感。适合探测有机物、官能团、生物质，包括分子、晶胞的结构、光学电学性质、动力学性质、成分识别及定量。 四四 太赫兹检测的特点太赫兹检测的特点 谢谢！ 联系我们：联系我们： 北京科技大学自动化学院仪器系北京科技大学自动化学院仪器系 北京市海淀区学院路北京市海淀区学院路30号号 机电信息大楼机电信息大楼904
