不同条件下雾态水的太赫兹频谱特性研究

摘要

近年来，人们对太赫兹科学技术投入了越来越多的关注目光。太赫兹技术在5G通讯、安防、物质鉴定等多个领域都日臻成熟。由于大气环境现实环境中水的存在，制约有效信号的获取，严重地限制了太赫兹技术的发展。目前，水的太赫兹研究主要集中于局域水、结晶水、气态水，由于液相水的强吸收作用，对于液相水的研究则鲜有涉及。雾态水是一种粒径为μm级别的水分子团簇，自身既存在有氢键网络表现水氢键的特性，又没有大体积液态水对太赫兹的强吸收效应。为此，本文旨在通过对雾态水的太赫兹频谱特性研究，探索出一种新方法来研究水的太赫兹频谱特性，介绍了通用的太赫兹时域光谱（THz-TDS）系统以及对所得的信号数据处理的办法，详细阐述了不同温度、不同压力下，水氢键的键长和键夹角的变化，并针对课题所需自行设计了雾化器和变温箱对样品进行雾化处理以及温度调控，通过在不同条件下，对雾化的水以及含水样品进行太赫兹频谱特性检测，论证了雾态下对水进行太赫兹频谱特性研究的可行性。论文的主要内容有： 1.对透射式的太赫兹时域光谱（THz-TDS）系统的样品参数提取算法进行了详细阐释，得到了样品吸收系数、折射率和复介电系数的计算公式，同时从公式推导和数据处理结果两方面论证了滤除反射峰的必要性。介绍了水分子的结构以及O:H-O在水分子构型以及相态变化中的重要作用，同时着重描述了在压力改变、温度改变的作用下，O:H-O两部分键长和键角的变化情况，为实验奠定理论基础。 2.为满足实验需求，自行设计了雾化器和变温箱。雾化器采用超声雾化原理，使用陶瓷超声雾化片为整个实验系统提供雾化样品；变温箱则是采用电加热的方式进行加热、以AT89S51单片机为核心进行温度调控，为雾化样品的测试提供一个可以调节的空间。 3.在雾化状态下，通过改变环境的温度以及雾态团簇粒径的大小对雾态水进行太赫兹频谱特性研究；通过改变环境温度以及牛血清蛋白溶液的浓度，对雾态牛血清蛋白溶液进行太赫兹频谱特性研究；通过改变乙醇溶液的体积分数对雾态乙醇溶液进行太赫兹频谱特性研究。实验结果显示，雾态状况下，水以及含水样品均可以表现出水氢键的特性，表明了在雾态的状态下，是能够对水以及含水的样品进行太赫兹频谱特性的研究的。

目录

声明

第1章 绪论

1. 1 太赫兹技术简介

1. 2太赫兹技术的应用

1. 3 水是太赫兹科学技术发展的双刃剑

1. 4 国内外研究现状

1. 5 本论文主要研究工作

1. 6本章小结

第2章 太赫兹时域光谱技术与数据处理方法

2. 1太赫兹时域频谱的物理参数提取方法

2. 1. 1 吸收系数和折射率

2. 1. 2复介电系数

2. 2反射峰对样品参数计算的影响

2. 3 水氢键理论简介

2. 3. 1水的基本构成以及O:H-O键的简介

2. 3. 2 O:H-O对外界压力变化的反应

2. 3. 3 温度对水氢键键长和能量的影响

2. 4本章小结

第3章 实验设备的选取与设计

3. 1 太赫兹时域光谱检测装置.

3. 1. 1太赫兹时域光谱技术

3. 1. 2 太赫兹时域光谱系统

3. 1. 3 TAS 700型太赫兹时域光谱仪

3. 2 变温箱的设计

3. 2. 1 加热系统的设计

3. 2. 2 温控系统的原理与设计

3. 2. 3 辅助系统

3. 2. 4变温箱的各项指标

3. 3用于太赫兹时域光谱仪的溶液雾化装置

3. 3. 1雾化原理以及核心器件的选择

3. 3. 2雾化装置的设计

3.3.3.供电系统

3. 4 本章小结

第四章 含水样品的太赫兹频谱特性检测

4. 1 雾相水的太赫兹频谱检测

4. 2 雾态条件下牛血清蛋白的太赫兹频谱检测

4. 2. 1 样品制备

4. 3 雾态条件下乙醇溶液的太赫兹频谱检测

第五章 总结与展望

5. 1 全文工作总结

5. 2展望

参考文献

致谢