Characterization and imaging of soil moisture using Terahertz time-domain spectroscopy

Abstract

지반에서는 미생물, 화학물질, 온도변화, 수분변화 등 여러 가지 외부 및 내부의 조건 변화로 인해 지반에 다양한 변화가 일어난다. 이러한 변화를 관찰하기 위한 새로운 방법으로 전자기파의 일종인 Terahertz 영역의 파를 이용하여 토양의 특성파악 및 영상화에 대한 연구를 하였다. Terahertz(THz)는 microwave와 infrared사이의 영역으로 대표적으로 플라스틱 나무 등 비이온화 물질을 통과하며 금속에 반사되고 물에 흡수되는 성질을 가지고 있다. 본 논문에서는 시간영역 분광기법을 이용하여 투과실험을 하였다. 먼저, 모래, 실트 그리고 흙 시료에 공극과 수분포화도에 따른 THz pulse laser에 대한 흡수계수 차이를 TAS7500SP

Advantest 장비를 통해 확인하였다. 모래의 THz영역 에서의 흡수계수의 경우, 실트 및 흙 시료의 흡수계수보다 최대 2배가까이 높았다. 젖은 상태의 시료는 포화도에 따라 THz 영역에서의 흡수계수가 달랐으며 포화도가 높을수록 흡수계수가 높게 나왔으며 건조상태에서의 결과와는 다르게 포화도가 높을수록 흙의 흡수계수가 가장 높게 나왔다. 두 번째로, 포항가속기연구소의 75 MeV 선형가속기에 의한 fs-laser 빔라인을 이용하여 모래와 흙에 대한 동결 상태와 NaCl 농도에 따른 실험을 하였다. 얼려있는 시료는 젖어있는 시료보다 THz영역에서 더 낮은 흡수계수를 보였으며, 순수 물에 NaCl의 농도를 달리하였을 때, 0.5M의 NaCl 농도까지는 THz영역에서 흡수계수가 증가하는 양상을 보였다. 마지막으로, Fiber-coupled THz spectrometer

Zomega Terahertz Corporation를 이용하여 함수비가 50%인 두께가 약 1mm의 흙이 자연 건조되면서 생기는 균열을 THz imaging을 통해 관찰하였다. THz 이미지상에서 샘플제작 후 90분이 지났을 때에는 90분 전과 뚜렷한 차이점이 없었다. 9시간이 지난 후 완전한 균열이 생겼을 때에는 THz 이미지로 균열을 확인 할 수 있었다. 균열 부분의 일부를 하나의 픽셀크기가 약 $50 \mu m$ 의 해상도로 THz 이미지촬영을 통해 균열부분에서 산란과 회절로 인한 흙 부분에 비해 상대적으로 낮은 투과율을 확인하였다.