A variety of phenomena occurs in soils by natural processes caused by microorganisms, temperature, water content and so on. As these phenomena affect the soil behaviors, the terahertz time-domain spectroscopy (THz-TDS) method was investigated to monitor and characterize such phenomena. Terahertz (THz) wave is referred to as the section of electromagnetic wave between microwave and infrared. THz wave penetrates non-ionized materials, such as wood and plastic, reflect on the metal, and is absorbed by water. First, the effect of water saturation and particle size on absorption coefficient of various soils was explored using THz-TDS. The THz-TDS apparatus (TAS7500SP; Advantest) was used, which measures the coherent THz-wave in the time domain by using a femtosecond pulse laser. The soil samples of sand, silt and clay were chosen, varying water saturation in the soil samples. The absorption coefficient of soils increases with an increase in water saturation and also with an increase in frequency in the range of 0.2？2 THz. The absorption coefficient appears to be the greater in sand than in silt and clay at the dry condition but, in the increase of the water saturation, the absorption coefficient of clay was the highest among the sand, silt, and clay.
Second, the effect of freezing and salinity on transmission response and absorption coefficient of soils was examined at the fs-THz beamline at Pohang Accelerator Laboratory (PAL). Fs-THz radiation is generated by 75 MeV linear accelerator (LINAC). As the water in soils freezes, transmittance of THz pulse laser increases. The absorption coefficient increases with a decrease in temperature in sub-zero conditions. The absorption coefficient of water appears to increase with salinity up to a point of 0.5M NaCl salinity, thereafter, it hardly vary with the salinity when the ionic concentration is greater than 1.5M NaCl.
Last, desiccation cracks on a clay surface were visualized using the THz-TDS in a transmission mode. Over the dry process where the wet kaolinite clay sample was air-dried, the two-dimensional image of the clay sample was obtained using the fiber-coupled THz spectrometer based on the time-resolved terahertz pump-probe method (Zomega Terahertz Corporation). It appears that the intensity of the source THz pulse was not strong enough to transmit the 1 mm thickness of the partially wet sample. However, after complete drying 9 hours later, clear images of the cracked surface were obtained at the frequency less than 1 THz. The minimum pixel size was approximately $50 \mu m$ . It is noted that the transmittance of the cracked area is less than that of the non-cracked area because of the more scattering and diffraction at the edge.
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.
