利用太赫兹时域光谱技术解析硫酸锌水合物脱水动力学及其在火星矿物水含量表征中的应用

本文系统研究了硫酸锌水合物在不同温度下的太赫兹光谱特征，通过吸收峰强度（0.89 THz）、峰面积、折射率和介电常数等光学参数定量表征晶体水含量变化，发现318K时峰强度相关性最高（R2=0.969），348K时折射率相关性最佳（R2=0.974），并首次建立质子辐照（2×101? protons/cm2）与矿物光学性质变化的关联，为火星表面矿物水形成机制研究提供了新型太赫兹光谱学（THz-TDS）解决方案。

　　

Highlight

本研究通过太赫兹时域光谱技术（THz-TDS）揭示了硫酸锌水合物在0.89 THz特征吸收峰与晶体水含量的定量关系，为行星矿物水文研究提供了创新性分析范式。

Sample preparation

实验采用纯度＞99.5%的七水硫酸锌（ZnSO₄·7H₂O）粉末，经玛瑙研钵研磨30分钟后过400目筛（38 μm），取0.1806 g样品在6吨压力下压制成直径13 mm、厚度0.820 mm的片状试样，使用精度0.001 mm的螺旋测微仪测量厚度。

Results and discussion

硫酸锌脱水过程呈现温度依赖性阶段特征：312-330K时ZnSO₄·7H₂O转化为ZnSO₄·6H₂O，330-373K时进一步转化为ZnSO₄·H₂O。选择318K和348K两个特征温度进行研究，发现吸收峰面积与脱水速率存在显著相关性（318K脱水速率0.0139，348K为0.0094）。质子辐照实验（注量2×10¹⁰ protons/cm²）首次观察到折射率降低现象，暗示质子轰击可能改变矿物晶格结构并影响其持水能力。

Conclusion

太赫兹光谱参数中，峰强度测量波动较小需多次平均，峰面积可作为材料特异性指纹特征，折射率和介电常数则能有效反映体相材料性质。本研究为行星表面矿物水含量无损检测及质子-水分相互作用机制研究提供了重要技术支撑。