太赫茲技術在識別煤和煤矸石中的應用

姜子超

(山西大同大學 煤炭工程學院,山西 大同 037009)

0 引言

確保煤炭產品質量是煤炭行業轉型升級的基礎,識別煤和煤矸石是保證煤炭質量的關鍵,也影響著皮帶運輸的正常運行。目前,國內煤矸石分選主要有人工揀矸法、濕選法和干選法,其中干選法較普遍。干選法主要有兩種,即:射線識別法和圖像識別法。太赫茲波通常指的是頻率在0.1～10 THz(波長在0.03～3 mm)的電磁波,其波段在微波和紅外光之間,屬于遠紅外波段。因穿透性好、無損且分辨率高,太赫茲技術成為識別檢測煤和煤矸石的手段之一。太赫茲光譜含有豐富的樣本信息,通過研究該光譜可以獲得樣本的折射率、吸收系數等數據[1-4]。由此確定煤和煤矸石之間的相似性和差異性,以此實現分類。

1 實驗裝置和樣品制備

1.1 實驗裝置

太赫茲檢測使用的實驗儀器為太赫茲時域光譜儀(THz-TDS1008)。太赫茲時域光譜儀工作機理是:首先由機身外部的激光器產生激光,后分為抽運光和探測光。抽運光激勵樣品產生太赫茲響應,隨后太赫茲脈沖再次匯聚在探測晶體。此時探測光經延遲裝置等光學器件也入射在探測晶體,太赫茲脈沖和探測光共同激勵探測晶體發射探測脈沖,通過調節時間延遲裝置探測太赫茲脈沖波形。其中,激光器的中心波長為 800 nm, 脈沖持續時間為 100 fs,太赫茲光譜掃描范圍為 218～232 ps,步長為 0.02 ps。為了更接近實際環境,避免對測量結果的影響,實驗在室溫(23 ℃)、相對濕度2%的環境下進行[5],對每個樣品測量3次,取其平均值。

1.2 樣品制備

實驗選用山西大同地區的煤和煤矸石,將其破碎研磨為小于200目的粉末。為了避免樣品在測試中因厚度過小而開裂,本文將樣品粉末與聚乙烯粉末按2∶1的比例混合,每個樣品重0.2 g。聚乙烯除了能起到黏合和稀釋樣品的作用,其對太赫茲的吸收率接近于0,在太赫茲波段的透射率為80%以上,對樣品的測試結果不產生影響。首先,將混合后的粉末放于壓片機磨具中,用15 Mpa的壓強壓置5 min,得到厚度不同、直徑相同的圓形薄片。然后,將純0.2 g聚乙烯粉末按同樣的方法壓成薄片當作參考。不同樣品薄片參數如表1所示。

表1 樣品參數

2 實驗結果分析

2.1 樣品光譜

按照實驗原理通過太赫茲時域光譜儀測量得到樣品的時域光譜圖如圖1所示。

圖1 時域圖

由圖1可知,與參考樣品相對照,煤和煤矸石有著不同的延遲和振幅。參考樣品的主峰出現最早且振幅最高,主峰出現在222.45 ps,振幅為0.000 15。煤矸石樣品次之,主峰出現在223.41 ps,振幅為0.000 095。煤樣延遲最嚴重,主峰出現在223.65 ps,振幅為0.000 076。煤和煤矸石的延遲和振幅有差異,實驗證明在太赫茲波段下能夠很好地區分煤和煤矸石。

2.2 樣品光譜分析

對圖1進行傅里葉變換得到煤和煤矸石樣品的頻域譜(見圖2)。與時域譜相比,煤和煤矸石樣品相與參考光譜同樣有明顯的差異。樣品在0.2～2.3 THz范圍內振幅變化最大。原因可能是由于煤和煤矸石中的復雜分子團吸收電磁波能量產生的振動,所以樣品才會出現振幅的衰減,由圖2中可以看出煤矸石的太赫茲頻域譜振幅總體略高于煤。

圖2 頻域譜

隨后采用太赫茲時域光譜法提取材料光學常數的模型,對數據進行處理計算得到其折射率[6-9](見圖3):

圖3 折射率

(1)

樣品的折射率與樣品的太赫茲信號和參考信號之間的位相差Φ(ω)有關,ω為角頻率,c為光速。樣品的折射率n(ω)得到后,便可以得到它的吸收系數(見圖4):

圖4 吸收系數

(2)

式中,ρ(ω)為樣品振幅與參考振幅的比值。

觀察圖3可得,在0.2～1.11 THz的頻域譜范圍中煤矸石和煤的折射率基本保持穩定,煤矸石的折射率保持在1.22,煤的折射率保持在1.25。兩者的折射率相差0.03。由圖4可以看出,樣品的吸收譜在整個太赫茲波段出現較輕的抖動,這可能是由于樣本內部的散射或者外表面的折射造成。煤和煤矸石樣品的吸收系數在0.2～1.11 THz內都高于2 cm-1。隨著頻率的增加,煤和煤矸石的折射率均呈上升趨勢,兩者的差距也隨之變大。總體上看,煤的吸收系數高于煤矸石。

由頻域譜(見圖1)可得,煤和煤矸石樣品在0.1～2 THz的數據差別較大。利用這部分頻段對煤和煤矸石的太赫茲頻譜進行計算得到兩者的透射系數(見圖5)。可以看出,對于太赫茲光波,兩者的衰減程度不同,在2 THz都趨近于0。煤樣對太赫茲波的衰減更大。在整個頻段,兩者的透射系數均小于1。

圖5 透射系數

3 結語

采用太赫茲技術識別煤和煤矸石是可行的。本文通過實驗得到煤和煤矸石的太赫茲光譜,并通過傅里葉變換得到頻域譜。對頻譜數據進行計算處理得到折射率、吸收率、透過率。煤和煤矸石的折射率在0.2～1.11 THz的頻段中都保持穩定,兩者具有差異。隨著頻率的增大,煤的吸收系數更高于煤矸石。相較于煤矸石,太赫茲波在煤中的衰減程度更大。通過多個光譜分析可得出,在太赫茲波下煤和煤矸石能夠被很好地區分開來。該實驗能夠為之后的煤矸石識別研究提供參考。