太赫茲技術(shù)在識(shí)別煤和煤矸石中的應(yīng)用

姜子超

(山西大同大學(xué) 煤炭工程學(xué)院,山西 大同 037009)

0 引言

確保煤炭產(chǎn)品質(zhì)量是煤炭行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的基礎(chǔ),識(shí)別煤和煤矸石是保證煤炭質(zhì)量的關(guān)鍵,也影響著皮帶運(yùn)輸?shù)恼＿\(yùn)行。目前,國(guó)內(nèi)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(shí)別法和圖像識(shí)別法。太赫茲波通常指的是頻率在0.1～10 THz(波長(zhǎng)在0.03～3 mm)的電磁波,其波段在微波和紅外光之間,屬于遠(yuǎn)紅外波段。因穿透性好、無(wú)損且分辨率高,太赫茲技術(shù)成為識(shí)別檢測(cè)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(guò)研究該光譜可以獲得樣本的折射率、吸收系數(shù)等數(shù)據(jù)[1-4]。由此確定煤和煤矸石之間的相似性和差異性,以此實(shí)現(xiàn)分類。

1 實(shí)驗(yàn)裝置和樣品制備

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

太赫茲?rùn)z測(cè)使用的實(shí)驗(yàn)儀器為太赫茲時(shí)域光譜儀(THz-TDS1008)。太赫茲時(shí)域光譜儀工作機(jī)理是:首先由機(jī)身外部的激光器產(chǎn)生激光,后分為抽運(yùn)光和探測(cè)光。抽運(yùn)光激勵(lì)樣品產(chǎn)生太赫茲響應(yīng),隨后太赫茲脈沖再次匯聚在探測(cè)晶體。此時(shí)探測(cè)光經(jīng)延遲裝置等光學(xué)器件也入射在探測(cè)晶體,太赫茲脈沖和探測(cè)光共同激勵(lì)探測(cè)晶體發(fā)射探測(cè)脈沖,通過(guò)調(diào)節(jié)時(shí)間延遲裝置探測(cè)太赫茲脈沖波形。其中,激光器的中心波長(zhǎng)為 800 nm, 脈沖持續(xù)時(shí)間為 100 fs,太赫茲光譜掃描范圍為 218～232 ps,步長(zhǎng)為 0.02 ps。為了更接近實(shí)際環(huán)境,避免對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,實(shí)驗(yàn)在室溫(23 ℃)、相對(duì)濕度2%的環(huán)境下進(jìn)行[5],對(duì)每個(gè)樣品測(cè)量3次,取其平均值。

1.2 樣品制備

實(shí)驗(yàn)選用山西大同地區(qū)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(cè)試中因厚度過(guò)小而開(kāi)裂,本文將樣品粉末與聚乙烯粉末按2∶1的比例混合,每個(gè)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(duì)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(duì)樣品的測(cè)試結(jié)果不產(chǎn)生影響。首先,將混合后的粉末放于壓片機(jī)磨具中,用15 Mpa的壓強(qiáng)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(dāng)作參考。不同樣品薄片參數(shù)如表1所示。

表1 樣品參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 樣品光譜

按照實(shí)驗(yàn)原理通過(guò)太赫茲時(shí)域光譜儀測(cè)量得到樣品的時(shí)域光譜圖如圖1所示。

圖1 時(shí)域圖

由圖1可知,與參考樣品相對(duì)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(xiàn)最早且振幅最高,主峰出現(xiàn)在222.45 ps,振幅為0.000 15。煤矸石樣品次之,主峰出現(xiàn)在223.41 ps,振幅為0.000 095。煤樣延遲最嚴(yán)重,主峰出現(xiàn)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(shí)驗(yàn)證明在太赫茲波段下能夠很好地區(qū)分煤和煤矸石。

2.2 樣品光譜分析

對(duì)圖1進(jìn)行傅里葉變換得到煤和煤矸石樣品的頻域譜(見(jiàn)圖2)。與時(shí)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(nèi)振幅變化最大。原因可能是由于煤和煤矸石中的復(fù)雜分子團(tuán)吸收電磁波能量產(chǎn)生的振動(dòng),所以樣品才會(huì)出現(xiàn)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(shí)域光譜法提取材料光學(xué)常數(shù)的模型,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計(jì)算得到其折射率[6-9](見(jiàn)圖3):

圖3 折射率

(1)

樣品的折射率與樣品的太赫茲信號(hào)和參考信號(hào)之間的位相差Φ(ω)有關(guān),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(shù)(見(jiàn)圖4):

圖4 吸收系數(shù)

(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(wěn)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(gè)太赫茲波段出現(xiàn)較輕的抖動(dòng),這可能是由于樣本內(nèi)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(shù)在0.2～1.11 THz內(nèi)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(shì),兩者的差距也隨之變大?？傮w上看,煤的吸收系數(shù)高于煤矸石。

由頻域譜(見(jiàn)圖1)可得,煤和煤矸石樣品在0.1～2 THz的數(shù)據(jù)差別較大。利用這部分頻段對(duì)煤和煤矸石的太赫茲頻譜進(jìn)行計(jì)算得到兩者的透射系數(shù)(見(jiàn)圖5)?？梢钥闯?對(duì)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(duì)太赫茲波的衰減更大。在整個(gè)頻段,兩者的透射系數(shù)均小于1。

圖5 透射系數(shù)

3 結(jié)語(yǔ)

采用太赫茲技術(shù)識(shí)別煤和煤矸石是可行的。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到煤和煤矸石的太赫茲光譜,并通過(guò)傅里葉變換得到頻域譜。對(duì)頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理得到折射率、吸收率、透過(guò)率。煤和煤矸石的折射率在0.2～1.11 THz的頻段中都保持穩(wěn)定,兩者具有差異。隨著頻率的增大,煤的吸收系數(shù)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(guò)多個(gè)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(qū)分開(kāi)來(lái)。該實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驗(yàn)橹蟮拿喉肥R(shí)別研究提供參考。