太赫兹技术在识别煤和煤矸石中的应用

姜子超

(山西大同大学 煤炭工程学院,山西 大同 037009)

0 引言

确保煤炭产品质量是煤炭行业转型升级的基础,识别煤和煤矸石是保证煤炭质量的关键,也影响着皮带运输的正常运行。目前,国内煤矸石分选主要有人工拣矸法、湿选法和干选法,其中干选法较普遍。干选法主要有两种,即:射线识别法和图像识别法。太赫兹波通常指的是频率在0.1～10 THz(波长在0.03～3 mm)的电磁波,其波段在微波和红外光之间,属于远红外波段。因穿透性好、无损且分辨率高,太赫兹技术成为识别检测煤和煤矸石的手段之一。太赫兹光谱含有丰富的样本信息,通过研究该光谱可以获得样本的折射率、吸收系数等数据[1-4]。由此确定煤和煤矸石之间的相似性和差异性,以此实现分类。

1 实验装置和样品制备

1.1 实验装置

太赫兹检测使用的实验仪器为太赫兹时域光谱仪(THz-TDS1008)。太赫兹时域光谱仪工作机理是:首先由机身外部的激光器产生激光,后分为抽运光和探测光。抽运光激励样品产生太赫兹响应,随后太赫兹脉冲再次汇聚在探测晶体。此时探测光经延迟装置等光学器件也入射在探测晶体,太赫兹脉冲和探测光共同激励探测晶体发射探测脉冲,通过调节时间延迟装置探测太赫兹脉冲波形。其中,激光器的中心波长为 800 nm, 脉冲持续时间为 100 fs,太赫兹光谱扫描范围为 218～232 ps,步长为 0.02 ps。为了更接近实际环境,避免对测量结果的影响,实验在室温(23 ℃)、相对湿度2%的环境下进行[5],对每个样品测量3次,取其平均值。

1.2 样品制备

实验选用山西大同地区的煤和煤矸石,将其破碎研磨为小于200目的粉末。为了避免样品在测试中因厚度过小而开裂,本文将样品粉末与聚乙烯粉末按2∶1的比例混合,每个样品重0.2 g。聚乙烯除了能起到黏合和稀释样品的作用,其对太赫兹的吸收率接近于0,在太赫兹波段的透射率为80%以上,对样品的测试结果不产生影响。首先,将混合后的粉末放于压片机磨具中,用15 Mpa的压强压置5 min,得到厚度不同、直径相同的圆形薄片。然后,将纯0.2 g聚乙烯粉末按同样的方法压成薄片当作参考。不同样品薄片参数如表1所示。

表1 样品参数

2 实验结果分析

2.1 样品光谱

按照实验原理通过太赫兹时域光谱仪测量得到样品的时域光谱图如图1所示。

图1 时域图

由图1可知,与参考样品相对照,煤和煤矸石有着不同的延迟和振幅。参考样品的主峰出现最早且振幅最高,主峰出现在222.45 ps,振幅为0.000 15。煤矸石样品次之,主峰出现在223.41 ps,振幅为0.000 095。煤样延迟最严重,主峰出现在223.65 ps,振幅为0.000 076。煤和煤矸石的延迟和振幅有差异,实验证明在太赫兹波段下能够很好地区分煤和煤矸石。

2.2 样品光谱分析

对图1进行傅里叶变换得到煤和煤矸石样品的频域谱(见图2)。与时域谱相比,煤和煤矸石样品相与参考光谱同样有明显的差异。样品在0.2～2.3 THz范围内振幅变化最大。原因可能是由于煤和煤矸石中的复杂分子团吸收电磁波能量产生的振动,所以样品才会出现振幅的衰减,由图2中可以看出煤矸石的太赫兹频域谱振幅总体略高于煤。

图2 频域谱

随后采用太赫兹时域光谱法提取材料光学常数的模型,对数据进行处理计算得到其折射率[6-9](见图3):

图3 折射率

(1)

样品的折射率与样品的太赫兹信号和参考信号之间的位相差Φ(ω)有关,ω为角频率,c为光速。样品的折射率n(ω)得到后,便可以得到它的吸收系数(见图4):

图4 吸收系数

(2)

式中,ρ(ω)为样品振幅与参考振幅的比值。

观察图3可得,在0.2～1.11 THz的频域谱范围中煤矸石和煤的折射率基本保持稳定,煤矸石的折射率保持在1.22,煤的折射率保持在1.25。两者的折射率相差0.03。由图4可以看出,样品的吸收谱在整个太赫兹波段出现较轻的抖动,这可能是由于样本内部的散射或者外表面的折射造成。煤和煤矸石样品的吸收系数在0.2～1.11 THz内都高于2 cm-1。随着频率的增加,煤和煤矸石的折射率均呈上升趋势,两者的差距也随之变大。总体上看,煤的吸收系数高于煤矸石。

由频域谱(见图1)可得,煤和煤矸石样品在0.1～2 THz的数据差别较大。利用这部分频段对煤和煤矸石的太赫兹频谱进行计算得到两者的透射系数(见图5)。可以看出,对于太赫兹光波,两者的衰减程度不同,在2 THz都趋近于0。煤样对太赫兹波的衰减更大。在整个频段,两者的透射系数均小于1。

图5 透射系数

3 结语

采用太赫兹技术识别煤和煤矸石是可行的。本文通过实验得到煤和煤矸石的太赫兹光谱,并通过傅里叶变换得到频域谱。对频谱数据进行计算处理得到折射率、吸收率、透过率。煤和煤矸石的折射率在0.2～1.11 THz的频段中都保持稳定,两者具有差异。随着频率的增大,煤的吸收系数更高于煤矸石。相较于煤矸石,太赫兹波在煤中的衰减程度更大。通过多个光谱分析可得出,在太赫兹波下煤和煤矸石能够被很好地区分开来。该实验能够为之后的煤矸石识别研究提供参考。