高彩云，黃 榮，孟田華，胡偉東

（1山西大同大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，山西大同 037009；2太赫茲技術(shù)（大同）研究院，山西大同 037000）

煤炭是我國(guó)主體能源和基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，甚至從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)講，我國(guó)還是以煤為主的能源格局。煤矸石是一種在成煤過(guò)程中與煤層伴生的一種含碳量較低的黑灰色巖石，是采煤過(guò)程和洗煤過(guò)程中排放的固體廢物，具有低發(fā)熱值，煤矸石燃燒會(huì)發(fā)出大量的有害氣體，不僅降低周圍的環(huán)境質(zhì)量，而且影響周圍居民的身體狀況和生態(tài)環(huán)境[1]。在煤炭利用前，必須對(duì)煤矸石進(jìn)行精確的分選，人工排矸法、機(jī)械濕選法、γ 射線分選法以及X射線分選法這些分選方法無(wú)法兼顧安全簡(jiǎn)單、快速、高效率的問(wèn)題[2?4]。太赫茲波（THz）又被稱為“生命光線”，介于微波和紅外線之間的電磁波，不僅擁有與光相同的直進(jìn)性，還具有與電波相似的穿透性和吸收性。太赫茲對(duì)人體的輻射能量比X光小100萬(wàn)倍，不會(huì)對(duì)人體造成輻射性傷害，太赫茲的頻率很高、波長(zhǎng)短，具有很高的時(shí)域頻譜信噪比，且在煙塵、沙塵壞境中傳輸損耗很少，與耗資高，作用距離較短的X射線掃描儀相比，太赫茲在煤矸石分選方面有著獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 儀器與試劑

實(shí)驗(yàn)采用山西大同大學(xué)的太赫茲光譜實(shí)驗(yàn)室的太赫茲時(shí)域光譜儀（THz－TDS1008），如圖1所示。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，THz光譜掃描范圍為190～210 ps，步長(zhǎng)為0.02 ps。為了更加真實(shí)地反應(yīng)實(shí)際環(huán)境，在溫度293 K，相對(duì)濕度30%的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下檢測(cè)。

圖1 太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)（THz-TDS 1008）

1.2 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)隨機(jī)選取塊狀煤和煤矸石后分別將其打磨成2 mm厚度的薄片，放置在太赫茲時(shí)域光譜儀上的透射平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行研究。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 煤和煤矸石的THz光譜

圖2為煤和煤矸時(shí)的THz時(shí)域光譜圖，由圖可以看出，煤在201.89 ps處出現(xiàn)波峰，與在空氣中傳播相比延遲了5.79 ps，煤矸石在204.17 ps處出現(xiàn)波峰，與空氣中傳播相比延遲了8.07 ps，且二者的波峰強(qiáng)度也有差異。

2.2 光譜分析

對(duì)圖2進(jìn)行傅里葉變換，然后采用T.D.Domey[5]提出的太赫茲時(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：

其中，n(w)為樣品在某一頻率下的折射率，Φ(w)是THz通過(guò)樣品的相位延遲，d為樣品的厚度。

圖2 煤和煤矸石的THz時(shí)域光譜圖

由此可分析得到煤和煤矸石的折射率與頻譜的關(guān)系。如圖3所示。

圖3 煤和煤矸石的折射率

由圖3可知，煤和煤矸石的折射率在0.2～0.8 THz頻譜范圍內(nèi)較平穩(wěn)，在該頻譜范圍內(nèi)煤和煤矸石的折射率差別較大，煤的折射率在1.87附近，煤矸石的折射率在2.25附近。

同時(shí)根據(jù)傅里葉變換得到的頻譜計(jì)算得到煤和煤矸石的THz透過(guò)率光譜圖，如圖4所示。

圖4 煤和煤矸石的THz透過(guò)率

由圖4可知，在0.2～0.8 THz頻譜范圍內(nèi)，隨著頻率的增大，透過(guò)率呈指數(shù)形式降低，到0.8 THz時(shí)已接近為零。煤矸石的THz透過(guò)率高于煤的透過(guò)率。煤矸石的透過(guò)率在0.25 THz處達(dá)到最大值43.8%，煤的THz透過(guò)率總體不超過(guò)30%。

3 結(jié)論

利用太赫茲時(shí)域光譜儀探究了煤和煤矸石在THz光譜下的折射率和THz透過(guò)率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在0.2～0.8 THz頻譜范圍內(nèi)，煤和煤矸石的折射率較平穩(wěn)但差別較大，煤的折射率約1.87，煤矸石的折射率約2.25；隨著頻率的增大，THz透過(guò)率呈指數(shù)形式降低，煤矸石的THz透過(guò)率高于煤的透過(guò)率。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為煤和煤矸石的分選提供依據(jù)。