高彩云，黄 荣，孟田华，胡伟东

（1山西大同大学物理与电子科学学院，山西大同 037009；2太赫兹技术（大同）研究院，山西大同 037000）

煤炭是我国主体能源和基础产业，在相当长一段时间内，甚至从长远来讲，我国还是以煤为主的能源格局。煤矸石是一种在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低的黑灰色岩石，是采煤过程和洗煤过程中排放的固体废物，具有低发热值，煤矸石燃烧会发出大量的有害气体，不仅降低周围的环境质量，而且影响周围居民的身体状况和生态环境[1]。在煤炭利用前，必须对煤矸石进行精确的分选，人工排矸法、机械湿选法、γ 射线分选法以及X射线分选法这些分选方法无法兼顾安全简单、快速、高效率的问题[2−4]。太赫兹波（THz）又被称为“生命光线”，介于微波和红外线之间的电磁波，不仅拥有与光相同的直进性，还具有与电波相似的穿透性和吸收性。太赫兹对人体的辐射能量比X光小100万倍，不会对人体造成辐射性伤害，太赫兹的频率很高、波长短，具有很高的时域频谱信噪比，且在烟尘、沙尘坏境中传输损耗很少，与耗资高，作用距离较短的X射线扫描仪相比，太赫兹在煤矸石分选方面有着独特优势。

1 实验

1.1 仪器与试剂

实验采用山西大同大学的太赫兹光谱实验室的太赫兹时域光谱仪（THz－TDS1008），如图1所示。其中激光器的中心波长为800 nm，脉冲持续时间为100 fs，THz光谱扫描范围为190～210 ps，步长为0.02 ps。为了更加真实地反应实际环境，在温度293 K，相对湿度30%的实验环境下检测。

图1 太赫兹时域光谱系统（THz-TDS 1008）

1.2 实验样品

实验随机选取块状煤和煤矸石后分别将其打磨成2 mm厚度的薄片，放置在太赫兹时域光谱仪上的透射平台对其进行研究。

2 实验结果及分析

2.1 煤和煤矸石的THz光谱

图2为煤和煤矸时的THz时域光谱图，由图可以看出，煤在201.89 ps处出现波峰，与在空气中传播相比延迟了5.79 ps，煤矸石在204.17 ps处出现波峰，与空气中传播相比延迟了8.07 ps，且二者的波峰强度也有差异。

2.2 光谱分析

对图2进行傅里叶变换，然后采用T.D.Domey[5]提出的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：

其中，n(w)为样品在某一频率下的折射率，Φ(w)是THz通过样品的相位延迟，d为样品的厚度。

图2 煤和煤矸石的THz时域光谱图

由此可分析得到煤和煤矸石的折射率与频谱的关系。如图3所示。

图3 煤和煤矸石的折射率

由图3可知，煤和煤矸石的折射率在0.2～0.8 THz频谱范围内较平稳，在该频谱范围内煤和煤矸石的折射率差别较大，煤的折射率在1.87附近，煤矸石的折射率在2.25附近。

同时根据傅里叶变换得到的频谱计算得到煤和煤矸石的THz透过率光谱图，如图4所示。

图4 煤和煤矸石的THz透过率

由图4可知，在0.2～0.8 THz频谱范围内，随着频率的增大，透过率呈指数形式降低，到0.8 THz时已接近为零。煤矸石的THz透过率高于煤的透过率。煤矸石的透过率在0.25 THz处达到最大值43.8%，煤的THz透过率总体不超过30%。

3 结论

利用太赫兹时域光谱仪探究了煤和煤矸石在THz光谱下的折射率和THz透过率。实验结果表明，在0.2～0.8 THz频谱范围内，煤和煤矸石的折射率较平稳但差别较大，煤的折射率约1.87，煤矸石的折射率约2.25；随着频率的增大，THz透过率呈指数形式降低，煤矸石的THz透过率高于煤的透过率。该实验结果可为煤和煤矸石的分选提供依据。