太赫兹波在煤介质中传输特性的研究

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煤矿水害日益严重,传统的监测方式已经不能满足要求,改变探测方式使测量的结果更加及时准确,保障人民的生命财产安全,因此,太赫兹波用于煤矿水害瓦斯等安全隐患的监测成为一种趋势。在此之前需要对太赫兹在煤介质中的传播规律进行研究,才能有利于整个系统的设计和实现。本文首先研究了太赫兹发生器,比较了主流的三种产生太赫兹的方法,选择了其中比较稳定、发射功率高且较容易实现的固态电子学发生方法。完成了系统的设计和搭建,得到了大于200mW的发射功率而且工作稳定的太赫兹发生系统,奠定了传输特性测量的基础。本文将太赫兹在煤中传播规律分为三个问题进行研究:首先,探测了太赫兹在煤样品中的衰减特性,即测试其透射特性,得到衰减系数与样品湿度、样品地域(成分)、入射波频率的关系。发现衰减系数的大小与样品的湿度是正比的关系,湿度增大,衰减系数也变大;衰减系数与样品的成份有依赖关系,必须考虑样品的组成成分;在太赫兹波段的75-750GHz内衰减系数在频率增大的时候呈现出增大的趋势。其次,探测了太赫兹在煤样品中的反射性质,测得了其10.33%的反射率,同时测得了水在同一频率110GHz下的反射率为7.90%,得出了可以使用该频率对煤层中的水进行探测的结论,证明了太赫兹测量煤矿水害的可行性。最后,选择自由空间的方法对表征煤和太赫兹波关系的介电常数进行了测量,同样发现了煤介质的介电常数与样品湿度、温度,样品地域(成分)、入射波频率有关;即介电常数随样品的湿度增加而变大,温度是通过影响样品的湿度而间接影响煤的介电常数的;不同地域的煤样品的介电常数呈现不同的值,与其中主要的矿物成分有关,特别是黄铁矿关系重大;当入射波的频率增大时,样品的介电常数呈减小趋势。
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