Использование излучения инфракрасного диапазона

Инфракрасную область спектра обычно условно разделяют на три: ближнюю (<2,5 мкм), среднюю (2,5-50 мкм), далѐкую (50-2000 мкм). Спектр инфракрасного излучения может быть линейчатым, полосчатым и непрерывным в зависимости от природы источника.

Линейчатые спектры испускают возбуждѐнные атомы и молекулы. Возбуждѐнные молекулы испускают также полосчатые спектры, обусловленные их колебаниями и вращениями. Колебательные и вращательные спектры характерны для средней области ИК-излучения, чисто вращательные – далѐкой области ИК-излучения.

Спектральные характеристики поглощения, отражения, рассеяния минералов в инфракрасной области спектра в принципе могут использоваться так же, как и аналогичные характеристики видимого или ближнего ультрафиолетового диапазонов. Однако чаще используют параметры

инфракрасного излучения самих тел. Параметры излучения тел меняются при изменении температуры тела, то есть при нагреве и охлаждении.

Существует несколько способов нагрева тел: контактный, конвективный, терморадиационный – электромагнитным излучением (оптического, СВЧ-, видимого и инфракрасного диапазонов), электрическим током, трением и т. п.

Важнейшими способами в информационных методах являются конвективный, контактный и терморадиационный – излучением СВЧ-диапазона. При всех способах нагрева на температуру тела влияет несколько различных факторов, однако всегда важную роль играют теплофизические характеристики вещества. Первые два из указанных выше способов нагрева – поверхностные, при этом тепловая энергия подводится к поверхности тела. Скорость распространения тепла в теле и изменения температуры в объѐме и на поверхности определяется во многом его теплофизическими характеристиками.

Для воздушной среды приращение температуры на поверхности частицы кубической и сферической форм при конвективном нагреве, если тепло поглощается минералами неселективно, можно определить по формуле:

где – разность температур среды и частицы минерала, К; α – коэффициент теплоотдачи, Вт/(см²·ºК); t – время контакта частицы со средой, с; d – диаметр сферической или длина ребра кубической частицы, м; c – удельная теплоѐмкость вещества частицы (минерала), Дж/(кг·К); ρ – плотность вещества частицы (минерала), кг/м³.

При прекращении нагрева температура на поверхности куска (минерала) будет снижаться, причѐм тем быстрее, чем выше теплопроводность вещества куска (минерала). Таким образом, куски разного минерального состава с разными теплофизическими свойствами будут иметь разную температуру через одинаковый промежуток времени с момента окончания конвективного нагрева.

Аналогичная зависимость для T будет и при контактном нагреве:

где s – площадь контакта источника тепла и нагреваемого куска, м²; V – объѐм куска, м³.

Минералы и горные породы отличаются теплофизическими свойствами: удельной теплоѐмкостью, теплопроводностью, температуропроводностью. В табл. 6.13 эти характеристики приведены для некоторых самородных элементов, минералов и горных пород.

Таблица 6.13

Теплопроводность и теплоѐмкость минералов (по данным К. Хораи, Д. Симмонса, А. С. Поваренных, Г. Т. Продайводы, Р. П. Юрчака)

^* ^ и || – значение Λ измерено перпендикулярно оптической оси и параллельно ей.

За счѐт различий в этих свойствах температура на поверхности кусков разного минерального состава через одинаковое время нагрева или охлаждения может быть различной.

Возможно применение ещѐ одного способа селективного нагрева минералов, металлов, горных пород, шлаков. Это нагрев СВЧ-излучением. Нет принципиального различия между этим и инфракрасным излучением одинаковых длин волн, но если излучение генерируется электронным прибором, это – СВЧ (или микроволновое) излучение, а если инфракрасным источником – инфракрасное.

Разность температур компонентов при нагреве в СВЧ-поле будет зависеть от теплоѐмкости и плотности вещества, а также от относительной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь.

Энергия квантов в СВЧ-диапазоне мала. Еѐ недостаточно для изменений в структуре атомов и молекул, но достаточно, чтобы взаимодействовать с вращательными уровнями молекул, например воды, либо воздействовать на свободные электроны, например в проводниках, либо вызывать поляризацию в диэлектриках (с переполюсовкой). При высокой интенсивности СВЧ-излучение может вызывать нагрев веществ.

СВЧ-излучение – самый коротковолновый поддиапазон радиоволнового диапазона (λ=0,1-0,3 см). Оно проникает в вещество на глубину до нескольких сантиметров, что обеспечивает прогрев по всему объѐму, а не только с поверхности.

При нагреве тела в СВЧ-поле приращение его температуры T (К) через время t (с) составит:

где f – частота поля, с^-1; E – напряжѐнность СВЧ-поля, В/м; ε₀ – электрическая постоянная, Ф/м; ε – относительная диэлектрическая постоянная вещества; tgδ

– тангенс угла диэлектрических потерь вещества; c – удельная теплоѐмкость, Дж/(кг·К); ρ – плотность вещества частицы (минерала), кг/м³.

Часть входящих в данную формулу переменных характеризуют вещество, их можно записать в виде СВЧ-термометрического фактора, К·м³·Вт^-1:

Таким образом, значительных различий у разделяемых компонентов по величине СВЧ-термометрического фактора следует ожидать от компонентов с разными диэлектрическими, теплофизическими свойствами и плотностью.

Наибольшие различия могут быть у минералов, отличающихся диэлектрическими свойствами. Для минералов и пород они приведены далее. Контраст минералов и горных пород по удельной теплоѐмкости и плотности значительно меньше. Авторами описанного способа В. М. Волошиным и В. Ю. Зубкевычем он назван термографическим.

Тепловым излучением называется электромагнитное излучение, испускаемое телами за счѐт их внутренней энергии. При этом энергия внутренних хаотических тепловых движений электронов непрерывно переходит в энергию испускаемого электромагнитного излучения, при этом возбуждѐнные электроны переходят из состояния с большей в состояние с меньшей энергией с испусканием фотонов различных энергий. То есть нагретое тело отдаѐт внутреннюю энергию за счѐт теплового излучения.

Спектр излучения непрерывный в очень широком диапазоне, его максимум перемещается в область малых длин волн с повышением температуры в соответствии с законом смещения Вина, м:

где T – температура источника излучения, К.

Полная (интегральная по всем частотам ν или длинам волн λ) испускательная способность чѐрного тела в соответствии с законом излучения Стефана-Больцмана определяется по формуле:

∫

где – постоянная Больцмана, Дж/К; R – универсальная

газовая постоянная, Дж/(моль·К); N_А – число Авогадро, моль^-1; c – скорость света, м/с; – постоянная Планка, Дж·с.

То есть полная испускательная способность абсолютно чѐрного тела (спектр поглощения абсолютно чѐрного тела неселективен и равен 1 на всех длинах волн) пропорциональна четвѐртой степени температуры тела T.

Серое тело – это тоже источник теплового излучения (серого излучения) отличается от чѐрного тем, что его поглощающая способность не зависит от частоты, а зависит лишь от температуры, причѐм она меньше 1. Серое тело ближе по сути к реальным объектам, чем абсолютно чѐрное, оно имеет лишь меньшую энергетическую яркость, а спектральный состав абсолютно чѐрного и серого тел одинаков. Отличие реального тела от абсолютно чѐрного оценивают степенью черноты – отношением испускательных способностей при

одинаковой температуре. Все законы абсолютно чѐрного тела применимы к серому телу, в них меняются лишь константы.

С определѐнными допущениями эти законы можно применить для реальных тел, в том числе для минералов и горных пород, учитывая реальную степень черноты.

Степень черноты ряда веществ приводится ниже:

Таким образом, температура тел при разных способах нагрева определяется теплофизическими характеристиками, плотностью вещества, при СВЧ-нагреве – дополнительно его диэлектрическими свойствами.

Излучаемая телом тепловая энергия (испускательная способность, энергетическая светимость), еѐ спектральный состав, то есть те характеристики, которые измеряются бесконтактными термочувствительными приборами, зависят кроме вышеуказанных свойств веществ ещѐ и от степени черноты тела вещества.

Именно эти характеристики формируют разделительные признаки термометрических методов обогащения. Указание способа нагрева даѐт разновидности этих методов.

Описанные выше методы идентификации компонентов при различных способах селективного нагрева по температуре поверхности куска следует называть термометрическими.

Известными испытанными вариантами метода являются конвективно-термометрический и контактно-термометрический для асбеста и СВЧ-термометрический для шлаков, а также железных и марганцевых руд.