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摘要：为解决传统灼烧称重法检测煤质灰分周期长、成本高以及结果滞后的问题，在对煤质灰分检测技术进行简单概述的基础上完成了无源射线煤质检测系统的总体结构设计，并对其中关键模块的作用进行分析，重点对光电倍增管、信号处理单元和探测器进行选型设计，并完成了无源射线煤质检测系统的标定和验证。
关键词：无源射线煤质检测；灼烧称重法；光电倍增管；探测器；煤质灰分
0引言
煤炭为我国经济发展的关键动力源，其在未来很长一段时间内仍然在我国能源结构中占据主导地位。灰分为衡量煤炭质量的关键指标，其对煤炭的应用也造成一定的影响。煤质灰分检测传统方法采用马弗炉实现，该方法在实际检测过程中不仅需要消耗大量的人力物理，而且检测周期也较长，无法适用于煤质的在线快速检测；虽然辐射型煤质灰分检测方法较马弗炉检测方法周期短、精度高等优势，但是该方法需要配套放射源，容易对操作人员造成人体伤害[1-3]。因此，本文结合实际需求设计无源射线煤质检测系统。
1煤质灰分检测技术
煤矿综采工作面所开采的原煤，由于原煤本身属性和特性不同，其灰分含量也存在较大的差异。根据《GB/T 15224.1—2018》标准对不同灰分含量的原煤进行划分，划分结果如表1所示。
对于煤质灰分检测技术而言，在当前主要采用灼烧称重法对原煤的煤质灰分进行检测，该方法也是当前作为标准的检测方法，具体操作原理为：对原煤燃烧前后的比重进行对比，从而得出原煤煤质中的灰分指标。但是，灼烧称重法在实际操作过程中步骤相对复杂，而且在实际操作中必须严格把关各个操作环节包括有取样、制样和化验等，整个工序完成需要消耗1.5 h左右；而且，灼烧称重法的检测结果不能够实时呈现，具有一定的滞后性，与当前煤质灰分检测的快速性不相符。
经检测可知，煤炭中的灰分主要由一些碳化物以及较为难烧的金属氧化物组成，主要包括有氧化铁、氧化硅和氧化镁等，上述氧化物占比约98%；其余元素含量仅有2%以下。此外，在煤炭灰分中还包括有几十种少量或者微量元素，主要以金属元素和其他一些放射性元素为主[4-5]。其中，煤炭灰分中的放射性元素主要以U238、Ra226和K40为主。因此，可以通过对煤炭灰分中放射性元素的光子信号进行采集，从而实现对煤炭灰分含量的测定。具体操作如下：
采用探测器对煤炭灰分中的U238、Ra226和K40放射性元素进行捕捉，并将所捕捉的信号转化为光电信号；统计上述放射性光电信号捕捉过程中的γ计数，并对所统计的数据进行分析，从而得出煤炭灰分指标。因此，基于无源射线对煤质灰分检测的关键在于准确对灰分放射性元素的捕捉。
2无源射线煤质灰分检测系统设计
2.1无源射线煤质灰分检测系统的总体设计
根据上述无源射线煤质灰分的检测原理，设计无源射线煤质灰分检测系统的总体结构，如图1所示。
如图1所示，无源射线煤质灰分检测系统主要包括由恒温控制模块、探测器模块、信号处理模块、高压反馈控制模块和显示模块组成。各个模块的功能如下：
1）探测器模块：将待测煤炭中的放射线元素的微弱γ射线光子进行捕捉。
2）信号处理模块：将探测器所采集的γ射线光子的电压信号在光电倍增管的作用下倍增2倍；在信号处理的作用下将倍增信号中的噪声信号剔除，提取其中的有效信号进行下一阶段的分析，将有效信号转换为方波脉冲信号输出。
3）高压反馈控制模块：该模块主要作用是完成微弱γ射线光子倍增处理，保证煤炭中的放射线元素可以准确捕捉到。为确保微弱γ射线光子的稳定倍增，要求高压反馈控制信号具有较长时间的稳定性，需满足如下指标要求：要求高压反馈控制模块可以稳定连续工作两年以上；要求高压反馈控制模块电压控制精度不超过1 V；要求高压反馈控制模块输出电压不低于1 000 V；要求高压反馈控制模块的温度系数≤50×10-6/℃。
2.2无源射线煤质检测系统的详细设计
1）光电倍增管的选型。光电倍增管由光阴极、阳极和二次电子倍增极组成。根据“2.1”中高压反馈控制模块中所述的指标要求，确定光电倍增管的计算参数如表2所示。
2）信号处理模块。信号处理模块的主要作用是将倍增处理后的电压信号控制在0~4 V之间，而后在一系列放大、消峰等处理后将其中的噪声信号剔除。本系统采用信号处理模块选型为SN10501型，其具体参数如表3所示。
3）探测器模块。探测器模块为无源射线煤质检测系统的关键模块，该探测器模块主要由碘化钠晶体和PMT仪器组成，具体工作原理如图2所示。
如图2所示，γ射线光子进入碘化钠晶体，使得构成碘化钠的原则从激发态变为基态，原子态转化过程中会产生光子，所产生的光子被PMT捕捉，从而实现了对灰分中放射性元素的探测。
3无源射线煤质检测系统的验证
从上述设计可知，无源射线煤质检测系统实际上是对探测器所探测到电压值转化成煤质的灰分值。因此，需要对上述所设计的系统进行标定，标定结果如图3所示。
为验证所设计的煤质检测系统的检测精度，针对同一待测样本，分别采用传统灼烧称重法和无源射线煤质检测系统的检测结果进行对比，对比结果如表4所示。
如表4所示，采用无源射线煤质检测系统对煤质灰分进行检测的结果与采用灼烧称重法的检测结果相近，误差小于0.5%。
4结语
灰分是衡量煤炭质量的关键指标，针对传统灼烧称重法检测煤质灰分所存在的周期长、成本高以及无法在线检测的问题，本文根据不同灰分含量中所含U238、Ra226和K40放射线元素量不同的原理设计了无源射线煤质检测系统。经过灼烧称重法的测试结果进行对比，无源射线煤质检测系统测试结果相近，误差小于0.5%。
参考文献
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