一種基于光跟蹤的油頁(yè)巖熱解測(cè)量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種基于光跟蹤的油頁(yè)巖熱解測(cè)量方法，是指在一個(gè)熱解環(huán)境中，構(gòu)造條光路，利用太赫茲波沿此光路穿過(guò)熱解反應(yīng)物，然后為光譜儀所接收，用光譜時(shí)域信號(hào)所發(fā)生的變化對(duì)熱解反應(yīng)物進(jìn)行跟蹤分析；當(dāng)測(cè)量固體反應(yīng)物時(shí)，所構(gòu)造的光路是：讓太赫茲波在一次測(cè)量行程中，光波沿固體反應(yīng)物某一測(cè)量點(diǎn)的同一維度，在兩個(gè)不同時(shí)刻，分別從正、反兩方向分別穿過(guò)；當(dāng)測(cè)量氣體反應(yīng)物時(shí)，所構(gòu)造的光路有兩種，一，讓太赫茲波在一次測(cè)量行程中，從單一方向穿過(guò)氣體；二，讓太赫茲波在一次測(cè)量行程中，在兩個(gè)不同時(shí)刻分別從正、反兩方向分別穿過(guò)氣體。本發(fā)明能夠利用太赫茲光譜對(duì)熱解反應(yīng)進(jìn)行跟蹤，通過(guò)分析太赫茲光譜獲取熱解反應(yīng)信息。
【專利說(shuō)明】一種基于光跟蹤的油頁(yè)巖熱解測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明關(guān)于油頁(yè)巖熱解分析技術(shù)，尤其涉及一種利用光學(xué)方法研究油頁(yè)巖熱解方法，該方法能夠準(zhǔn)確對(duì)油頁(yè)巖熱解反應(yīng)的變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤分析，有利于研究油頁(yè)巖的特性。
【背景技術(shù)】
[0002]熱解反應(yīng)是一類重要的反應(yīng)類型，是指物質(zhì)在受熱的條件下發(fā)生分解的反應(yīng)，在科學(xué)研究、化學(xué)工業(yè)都有重要的應(yīng)用。有機(jī)物、無(wú)機(jī)物都有熱解反應(yīng)，利用熱解反應(yīng)可以研究反應(yīng)物的物理、化學(xué)性質(zhì)，有助于判別反應(yīng)物在反應(yīng)過(guò)程中所處的狀態(tài)，也有助于理解反應(yīng)物的成份、組成。
[0003]油頁(yè)巖是由有機(jī)物和無(wú)機(jī)礦物質(zhì)構(gòu)成的可燃性有機(jī)巖石，其有機(jī)物以干酪根的形式存在，熱解油頁(yè)巖是獲得頁(yè)巖油和研究油頁(yè)巖組成成分的重要手段。
[0004]動(dòng)力學(xué)分析是研究熱解反應(yīng)的傳統(tǒng)方法之一，通過(guò)熱解實(shí)驗(yàn)獲取動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)而建立模型，從而在理論上模擬和分析反應(yīng)過(guò)程。這種方法需要借助專門(mén)的熱天平來(lái)完成，通過(guò)測(cè)定物質(zhì)質(zhì)量與時(shí)間的關(guān)系(TG曲線)，可以求解得到熱力學(xué)參數(shù)，因此又被稱為熱重分析法。熱重分析法的缺點(diǎn)主要在于影響因素多，試樣量、試樣皿、氣氛、升溫速率、揮發(fā)物冷凝、浮力等都會(huì)對(duì)TG曲線產(chǎn)生影響。
[0005]XRD (X射線衍射)法也是研究熱解反應(yīng)的傳統(tǒng)方法之一，但由于射線能量高，容易對(duì)樣品結(jié)構(gòu)造成損壞。
[0006]SEM掃描電鏡法也是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)方法之一，也可以用來(lái)研究油頁(yè)巖的熱解反應(yīng)，但是SEM需要對(duì)樣本做處理，保證樣本表面導(dǎo)電，否則無(wú)法對(duì)油頁(yè)巖熱解反應(yīng)的過(guò)程實(shí)現(xiàn)跟蹤。
[0007]太赫茲波(THz)是頻率范圍處于0.1THz?IOTHz的電磁波，屬于遠(yuǎn)紅外波段，具有較低的光子能量(ITHz對(duì)應(yīng)的光子能量為4.14meV)，與X射線衍射技術(shù)相比較，太赫茲波不會(huì)因?yàn)殡婋x而造成樣品的損壞。另外，太赫茲波脈沖具有皮秒級(jí)脈寬(一皮秒等于10_12秒)，分子振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)，分子間作用力、氫鍵等一些弱的相互作用都有一定的固有頻率，若外場(chǎng)頻率與一種分子作用的固有頻率接近，則外場(chǎng)能量會(huì)被顯著地吸收。太赫茲波段覆蓋了有機(jī)分子以上各種弱相互作用的固有頻率，在太赫茲波作用于有機(jī)物時(shí)，特定頻率的波將被顯著吸收，探測(cè)經(jīng)過(guò)物質(zhì)透射或反射的太赫茲波能夠鑒別物質(zhì)成分。而油頁(yè)巖官能團(tuán)分子振動(dòng)的時(shí)間量級(jí)為是10_9 — 10_15s，因此可以利用太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)捕捉油頁(yè)巖熱解時(shí)官能團(tuán)化學(xué)鍵斷裂生成自由基及其穩(wěn)定聚合的特性，基于太赫茲波脈沖的這種特性，可以彌補(bǔ)X射線所不能捕捉到的官能團(tuán)瞬間變化特性。目前尚缺少應(yīng)用太赫茲波進(jìn)行油頁(yè)巖熱解分析的技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為了獲得油頁(yè)巖更好的研究，本發(fā)明目的是提出一種基于光跟蹤的油頁(yè)巖熱解測(cè)量方法。該方法利用太赫茲波特性，將太赫茲光譜分析技術(shù)應(yīng)用到熱解反應(yīng)的研究領(lǐng)域，跟蹤各種條件下(溫度、壓力、加熱速率、反應(yīng)時(shí)間等)油頁(yè)巖熱解過(guò)程的變化情形，用太赫茲時(shí)域信號(hào)捕捉熱解產(chǎn)物在皮秒量級(jí)的超快動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，通過(guò)太赫茲時(shí)域信號(hào)的強(qiáng)度及相位變化表征油頁(yè)巖結(jié)構(gòu)變化的動(dòng)力學(xué)特征。
[0009]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:
[0010]一種基于光跟蹤的油頁(yè)巖熱解測(cè)量方法，其特征在于:在一個(gè)熱解環(huán)境中，構(gòu)造條光路，利用太赫茲波沿此光路穿過(guò)熱解反應(yīng)物，然后為光譜儀所接收，用光譜時(shí)域信號(hào)所發(fā)生的變化對(duì)熱解反應(yīng)物進(jìn)行跟蹤分析；當(dāng)測(cè)量固體反應(yīng)物時(shí)，所構(gòu)造的光路是:讓太赫茲波在一次測(cè)量行程中，光波沿固體反應(yīng)物某一測(cè)量點(diǎn)的同一維度，在兩個(gè)不同時(shí)刻，分別從正、反兩方向分別穿過(guò)，然后射出；當(dāng)測(cè)量氣體反應(yīng)物時(shí)，所構(gòu)造的光路有兩種，選擇其一:
[0011]一，讓太赫茲波在一次測(cè)量行程中，光波在氣體反應(yīng)物的空間中，從單一方向穿過(guò)氣體，然后射出；
[0012]二，讓太赫茲波在一次測(cè)量行程中，光波在氣體反應(yīng)物的空間中，在兩個(gè)不同時(shí)亥|J，分別從正、反兩方向分別穿過(guò)氣體，然后射出。
[0013]進(jìn)一步講:
[0014]所述的熱解環(huán)境，是指設(shè)定的溫度和壓力環(huán)境，所述溫度環(huán)境為固定的溫度條件或變化的溫度條件之一；所述氣壓環(huán)境為固定的氣壓條件或變化的氣壓條件之一。
[0015]所述的熱解環(huán)境中，通入的氣體是惰性氣體。
[0016]其中，構(gòu)造測(cè)量固體反應(yīng)物的光路的方法之一是:
[0017]設(shè)置一密閉隔熱的箱體，在箱體的兩相對(duì)側(cè)壁上，開(kāi)設(shè)有兩個(gè)供太赫茲波射入、射出的太赫茲透射窗；一旋轉(zhuǎn)夾具臺(tái)，轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)置在箱體內(nèi)，旋轉(zhuǎn)夾具臺(tái)上設(shè)置有樣品槽，槽中樣品隨旋轉(zhuǎn)夾具臺(tái)的擺動(dòng)而擺動(dòng)；一反射鏡組布置在旋轉(zhuǎn)夾具臺(tái)的兩側(cè)，由四面反射鏡組成，擺放的位置關(guān)系滿足:從一個(gè)太赫茲透射窗入射的太赫茲波，在四面反射鏡的反射下形成形光路，對(duì)擺動(dòng)的樣品往返兩次透射，最終從另一個(gè)太赫茲透射窗射出。
[0018]所述四面反射鏡的具體位置關(guān)系是:
[0019]第一、第二反射鏡與第三、第四反射鏡，兩兩為一組分置于旋轉(zhuǎn)夾具臺(tái)的兩側(cè)，鏡面與水平面垂直；
[0020]第一反射鏡、第二反射鏡分別側(cè)對(duì)兩個(gè)太赫茲透射窗但傾斜方向相反，反射面與太赫茲透射窗平面的夾角均為銳角α ；
[0021]第三反射鏡與第二反射鏡傾斜方向相同，但第三反射鏡的反射面與箱體側(cè)壁的夾角為 180° -3，其中@=90° 1，且@〈45° ；
[0022]第四反射鏡與第一反射鏡傾斜方向相同，但第四反射鏡的反射面與箱體側(cè)壁的夾角為 180° -β，其中 β = 90° -α，且 β〈45°。
[0023]其中，構(gòu)造測(cè)量固體反應(yīng)物的光路的方法之二是:
[0024]設(shè)置一箱體、一平移夾具臺(tái)、一反射鏡組；箱體的兩個(gè)相對(duì)側(cè)面上，設(shè)置有太赫茲波入射窗和出射窗；平移夾具臺(tái)水平滑動(dòng)地設(shè)置在箱體中，夾具臺(tái)上固定有樣品；反射鏡組，包括四面反射鏡，兩兩分置于平移夾具臺(tái)的兩側(cè)，鏡面與水平面垂直，以一定角度安裝，位置關(guān)系滿足:從入射窗進(jìn)入的太赫茲波，在四面反射鏡的反射下形成“幾”字形光路，對(duì)移動(dòng)的樣品往返兩次透射，最終從出射窗射出。[0025]進(jìn)一步講，在反射鏡組中，位于平移夾具臺(tái)同一側(cè)的兩面鏡子，均成90°夾角擺置，平移夾具臺(tái)兩側(cè)的兩組鏡子90°夾角方向一致，且每一面鏡子鏡面均面向平移夾具臺(tái)。
[0026]其中，構(gòu)造正、反兩方向穿過(guò)測(cè)量氣體的光路的方法之一是:
[0027]設(shè)置一氣密性的隔熱箱體,一樣品投放機(jī)構(gòu),一反射鏡機(jī)構(gòu)；樣品投放機(jī)構(gòu)豎直設(shè)置在箱體中間部位，反射鏡機(jī)構(gòu)分為兩組，分置于樣品投放機(jī)構(gòu)的兩側(cè)，每一反射鏡組包括兩個(gè)相互垂直的、通過(guò)轉(zhuǎn)軸聯(lián)動(dòng)的鏡子，在兩組反射鏡中，鏡面都垂直于水平面，且鏡面都傾斜朝向投放機(jī)構(gòu)，其中一組的鏡面還傾斜的朝向箱體側(cè)壁；在鏡面傾斜朝向的箱體側(cè)壁上，分別開(kāi)設(shè)一太赫茲入射窗和出射窗。
[0028]其中，構(gòu)造正、反兩方向穿過(guò)測(cè)量氣體的光路的方法之二是:
[0029]設(shè)置一氣密箱，一樣品投放機(jī)構(gòu)，一反射鏡；氣密箱的一側(cè)開(kāi)設(shè)有太赫茲透射窗，樣品投放機(jī)構(gòu)成水平式設(shè)置在箱體內(nèi)，在樣品投放機(jī)構(gòu)的上方或下方，設(shè)置所述反射鏡，透射鏡的反射面與水平面垂直，且該反射面與透射窗相對(duì)。
[0030]其中，構(gòu)造光單方向穿過(guò)測(cè)量氣體的光路的方法是:設(shè)置一密閉的箱體，在相對(duì)的兩側(cè)開(kāi)設(shè)有透射窗，一個(gè)為入射窗，一個(gè)為出射窗，熱解樣品置于空間內(nèi)，入射窗與出射窗處于同一高度，且都高于樣品放置高度。
[0031]本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，獲得的有益效果是:可以將熱解反應(yīng)和太赫茲光譜技術(shù)緊密聯(lián)系起來(lái)，可以在熱解反應(yīng)的過(guò)程中利用太赫茲光譜儀實(shí)時(shí)跟蹤反應(yīng)進(jìn)程。以往只能單獨(dú)進(jìn)行熱解反應(yīng)，無(wú)法與光路銜接實(shí)現(xiàn)光譜測(cè)量，或者可以進(jìn)行太赫茲光譜測(cè)量但無(wú)法同時(shí)進(jìn)行熱解反應(yīng)，本發(fā)明的設(shè)計(jì)克服了以往的缺陷。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0032]圖1為光波從同一測(cè)量點(diǎn)正、反兩方向穿過(guò)的示意圖；
[0033]圖2為光波從單一方向穿過(guò)氣體的光路示意圖；
[0034]圖3為光波先后從氣體空間正、反兩方向分別穿過(guò)的光路示意圖；
[0035]圖4為本發(fā)明第一實(shí)施例裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036]圖5為本發(fā)明第一實(shí)施例中旋轉(zhuǎn)夾具臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037]圖6-1為本發(fā)明第一實(shí)施例中光路與旋轉(zhuǎn)夾具臺(tái)的位置關(guān)系圖一；
[0038]圖6-2為本發(fā)明第一實(shí)施例中光路與旋轉(zhuǎn)夾具臺(tái)的位置關(guān)系圖二 ；
[0039]圖7為本發(fā)明第二實(shí)施例裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0040]圖8為本發(fā)明第二實(shí)施例中平移夾具臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0041]圖9-1為本發(fā)明第二實(shí)施例中光路與平移夾具臺(tái)的位置關(guān)系圖一；
[0042]圖9-2為本發(fā)明第二實(shí)施例中光路與平移夾具臺(tái)的位置關(guān)系圖二 ；
[0043]圖10為本發(fā)明第三實(shí)施例裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0044]圖11為本發(fā)明第四實(shí)施例裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0045]為了使本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題，以及相應(yīng)采取的技術(shù)方案和獲得的有益效果更加清楚明白，下面結(jié)合附圖對(duì)本方法進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0046]本發(fā)明提供一種基于光跟蹤的油頁(yè)巖熱解測(cè)量方法，是指利用太赫茲波穿過(guò)熱解反應(yīng)物，用光譜時(shí)域信號(hào)所發(fā)生的變化對(duì)熱解反應(yīng)物進(jìn)行跟蹤分析。它的基本構(gòu)思是，構(gòu)造一個(gè)熱解環(huán)境，在熱解環(huán)境中，設(shè)計(jì)一條太赫茲波光路，使得太赫茲波透射過(guò)反應(yīng)物，然后為光譜儀所接收，根據(jù)熱解環(huán)境條件，利用光譜的變化特性測(cè)量熱解反應(yīng)物的特征。
[0047]根據(jù)跟蹤對(duì)象的不同，所設(shè)計(jì)的光路也不同，使得太赫茲波透射過(guò)反應(yīng)物的過(guò)程也不同。當(dāng)跟蹤的是固體反應(yīng)物時(shí)，所構(gòu)造的光路是:讓太赫茲波在一次測(cè)量行程中(同一束波從入射到出射為一個(gè)行程)，光波沿固體反應(yīng)物某一測(cè)量點(diǎn)的同一維度，在兩個(gè)不同時(shí)亥IJ，分別從正、反兩方向分別穿過(guò)。維度是指穿過(guò)該測(cè)量點(diǎn)的某一條直線，同一維度就是指同一條直線。光路示意圖如圖1所示。
[0048]對(duì)于固體反應(yīng)物我們之所以這樣設(shè)計(jì)，是因?yàn)槲覀兛紤]了固體各向異性研究的需要。因?yàn)楣腆w存在各向異性，如果僅從一側(cè)測(cè)量，難免使得測(cè)量結(jié)果不足夠準(zhǔn)確反映物體的特性。所以通過(guò)設(shè)計(jì)不同的光路結(jié)構(gòu)，使得理論上可以保證同一點(diǎn)的正反面透射。
[0049]當(dāng)跟蹤的是氣體反應(yīng)物時(shí)，所構(gòu)造的光路有兩種:一是，讓太赫茲波在一次測(cè)量行程中，光波在氣體反應(yīng)物的空間中，從單一方向穿過(guò)氣體，然后射出即可，光路示意圖如圖2所示。二是，讓太赫茲波在一次測(cè)量行程中，光波在兩個(gè)不同時(shí)刻，分別從正、反兩方向穿過(guò)氣體空間一次，光路示意圖如圖3所示。
[0050]對(duì)于氣體反應(yīng)物我們之所以這樣設(shè)計(jì)，主要是受光譜儀設(shè)備的影響，這些類光路設(shè)計(jì)，一是為了節(jié)省光譜儀的內(nèi)部空間，二是使光線入、出射在同一條直線方向上。
[0051]這里所述的熱解環(huán)境，是指設(shè)定的一系列溫度和壓力環(huán)境，熱解環(huán)境條件既可以為固定的熱解環(huán)境條件，即在某一固定的溫度和壓力下測(cè)量熱解特性；也可以為變化的熱解環(huán)境條件，包含溫度變化、氣壓變化等條件，即設(shè)定變化的溫度和/或變化的氣壓，根據(jù)變化的速率，研究熱解特性。
[0052]對(duì)于固體反應(yīng)物的跟蹤，可以通過(guò)以下具體實(shí)施方法實(shí)現(xiàn):
[0053]方法一:
[0054]可以通過(guò)如下裝置實(shí)現(xiàn):如圖4所示(圖中取掉了箱體的上蓋)，該裝置包括一密閉隔熱的箱體101、一旋轉(zhuǎn)夾具臺(tái)102、一反射鏡組103，以及配套的溫控裝置和通氣裝置。
[0055]箱體由隔熱、遮光的剛性材料做成，還可在箱體內(nèi)加裝隔熱層。在箱體的兩相對(duì)側(cè)壁上,開(kāi)設(shè)有兩個(gè)太赫茲透射窗,一個(gè)為太赫茲入射窗104、一個(gè)為太赫茲出射窗105，透射窗由單晶硅材質(zhì)做成，它有良好的太赫茲波透過(guò)性，同時(shí)耐高溫隔熱。較佳的是這兩個(gè)透射窗位于箱體的同一橫截面上，因?yàn)檫@樣對(duì)于裝置設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。雖然兩個(gè)透射窗也可以前后平行錯(cuò)位放置，甚至是兩個(gè)透射窗的表面不平行，也可以實(shí)現(xiàn)光譜分析，但是這樣對(duì)于裝置的設(shè)計(jì)變得非常復(fù)雜。
[0056]在箱體中，設(shè)置旋轉(zhuǎn)夾具臺(tái)102和反射鏡組103。如圖5所示，旋轉(zhuǎn)夾具臺(tái)102包括一旋轉(zhuǎn)軸106和一擺臂107。旋轉(zhuǎn)軸106通過(guò)軸承組件安裝在箱體底座的旋轉(zhuǎn)軸孔中，并通過(guò)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)連接到箱外，以便于用外力旋轉(zhuǎn)夾具。該傳動(dòng)結(jié)構(gòu)可以為一組垂直嚙合的齒輪組。擺臂107固定套設(shè)在旋轉(zhuǎn)軸106上，擺臂107的一端設(shè)置有樣品槽108，樣品槽108底部設(shè)有加熱件。在外力作用下旋轉(zhuǎn)夾具臺(tái)可以在旋轉(zhuǎn)軸孔中轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0057]在旋轉(zhuǎn)夾具臺(tái)的兩側(cè)設(shè)置有反射鏡組103，如圖4所示。反射鏡組103包括四面反射鏡組成。反射鏡為采用表面拋光的不銹鋼材質(zhì)的平面鏡，分別插在底座的四個(gè)插槽中，鏡面與水平面垂直。四面反射鏡的擺設(shè)角度以及構(gòu)成的光路如圖6-1、6-2所示。第一反射鏡109與第二反射鏡110分別側(cè)對(duì)太赫茲入射窗104和太赫茲出射窗105，但傾斜方向相反；這兩個(gè)反射鏡的反射面與太赫茲透射窗平面的夾角均為銳角α (與即與箱體側(cè)壁的夾角)，一個(gè)是以透射窗平面為基礎(chǔ)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)α角，一個(gè)是以透射窗平面為基礎(chǔ)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)α角；第三反射鏡111與第四反射鏡112沿箱體縱向設(shè)置在箱體的另一端，與第一反射鏡109、第二反射鏡110分置于旋轉(zhuǎn)夾具臺(tái)的兩側(cè)；第三反射鏡111與第二反射鏡110傾斜方向相同，但第三反射鏡111的反射面與箱體側(cè)壁的夾角為180° -β，其中β=90° -α，且β〈45° ;同理，第四反射鏡112與第一反射鏡109傾斜方向相同，但第四反射鏡112的反射面與箱體側(cè)壁的夾角為180° _β，其中β =90° -αΙβ〈45°。太赫茲波從入射窗104射入，光路以“oc”形式依次經(jīng)第一反射鏡、第二反射鏡、第三反射鏡、第四反射鏡幾次折返，最終從出射窗105射出(光路如圖中帶箭頭的虛線所示)。四面反射鏡各完成I次反射，反射光路處于同一平面內(nèi)，入射光線和出射光線在同一方向，利于出射的太赫茲波被太赫茲光譜儀接收。
[0058]在上述光路設(shè)計(jì)中，反射鏡組采取獨(dú)特設(shè)計(jì)方式，以一定角度安裝在熱解跟蹤裝置中，構(gòu)成形”轉(zhuǎn)折光路，伴隨著夾具臺(tái)的擺動(dòng)，使得太赫茲波從樣品某一測(cè)量點(diǎn)的正反兩方向兩次穿過(guò)。每個(gè)反射鏡能夠?qū)⒐饩€折射一次，每次折射后光線仍處于同一平面內(nèi)，經(jīng)過(guò)所有反射鏡的折射后，光線的傳播方向與進(jìn)入裝置的方向一致并從裝置射出，進(jìn)入配套使用的太赫茲光譜儀接收端。兩次測(cè)量好處是，太赫茲波每穿過(guò)一次進(jìn)行一次測(cè)量，測(cè)量完成后轉(zhuǎn)一下夾具臺(tái)的角度，從樣品同一測(cè)量點(diǎn)的反面穿過(guò)再次測(cè)量，這樣可以研究物質(zhì)在一個(gè)維度的各向異性。傳播方向一致的好處是為保證裝置對(duì)外部測(cè)量光路(太赫茲光譜儀使用所配套的光路)不產(chǎn)生影響。旋轉(zhuǎn)夾具臺(tái)能繞旋轉(zhuǎn)軸中心轉(zhuǎn)動(dòng)，改變樣品的空間位置，使樣品在擺動(dòng)過(guò)程中兩次進(jìn)入探測(cè)光路中?？刂菩D(zhuǎn)夾具臺(tái)的旋鈕，使用者可以方便地控制熱解樣品移入或移出探測(cè)光路。當(dāng)旋轉(zhuǎn)夾具臺(tái)的對(duì)稱面與單晶硅透射窗平面所夾銳角為90° -2β時(shí)(如圖6-1所示)，平行太赫茲波可從樣品正面入射一次；在此狀態(tài)下，旋轉(zhuǎn)夾具臺(tái)的對(duì)稱面繞其旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過(guò)180° -4β角(圖6-2所示)，太赫茲波可從樣品的反面再次入射一次，前后入射點(diǎn)連線落在旋轉(zhuǎn)夾具臺(tái)的對(duì)稱面內(nèi)且垂直于片狀樣本平面，即可實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)的正反向測(cè)量。
[0059]上述是以旋轉(zhuǎn)夾具為例說(shuō)明樣品的移動(dòng)，實(shí)際上也可采用平移設(shè)備，只能要滿足在一次測(cè)量光程中，樣品能在正、反兩面被光穿過(guò)即可。
[0060]方法二:
[0061]可以通過(guò)如下裝置實(shí)現(xiàn):如圖7所示(圖中取掉了箱體的外殼)，該裝置包括一密閉隔熱的箱體201、一平移夾具臺(tái)202、一反射鏡組203以及配套的溫控裝置和通氣裝置。
[0062]箱體內(nèi)壁可貼附不透光的隔熱層。在箱體的兩相對(duì)側(cè)壁上，開(kāi)設(shè)有兩個(gè)對(duì)稱的太赫茲透射窗，一個(gè)為太赫茲入射窗、一個(gè)為太赫茲出射窗，透射窗由單晶娃材質(zhì)做成，它有良好的太赫茲波透過(guò)性，同時(shí)耐高溫隔熱。較佳的是這兩個(gè)透射窗位于箱體的同一橫截面上，因?yàn)檫@樣對(duì)于裝置設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。
[0063]在箱體中，設(shè)置平移夾具臺(tái)202和反射鏡組203。如圖7所示，在箱體底座中部，攔腰設(shè)置一直線型導(dǎo)軌204，導(dǎo)軌與透射窗的平面垂直。平移夾具臺(tái)202安裝在導(dǎo)軌上，反射鏡組203分為兩組分置于導(dǎo)軌的兩側(cè)。
[0064]平移夾具臺(tái)的結(jié)構(gòu)如圖8所示，包括一平移滑塊205，滑塊上設(shè)置有樣品夾持板，樣品夾持板是可活動(dòng)的，用于夾持不同厚度的樣品。在圖8所示的結(jié)構(gòu)中，包括固定夾持板206，活動(dòng)夾持板207，活動(dòng)夾持板由一螺桿支撐件208帶動(dòng)它移動(dòng)。螺桿穿過(guò)支撐件連接在活動(dòng)夾持板的端面上，當(dāng)擰轉(zhuǎn)螺桿時(shí)，螺桿前端就會(huì)推動(dòng)夾持板向前移動(dòng)縮小與固定夾持板的距離，從而把樣品夾住。平移滑塊205滑設(shè)在導(dǎo)軌204上，且滑塊中心套設(shè)在一步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)的絲杠209上，當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于平移滑塊卡設(shè)在導(dǎo)軌中，使得平移滑塊只能沿著導(dǎo)軌平移。
[0065]反射鏡組203，圖9-1、9_2所示，共有四面反射鏡，分為兩組安裝在導(dǎo)軌204的兩偵牝第一反射鏡210和第二反射鏡211為一組，第三反射鏡212和第四反射鏡213為一組。每一組的兩面鏡子均成“八”字形擺設(shè)，夾角成90°，且在導(dǎo)軌兩側(cè)的兩組鏡子“八”字形走向是一致的。鏡面都與水平面(底座平面)垂直，且鏡面均面向?qū)к壱粋?cè)，且有一組導(dǎo)軌一側(cè)的反射鏡鏡面分別朝向太赫茲波入射窗和太赫茲波出射窗。
[0066]四面反射鏡以一定角度安裝在裝置中，太赫茲波從入射窗射入，光路以“幾”字形在裝置內(nèi)傳播。依次經(jīng)第一反射鏡、第三反射鏡、第四反射鏡、第二反射鏡幾次折返，最終從出射窗射出，太赫茲波進(jìn)出裝置的方向一致(光路如圖9-1、9-2中的箭頭線段所示)。四面反射鏡各完成I次反射，反射光路處于同一平面內(nèi)，入射光線和出射光線在同一方向，利于出射的太赫茲波被太赫茲光譜儀接收。伴隨著平移夾具臺(tái)的移動(dòng)，固體片狀反應(yīng)物經(jīng)過(guò)光路時(shí)，同一測(cè)量點(diǎn)的兩個(gè)方向上會(huì)在不同時(shí)刻被光各透射一次，從而實(shí)現(xiàn)同一測(cè)點(diǎn)的正、反兩向測(cè)量。
[0067]上述是以平移夾具臺(tái)為例說(shuō)明樣品的移動(dòng)，實(shí)際中也可采用旋轉(zhuǎn)設(shè)備，或其他方式，只要能滿足在一次測(cè)量光程中，樣品能在正反兩面被光穿過(guò)即可。
[0068]上述的兩種方法中，都是通過(guò)設(shè)置反射鏡組，轉(zhuǎn)折光路，同時(shí)伴隨樣品夾具臺(tái)的移動(dòng)，改變反應(yīng)物的位置，將反應(yīng)物移入探測(cè)光路中，表征反應(yīng)物特性的出射光被光譜儀接收，進(jìn)行熱解固體的分析。通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)或平移夾具臺(tái)，通過(guò)設(shè)定轉(zhuǎn)動(dòng)或平移的路程和速度，通過(guò)設(shè)計(jì)光程傳播的路程和速度，使得在某一時(shí)刻，光恰好從某一方向透射過(guò)測(cè)量點(diǎn)，而在下一時(shí)刻，光又恰好從相反的方向透射過(guò)測(cè)量點(diǎn)，記錄兩時(shí)刻的數(shù)據(jù)，就可分析該測(cè)量點(diǎn)的熱解特性。單點(diǎn)的正反向測(cè)量，可以使得測(cè)量更有說(shuō)服力，同時(shí)更重要的是研究物質(zhì)的各向異性，即研究光正反面從同一點(diǎn)透過(guò)，所發(fā)生的變化是否相同。裝置能夠?qū)崿F(xiàn)旋轉(zhuǎn)/平移一個(gè)特定的距離就能夠從理論上做到較精確地同一點(diǎn)雙向入射，誤差比以前的裝置小，測(cè)量結(jié)果也更有說(shuō)服力。
[0069]對(duì)于氣體反應(yīng)物的跟蹤，可以通過(guò)以下具體實(shí)施方法實(shí)現(xiàn):
[0070]方法一:
[0071]該方法是讓太赫茲波在一次測(cè)量行程中，光波在氣體反應(yīng)物空間中，在兩個(gè)不同時(shí)刻，分別從正、反兩方向分別穿過(guò)氣體。
[0072]可構(gòu)造這樣一個(gè)裝置，該裝置包括一氣密性的隔熱箱體301，一樣品投放機(jī)構(gòu)302，一反射鏡機(jī)構(gòu)303，以及配套的溫控裝置和通氣裝置，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖10所示。該裝置中，在箱體中間部位豎直設(shè)置樣品投放機(jī)構(gòu)302，樣品投放機(jī)構(gòu)上帶有加熱部件，讓熱解氣體能夠較均勻的彌散于空間中。由于測(cè)定的是氣體反應(yīng)物，氣體充滿在空間中，所以無(wú)需移動(dòng)樣品。
[0073]在投放機(jī)構(gòu)的兩側(cè)，設(shè)置反射鏡機(jī)構(gòu)303，反射鏡機(jī)構(gòu)303包括兩組反射鏡，每一組反射鏡由兩個(gè)鏡子組成，相互成90度，兩個(gè)鏡子連在一起，通過(guò)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。在兩組反射鏡中，鏡面都垂直于水平面，且鏡面都傾斜朝向投放機(jī)構(gòu)，且其中一組的鏡面還傾斜的朝向箱體側(cè)壁。這樣構(gòu)成的光路更有利于測(cè)定反應(yīng)氣體。
[0074]在箱體相對(duì)的兩個(gè)側(cè)面上，與鏡面傾斜的朝向箱體側(cè)壁的一組反射鏡相配合的，設(shè)置兩個(gè)太赫茲透射窗，一個(gè)為入射窗，一個(gè)為出射窗，結(jié)合反射鏡機(jī)構(gòu)構(gòu)造裝置的光路系統(tǒng)。該光路是:如圖10中箭頭線所指，太赫茲波由入射窗入射，經(jīng)過(guò)第一反射鏡組的A反射面，反射到第二反射鏡組的C反射面，然后再反射到第二反射鏡組的D反射面，再進(jìn)一步反射到第一反射鏡組的B反射面,最后由B反射面反射到出射窗，由出射窗發(fā)射出去，由此構(gòu)成一“幾”字形光路，圍繞在熱解樣品的周圍。在光路的一個(gè)行程中(同一束光進(jìn)、出裝置一次計(jì)為一個(gè)光程)，太赫茲波在氣體內(nèi)部往返各一次，光路系統(tǒng)能夠保證太赫茲波以一定精度在整個(gè)裝置內(nèi)傳播，透過(guò)熱解氣體的太赫茲波包含了氣體的信息，能被外部的太赫茲光譜儀接收。
[0075]“幾”字形光路的設(shè)計(jì)思路，這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于“幾”字在一個(gè)方向比較短，另一個(gè)方向上比較長(zhǎng)。太赫茲波從短邊方向進(jìn)入，又沿原方向射出，即可節(jié)約光譜儀的樣品區(qū)空間。把裝置伸入到太赫茲透射光譜儀中時(shí)，長(zhǎng)邊方向可以暴露在外。
[0076]方法二:
[0077]該方法也是讓太赫茲波在一次測(cè)量行程中，光波在氣體反應(yīng)物空間中，在兩個(gè)不同時(shí)刻，分別從正、反兩方向分別穿過(guò)氣體。
[0078]可構(gòu)造這樣一個(gè)裝置，該裝置包括一氣密箱401，一樣品投放機(jī)構(gòu)402，一反射鏡403，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖11所示。該裝置中，氣密箱的結(jié)構(gòu)形式有多種，只要能滿足氣密性和隔熱要求就可以。氣密箱401的一側(cè)開(kāi)設(shè)有太赫茲透射窗404。樣品投放機(jī)構(gòu)402成水平式設(shè)置在箱體內(nèi)，樣品投放機(jī)構(gòu)402既可以輔助設(shè)置一驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，讓它在驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的帶動(dòng)下自由平移，也可以是固定放置在箱體內(nèi)不動(dòng)。由于測(cè)定的是氣體反應(yīng)物，氣體充滿在空間中，所以無(wú)需移動(dòng)樣品。驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)可以是一電機(jī)帶動(dòng)的平移結(jié)構(gòu)，也可以是一手動(dòng)的抽屜。較佳的是在投放機(jī)構(gòu)附近設(shè)置加熱部件，讓樣品充分受熱。
[0079]由于樣品投放機(jī)構(gòu)402成水平方式，所以可在樣品投放機(jī)構(gòu)402的上方(或下方)設(shè)置一反射鏡403。反射鏡403設(shè)置在與透射窗相對(duì)的一端，即遠(yuǎn)離透射窗，透射鏡403的反射面與水平面垂直，且該反射面與透射窗相對(duì)。較佳的是，樣品臺(tái)放置在透射窗與反射鏡的中間，這樣可以使透射窗與反射鏡之間的空間內(nèi)充分的彌漫熱解氣體，對(duì)于光測(cè)量有更好的效果。
[0080]該裝置中，由透射窗404和反射鏡403構(gòu)成的光路如圖3所示，太赫茲光波由透射窗404進(jìn)入，中間途徑氣體空間，遇到反射鏡403后，被反射回來(lái)，再次途徑氣體空間，然后從透射窗404射出。在此光程中，氣體也是被透射過(guò)兩次。這種反射式裝置將反射鏡置于裝置內(nèi)，可不使用反射光譜儀帶的反射鏡，而把裝置安放在反射光譜儀的樣品處，太赫茲波進(jìn)入裝置后經(jīng)過(guò)內(nèi)部反射鏡的反射從原透射窗射出，再被反射式光譜儀的接收端接受。相比于透射式裝置直接用于反射式光譜儀(反射鏡平放置，太赫茲波前后4次通過(guò)透射窗)，這樣做可以使太赫茲波進(jìn)出裝置的次數(shù)盡量少(反射鏡豎置，太赫茲波前后2次通過(guò)透射窗)降低了光學(xué)損失和各種位置誤差。
[0081]方法三:[0082]該方法也是讓太赫茲波在一次測(cè)量行程中，光波在氣體反應(yīng)物的空間中，從單一方向穿過(guò)氣體，然后射出。
[0083]此種方法的可實(shí)施裝置很多。比如在一密閉的空間內(nèi)，相對(duì)的兩側(cè)開(kāi)設(shè)有透射窗，一個(gè)為入射窗，一個(gè)為出射窗。在此密閉空間內(nèi)，放置熱解樣品，可移動(dòng)也可不移動(dòng)，不做限制。較佳的是入射窗與出射窗處于同一高度，且都高于樣品放置高度，這樣更便于在光透過(guò)裝置時(shí)，更充分的穿越樣品上方的熱解氣體，對(duì)熱解分析帶來(lái)準(zhǔn)確信息。攜帶有熱解氣體特性的太赫茲波就可以被太赫茲光譜儀接收進(jìn)而分析，光路圖如圖2所示。
[0084]以上都是為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法所采取的一些較佳實(shí)施方式，并非用以限定本發(fā)明的范圍。任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的構(gòu)思和原則的前提下所做出的等同變化與修改，均應(yīng)屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0085]在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法中，配套設(shè)置的溫控裝置和通氣裝置，都可以采用現(xiàn)有技術(shù)的多種手段實(shí)現(xiàn)。在通入的氣體中，選則與油頁(yè)巖不反應(yīng)的惰性氣體，比如N2、Ar2，對(duì)太赫茲波的影響也極小。充氣可以把反應(yīng)產(chǎn)生的可能對(duì)太赫茲波產(chǎn)生影響的氣體吹走，同時(shí)，充入這兩種氣體可以防止高溫?zé)峤鈺r(shí)可燃物質(zhì)與氧氣發(fā)生反應(yīng)而燃燒。
[0086]本發(fā)明應(yīng)用太赫茲波的特性，通過(guò)構(gòu)建不同的光路，用太赫茲時(shí)域信號(hào)跟蹤熱解產(chǎn)物的變化，測(cè)量固體或氣體熱解反應(yīng)物的成分和組成。光路可以應(yīng)對(duì)不同的要求而構(gòu)建，解決了以往的先熱解后測(cè)量的難題。
【權(quán)利要求】
1.一種基于光跟蹤的油頁(yè)巖熱解測(cè)量方法，其特征在于:在一個(gè)熱解環(huán)境中，構(gòu)造條光路，利用太赫茲波沿此光路穿過(guò)熱解反應(yīng)物，然后為光譜儀所接收，用光譜時(shí)域信號(hào)所發(fā)生的變化對(duì)熱解反應(yīng)物進(jìn)行跟蹤分析； 當(dāng)測(cè)量固體反應(yīng)物時(shí)，所構(gòu)造的光路是:讓太赫茲波在一次測(cè)量行程中，光波沿固體反應(yīng)物某一測(cè)量點(diǎn)的同一維度，在兩個(gè)不同時(shí)刻分別從正、反兩方向穿過(guò)，然后射出； 當(dāng)測(cè)量氣體反應(yīng)物時(shí)，所構(gòu)造的光路有兩種，選擇其一: 一，讓太赫茲波在一次測(cè)量行程中，光波在氣體反應(yīng)物的空間中，從單一方向穿過(guò)氣體，然后射出； 二，讓太赫茲波在一次測(cè)量行程中，往、返兩次經(jīng)歷氣體空間，然后射出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光跟蹤的油頁(yè)巖熱解測(cè)量方法，其特征在于:所述的熱解環(huán)境，是指設(shè)定的溫度和壓力環(huán)境，所述溫度環(huán)境為固定的溫度條件或變化的溫度條件之一；所述氣壓環(huán)境為固定的氣壓條件或變化的氣壓條件之一。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于光跟蹤的油頁(yè)巖熱解測(cè)量方法，其特征在于:所述的熱解環(huán)境中，通入的氣體是惰性氣體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光跟蹤的油頁(yè)巖熱解測(cè)量方法，其特征在于:構(gòu)造測(cè)量固體反應(yīng)物的光路的方法是: 設(shè)置一密閉隔熱的箱體，在箱體的兩相對(duì)側(cè)壁上，開(kāi)設(shè)有兩個(gè)供太赫茲波射入、射出的太赫茲透射窗；一旋轉(zhuǎn)夾具臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)置在箱體內(nèi)，旋轉(zhuǎn)夾具臺(tái)上固定有樣品；一反射鏡組，布設(shè)在旋轉(zhuǎn)夾具臺(tái)的兩側(cè)，由四面反射鏡組成，擺放的位置關(guān)系滿足:從一個(gè)太赫茲透射窗入射的太赫茲波，在四面反射鏡的反射下形成形光路，對(duì)擺動(dòng)的樣品往返兩次透射，最終從另一個(gè)太赫茲透射窗射出。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于光跟蹤的油頁(yè)巖熱解測(cè)量方法，其特征在于:所述四面反射鏡的具體位置關(guān)系是: 第一、第二反射鏡與第三、第四反射鏡，兩兩為一組分置于旋轉(zhuǎn)夾具臺(tái)的兩側(cè)，鏡面與水平面垂直； 第一反射鏡、第二反射鏡分別側(cè)對(duì)兩個(gè)太赫茲透射窗但傾斜方向相反，反射面與太赫茲透射窗平面的夾角均為銳角α ; 第三反射鏡與第二反射鏡傾斜方向相同，但第三反射鏡的反射面與箱體側(cè)壁的夾角為180。_@，其中@=90。-0，且@〈45。； 第四反射鏡與第一反射鏡傾斜方向相同，但第四反射鏡的反射面與箱體側(cè)壁的夾角為180。-β，其中 β = 90。_α，且 β〈45。。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光跟蹤的油頁(yè)巖熱解測(cè)量方法，其特征在于:構(gòu)造測(cè)量固體反應(yīng)物的光路的方法是:設(shè)置一箱體、一平移夾具臺(tái)、一反射鏡組； 所述箱體的兩個(gè)相對(duì)側(cè)面上，設(shè)置有太赫茲波入射窗和出射窗； 所述平移夾具臺(tái)水平滑動(dòng)地設(shè)置在箱體中，夾具臺(tái)上固定有樣品； 所述反射鏡組，包括四面反射鏡，兩兩分置于平移夾具臺(tái)的兩側(cè)，鏡面與水平面垂直，以一定角度安裝，位置關(guān)系滿足:從入射窗進(jìn)入的太赫茲波，在四面反射鏡的反射下形成“幾”字形光路，對(duì)移動(dòng)的樣品往返兩次透射，最終從出射窗射出。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于光跟蹤的油頁(yè)巖熱解測(cè)量方法，其特征在于:所述反射鏡組中，位于平移夾具臺(tái)同一側(cè)的兩面鏡子，均成90°夾角擺置，平移夾具臺(tái)兩側(cè)的兩組鏡子90°夾角方向一致，且每一面鏡子鏡面均面向平移夾具臺(tái)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光跟蹤的油頁(yè)巖熱解測(cè)量方法，其特征在于:構(gòu)造正、反兩方向穿過(guò)測(cè)量氣體的光路的方法是:設(shè)置一氣密性的隔熱箱體，一樣品投放機(jī)構(gòu)，一反射鏡機(jī)構(gòu)； 樣品投放機(jī)構(gòu)豎直設(shè)置在箱體中間部位，反射鏡機(jī)構(gòu)分為兩組，分置于樣品投放機(jī)構(gòu)的兩側(cè)，每一反射鏡組包括兩個(gè)相互垂直的、通過(guò)轉(zhuǎn)軸聯(lián)動(dòng)的鏡子，在兩組反射鏡中，鏡面都垂直于水平面，且鏡面都傾斜 朝向投放機(jī)構(gòu)，其中一組的鏡面還傾斜的朝向箱體側(cè)壁；在鏡面傾斜朝向的箱體側(cè)壁上，分別開(kāi)設(shè)一太赫茲入射窗和出射窗。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光跟蹤的油頁(yè)巖熱解測(cè)量方法，其特征在于:構(gòu)造正、反兩方向穿過(guò)測(cè)量氣體的光路的方法是:設(shè)置一氣密箱，一樣品投放機(jī)構(gòu)，一反射鏡；氣密箱的一側(cè)開(kāi)設(shè)有太赫茲透射窗，樣品投放機(jī)構(gòu)成水平式設(shè)置在箱體內(nèi)，在樣品投放機(jī)構(gòu)的上方或下方，設(shè)置所述反射鏡，透射鏡的反射面與水平面垂直，且該反射面與透射窗相對(duì)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光跟蹤的油頁(yè)巖熱解測(cè)量方法，其特征在于:構(gòu)造光單方向穿過(guò)測(cè)量氣體的光路的方法是:設(shè)置一密閉的箱體，在相對(duì)的兩側(cè)開(kāi)設(shè)有透射窗，一個(gè)為入射窗，一個(gè)為出射窗，熱解樣品置于空間內(nèi)，入射窗與出射窗處于同一高度，且都高于樣品放置高度。
【文檔編號(hào)】G01N21/3586GK104007083SQ201410256196
【公開(kāi)日】2014年8月27日 申請(qǐng)日期:2014年6月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月11日
【發(fā)明者】寶日瑪, 李羿璋, 吳航, 趙昆, 李術(shù)元 申請(qǐng)人:中國(guó)石油大學(xué)(北京)