СПОСОБ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО РЕНТГЕНОРАДИОМЕТРИЧЕСКОГО ОПРОБОВАНИЯ ВЕЩЕСТВА Российский патент 1997 года по МПК G01N23/223 

Изобретение относится к ядерно-физическим методам исследования состава вещества, а именно к рентгенорадиометрическому методу опробования в горных выработках, в навале, на ленте транспортера, в транспортных емкостях и др.

Известен способ рентгенорадиометрического опробования, основанный на облучении исследуемого вещества потоком гамма- или рентгеновских квантов и регистрации флуоресцентного излучения, поступающего на детектор с облучаемой поверхности [1] При опробовании пород и руд в начале из-за неровностей поверхности или изменения расстояния между средой и рентгенорадиометрическим датчиком возникают дополнительные погрешности опробования.

Известен способ, в котором используют инверсионный характер зависимости вторичного излучения от расстояния датчик исследуемое вещество [2] чтобы исключить влияние неровностей поверхности вещества. Дело в том, что по мере увеличения расстояния вторичное излучение вначале возрастает, а затем после достижения максимальной величины начинает уменьшаться. При опробовании условия измерений выбирают так, чтобы они соответствовали области инверсии, для которой характерна слабая зависимость результатов измерений от расстояния до вещества. Если измерения выполняют вручную, то фиксация датчика в области инверсии обеспечивается с помощью механических упоров. В автоматизированных системах опробования применение упоров исключено, так как механический контакт датчика со средой может привести к поломке датчика от ударов или загрязнения входного окна. При автоматизированном опробовании необходимо предварительно установить область инверсии, затем установить датчик в эту область, и только после этого начать опробование вещества.

Наиболее близким по техническому решению к изобретению является способ рентгенорадиометрического анализа, заключающийся в облучении исследуемого вещества потоком гамма или рентгеновских квантов и регистрации флуоресцентного и рассеянного излучения от среды. По величине рассеянного излучения судят о расстоянии до среды и вводят соответствующие поправки в результаты измерений [3] Однако при увеличении расстояния уменьшается как поток флуоресцентного, так и рассеянного излучений и в результате увеличиваются статистические ошибки измерения этих потоков. Последнее снижает точность опробования.

Целью изобретения является повышение точности опробования пород.

На фиг. 1 показаны относительные изменения плотности потока вторичного излучения от расстояния (H/L) до среды и ее поглощающих свойств (mpL). H - расстояние от середины отрезка, соединяющего центры источника и детектора до поверхности среды. L расстояние между центрами источника и детектора (длина зонда). Шифр кривых mpL характеризует параметр, равный произведению массового коэффициента ослабления излучения в веществе m на ее плотность p и длину зонда L.

На фиг. 2 показаны зависимости отношения рассеянного излучения основного Аm-241 и дополнительного источников Cd-109 от расстояния до среды, полученные на алюминии 1 и железе 2 (3 размер рабочего диапазона, 4 источник Cd-109; 5 источник Am-241; 6 детектор; 7 защитный экран; 8 среда).

Предлагаемый способ основан на облучении исследуемой среды потоком квантов и регистрации флуоресцентного и рассеянного излучений от вещества. Способ реализуется с помощью рентгенорадиометрического датчика, в котором, кроме основного источника излучения, обеспечивающего эффективное возбуждение флуоресценции определяемых элементов, имеется дополнительный источник. Энергия квантов дополнительного источника меньше или больше энергии основного потока квантов по крайней мере на величину, равную удвоенной ширине пика рассеянного излучения основного потока, а ширина этого пика определяется на половине высоты этого пика. Дополнительный поток квантов направляют на исследуемое вещество так, чтобы максимум рассеяния от дополнительного потока квантов был расположен в доинверсионной области зависимости интенсивности рассеянного излучения основного потока от расстояния между датчиком и исследуемым веществом. Измеряют интенсивность рассеянного излучения основного и дополнительного потоков квантов. По соотношению интенсивностей рассеянного излучения основного и дополнительного потоков оценивают расстояние между датчиком и исследуемым веществом. Опробование вещества проводят на расстоянии, при котором рассеянное излучение основного потока максимально. Пример конкретной реализации изобретения показан на фиг.1.

Рентгенорадиометрический датчик содержит Si(Li) полупроводниковый детектор и два источника первичного излучения: Cd-109 и Am-241. Источник Am-241 является основным. Он обеспечивает эффективное возбуждение элементов с энергией K-края поглощения менее 59,6 кэВ. Источник Cd 109 служит для создания дополнительного потока квантов с энергией 22,3 кэВ. Ширины пиков рассеянного излучения на половине их высоты для квантов основного и дополнительного источников составляют 2,5 3 кэВ [1] Таким образом, расстояние между пиками рассеянного излучения основного и дополнительного потоков больше удвоенной ширины этих пиков на половине высоты и достаточно для их раздельной регистрации. Рассмотрим более подробно характер зависимости N(H/L)/N(H/L=1) от расстояния до вещества H/L (фиг.1). Отметим, что на фиг.1 величины N(H/L) и H нормированы, что позволило перейти к координатам, обобщающим зависимости для различных зондов. Как видно, положение области инверсии при возрастании параметра mpL смещается в сторону больших H. При mpL >3 ее положение стабилизируется в области H/L 0,6. В таблице даны значения mp для силикатных пород и гранита, соответствующих типичному составу горных пород. При расчетах плотность пород принята равной 2,7 г/см³.

Минимальные размеры длины зонда L ограничены конструктивными размерами источника, детектора и защитных экранов. В нашем случае минимальная величина L была 4 см для Cd-109 и для Am-241. Следовательно, величины mpL могли быть больше 5 и 3 для основного и дополнительного источников. На фиг.1 видно, что области инверсии для зондов с Cd-109 и Am-241 практически совпадают и приходятся на интервалы H/L 0,5 0,6.

Для удобства дальнейшего изложения введем понятие рабочего диапазона датчика области, в которой расстояние от детектора до среды Hд однозначно характеризуется величиной
n Ns-Cd/Ns-Am,
где Ns-Cd и Ns-Am интенсивности рассеянного излучения источников Cd и Am. Уравнение n f(Hд в рабочем диапазоне имеет одно решение, если область инверсии основного потока находится в рабочем диапазоне, а область инверсии дополнительного потока располагается слева от этого диапазона или иначе в доинверсионной области основного потока. Выполнить условие можно, выбрав соответствующим образом длины зондов и величины H. Для оценки H и L можно использовать данные фиг.1.

В рассмотренном случае длины зондов были выбраны минимальными и составляли 4 см, чтобы более эффективно использовать излучение источников. Дополнительный источник был приближен к исследуемой среде, что позволило сместить его инверсионную область в доинверсионную область основного потока.

Зависимости n f(Hд) представлены на фиг.2. Измерения проведены на средах, резко отличающихся от плотности и составу. Плотность Al и Fe равна 2,7 и 7,87 г/см³, а их атомные номера 13 и 26 соответственно. Алюминий примерно соответствует по этим параметрам кислым изверженным породам, а железо рудам тяжелых элементов. Из фиг.2 следует, что рабочий диапазон датчика лежит в интервале от 7 до 10 см. В этом диапазоне функция n=f(Hд) меняется монотонно и имеет одно решение. Погрешности, связанные с изменением состава, не превышают 1 см, несмотря на то, что величины рассеянного излучения, измеренные на Al и Fe, отличаются в несколько раз. Последнее объясняется тем, что характер зависимостей рассеянного излучения от состава среды для источников с разной энергией первичных квантов однотипен. Поэтому отношение этих интенсивностей мало зависит от состава.

Технико-экономическая эффективность изобретения в сравнении с прототипом заключается в повышении точности. Согласно прототипу необходимо провести измерения флуоресцентного и рассеянного излучения источника, используемого для возбуждения флуоресценции. В рассматриваемом способе предлагается облучить вещество дополнительным источником излучения. По соотношению интенсивностей основного и дополнительного источников судят о расстоянии до исследуемой среды и, установив датчик на расстоянии, при котором рассеянное излучение основного потока максимально, проводят опробование. В результате уменьшается статистическая погрешность опробования.

По изобретению ведутся переговоры о коммерческой реализации.

Использование: изобретение относится к ядерно-физическим методам исследования состава вещества. Сущность: способ реализуется с помощью рентгенорадиометрического датчика, в котором, кроме основного источника излучения, обеспечивающего эффективное возбуждение флуоресценции определяемых элементов, имеется дополнительный источник. Использование инверсионного характера зависимости вторичного излучения основного и дополнительного источников от расстояния датчик-среда, позволяет исключить влияния неровностей поверхности вещества. 2 ил., 1 табл.

Способ автоматизированного рентгенорадиометрического опробования вещества, включающий облучение исследуемого вещества основным потоком квантов, регистрацию флуоресцентного и рассеянного излучения посредством рентгенорадиометрического датчика и проведение опробования исследуемого выщества, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, исследуемое вещество облучают дополнительным потоком квантов, энергия которого меньше или больше энергии основного потока квантов по крайней мере на величину, равную удвоенной ширине пика рассеянного излучения основного потока, а ширина этого пика определяется на половине высоты этого пика, причем дополнительный поток квантов направляют на исследуемое вещество так, чтобы максимум рассеяния от дополнительного потока квантов был расположен в доинверсионной области зависимости интенсивности рассеянного излучения основного потока от расстояния между датчиком и исследуемым веществом, измеряют интенсивность рассеянного излучения основного дополнительного потока квантов, по соотношению интенсивностей рассеянного излучения основного и дополнительного потока оценивают расстояние между датчиком и исследуемым веществом, определяют расстояние, при котором рассеянное излучение основного потока максимально, и проводят опробование вещества при данном расстоянии.