СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЯЖЕЛЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Российский патент 1998 года по МПК G01N23/221 

Изобретение относится к методам анализа материалов радиационными способами и может быть использовано для определения тяжелых элементов, в том числе и благородных металлов при низких субфоновых их содержаниях в горных породах, рудах и минеральных при поиске, разведке и отработке рудных месторождений.

Известен способ определения золота путем использования нейтроноактивационной радиографии [1].

Однако этот способ неприменим для указанных условий в связи с тем, что фон наведенной активности составляет 80%, а пространственное разрешение хуже 100 мкм. Что касается платины, то ее нейтронная радиография неизвестна.

Известен способ определения тяжелых элементов, включающий получение на детекторах последовательно f-радиограммы мгновенных осколков деления путем облучения шлифа пород в потоке ионов, затем α -радиограммы наведенной α -активности с использованием в качестве детекторов соответственно слюды, термически обработанной после облучения, а затем полимерного материала с последующим сопоставлением распределений и концентраций, полученных на детекторах, содержащих f и α -радиографические отображения группы тяжелых элементов, по результатам которого судят о распределении и суммарной концентрации группы последующих элементов в шлифе [2].

Недостатком аналога и прототипа является невозможность идентификации в рудах и породах группы платиновых элементов и золота, а также селективное выделение каждого из них.

Технический результат, получаемый от реализации предлагаемого изобретения - определение характера распределения в суммарной концентрации всех элементов платиновой группы и золота с низкими кларками распространения в земной коре с дальнейшим селективным выделением элементов - иридия, или осмия, или золота и определение их концентраций в исследуемом материале.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе определения тяжелых элементов, включающем получение на детекторах соответственно f-радиограммы мгновенных осколков деления путем облучения шлифа пород в потоке ионов, затем α -радиограммы наведенной α -активности с использованием в качестве детекторов соответственно слюды, отоженной после облучения, а затем полимерного материала с последующим сопоставлением распределений и концентраций, полученных на детекторах, содержащих f и α -радиографические отображения группы тяжелых элементов, по результатам которого судят о распределении и суммарной концентрации группы исследуемых элементов шлифа, в качестве детектора для f-радиограммы используют искусственную слюду фторфлогопит, шлиф облучают потоками ионов азота, или кислорода, или бора, а отжиг детектора для f-радиограммы проводят при температуре 450-600^oC в течение 4-6 ч, экспонирование наведенным α -излучением проводят в течение 1-100 ч сопоставление же детекторов f и α -радиограмм ведут путем наложения и вычитания одного отображения исследуемого элемента из другого и по полученной разнице судят о наличии элементов платиновой группы и золота, их распределение и суммарной концентрации, далее проводят повторное облучение шлифа потоками ионов кислорода или фтора, или углерода, повторяют всю последовательность вышеописанных операций, по результатам второго сопоставления f и α -радиограмм выделяют соответственно элементы: иридий, или осмий, или золото - и определяют их распределение и концентрацию в шлифе.

Авторами впервые установлено, что на детекторе из искусственной слюды - фторфлогопите получается качественное f-отображение исследуемой группы платиновых элементов и золота. При температурах выше 450^oC детектор из мусковита - природной слюды (прототип) становится дефектным. В прототипе определяются более тяжелые элементы, начиная со свинца: свинец, торий, уран, поэтому и материал детектора для f-радиограмм и соответствующий ему режим отжига устанавливается другой (ниже 450^oC). При температурах выше 450^oC детектор из слюды - мусковита (прототип) становится дефектным. Другими словами, авторами впервые установлен качественно новый технологически режим, где существенные отличительные признаки тесно связаны между собой и совместно с общими признаками прототипа направлены на достижение вышеуказанного технического результата, а именно: предложен конкретный тип ионов для первичного и повторного облучения с целью селективного выделения отдельных элементов, энергия, термический режим, тип детектора для f-радиаграфии. Так, для селективного выделения иридия из группы платиновых элементов проводят первичное облучение шлифа (детектора) ионами азота, а вторичное - ионами кислорода. Для селективного выделения осмия проводят первичное облучение шлифа ионами кислорода, а вторичное - ионами фтора. Для селективного выделения золота - первичное облучение ионами бора, а вторичное - ионами углерода. После облучения проводится отжиг детектора при температурах 450-600^oC в течение 4-6 ч. В процессе термической обработки при указанных параметрах происходит отжиг треков ядер отдачи и составных ядер, однако сохраняются треки осколков деления определяемых элементов. При термической обработке с температурой ниже 450^oC в течение менее 4 ч не достигается отжиг треков ядер отдачи и составных ядер. При термической обработке с температурой выше 600^oC в течение более 6 ч происходит отжиг треков осколков деления определяемых элементов. Следует пояснить, что изображение на f-радиограмме формируется в процессе облучения треками мгновенных осколков деления тяжелых элементов, содержащихся в исследуемых кларках. Кроме того, детектор (из фторфлогопита) регистрирует треки ядер отдачи и составных ядер, образованных при прохождении потока ионов через слюду.

Полученная таким образом f-радиограмма образована треками осколков деления наиболее тяжелых элементов (платиновая группа и золото), содержащихся в образце.

Для установления конкретного элемента измеряется α -радиограмма наведенной в исследуемом образце активности. Полимерный трековый детектор, способный регистрировать треки α -частиц экспонируют в течение 1-100 ч. Пределы экспонирования определяются периодом полураспада α -активных изотопов наведенной активности. Полученное α -радиографическое изображение сформировано треками α -частиц, образованных продуктами распада составных ядер наиболее тяжелых элементов, содержащихся в образце. Граница регистрации, т.е. наиболее легкий элемент, дающий вклад в α -радиограмму определяется типом (заряд, масса) бомбардирующего иона и его энергией. Сопоставление детекторов f и α -радиограмм путем наложения и вычитания одного отображения исследуемого элемента из другого позволяет судить о наличии исследуемого элемента (или группы элементов) в образце, определить концентрацию и пространственное распределение. Предлагаемый способ позволяет установить характер распределения и определить концентрации отдельно платиновых элементов и золота в образцах пород и руд, что ранее известными методами осуществить было невозможно. Для практической геологии, а также для научно-исследовательских разработок это очень важно, т.к. в последнее время на ряде крупных золоторудных месторождений России, Средней Азии и других регионов (Сухой Лог, Мурунтау и т.д.), локализованных в черных сланцах, выявлены значительные концентрации элементов платиновой группы, имеющие промышленное значение. Эти концентрации характеризуются рядом специфических черт: тонкодисперсное распределение, тесная связь с углеродистым веществом, отсутствие минеральных микрофаз и необычные физические свойства, которые не позволяют определять их стандартными аналитическими методами.

Предлагаемый способ в общем виде реализуется следующим образом. Берется шлиф и к исследуемой поверхности приклеивается тонкая пластинка из слюды (фторфлогопит)-детектор. Далее помещают шлиф с детектором в поток ионов ускорителя исследуемой поверхностью перпендикулярно потоку и облучают с интенсивностью 10¹²-10¹⁷ см². При этом для селективного выделения иридия выбирают поток ионов азота, для выделения осмия - поток ионов кислорода, а для выделения золота - поток ионов бора. Нижний предел 10¹² ионов/см² определяется сечением реакций образования составных ядер. 10¹² ионов/см² является предельной для идентификации кларков со 100% содержанием элемента. При меньших экспозициях чувствительность падает и ухудшается качество радиографического изображения. Верхний предел (10¹⁷ см²) определяется радиационной стойкостью детектора. После облучения слюду (детектор) снимают и проводят его термическую обработку при температуре 450-600^oC в течение 4-6 ч. После этого детектор обрабатывается в плавиковой кислоте по стандартной методике. В результате получается f-отображение, сформированное осколками деления элементов платиновой группы (иридий, осмий и золота), которое дальше анализируется. Затем на этот же, но уже облученный шлиф приклеивается детектор из полимера, (на основе нитрата целлюлозы CN-85) и производится экспонирование наведенным α -излучением в течение 1-100 ч. Далее детектор снимают со шлифа и обрабатывают стандартным способом. Пределы экспонирования определяются периодом полураспада α -активных изотопов наведенной активности. В результате получается отображение, сформированное α -частицами наведенной активности, только от тяжелых сопутствующих платине элементов. Затем проводится сопоставительный анализ детекторов f и α -радиограмм на наличие исследуемого элемента путем наложения одного отображения (f) на другое ( α ) отображение и вычитания одного из другого. По разнице отображений делается заключение о наличии элементов платиновой группы и золота в шлифе, их распределении и суммарной концентрации.

Далее проводится повторное облучение исследуемого шлифа потоками ионов кислорода или фтора, или углерода в зависимости от того, какой элемент надо выделить селективно, и повторяют всю последовательность вышеописанных операций. Затем сопоставляют вторично f и α -радиограмм и выделяют в нашем случае соответственно элементы иридий или осмий, или золото. Если же в исследуемом шлифе при предварительном визуальном исследовании были обнаружены все три элемента и их необходимо выделить селективно, то процесс с данным шлифом повторяют трижды по вышеуказанной методике.

Пример 1
Из черносланцевой породы золоторудного месторождения Средней Азии был изготовлен полированный шлиф. На поверхность шлифа была наклеена пластина из слюды фторфлогопит толщиной 20 мкм. Проведено облучение потоком тяжелых ионов азота, в потоке 10¹⁴ ионов/см² перпендикулярно поверхности шлифа со стороны детектора из слюды. После облучения проведен отжиг детектора при температуре 480^oC в течение 6 ч. Далее детектор протравлен в плавиковой кислоте стандартным способом. В результате на детекторе из слюды фторфлогопит получено изображение кластеров тяжелых элементов, которое образовано мгновенными осколками деления (f-радиограмм).

Непосредственно после окончания облучения в потоке ионов, на поверхность шлифа был наложен полимерный детектор CN-85 и проведено экспонирование альфа-частицами наведенной в реакциях альфа-активностью. Длительность экспонирования составила 10 ч. После экспонирования проведено травление CN-85 в растворе NaOH по стандартной методике. В результате экспонирования установлено, что на детекторе CN-85 отсутствует изображение кластеров, сформированное треками альфа-частиц.

Из сопоставления (вычитания) 2-х радиограмм (f и α ) сделан вывод о том, что кластеры, сформировавшие f-изображение состоят из иридия, осмия, золота или более легких элементов.

Далее, на тот же шлиф была наклеена новая пластинка из слюды фторфлогопит толщиной 20 мкм. Проведено повторное облучение шлифа с детектором в потоке ионов кислорода с интенсивностью 10¹⁴ ионов/см² перпендикулярно поверхности шлифа. После облучения проведен отжиг детектора из слюды при температуре 480^oC в течение 6 ч. Далее детектор протравлен в плавиковой кислоте стандартным способом. В результате на детекторе из слюды фторфлогопит получено изображение кластеров тяжелых элементов, которое образовано мгновенными осколками деления (f-радиограмма).

Непосредственно после окончания облучения в потоке на поверхности шлифа был наложен полимерный детектор CN-85 и проведено экспонирование альфа-частицами наведенной в реакциях альфа-активности. Длительность экспонирования составила 10 ч. После экспонирования проведено травление CN-85 в растворе NaOH по стандартной методике. В результате экспонирования на детекторе CN-85 получена альфа-радиограмма, образованная треками альфа-частиц наведенной активности (составных ядер Po и At). Проведено сопоставление (вычитание) f и α радиограмм от повторного облучения и сделан вывод о том, что данный результат может быть обусловлен элементами - иридий, осмий, золото, или более тяжелыми, чем иридий, осмий, золото элементами.

Сопоставляя результаты 1-го и 2-го облучения, сделан однозначный вывод, что зарегистрированные изображения образованы элементом иридий. Содержание иридия в кларках определено по поверхностной плотности треков осколков деления на радиограмме и составило 55%.

Пример 2. (Выделение осмия)
Из горной породы золоторудного месторождения Забайкалья был изготовлен полированный шлиф. Далее по технологии, описанной выше в примере 1. С ним были произведены также операции, за исключением того, что облучение проводилось потоком тяжелых ионов кислорода, а после облучения отжиг детектора проводился при температуре 600^oC в течение 4-х ч. Повторное облучение шлифа с детектором проводилось в потоке ионов фтора. Длительность экспонирования составила 7 ч. После повторного сопоставления (вычитания) f и α -радиограммы был сделан вывод о том, что в шлифе обнаружен осмий с содержанием 65%.

Пример 3. (Выделение золота)
Из горной породы золоторудного месторождения Енисейского кряжа был изготовлен полированный шлиф. Далее, по технологии, описанной выше, с ним были произведены те же операции за исключением того, что облучение производилось в потоке ионов бора 3•10¹⁴ ионов/см², а после облучения детектор отжигался при температуре 490^oC в течение 4,5 ч. Повторное облучение шлифа проводилось в потоке ионов углерода, равным также 3•10¹⁴ ионов/см². Длительность экспонирования полимерного детектора наведенной альфа-активностью составила 90 ч. Из сопоставления f и α радиограммы был сделан вывод о том, что зарегистрированные изображения сформированы элементом золотом. Содержание элемента определено по поверхностной плотности треков осколков деления на детекторе и слюды. Концентрация золота составила 95%.

Авторами при опробовании предлагаемого способа были проведены десятки измерений на шлифах, изготовленных из руд и пород из различных регионов России (Забайкалье, Сибирь) и зарубежья (Канады, Средняя Азия).

Как видно из приведенных результатов, предлагаемый нами способ надежно селективно выделяет из объекта элементы платиновой группы: иридий, осмий, золото, что известные до приоритета подачи заявки методики не позволяли делать. Кроме того, предполагаемое изобретение промышленно применимо, поскольку описан весь технологический процесс его осуществления, а также он не "привязан" к конкретному региону.

Использование: определение тяжелых элементов, в том числе благородных металлов, при низких субфоновых их содержаниях в горных породах, рудах и минералах. Сущность изобретения: образец с детектором из фторфлогопита облучают в ускорителе потоками ионов азота или кислорода, или бора в зависимости от необходимой селекции элементов: иридия, осмия или золота, получают f - радиограмму образца. После облучения производится термическая обработка детектора в интервале температур 450 -600^oC в течение 4 - 6 ч. Затем проводят экспонирование полимерного трекового детектора, наведенным α - излучением в течение 1 - 100 ч и сопоставление f - и α -радиограмм, причем последнее ведут путем наложения и вычитания одного отображения исследуемого элемента из другого. По полученной разнице судят о наличии элементов платиновой группы и золота в шлифе, распределении и их суммарной концентрации. Далее проводят повторное облучение шлифа потоками ионов соответственно кислорода или фтора, или углерода и повторяют всю последовательность операций. По результатам второго сопоставления f - и α -радиограмм устанавливают наличие соответственно элементов иридия, осмия или золота и определяют их распределение и концентрацию. Способ обеспечивает надежное селективное выделение отдельных элементов.

Способ определения тяжелых элементов, включающий получение на детекторах соответственно f-радиограммы мгновенных осколков деления путем облучения шлифа пород в потоке ионов, затем α -радиограммы наведенной α -активности с использованием в качестве детекторов соответственно слюды, отожженной после облучения, а затем полимерного материала с последующим сопоставлением распределений и концентраций, полученных на детекторах, содержащих f- и α -радиографические отображения группы тяжелых элементов, по результатам которого судят о распределении и суммарной концентрации группы исследуемых элементов в шлифе, отличающийся тем, что в качестве детектора для f-радиограммы используют искусственную слюду фторфлогопит, шлиф облучают потоками ионов азота, или кислорода, или бора, а отжиг снятого после облучения детектора проводят при температуре 450 600^oС в течение 4 6 ч, экспонирование наведенным α -излучением проводят в течение 1 100 ч, сопоставление f- и α -радиограмм ведут путем наложения и вычитания одного отображения исследуемого элемента из другого и по полученной разнице судят о наличии элементов платиновой группы и золота, распределении и их суммарной концентрации, далее проводят повторное облучение шлифа потоками ионов соответственно кислорода, или фтора, или углерода, повторяют всю последовательность вышеописанных операций и по результатам второго сопоставления f- и α -радиограмм выделяют соответственно элементы иридий, или осмий, или золото и определяют их распределение и концентрацию в шлифе.