ЯДЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ СПОСОБ ОПРОБОВАНИЯ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2013 года по МПК G01V5/00 G01N23/00 

Изобретение относится к методам неразрушающего контроля элементного состава вещества и предназначен в основном для ревизии на предмет выявления новых полезных элементов добытых в процессе извлечения из недр и попавших в отвалы «пустой» породы. Такие элементы при разведке и оценке месторождения в определенное время не представляли практического интереса из-за отсутствия на них промышленного спроса. Они могут присутствовать и в кондиционных рудах и проходить все этапы технологической переработки и частично даже извлекаться (на их извлечение не акцентировалось основное внимание). Ядерно-физическое опробование может выполняться и на хвостохранилищах перерабатывающих предприятий. Метод может оказаться незаменимым при выполнении поисковых и разведочных работ на такие месторождения. В последнее время большой промышленный интерес возник к элементам редко метальной группы, образующей редко земельные металлы (РЗМ), включая иттрий и скандий. Они не образуют отдельных месторождений и обычно входят в состав руд на другие элементы.

В литературе широко освещены ядерно-физические методы контроля состава вещества, где специально подготовленные пробы подвергаются нейтронной активации в ядерных реакторах и ли их подергают облучению с использованием нейтронных генераторов. Они могут также активироваться жестким тормозным гамма-излучением на ускорителях. Практическая реализация таких методов требует предварительного отбора проб и их подготовка (дробления, сушка, усреднения). Кроме того пробы должны быть доставлены на объект облучения, выдержки и измерения. Все это снижает оперативность (эксспресность) получения информации. В то же время ядерно-активационные методы обладают низким порогом обнаружения, высокой точностью, воспроизводимостью получаемых результатов.

Аналогом ядерно-физического способа опробования может являться активационный анализ вообще и конкретно нейтронно-активационный. Во всех случаях для его осуществления необходимо наличие первичного излучателя и детектора аналитической линии. Обычно активационный анализ выполняется с небольшими навесками, которые активируются в реакторах или в зонах мишеней большеточных ускорителей. После чего облученные пробы могут, выдерживаться и за тем регистрируется энергетический спектр излучения образовавшихся изотопов. Перенесения лабораторных методов непосредственно на горно-геологические объекты не всегда будет правомочно из-за возникновения большого количества факторов, искажающих конечные результаты.

В качестве близкого аналога опробования можно принять принцип, реализуемый в устройстве SU 1702775, где с помощью винтовой передачи на поверхность горнорудной массы поочередно опускается генератор нейтронов и детектор, регистрирующий аналитические линии излучения образовавшихся изотопов. Здесь метод хотя и применим для экспресс-анализа в шахтных вагонетках, но для условий открытой поверхности такой вид опробования практически не применим. Денудационные процессы на открытой поверхности могут существенно изменять распределение РЗМ. Для исключения влияния этого эффекта необходимо обнажать исследуемую поверхность опробования. Активацию многих элементов (таких, как золото) можно осуществлять с помощью тормозное гамма-излучение высокой энергии. В шахтных условия для экспресс анализа получения такого излучения очень затруднительно, а на поверхности в принципе можно это осуществить, располагая его на автотранспорте или прицепе. Можно значительно улучшить качество опробования, если непосредственно в процессе активации регистрировать спектры гамма-излучения неупругого рассеяние быстрых нейтронов и спектры излучения захвата тепловых нейтронов. Интенсивность линий каждого вида излучений пропорционально количеств ядер определяемых элементов.

В качестве прототипа способа можно использовать принцип действия устройства для нейтронно-активационного анализа (SU 1702775), где нейтронный излучатель в защитном контейнере на тросах опускают на горнорудную массу, загруженную в шахтную вагонетку и за время t_об. активируют ее. После облучения нейтронный генератор поднимают и смещают, а на это место устанавливают детектор излучения и регистрируют спектр гамма-излучения, образовавшихся изотопов за период t_из.. Время перемещения излучателя и детектора будет характеризовать «остывания» t_ост. точки облучения, когда мешающие короткоживущие изотопы частично распадутся. При таком способе опробовании возможно существенное влияние рельефа поверхности горнорудной массы, а выравнивание поверхности в шахтных условиях затруднено. Здесь невозможно одновременно с активацией вести регистрацию потока рассеянных нейтронов.

Устранением этих недостатков является целью, которая раскрывается в заявляемом изобретении, где излучатель, находящийся в защите, исключающей прямое воздействие, на систему детекторов, которые совместно и одновременно опускают, на предварительно выровненную и обнаженную поверхность, опробуемого объекта, где во время работы импульсного излучателя ведут регистрацию спектров гамма-излучения неупругого рассеяния быстрых нейтронов, спектры излучения радиационного захвата тепловых нейтронов и поток рассеянных нейтронов. После окончания процесса облучения защитный экран вместе с источник излучения и детекторы поднимают и перемещают так, чтобы детектор, регистрирующий спектр излучения изотопов, при повторном опускании на поверхность объекта попал на точку с максимальной активацией. Полученные результаты измерений сопоставляются с данными градуирования на поверхности с известным содержанием определяемых элементов и имеющими вещественный состав, усредненный для изучаемого объекта.

Прототипом устройства, реализующий предлагаемый способ, может служить изобретение SU 1702775. Оно содержит детектор гамма-излучения и источник нейтронного излучения, находящийся в защитном экране-коллиматоре (ЭК), исключающий прямое попадание его в детектор, Они закреплены на подвижной каретке, смещающейся с помощью винтовой пары, и они повешены тросами к каретке, что обеспечивает поочередный их подъем и спуск в тоже место на поверхности изучаемого объекта. Здесь детектор гамма-излучения работает только, после прекращения активации, когда он опущен из защиты на активируемую точку на поверхности горнорудной массы. Детектор не полностью функционально используется, так при его конструктивном совмещении с нейтронным генератором и одновременном спуске на поверхность горнорудной массы возможна регистрация рассеянного нейтронного излучения, что позволит расширить возможности активационного анализа и достичь существенно более низкую величину погрешности. Подвеска детектора и импульсного нейтронного генератора (ИНГ) на тросах может создавать колебания особенно при их смещении, что ухудшит геометрию измерений или при стабилизации увеличит время экспресс-анализа. Отмеченные недостатки устранены в предлагаемом изобретении, сущность которого заключается в том, что для выполнения экспрессного опробования поверхности система импульсный источник излучения детектор в защитном экране-коллиматоре (ЭК) установлена на отдельном колесном прицепе. Внутри ЭК расположен ИНГ, окруженный защитным материалом (борированный полиэтилен в кадмиевом экране) за контуром защиты установлены спектрометрические гамма-детектор высокого энергетического разрешения и при спущенном на поверхность горном или геологическом объекте одновременно вести импульсное облучение и регистрацию в определенные периоды между импульсами спектра гамма-излучения. Спуск и подъем ЭК по направляющим осуществляется через реечную зубчатую передачу, у которой горизонтальные зубчатые рейки закреплены на двух концах вилки, перемещаемых ходовым винтом по направляющим и соединенной с гайкой винтовой передачи, эти рейки вращают зубчатые колеса неподвижно крепящиеся к каретке и тем самым обеспечивающие перемещение вертикальных зубчатых реек, жестко крепящихся с двух сторон к ЭК и тем самым выполняется спуск-подъем его. После облучения и подъема ЭК фиксируется, а вилка соединяется с кареткой и вращающий ходовой винт смещает каретку на расстояние, чтобы гамма-детектор мог опустится в точку максимальной активации поверхности опробуемого объекта и регистрировать спектр гамма-излучения образовавшихся изотопов, для обеспечения радиационной безопасности расстояние между прицепом с излучателем и тягачем с обслуживающем персоналом соединены жестким водилом с изменяемой длиной.

На фиг.1 представлен измерительный комплекс, выполняющий ядерно-физическое опробование поверхности. На фиг.2 показано непосредственно облучающее и регистрирующее устройство при боковом рассмотрении, а на фиг.3 - вид этого устройства сверху.

Требование к обнаружению редкоземельных металлов (РЗМ) с низким содержанием накладывает свой отпечаток и на конструкцию активационного и детектирующего комплекса. Здесь необходимо использовать излучатель с максимальным выходом, что в свою очередь потребует достаточно мощный источник высокого напряжения. Источник излучения должен иметь надежную защиту, обеспечивающий радиационную безопасность в окружающем пространстве и конструкция защиты должна создавать направленность излучения на опробуемую поверхность. Выполнение таких требований возможно при условии использования массивных ЭК, которые могут быть только перевозимые. Они поэтому монтируются на прицепе, который тянет автомобиль высокой проходимости. На основании прицепа 1, имеющим вырез, внутри которого может перемещаться защитный ЭК 2. Внутри его установлен ИНГ 3 с направленностью испускания импульсного излучения нейтронов вертикально вниз. К боковой поверхности ЭК 2 в осевой плоскости по направлению перемещения прицепа, крепится детектор гамма-излучения 4 с высоким энергетическим разрешением. С противоположной стороны ЭК 2 в той же плоскости крепится зонд 5 с двумя детекторами первичного излучения, испускаемого ИНГом 3. Зонд 5 состоит из двух нейтронных счетчиков, расположенных на расстоянии L (длина зонда). Детекторы 4, 5 и излучатель 3 находятся на одной оси и при перемещении прицепа их траектории над опробуемой поверхностью совпадают. ЭК 2 крепится на каретке 6 и ролики на кронштейнах 7 позволяют ему перемещаться вверх, вниз с сохранением взаимной ориентировки составных частей. Каретка 6 на роликах 8 по направляющим, закрепленным на основании прицепа 1, может перемещаться. На защитном ЭК 2 с двух сторон, с боков закреплены зубчатые вертикальные рейки 9, каждая из которых связана с соответствующими зубчатыми колесами 10, крепящимися к каретке 6. Одна часть зубчатого колеса 10 контактирует с вертикальной зубчатой рейкой 9, а другая с зубчатыми горизонтальными концами 11 вилки 12, перемещающейся на роликах 13. Вилка скреплена с гайкой 14, перемещаемой ходовым винтом 15 по направляющим на роликах 16 с помощью электромотора 17. Для перемещения каретки 6 с ЭК 2 на вилке 12 установлен электромагнитный фиксатор 18, связывающий (скрепляющий) вилку 12 и каретку 6 и позволяющий перемещать каретку 6 с помощью ходового винта 15 в пределах выреза на основании прицепа 1. Основание 1 установлено на рессорной подвеске и на колесных парах 19, позволяющих, позволяющий осуществлять его разворот. Прицеп с помощью жесткого водила 20 присоединяется к тянущему автомобилю 21, имеющему два отделения, где в одном находится энергетическая установка 22, в другом регистрирующая, обрабатывающая и управляющая аппаратура 23. Питание, результаты изменений, сигналы управления подаются по кабелю 24. Аппаратура, находящаяся в ЭК 2 сверху закрыта защитной крышкой 25, здесь же в зоне мишени (точке излучения) находится монитор, контролирующий выход излучателя (на рисунке не показан). Кузов перекрыт специальной защитой 26, исключающей воздействие метеофакторов. Управление и фиксация положений ЭК 2, каретки 6 и вилки 12 выполняется с помощью концевых выключателей 27 (некоторые на фигурах не показаны).

Способ ядерно-физического опробования реализуется в работе устройства, приведенном на фиг.1-3. Как ранее было указано, основное назначение способа - это ревизия отвалов «пустых» пород, хвостохранилищ перерабатывающих предприятий на предмет обнаружения и оценки содержания РЗМ. Для исключения возможного искажения результатов верхний слой поверхности снимают на глубину 10-20 см с помощью бульдозера. Прицеп с основанием 1 соединенный с автомобилем 21, с помощью водила 20, раздвинутый на расстояние, обеспечивающее радиационную безопасность персоналу в отсеке 23. Автомобиль 21 выставляет прицеп на первую точку измерения, то есть подводит так его, чтобы излучатель 3 расположился вместе с ЭК над точкой измерения. Программно включается электродвигатель 17, вращается ходовой винт 15, гайка 14 на роликах 16 вместе с вилкой 12 и ее роликами 13 начинает перемещаться, при этом электромагнитом 18 разрывают связь между вилкой 12 и кареткой 6. Зубчатые оконечности (горизонтальные рейки) 11 на вилке 12 начинает вращать зубчатые колеса 10, а те с двух сторон через вертикальные зубчатые рейки 9 начинают опускать ЭК 2, с находящимися в нем излучателем 3, детектором гамма-излучения 4 и зондом 5. При спуске положение экрана-коллиматора 2 стабилизировано роликами на кронштейнах 7. По достижению поверхности опробования срабатывает концевой выключатель 27 и двигатель 17 выключается и устройства облучения и регистрации готово начать процесс опробования, но прежде уточним методику измерений и обоснуем применимость вида излучателя. Основой вопрос стоит, что следует выбирать в качестве излучателя? Критерием выбора может служить порог обнаружения элемента, представительность измерений портативность измерительной аппаратуры и обеспечение радиационной безопасности. Здесь можно использовать компактные ускорители, позволяющие получать интенсивные потоки тормозного гамма-излучения, позволяющие вести ревизию отвалов на предприятиях горной добычи золота, где реализуется фотоядерный активационный анализ, также он может применяться и опробования на бериллий и дейтерий. Гамма активационные методы достаточно энергоемки и сложные. На практике широко могут использоваться (ИНГ), с их помощью возможна реализация сразу нескольких нейтронных способов; регистрируя спектры гамма- излучения неупругого рассеяние быстрых нейтронов, спектры гамма-излучения радиационного захвата тепловых нейтронов, спектры гамма-излучения изотопов, образовавшихся в результате нейтронной активации и временное распределение потока рассеянных нейтронов. Нейтронные генераторы, достаточно портативны, максимальный выход при этом может достигать 5*10¹¹ нейтрон/с. Регистрируя аналитические параметры несколькими методами, возможна оценка содержания с существенно более высокой точностью. Поэтому в дальнейшем рассматриваем нейтронно-активационный вариант опробования с применением ИНГ с регулируемым выходом.

ЭК 2 достигнув поверхности опробуемого объекта, концевым выключателем 27, выключает двигатель17 и одновременно включается ИНГ 3, где начинают испускаться нейтронные импульсы длительностью - 1÷2 мкс. После каждого импульса нейтронов, детектором 4 в течение 10 мкс регистрируется спектр гамма-излучения неупругого рассеяния быстрых нейтронов и заносится в память управляющего компьютера. В период от 10 мкс до 2-3 мс детектор 4 регистрирует спектр гамма-излучения радиационного захвата тепловых нейтронов и отдельно также заносится в память компьютера, одновременно с этим зонд 5, где каждым нейтронным детектором регистрируется временное распределение потока рассеянных нейтронов пределах от 100 мкс до 1.5 мс и заносится по отдельности в память компьютера. Накопление результатов регистрации ведется в течение заданного, оптимального интервала времени облучения. Затем двигатель реверсируется и включается, ходовой винт 15 вращается в обратную направлении, гайка 14 смещается в сторону двигателя 17, прокатывая ролик 16 по направляющим, горизонтальная зубчатая рейка 11 на вилке 12, вращает зубчатое колесо 10, а оно перемещает вертикальную зубчатую рейку 9 вверх и начинает поднимать ЭК 2. Достигнув верхнего положения, он фиксируется, электромагнитная защелка 18 соединяет рамку 6 с вилкой 12 и ЭК 2 вместе с рамкой перемещается на расстояние d. Защелка 18 срабатывает, разрывается связь рамки 6 и вилки 12 и движущаяся вилка горизонтальной зубчатой рейкой 11 поворачивает зубчатое колесо 10 и через вертикальную рейку 9 опускает ЭК 2 на облученную поверхность, чтобы детектор 4 установился точно на точку облучения ИНГом 3 при этом двигатель 17 концевым выключателем 27 останавливается. После этого включается регистрация спектра гамма-излучения образовавшихся изотопов. При этом ИНГ 3 и зонд 5 не включаются и не регистрируют информацию (она отсутствует). Регистрацию спектра ведут непрерывно в течении оптимально установленного времени. После окончания регистрации активационного эффекта, включается реверсированный двигатель 17 и в обратном порядке ЭК 2 приводится в исходное состояние с фиксацией электромагнитной защелкой 18. За тем автомобиль 21 тянет, с помощью водила 20, прицеп, катящийся на колесах 19 на следующую точку опробования.

Опробование можно вести по точкам, как уже описано выше. При этом в какой мере теряется оперативность получения информации (производительность опробования), но обеспечивается радиационная безопасность и снижается погрешность получаемых результатов. Для непрерывного опробования ЭК 2 нельзя опускать непосредственно на поверхность объекта и регистрацию информации вести между нейтронными импульсами, то есть ИНГ 3 должен быть низкочастотным и должен быть учет взаимовклада спектров гамма-излучения неупругого рассеяния, радиационного захвата и активированных изотопов. Регистрацию спектров изотопов начинают только, после отсутствия потока тепловых нейтронов, то есть приблизительно через 3÷5 мс. Время уточняется непосредственно на конкретном объекте. В процессе регистрации работы ИНГа 3 ведется контроль выхода нейтронов по показаниям мониторного канала, расположенного внутри ЭК 2, но так чтобы отсутствовало влияние на него рассеянного потока нейтронов от опробуемого пространства.

Перед началом и после окончания прицеп устанавливается на поверхность эталонных моделей с известным содержанием элементов, на которые ведется опробование. Количество моделей определяется диапазоном ожидаемых содержаний и вариацией вещественного состава руд на участках исследуемом месторождении. Одну из моделей формируют, как нулевую, где полезный компонент отсутствует, но общий вещественный состав этой модели характеризует данное месторождение. Конструкции моделей выполнены с возможность наезда прицепа на них и выполнения всех тех операций, что ранее уже были описаны при измерениях на точках опробования. Эталонные модели изготовляются на основе бетонных смесей. При опробовании моделей определяют пересчетные коэффициенты, то есть величину интенсивности гамма-излучения неупругого рассеяния быстрых нейтронов в интервале спектра соответствующей аналитической линии, также оценивают пересчетный коэффициент по гамма-излучению радиационного захвата, Здесь же оценивают выход нейтронов по мониторному каналу и определяют нейтронные параметры вещественного состава модели по величине декремента затухания потока тепловых нейтронов. Здесь же определяют пересчетный коэффициент случая активации изотопов, образующихся из аналитических элементов. Спектры гамма-излучения аналитических элементов могут быть осложнены присутствием (наложением) других элементов, для однозначного выделения полезной информации необходимо учитывать влияние по нескольким энергетическим интервалам. На нулевой модели определяют величину фона, который при интерпретации результатов опробования также учитывают.

Результаты опробования сразу же предварительно оценивают в аналитико-управляющей лаборатории 23, которые в последующем будут уточнены после окончанию рабочей смены, а также по результатам заверки опробования другими методами, например, валовым или бороздовым. Поправка вводится, если статистически обосновано наличие систематической погрешности.

Предлагаемое изобретение может практически реализовано: автомобили, прицепы серийно выпускаются промышленностью, механические детали оборудования не требуют сложных прецизионных станков, импульсные нейтронные генераторы выпускаются, промышленностью в России и за рубежом. Детекторы гамм-излучения на основе особо чистого германия (ОЧГ) и нейтронные счетчики с наполнителем ³Не тоже выпускаются промышленностью.

Экономическая целесообразность практического применения предлагаемого изобретения является оперативное получения информации по распределению РЗМ в старых шахтных отвалах, что позволит планировать их дальнейшую переработку и вовлечение в высокотехнологические процессы. Применение глубоко проникающего для активации среды излучения и регистрация высокоэнергетического гамма-излучения позволит обеспечить представительность единичного определения содержания на каждой точке опробования, что отличает предлагаемый способ от существующих на настоящий момент.

Использование: для опробования горно-геологических объектов и устройство для его реализации. Сущность: заключается в том, что импульсный источник нейтронов опускают на поверхность горнорудной массы и активируют ее, а затем на это же место опускают детектор излучения, до этого находящийся в защите от нейтронов, и регистрируют аналитическое излучение образовавшихся изотопов, при этом излучатель, находящийся в защитном экране-коллиматоре, исключающем прямое воздействие на регистрирующие детекторы, которые совместно и одновременно с излучателем опускают на предварительно выровненную и обнаженную опробуемую поверхность, и во время работы импульсного генератора регистрируют спектры гамма-излучения неупругого рассеяния быстрых нейтронов, спектры гамма-излучения радиационного захвата тепловых нейтронов и поток рассеянных нейтронов, по окончании процесса облучения экран-коллиматор вместе с источником излучения и детекторами поднимают, перемещают и опускают его, чтобы детектор гамма-излучения установился на опробуемой поверхности, где осуществлялось облучение с максимальной плотностью потока нейтронов, и регистрируют спектры гамма-излучения образовавшихся изотопов, полученные результаты измерений сопоставляются с результатами аналогичных измерений на поверхности с известным содержанием определяемых элементов и имеющими вещественный состав, усредненный для изучаемого объекта. Технический результат: повышение качества опробования горно-геологических объектов. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Ядерно-физический способ опробования горно-геологических объектов и устройство для его реализации, заключающийся в том, что импульсный источник нейтронов опускают на поверхность горнорудной массы и активируют ее, а затем на это же место опускают детектор излучения, до этого находящийся в защите от нейтронов, и регистрируют аналитическое излучение образовавшихся изотопов, отличающийся тем, что излучатель, находящийся в защитном экране-коллиматоре, исключающем прямое воздействие на регистрирующие детекторы, которые совместно и одновременно с излучателем опускают, на предварительно выровненную и обнаженную опробуемую поверхность, и во время работы импульсного генератора регистрируют спектры гамма-излучения неупругого рассеяния быстрых нейтронов, спектры гамма-излучения радиационного захвата тепловых нейтронов и поток рассеянных нейтронов, по окончании процесса облучения экран-коллиматор вместе с источником излучения и детекторами поднимают, перемещают и опускают его, чтобы детектор гамма-излучения установился на опробуемой поверхности, где осуществлялось облучение с максимальной плотностью потока нейтронов, и регистрируют спектры гамма-излучения образовавшихся изотопов, полученные результаты измерений сопоставляются с результатами аналогичных измерений на поверхности с известным содержанием определяемых элементов и имеющими вещественный состав, усредненный для изучаемого объекта.

2. Устройство для опробования горно-геологических объектов, содержащее систему с импульсным источником нейтронов, находящимся в защитном экране-коллиматоре, исключающем прямое попадание нейтронов в детектор, каретку, связанную с винтовой передачей, обеспечивающей поочередный их спуск и подъем в одно и тоже место на поверхности изучаемого объекта, отличающееся тем, что, с целью выполнения экспрессного опробования поверхности, система источник-детектор в защитном экране установлена на отдельном колесном прицепе и содержит несколько детекторов и при спущенном на опробуемую поверхность объекта одновременно облучает и регистрирует спектры гамма-излучения неупругого рассеяния быстрых нейтронов, спектры гамма излучения захвата тепловых нейтронов, спуск и подъем экрана-коллиматора по направляющим осуществляется через реечную зубчатую передачу, где горизонтальные зубчатые рейки закреплены на двух концах вилки, перемещаемых по направляющим, и соединенной с гайкой винтовой передачи, эти рейки вращают зубчатые колеса, неподвижно крепящиеся к каретке, и тем самым обеспечивающие перемещение вертикальных зубчатых реек, жестко крепящихся с двух сторон к защитному экрану-коллиматору, и выполняют спуск и подъем его с системой излучатель-детекторы, после облучения и подъема экрана-коллиматора каретка с помощью электромагнитного фиксатора соединяется с вилкой, и ходовой винт может смещать каретку по оси прицепа на расстояние, чтобы детектор мог опуститься в точку максимальной плотности потока нейтронов на опробуемой поверхности объекта и регистрировать спектры гамма-излучения образовавшихся изотопов, для обеспечения радиационной безопасности расстояние между прицепом с излучателем и тягачем с обслуживающим персоналом соединены жестким водилом с изменяемой длиной.