СПОСОБ РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНОЙ СЕПАРАЦИИ ПРИ ПОКУСКОВОЙ ПОДАЧЕ СЕПАРИРУЕМОГО МАТЕРИАЛА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2014 года по МПК G01N23/22 

Группа изобретений относится к области аналитической химии и технической физики, а также к различным областям науки и техники, где применяется сепарация (разделение и обогащение) материалов (объектов), состоящих из различных элементов (например, полезный компонент и вмещающая порода), и может быть использована в различных отраслях промышленности, в том числе на горно-обогатительных и металлургических предприятиях, для обогащения (сепарации) минерального и вторичного металлургического сырья.

Предлагаемые способ и устройство, основанные на измерении интенсивностей рассеянного рентгеновского излучения в двух диапазонах рентгеновского спектра и оценке эффективного атомного номера материала по отношению этих интенсивностей. Предлагаемая группа изобретений может быть использована в различных отраслях промышленности, в том числе на горно-обогатительных и металлургических предприятиях для обогащения (сепарации) руд черных металлов, углей, других полезных ископаемых и вторичного металлургического сырья.

Известно, что с увеличением эффективного атомного номера материала (Z_эфф) интенсивность рассеянного излучения, пропорциональная отношению массового коэффициента рассеяния к массовому коэффициенту ослабления, уменьшается, что и используется, например, в известных устройствах для обогащения углей, алмазов и некоторых руд. Однако интенсивность рассеянного излучения при покусковой сепарации свободно падающих с транспортера кусков зависит также и от расстояния от датчика, состоящего из источника излучения и детектора, до контролируемого объекта. Это расстояние меняется в довольно широких пределах, что приводит к погрешностям в оценке Z_эфф как из-за изменения геометрических условий, так и из-за поглощения излучения в воздухе.

Для уменьшения влияния расстояния от датчика до объекта на результаты сепарации при определении Z_эфф, используется, например, облучение объекта двумя источниками возбуждающего излучения [1-4] или детекторные системы, позволяющие раздельно определять интенсивности когерентно и некогерентно рассеянного излучения с последующим расчетом их отношения, независящего от расстояния [5, 6].

К недостаткам указанных аналогов относится усложнение конструкции сепараторов и, в ряде случаев, разработки специальных рентгеновских трубок и детекторов, не выпускаемых промышленностью.

Прототипом предлагаемого изобретения является рентгеновский сепаратор, описанный в заявке на изобретение РФ [7].

Способ, описанный в прототипе, основан на сравнении интенсивности излучения, рассеянного сепарируемым материалом, с интенсивностью излучения, рассеянного экраном, расположенным с необлучаемой стороны контролируемого материала, с эффективным атомным номером, промежуточным между эффективными атомными номерами отбираемого и пропускаемого материала.

Устройство, описанное в прототипе, содержит бункер, транспортирующий механизм, предназначенный для поштучного перемещения материала через зону анализа, источник коллимированного рентгеновского излучения, рассеивающий экран, расположенный с необлучаемой стороны контролируемого материала, детектор рентгеновского излучения, расположенный с облучаемой стороны контролируемого материала, схема регистрации с амплитудным дискриминатором, исполнительный механизм отсечки полезного минерала.

Основным недостатком прототипа является влияние расстояния от источника излучения и детектора до кусков сепарируемого материала на интенсивность регистрируемого от него рассеянного излучения. Это приводит к существенному ухудшению качества сепарации в связи с разбросом траекторий кусков материала при обычно принятой сепарации материалов в свободном падении.

Технический результат заявленного изобретения заключается в повышении качества сепарации за счет устранения зависимости полезного сигнала от разброса траекторий кусков сепарируемого материала.

Указанный технический результат достигается тем, что при сепарации в качестве аналитического сигнала (критерия отбора) используется отношение интенсивностей двух участков рентгеновского спектра рассеиваемого объектом излучения, для чего в сепараторе, включающем систему покусковой подачи сепарируемого материала, рентгеновскую трубку, детектор, расположенный с облучаемой стороны сепарируемого материала, перед которым помещен фильтр, поглощающий низкоэнергетический диапазон рентгеновского спектра, коллиматор, экран, расположенный с необлучаемой стороны сепарируемого материала, изготовленный из материала с эффективным атомным номером, промежуточным между эффективными атомными номерами отбираемого и пропускаемого сепарируемого материала, систему регистрации и исполнительный механизм отбора, с целью повышении качества сепарации в состав схемы регистрации введены два дискриминатора с различными порогами дискриминации.

Для обеспечения требуемого эффективного атомного номера материала экрана могут быть использованы металлы, сплавы, пластмассы (при необходимости, с подходящими наполнителями).

Выявленные отличительные признаки в предложенном решении, а также их взаимосвязь, не обнаружены из источников информации и известных авторам в научных публикациях на дату подачи заявки.

Сущность заявленного изобретения поясняется Фиг.1-3.

На Фиг.1 приведена принципиальная схема устройства для реализации заявленного способа.

На Фиг.2 изображены выходные сигналы устройства-датчика рентгеновского сепаратора при прохождении отбираемого и пропускаемого кусков.

На Фиг.3 приведены зависимости погрешности.

Устройство для реализации заявленного способа, схема которого приведена на Фиг.1, включает питатель 1, рентгеновскую трубку 2, детектор 3, фильтр детектора 4, коллиматор 5, экран 6, систему регистрации 7, два дискриминатора 8, 9, систему обработки информации 10 и исполнительный механизм отбора 11. В зависимости от объекта и целей сепарации в качестве материала экрана могут быть использованы как чистые металлы, так и пластмассы, включая пластмассы с требуемым содержанием подходящего наполнителя.

Работа устройства для реализации заявленного изобретения осуществляется следующим образом.

Покусковая подача сепарируемого материала осуществляется питателем 1. Свободно падающие куски сепарируемого материала облучаются излучением рентгеновской трубки 2 (в данном случае приведена трубка прострельного типа). Рассеянное сепарируемым материалом и экраном 6 излучение регистрируется детектором 3, в данном случае - сцинтилляционным счетчиком 3. Перед детектором установлен фильтр 4, поглощающий низкоэнергетическую часть спектра, содержащую флуоресцентное излучение таких элементов, как железо, титан и кальций, обычно присутствующих в горных породах. Импульсы с амплитудой, пропорциональной энергии регистрируемых фотонов, поступают в систему регистрации 7, включающую два дискриминатора 8 и 9 с порогами дискриминации с энергиями E₁ и E₂, где E₁<E₂. Выходы дискриминаторов соединены с системой обработки информации 10, осуществляющей расчет критерия отбора G по формуле

где I₁ - скорость счета на выходе дискриминатора с порогом E₁ и I₂ - скорость счета на выходе дискриминатора с порогом E₂.

Критерий отбора G содержит отношение скоростей счета двух спектральных диапазонов и при достаточно высоком анодном напряжении, когда можно пренебречь поглощением излучения в воздухе, практически не зависит от расстояния до объекта.

В качестве примера ниже приведены параметры, полученные с использованием заявленного изобретения и прототипа при обогащении угля с облучаемой поверхностью 10 см².

Параметры устройств (сепараторов):

Рентгеновская трубка БХ-7 с Ag анодом при 45 кВ и 10 Вт.

Расстояние от рентгеновской трубки до экрана - 25 см.

Расстояние от детектора до экрана - 15 см.

Отбираемый компонент - уголь (зольность ≤10%) Zэфф ≤7.15.

Горная порода - Zэфф = 12.

Экран - фторопласт-4, Zэфф = 8.44.

Скорость счета рассеянного излучения для прототипа (порог дискриминации 20 кэВ):

от экрана - 115490 с^-1

от угля при расстоянии до куска 25 см - 418910 с^-1

от угля при уменьшении расстоянии до куска на 1 см - 522270 с^-1

от породы при расстоянии до куска на 25 см - 86670 с^-1

от породы при уменьшении расстоянии до куска на 1 см - 108060 с^-1.

Изменение скорости счета при уменьшении расстояния до угля на 1 см +24.7%. Статистическая погрешность при типичном времени экспозиции 10 мс 1.5%.

Критерия отбора G по предлагаемому изобретению. Пороги дискриминации E₁=20 кэВ, E₂=30 кэВ

от экрана - 0.4766

от угля при расстоянии до куска 25 см - 0.4832

от угля при уменьшении расстоянии до куска на 1 см - 0.4833

от породы при расстоянии до куска 25 см - 0.4227

от породы при уменьшении расстоянии до куска на 1 см - 0.4228.

Изменение скорости счета при уменьшении расстояния до угля на 1 см <<0.1%. Статистическая погрешность менее 2.7%.

Как видно из приведенного примера, для прототипа погрешность, составляющая ~ 25%/см, обусловлена в основном расстоянием для контролируемого объекта, а для предлагаемого изобретения - статистической погрешностью счета импульсов; она составляет менее 3% при любом положении объекта.

На Фиг.3 приведены зависимости погрешности определения процента зольности от расстояния до объекта для прототипа (f(x), сплошная кривая) и предлагаемого изобретения (f(x1), пунктир) описанного выше сепаратора. Эти зависимости подтверждают эффективность заявленного изобретения.

Проведенные в режиме реального времени апробации подтверждают, что практически полностью исключается погрешность отбора, связанная с колебанием расстояния от датчика до кусков сепарируемого материала.

Источники используемой информации

1. Szegedi S., Tun K.M., Ibrahim S.M. Определение золы в углях методом отражения гамма-лучей. // J. Radioanal. Nucl. Chem., 1996, 213 (6), 403-409.

2. Magahaes S.D. et al. Определение материалов с высоким Z в среде с малым Z по рассеянию рентгеновского излучения. Определение золы в углях. // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res., 1995, 95 (1), 87-90.

3. Lin WZ, Kong L., Qu T., Cheng J.J. Оценка погрешности определения золы в углях в потоке по рассеянию гамма-излучения. // Appl. Rad. Isot., 2002, 57 (3), 353-358.

4. RU 2086964, МПК G01N 23/223. Способ автоматизированного рентгенорадиометрического опробования вещества.

5. RU 2432571, МПК G01N 23/22. Способ рентгеноспектрального определения эффективного атомного номера материала и устройство для определения эффективного атомного номера материала.

6. RU 2406277, МПК H05G 1/00, G01N 23/22. Рентгеноспектральный анализатор для идентификации и сепарации.

7. Заявка на выдачу патента РФ на изобретение с номером государственной регистрации 2011152790 от 26.12.11. Авторы: Петрова Л.Н., Калинин Б.Д. Плотников Р.И. Способ рентгеноспектральной сепарации материала и устройство для его реализации. Решение о выдаче от 17.04.13 (прототип).

Использование: для обогащения (сепарации) минерального и вторичного металлургического сырья. Сущность изобретения заключается в том, что сравнивают интенсивности рассеянного рентгеновского излучения от сепарируемого образца и расположенного за ним экрана, при этом сравнивают отношения интенсивностей двух участков рентгеновского спектра рассеянного излучения от сепарируемого материала и расположенного за ним экрана с эффективным атомным номером, промежуточным между эффективными атомными номерами отбираемого и пропускаемого сепарируемого материала. Технический результат: повышение качества сепарации. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ рентгеноспектральной сепарации, основанный на сравнении интенсивностей рассеянного рентгеновского излучения от сепарируемого образца и расположенного за ним экрана, отличающийся тем, что сравнивают отношения интенсивностей двух участков рентгеновского спектра рассеянного излучения от сепарируемого материала и расположенного за ним экрана с эффективным атомным номером, промежуточным между эффективными атомными номерами отбираемого и пропускаемого сепарируемого материала.

2. Сепаратор, реализующий предлагаемый способ по п.1, включающий питатель (систему покусковой подачи сепарируемого материала), рентгеновскую трубку, детектор, расположенный с облучаемой стороны образца, перед которым помещен фильтр, поглощающий низкоэнергетический диапазон рентгеновского спектра, коллиматор, экран, систему регистрации и исполнительный механизм отсечки полезного минерала, отличающийся тем, что между системой регистрации и исполнительным механизмом отбора введена схема обработки информации и два дискриминатора с различными порогами дискриминации с энергиями E₁ и E₂, где E₁<E₂, а система обработки информации осуществляет расчет критерия отбора G по формуле

где I₁ - скорость счета на выходе дискриминатора с порогом E₁ и I₂ - скорость счета на выходе дискриминатора с порогом E₂