ПОТОЧНЫЙ КОНВЕЙЕРНЫЙ АНАЛИЗАТОР, РАБОТАЮЩИЙ ПО МЕТОДУ МЕЧЕНЫХ НЕЙТРОНОВ Российский патент 2023 года по МПК G01N23/222 

Область техники, к которой относится изобретение

[0001] Изобретение относится к области исследования или анализа веществ радиационными методами с измерением вторичной эмиссии характеристического ядерного гамма-излучения, возникающего под действием быстрых меченых нейтронов, для определения элементного состава веществ. В частности, изобретение относится к устройству для определения концентраций химических элементов в движущемся на конвейере твердом или жидком веществе методом меченых нейтронов в режиме реального времени, к способу определения концентраций химических элементов в движущемся на конвейере веществе методом меченых нейтронов с использованием такого устройства и к способу предварительной настройки и градуировки такого устройства.

Предпосылки изобретения

[0002] Известны способ и устройство для обнаружения алмазов в кимберлите с помощью метода меченых нейтронов (ММН), описанные в патенте № RU 2521723 С1, опубликованном 10.07.2014 г. Однако описанные в этом патенте способ и устройство позволяют определять только наличие в облучаемом образце превышения локальной концентрации углерода над его средним уровнем и не позволяют определять концентрацию углерода в образце.

[0003] Известны также устройство и способ определения элементного состава образцов твердых или жидких материалов методом меченых нейтронов, описанные в патенте № RU 2685047 С1 от 16.04.2019 г. Однако описанные в этом патенте устройство и способ позволяют определять элементный состав материалов только в виде отдельных образцов (например, порций руды) и только в стационарном состоянии, но не позволяют определять элементный состав материалов при их движении, например, на конвейере.

Раскрытие изобретения

[0004] Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является разработка устройства и способа определения концентраций различных химических элементов методом меченых нейтронов, в частности элементного состава, в движущемся веществе, в частности, в движущемся на конвейере веществе, в режиме реального времени.

[0005] Еще одной технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является разработка способа предварительной настройки и градуировки предлагаемого устройства с целью повышения точности определения концентраций химических элементов или элементного состава движущегося на конвейере вещества в режиме реального времени.

[0006] Поставленные задачи решаются следующими средствами, охарактеризованными также в формуле изобретения:

1. Устройство для определения концентраций химических элементов в движущемся на конвейере твердом или жидком веществе методом меченых нейтронов в режиме реального времени, содержащее:

(а) нейтронный генератор, предназначенный для генерации потока меченых нейтронов, при этом в нейтронный генератор встроен альфа-детектор;

(б) детекторы гамма-излучения, предназначенные для регистрации характеристического гамма-излучения, возникающего при облучении движущегося на конвейере вещества потоком меченых нейтронов;

(в) систему анализа данных, предназначенную для сбора и анализа данных, получаемых от альфа-детектора и детекторов гамма-излучения;

(г) биологическую защиту, обеспечивающую безопасную работу персонала;

(д) систему термостатирования детекторов гамма-излучения, выполненную водо- и пыленепроницаемой; и

(е) систему телеметрии для контроля работы устройства.

2. Устройство по пункту 1, в котором нейтронный генератор расположен под движущимся на конвейере веществом, а детекторы гамма-излучения расположены над движущимся на конвейере веществом.

3. Устройство по пункту 1, в котором нейтронный генератор расположен над движущимся на конвейере веществом, а детекторы гамма-излучения расположены под движущимся на конвейере веществом.

4. Устройство по пункту 1, в котором нейтронный генератор и детекторы гамма-излучения расположены под движущимся на конвейере веществом.

5. Устройство по пункту 1, в котором нейтронный генератор и детекторы гамма-излучения расположены над движущимся на конвейере веществом.

6. Устройство по пункту 1, в котором нейтронный генератор расположен под движущимся на конвейере веществом, а детекторы гамма-излучения расположены по бокам от движущегося на конвейере вещества.

7. Устройство по пункту 6, в котором детекторы гамма-излучения расположены в виде двух блоков, по одному блоку детекторов гамма-излучения с каждой боковой стороны от движущегося на конвейере вещества.

8. Устройство по любому из пунктов 1-7, в котором детекторы гамма-излучения расположены симметрично относительно нейтронного генератора.

9. Устройство по любому из пунктов 1-8, в котором нейтронный генератор предназначен для генерации потока меченых нейтронов при ускорении дейтронов и взаимодействии их с тритиевой мишенью за счет осуществления следующей бинарной ядерной реакции:

d+t→α+n,

где d - дейтрон, t - тритон, α - альфа-частица, n - нейтрон.

10. Устройство по любому из пунктов 1-9, в котором нейтронный генератор содержит блок управления, блок нейтронной трубки и систему замены блока нейтронной трубки, выполненную с возможностью обеспечения водо- и пыленепроницаемости нейтронного генератора после замены блока нейтронной трубки.

11. Устройство по любому из пунктов 1-10, в котором система анализа данных размещена в отдельном шкафу и содержит блок электроники для сбора и анализа данных и электропитания нейтронного генератора и детекторов гамма-излучения.

12. Устройство по любому из пунктов 1-11, дополнительно содержащее пульт управления с предустановленным программным обеспечением (ПО) и интерфейсом оператора, предпочтительно выполненным с возможностью отображать изменение концентраций химических элементов в режиме реального времени.

13. Устройство по любому из пунктов 1-12, дополнительно содержащее систему защиты нейтронного генератора и детекторов гамма-излучения от фрагментов из движущегося на конвейере вещества.

14. Устройство по любому из пунктов 1-13, дополнительно содержащее систему термостатирования нейтронного генератора.

15. Устройство по пункту 14, причем система термостатирования нейтронного генератора выполнена водо- и пыленепроницаемой, а предпочтительно выполнена со степенью защищенности не ниже IP65.

16. Устройство по любому из пунктов 1-15, причем система термостатирования детекторов гамма-излучения выполнена со степенью защищенности не ниже IP65.

17. Устройство по любому из пунктов 1-16, дополнительно содержащее систему защиты детекторов гамма-излучения от потока нейтронов из нейтронного генератора.

18. Устройство по любому из пунктов 1-17, в котором для определения элементного состава движущегося на конвейере вещества используются только гамма-кванты, попадающие в окно временного спектра альфа-гамма совпадений, соответствующие отклику упомянутого вещества, и при этом часть событий из временного спектра альфа-гамма совпадений используется для энергетической калибровки спектров в каждом измерении, причем энергетическая калибровка проводится по опорным пикам, выбранным как из временного спектра случайных совпадений, так и из временного спектра альфа-гамма совпадений.

19. Устройство по любому из пунктов 1-18, причем вещество представляет собой или содержит сырье, например, минеральное сырье, такое как уголь, руда или агломерационная шихта, или вещество представляет собой или содержит продукт производства, например, минеральный продукт, такой как рудный концентрат, цемент или гранулы, или вещество представляет собой или содержит отходы производства, например, минеральные отходы, такие как хвосты, золы, шлаки, шламы или стоки.

20. Способ определения концентраций химических элементов в движущемся на конвейере твердом или жидком веществе методом меченых нейтронов в режиме реального времени с использованием устройства по любому из пунктов 1-19, включающий следующие этапы:

(а) облучение движущегося на конвейере вещества потоком меченых нейтронов из нейтронного генератора;

(б) регистрация спектра характеристического гамма-излучения, возникающего при облучении упомянутого вещества на этапе (а) потоком быстрых меченых нейтронов, детекторами гамма-излучения;

(в) анализ спектра характеристического гамма-излучения, зарегистрированного от упомянутого вещества на этапе (б), и определение концентраций отдельных химических элементов в упомянутом веществе.

21. Способ предварительной настройки и градуировки устройства по любому из пунктов 1-19, включающий следующие стадии:

(а) измеряют энергетические спектры химических элементов, концентрации которых предполагается определять в веществе, при облучении быстрыми мечеными нейтронами упомянутым устройством с целью экспериментального определения парциальных сечений образования гамма-квантов с набором определенных энергий для каждого отдельного химического элемента,

(б) описывают энергетический спектр гамма-квантов, полученный в результате облучения вещества быстрыми мечеными нейтронами упомянутым устройством, в виде функционала, представляющего собой сумму четырех слагаемых:

- функции, описывающей набор химических элементов, входящих в состав вещества, и соответствующих им спектров отдельных гамма-линий;

- функции, описывающей континуум гамма-спектра;

- функции, описывающей фоновый спектр событий, зарегистрированных детекторами гамма-излучения; и

- функции, учитывающей поглощение гамма-квантов в материале конвейера;

(в) параметризуют энергетическую зависимость отклика детекторов гамма-излучения в соответствии с результатами моделирования методом Монте-Карло;

(г) учитывают континуум в непрерывном спектре гамма-квантов от отдельного химического элемента как разность между измеренным экспериментальным спектром и суммой вкладов от спектров дискретных линий;

(д) учитывают энергетический спектр материала несущего рабочего органа конвейера для улучшения точности определения концентраций химических элементов.

[0007] Предлагаемое изобретение направлено, в частности, на достижение по меньшей мере одного из следующих технических результатов:

- определение концентрации химического(их) элемента(ов) или элементного состава движущегося на конвейере вещества методом меченых нейтронов (ММН) без отбора проб и без какой-либо пробоподготовки, что позволяет значительно ускорить и упростить анализ вещества, а также значительно снизить трудозатраты на проведение этого анализа;

- высокая проникающая способность быстрых меченых нейтронов в ММН-методе позволяет проанализировать элементный состав вещества на глубину, составляющую вплоть до полуметра (в зависимости от плотности, влажности, состава и других параметров, глубина анализируемого в предлагаемом изобретении вещества на конвейере может составлять до 50 см, до 45 см, до 40 см, до 35 см или, чаще всего, до 30 см);

- можно получать либо концентрацию в веществе одного или нескольких конкретных химических элементов, представляющих интерес в данном конкретном варианте применения (к примеру, углерода, алюминия, кремния, фосфора, железа и т.п.), например, усредненную по желаемому интервалу времени, либо общий элементный состав вещества, например, усредненный по желаемому интервалу времени, либо и то, и другое;

- ММН-методом обеспечивается повышенная по сравнению с обычными нейтронными методами анализа точность определения элементного состава движущегося на конвейере вещества, например, определение концентрации химического элемента в движущемся на конвейере веществе с абсолютным стандартным квадратичным отклонением 0,10-0,25% (в частности, углерода, алюминия, кремния и фосфора);

- определение элементного состава движущегося на конвейере вещества ММН-методом может быть проведено оперативно, обеспечивая возможность оперативного контроля за изменением во времени присутствующего в веществе количества одного или более конкретных химических элементов, представляющих интерес для выбранного назначения, например, для мониторинга количества одного или более целевых компонентов в сырье для производства или в продукте производства с течением времени;

- определение элементного состава движущегося на конвейере вещества ММН-методом осуществляется поточно, т.е. в потоке непрерывно движущегося на конвейере вещества, что обеспечивает возможность непрерывного контроля за изменением во времени присутствующего в веществе количества одного или более конкретных химических элементов, представляющих интерес для выбранного назначения, например, для непрерывного мониторинга количества одного или более целевых компонентов в сырье или продукте производства с течением времени;

- определение концентраций различных химических элементов в движущемся на конвейере веществе ММН-методом позволяет полностью автоматизировать производство;

- предлагаемое устройство, по сути, представляет собой датчик-анализатор, который может быть встроен в практически любую технологическую схему производства и который, например, обязан присутствовать в любой схеме Цифровизации 4.0 горно-обогатительного производства;

- предлагаемое изобретение позволяет осуществлять сортировку вещества, например, сырья с разной концентрацией полезного элемента или компонента;

- предлагаемое изобретение позволяет управлять составом вещества (например, сырья), добавляя или убавляя соответствующие элементы или компоненты, поскольку для многих производств важно иметь постоянный элементный состав сырья;

- предлагаемое изобретение позволяет осуществлять контроль качества входного сырья, например, определять, какого именно качества руда поступает из рудника;

- предлагаемое изобретение позволяет осуществлять контроль качества выпускаемой продукции, например, определять, какого именно качества уголь отгружается потребителю;

- предлагаемое изобретение позволяет осуществлять контроль качества отходов, например, определять, какого именно качества отходы выходят из производства, например, с целью оценки соблюдения экологических требований;

- предлагаемое изобретение позволяет осуществлять контроль за содержанием полезных, ценных и/или потенциально извлекаемых элементов в пустой породе, уходящей в отвалы;

- предлагаемое изобретение позволяет отслеживать правильность разработки шахты/карьера, например, постоянно или периодически проверять, в правильном ли направлении происходит добыча, бурение, сверление и т.п.;

- определение элементного состава движущегося на конвейере вещества ММН-методом с использованием только гамма-квантов, попадающих в выбранный временной интервал временного распределения альфа-гамма совпадений и соответствующих анализируемому веществу, при использовании части временного распределения альфа-гамма совпадений для энергетической калибровки полученных спектров гамма-излучения при каждом измерении, причем энергетическая калибровка проводится по опорным пикам, выбранным как из временного спектра случайных совпадений, так и из временного спектра альфа-гамма совпадений, позволяет улучшить точность и воспроизводимость результатов измерений;

- определение элементного состава движущегося на конвейере вещества ММН-методом с использованием термостатированных детекторов гамма-излучения, или с использованием термостатированного нейтронного модуля, включающего в себя нейтронный генератор и детекторы гамма-излучения, позволяет значительно повысить точность результатов измерений концентраций химических элементов в анализируемом веществе;

- симметричное расположение детекторов гамма-излучения относительно нейтронного генератора позволяет повысить точность результатов измерений концентраций химических элементов в анализируемом веществе, при этом чем больше число детекторов гамма-излучения, тем выше точность результатов измерений, поэтому предпочтительно число детекторов гамма-излучения равно по меньшей мере шести, например, от шести до тридцати, к примеру 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28 или 30, или более, но не более ста с точки зрения экономической целесообразности; и

[0008] При этом, в зависимости от обстоятельств, любой из этих технических результатов может рассматриваться как главный, а остальные - как вспомогательные. Вместе с тем, в наиболее предпочтительных вариантах воплощения изобретения все эти результаты достигаются совместно друг с другом.

Краткое описание чертежей

[0009] Предлагаемое изобретение поясняется далее подробнее на примере неограничительных фигур, на которых показано следующее:

Фиг. 1 - схематичное изображение общего принципа работы устройства по изобретению для определения элементного состава вещества ММН-методом;

Фиг. 2 - схематичное изображение общей конструкции устройства по изобретению для определения элементного состава движущегося на конвейере вещества ММН-методом;

Фиг. 3 - общий вид в перспективе одного конкретного варианта воплощения устройства по изобретению для определения элементного состава движущегося на конвейере вещества ММН-методом, где 1 - нейтронный модуль, 2 - нейтронный генератор, 3 - гамма-детекторы, 4 - шкаф электроники;

Фиг. 4 - общий вид в перспективе другого конкретного варианта воплощения установленного на конвейере устройства по изобретению для определения элементного состава движущегося на конвейере вещества ММН-методом, где 1 - нейтронный модуль, 4 - шкаф электроники, 5 - шкаф управления, 6 - конвейер с сырьем;

Фиг. 5 - конкретный пример временного спектра гамма-квантов, зарегистрированного устройством по изобретению в ходе определения элементного состава движущейся на конвейере агломерационной шихты;

Фиг. 6 - один конкретный пример энергетического спектра гамма-квантов, зарегистрированного устройством по изобретению в ходе определения элементного состава движущейся на конвейере агломерационной шихты;

Фиг. 7 - другой конкретный пример энергетического спектра гамма-квантов, зарегистрированного устройством по изобретению в ходе определения элементного состава движущейся на конвейере агломерационной шихты;

Фиг. 8 - энергетический спектр характеристического гамма-излучения углерода (С);

Фиг. 9 - энергетический спектр характеристического гамма-излучения оксида алюминия (Al₂O₃);

Фиг. 10 - энергетический спектр характеристического гамма-излучения оксида кальция (СаО);

Фиг. 11 - энергетический спектр характеристического гамма-излучения оксида железа (Fe₂O₃);

Фиг. 12 - энергетический спектр характеристического гамма-излучения воды (H₂O);

Фиг. 13 - энергетический спектр характеристического гамма-излучения оксида магния (MgO);

Фиг. 14 - энергетический спектр характеристического гамма-излучения карбоната натрия (Na₂CO₃);

Фиг. 15 - энергетический спектр характеристического гамма-излучения пентаоксида фосфора (Р₂О₅);

Фиг. 16 - энергетический спектр характеристического гамма-излучения диоксида кремния (SiO₂);

Фиг. 17 - энергетический спектр гамма-излучения образца сахара;

Фиг. 18 - энергетический спектр гамма-излучения образца №12 агломерационной шихты;

Фиг. 19 - график изменения основности агломерационной шихты с течением времени (в промежутке с примерно 10 часов 00 минут по примерно 14 часов 30 минут), полученный при натурных испытаниях поточного конвейерного анализатора АГП-К-1 в ходе определения элементного состава движущейся на конвейере агломерационной шихты в режиме реального времени;

Фиг. 20 - графики изменения концентраций пентаоксида фосфора (Р₂О₅), оксида алюминия (Al₂O₃), оксида кальция (СаО) и диоксида кремния (SiO₂) с течением времени (с примерно 19 часов 30 минут по примерно 24 часа 00 минут 05 октября 2021 г.), полученные при натурных испытаниях конвейерного анализатора АГП-К-2 в ходе определения элементного состава движущейся на конвейере фосфатной руды в режиме реального времени.

Подробное описание вариантов воплощения изобретения

[0010] С целью достижения по меньшей мере одного из вышеуказанных технических результатов в устройстве или способе по изобретению, предназначенных для определения концентраций химических элементов или элементного состава движущегося на конвейере вещества методом меченых нейтронов в режиме реального времени, анализируемое вещество облучают потоком быстрых меченых нейтронов, в результате такого облучения получают спектр гамма-излучения от реакций неупругого рассеяния нейтронов на ядрах облучаемого вещества, и, исходя из полученного спектра, определяют концентрации различных химических элементов в анализируемом веществе.

[0011] Как показано на схеме общего принципа работы устройства по изобретению, приведенной на фиг. 1, в нейтронном генераторе в качестве источника быстрых меченых нейтронов используется следующая бинарная ядерная реакция:

где

d - дейтрон (т.е. ядро изотопа водорода дейтерия, ²Н),

t - тритон (т.е. ядро изотопа водорода трития, ³Н),

α - альфа-частица (т.е. ядро атома гелия, ⁴Не), а

n - нейтрон,

причем энергия дейтронов, падающих на тритиевую мишень, составляет порядка 60-100 кэВ, а значения энергий согенерируемых альфа-частицы и быстрого нейтрона составляют около 3,5 МэВ и около 14,1 МэВ соответственно.

[0012] Таким образом, в качестве источника быстрых меченых нейтронов в устройстве по изобретению используется нейтронный генератор, в котором протекает вышеуказанная бинарная ядерная реакция (1).

[0013] Нейтронный генератор служит в качестве источника быстрых меченых нейтронов, причем нейтронный генератор снабжен детектором альфа-частиц, который далее для краткости называется просто «альфа-детектором» и который может быть любого типа при условии, что он способен детектировать альфа-частицы. Альфа-детектор может быть подразделен на множество элементов (пикселей) и поэтому далее иногда называется «многоэлементным», при этом термин «множество» означает два или более элемента (пикселя), и их число может быть любым целым числом больше 2. Альфа-детектор размещен и выполнен с возможностью работы внутри нейтронного генератора и поэтому называется также «встроенным». К примеру, альфа-детектор может быть кремниевым или же выполненным на основе другого полупроводникового материала. Например, нейтронный генератор может быть оборудован встроенным многоэлементным альфа-детектором с 9-64 пикселями.

[0014] Таким образом, с помощью нейтронного генератора вещество облучают потоком быстрых нейтронов с энергией примерно 14,1 МэВ и с предпочтительной интенсивностью, составляющей, например, от 1×10⁷ до 1×10⁸ нейтронов в секунду (н/с), хотя в принципе могут быть также использованы и другие значения интенсивности потока нейтронов, меньшие 1×10⁷ н/с или большие 1×10⁸ н/с. В результате неупругого рассеяния быстрых нейтронов на ядрах атомов, входящих в состав облучаемого вещества, возникает характеристическое (т.е. характерное для каждого конкретного вида химического элемента) гамма-излучение с энергиями в диапазоне порядка 0,5-10 МэВ. Это характеристическое гамма-излучение регистрируют с помощью детекторов гамма-излучения, которые вместе с нейтронным генератором могут также входить в состав общего нейтронного модуля. Предпочтительно, детекторы гамма-излучения могут быть выполнены на основе сцинтилляционных кристаллов германата висмута (BGO) или ортосиликата иттрия-лютеция (LYSO), однако настоящее изобретение не ограничено конкретным типом и/или сцинтилляционным материалом детекторов гамма-излучения, при условии, что они способны детектировать гамма-излучение в указанном диапазоне энергий. При этом с помощью многоэлементного альфа-детектора, встроенного в нейтронный генератор, регистрируют также направление вылета быстрых нейтронов из тритиевой мишени нейтронного генератора, приблизительно соответствующее направлению, противоположному направлению вылета альфа-частиц из тритиевой мишени (фактический угол разлета между согенерируемыми альфа-частицей и быстрым нейтроном составляет 171-175 градусов, для диапазона энергии дейтронов 50-150 кэВ), т.е. альфа-детектор производит так называемое «мечение» быстрых нейтронов (по-английски «tagging») по направлению их вылета в пространстве и по моменту их вылета во времени, поэтому в дальнейшем в отношении таких быстрых нейтронов используется термин «меченые нейтроны». Здесь следует отметить, что быстрые нейтроны испускаются нейтронным генератором в полный телесный угол 4π, однако за счет такого «мечения» быстрых нейтронов альфа-детектором поток меченых нейтронов, принимаемых в расчет при последующем анализе характеристического гамма-излучения, имеет расходящуюся от мишени форму с намного меньшим телесным углом, определяемым размерами альфа-детектора и расстоянием между тритиевой мишенью и альфа-детектором. При этом число и положение в пространстве отдельных пучков меченых нейтронов в их общем потоке определяется числом и положением элементов (пикселей) альфа-детектора относительно тритиевой мишени нейтронного генератора. Характеристическое гамма-излучение, исходящее от облучаемого образца (т.е. в данном случае - движущегося на конвейере вещества), регистрируют в виде спектров гамма-излучения с помощью детекторов гамма-излучения (далее для краткости называемых гамма-детекторами). Зарегистрированные спектры характеристического гамма-излучения, поступающие от гамма-детекторов, анализируются системой анализа данных в совпадениях с сигналами от альфа-детектора, соответствующими каждому вокселю облучаемого вещества. Здесь «вокселем» называется элемент объема облучаемого вещества, причем в направлении потока меченых нейтронов размер вокселя определяется временным разрешением системы альфа-гамма-совпадений (α-γ совпадений), а в плоскости, перпендикулярной потоку меченых нейтронов, размеры вокселя определяются линейными размерами пикселя альфа-детектора и соотношением расстояния от тритиевой мишени до альфа-детектора в нейтронном генераторе и расстояния от тритиевой мишени до облучаемого вещества, находящегося в объеме каждого вокселя (последнее расстояние схематично обозначено как «s» на фиг. 1).

[0015] Кроме того, следует понимать, что употребляемый здесь термин «поток меченых нейтронов» означает по меньшей мере один пучок меченых нейтронов, необходимый для обеспечения принципиальной возможности реализации изобретения. Вместе с тем, в предпочтительных вариантах воплощения поток меченых нейтронов в целом может состоять из множества нейтронных пучков, число которых может быть равно числу нейтронных генераторов или числу пикселей в многоэлементном альфа-детекторе, например, 2, 3, 4, 5, 10, 16, 25, 36, 49, 64, 100, 192, 256, 500 и более пучков. Таким образом, употребляемые в отношении меченых нейтронов термины «поток» и «пучок» могут быть или не быть эквивалентными друг другу.

[0016] Выходящие из нейтронного генератора меченые нейтроны n, попадая в анализируемый образец, индуцируют реакции неупругого рассеяния в ядрах атомов А образца:

в результате которых возбуждение ядра снимается испусканием квантов характеристического гамма-излучения с энергетическим спектром, характерным для каждого конкретного химического элемента. Регистрация характеристического γ-излучения осуществляется гамма-детекторами в совпадениях с сигналом от альфа-детектора. Это дает возможность определить все три координаты той области вещества, из которой были испущены кванты гамма-излучения. Две координаты определяются по тому пикселю, в который попала α-частица, а третья координата, характеризующая расстояние s от тритиевой мишени до точки испускания гамма-кванта, вычисляется с помощью время-пролетной методики. Действительно, зная расстояние от тритиевой мишени до альфа-детектора, расстояние s от тритиевой мишени до вокселя вещества и расстояние от вокселя вещества до гамма-детектора, а также зная, что скорость быстрого нейтрона с энергией 14,1 МэВ постоянна и составляет 5 см/нс, а скорость γ-кванта (т.е. скорость света с) составляет приблизительно 3⋅10⁸ м/с, и измерив разность во времени между моментом времени регистрации α-частицы в альфа-детекторе (T₁) и моментом времени регистрации γ-кванта в гамма-детекторе (Т₂), легко определить точку испускания γ-кванта в анализируемом веществе.

[0017] Далее, если ранее были измерены спектры каждого химического элемента, составляющего вещество, то измерив гамма-детекторами суммарный γ-спектр вещества, состоящего из множественных химических элементов, можно разложить суммарный γ-спектр на составляющие и определить доли каждого химического элемента в веществе.

[0018] Таким образом, отличие метода меченых нейтронов (ММН) от хорошо известных методов нейтронно-активационного анализа (НАА) состоит в том, что идентификация химического(их) элемента(ов) ведется по спектру прямых γ-квантов, испускаемых в реакциях неупругого рассеяния (n, n' γ), причем в расчет при анализе вещества принимаются только γ-кванты, пришедшие в течение короткого временного интервала с момента прихода сигнала от α-частицы, в частности, временного интервала порядка 1-100 нс (в конкретных вариантах воплощения изобретения может быть использован временной интервал, составляющий менее 50 нс, или менее 25 нс, или менее 20 нс, или менее 15 нс, или менее 10 нс, например, примерно 5-6 нс, см. фиг. 5). Это дает возможность отобрать γ-кванты, испускаемые непосредственно из анализируемого вещества, а не от окружающей среды (фона), что существенно улучшает фоновые условия при измерении. Показано, что применение ММН позволяет увеличить отношение сигнал-фон в 200 и более раз.

[0019] Другое важное отличие ММН состоит в использовании именно быстрых нейтронов с энергией 14,1 МэВ, которые позволяют хорошо определять концентрации легких элементов, таких как Li, Be, В, С, N, О, F, что является затруднительным как для метода НАА, так и для рентгено-флюоресцентного анализа (РФА), поскольку методом РФА сложно определять элементы с атомным номером Z<11.

[0020] Кроме того, по сравнению с другими методами экспресс-анализа элементного состава материалов, такими, например, как РФА, можно отметить следующие преимущества ММН:

(1) большая исследуемая зона в анализируемом веществе, поскольку приборы РФА имеют исследуемую зону в несколько миллиметров, а исследуемая зона в случае ММН может представлять собой, например, участок примерно 30 см в длину × примерно 30 см в ширину (т.е. с площадью примерно 900 см²) и примерно 30 см в глубину (т.е. с объемом примерно 27000 см³), постоянно смещающийся по мере движения конвейера, при расстоянии от гамма-детекторов до поверхности анализируемого вещества, составляющем от сантиметров до нескольких десятков сантиметров, предпочтительно от примерно 1 см до примерно 100 см, более предпочтительно от примерно 5 см до примерно 50 см, еще более предпочтительно от примерно 10 до примерно 25 см;

(2) возможно определять распределения концентраций химических элементов в анализируемом веществе;

(3) использование ММН не требует никакой пробоподготовки;

(4) использование ММН не требует дорогостоящих эталонных образцов.

[0021] Наконец, немаловажным является возможность применения ММН в полевых условиях. В отличии от метода НАА, в ММН не нужно облучать образцы в ядерном реакторе, а роль источника нейтронов выполняет портативный нейтронный генератор, габаритные размеры которого могут составлять лишь несколько десятков сантиметров (в частности, примерно 30 см) и масса которого может составлять лишь несколько килограмм (в частности, примерно 8 кг).

[0022] В настоящем изобретении в качестве анализируемого вещества, в котором определяют концентрации различных химических элементов или элементный состав, могут быть использованы любые подходящие твердые и/или жидкие вещества. Анализируемое вещество может представлять собой или содержать сырье, например, минеральное сырье, такое как уголь (к примеру, бурые угли, каменные угли, антрациты, графиты, коксующиеся угли и т.д.), руда (к примеру, железные руды, фосфатные руды, редкометалльные руды и т.д.) или агломерационная шихта (к примеру, для получения агломерата для производства железа в черной металлургии), или анализируемое вещество может представлять собой или содержать продукт производства, например, минеральный продукт, такой как рудный концентрат, цемент, гранулы (к примеру, полупродукт производства железа в черной металлургии), сахар и т.п., или же анализируемое вещество может представлять собой или содержать отходы производства, например, минеральные отходы, такие как хвосты, золы, шлаки, шламы, стоки, бывшие в употреблении огнеупорные кирпичи, и т.д. и т.п. При этом выделяющиеся из анализируемого вещества в ходе его движения на конвейере фрагменты, от воздействия которых устройство по изобретению может быть защищено системой защиты, могут представлять собой просыпь, пыль, капли, брызги, аэрозоль (туман) и т.п.

[0023] При этом в настоящее время хорошо изучена и подтверждена возможность применения изобретения для анализа различных веществ на 25 химических элементов: Na, Mg, С, N, О, F, Al, Si, Р, S, Cl, K, Са, Ti, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Zr, Pb, Sn, Bi и Sb, и на основе такого анализа определение относительного массового содержания химических элементов и/или соединений (таких как, например, Al₂O₃, CaO, Fe₂O₃, Н₂О, MgO, Na₂CO₃, Р₂О₅, SiO₂, TiO₂ и др.). Однако, в принципе, изобретение может быть использовано для определения концентрации иных химических элементов в других неорганических или органических, твердых или жидких веществах природного или неприродного происхождения. И хотя дальнейшее описание приводится в основном применительно к промышленным минеральным веществам, изобретение не ограничено каким-то одним конкретным видом или назначением анализируемого вещества.

[0024] Вместе с тем, имеются определенные физические ограничения. Для эффективной работы метода меченых нейтронов требуется, чтобы в спектре элемента присутствовали одна или несколько узких гамма-линий с большим сечением возбуждения быстрыми нейтронами. Значение имеет также желательное отсутствие близколежащих по энергии гамма-линий от других элементов, которые могут мешать правильному распознаванию линий искомого элемента.

[0025] Устройство по изобретению предпочтительно содержит нейтронный модулт, снабженный: (а) нейтронным генератором, предназначенным для генерации потока меченых нейтронов и имеющим встроенный альфа-детектор; (b) детекторами гамма-излучения, предназначенными для регистрации спектров характеристического гамма-излучения, возникающего при облучении вещества потоком меченых нейтронов из нейтронного генератора. Предпочтительно, нейтронный модуль также содержит корпус (например, водо- и пыленепроницаемый), в котором смонтированы нейтронный генератор и детекторы гамма-излучения. Устройство по изобретению дополнительно содержит систему анализа данных, предназначенную для сбора, обработки и анализа данных, получаемых из нейтронного модуля, а точнее, от встроенного в нейтронный генератор альфа-детектора и от детекторов гамма-излучения. При этом устройство по изобретению выполнено с возможностью определения элементного состава вещества во время движения на конвейере с установленным на нем устройством по изобретению методом меченых нейтронов в режиме реального времени.

[0026] В конкретном варианте воплощения система анализа данных может быть установлена на автоматизированном рабочем месте (АРМ) оператора и может быть соединена с нейтронным модулем кабелем передачи данных, предназначенным для передачи полученных данных измерений от нейтронного модуля на систему анализа данных, при этом установленный в системе анализа данных блок электропитания может передавать электропитание по силовому кабелю на нейтронный модуль. При этом весь нейтронный модуль, включая нейтронный генератор и детекторы гамма-излучения, или только нейтронный генератор, или только детекторы гамма-излучения может (могут) быть заключен(ы) в термостате внутри корпуса для обеспечения стабильности работы нейтронного генератора и/или стабильности показаний гамма-детекторов с целью повышения точности определения концентраций химических элементов или элементного состава вещества. Кроме того, в предпочтительном варианте исполнения нейтронный генератор может содержать блок управления и блок нейтронной трубки, при этом устройство по изобретению дополнительно содержит систему замены блока нейтронной трубки. Блок нейтронной трубки - это именно то место, где собственно и происходит генерация нейтронного излучения в нейтронном генераторе. Нейтронная трубка обычно имеет ограниченный срок службы, который может составлять, например, от 1000 до 5000 часов, в частности, от 1400 до 2000 часов, в одном конкретном варианте примерно - 1500 часов, поэтому в таком предпочтительном варианте исполнения желательно, чтобы блок нейтронной трубки был выполнен по сути как картридж, который надо периодически менять, и поэтому важно иметь систему замены блока нейтронной трубки, поскольку это обеспечивает практически бесперебойную работу устройства по изобретению при условии своевременной замены отработавшего блока нейтронной трубки на новый.

[0027] Обращаясь теперь к более конкретным и предпочтительным вариантам воплощения изобретения, предлагаемое устройство для определения концентрации химических элементов в движущемся на конвейере веществе ММН-методом в режиме реального времени (далее для краткости называемое просто «устройством по изобретению») может предпочтительно быть выполнено так, как изображено на фиг. 2 и 3, и установлено на конвейере так, как изображено на фиг. 4, однако изобретение не ограничено этими конкретными вариантами его выполнения и установки.

[0028] На фиг. 2 приведено схематичное изображение общей конструкции устройства по изобретению в его предпочтительном варианте. Как показано на фиг. 2, в состав устройства по изобретению входят:

(a) нейтронный генератор, расположенный в данном варианте воплощения прямо под схематично показанным в поперечном разрезе конвейером с находящимся на нем анализируемым веществом (конвейер здесь схематично показан светло-серой трапецией, а вещество схематично показано темно-серой массой, в реальности движущейся перпендикулярно плоскости фигуры) и содержащий тритиевую мишень (схематично показанную в виде светло-серой наклонной пластины), источник дейтронов (схематично показанный зеленым прямоугольником), испускающий в обозначенном зеленой штриховой линией общем направлении на тритиевую мишень дейтроны (обозначенные буквой d), в результате чего в тритиевой мишени происходит ядерная реакция тритонов с дейтронами с образованием альфа-частиц (обозначенных буквой α), движущихся в обозначенном синей стрелкой общем направлении от тритиевой мишени к α-детектору (схематично показанному тремя светло-серыми прямоугольниками-пикселями) и имеющих обозначенные синими штриховыми линиями и ограниченные специальным экраном (схематично показанным двумя темно-серыми прямоугольниками) траектории движения от тритиевой мишени к α-детектору и регистрируемых α-детектором, а также с образованием быстрых меченых нейтронов (обозначенных буквой n), движущихся в обозначенном фиолетовой стрелкой общем направлении от тритиевой мишени к анализируемому веществу на конвейере и имеющих обозначенные фиолетовыми штриховыми линиями траектории движения пучков нейтронов;

(b) гамма-детекторы (схематично показанные желтыми прямоугольниками), установленные под острым углом к конвейеру с веществом, расположенные в два ряда по бокам справа и слева от конвейера, примерно на одном уровне с веществом и/или ниже него и/или выше него, и регистрирующие характеристическое гамма-излучение (обозначенное буквой γ и красными волнистыми линиями), возникающее при облучении вещества на конвейере пучками быстрых меченых нейтронов; и

(c) система защиты детекторов гамма-излучения от потока быстрых меченых нейтронов из нейтронного генератора (схематично показанная двумя светло-серыми клиновидными элементами), расположенная между нейтронным генератором и детекторами гамма-излучения, предотвращающая прохождение нейтронов от нейтронного генератора напрямую к детекторам гамма-излучения и ограничивающая поток меченых нейтронов n вышеуказанным общим направлением от тритиевой мишени к анализируемому веществу на конвейере.

[0029] Как показано на фиг. 3, в одном конкретном варианте воплощения устройство по изобретению содержит шкаф электроники 4 и нейтронный модуль 1, смонтированный в пыленепроницаемом корпусе и устанавливаемый на конвейере, а в конкретном варианте ниже конвейера. Точнее, в данном конкретном варианте нейтронный модуль 1 устройства по изобретению установлен на раме и содержит биологическую защиту нейтронного модуля, обеспечивающую безопасную работу людей (персонала) в ходе работы устройства. При этом желательно соблюдение расстояния между человеком и устройством по изобретению в работающем состоянии не менее нескольких метров, например, не менее 4 метров, предпочтительно не менее 5 метров, а наиболее предпочтительно не менее 10 метров. В одном конкретном варианте исполнения устройства по изобретению гамма-детекторы 3 расположены в четыре взаимно параллельных ряда по шесть штук в каждом ряду, всего 4×6=24 штуки, по два смежных друг с другом и находящихся друг над другом ряда гамма-детекторов симметрично справа и слева от нейтронного генератора 2, при этом гамма-детекторы 3 расположены лежащими в вертикальной плоскости и наклоненными под острым углом к горизонтальной плоскости, причем правая и левая пары рядов гамма-детекторов 3 находятся на одинаковом расстоянии от нейтронного генератора 2 и в одинаковом положении относительно него, а гамма-детекторы 3 в верхнем ряду каждой пары рядов находятся на одинаковом расстоянии от гамма-детекторов 3 в нижнем ряду этой же пары рядов (с одинаковым межрядным интервалом в поперечном рядам направлении), и гамма-детекторы 3 в каждом ряду находятся на одинаковом расстоянии друг от друга (с одинаковым междетекторным интервалом в продольном направлении вдоль ряда), как показано на фиг. 3, причем эти четыре взаимно параллельных ряда гамма-детекторов 3 были при эксплуатации устройства по изобретению расположены в целом параллельно движущемуся ленточному конвейеру 6 с находящимся на нем анализируемым веществом, как показано на фиг. 4. Вместе с тем, в других вариантах исполнения устройства по изобретению может быть использовано другое число и/или иное расположение гамма-детекторов относительно нейтронного генератора 2, относительно друг друга и относительно конвейера, 6 например, расположение гамма-детекторов 3 с центральной симметрией по периметру вокруг нейтронного генератора 2.

[0030] Устройство по изобретению может быть реализовано в стационарном варианте исполнения, в котором нейтронный модуль 1 установлен неподвижно и стационарно, или в подвижном варианте исполнения, например, в котором нейтронный модуль 1 может быть установлен на раме и может быть выполнен с возможностью перемещения в желательное положение относительно конвейера 6 в ходе установки и настройки устройства по изобретению перед его эксплуатацией, как схематично показано в конкретном примере на фиг. 4, где нейтронный модуль 1 устройства по изобретению установлен непосредственно под ленточным конвейером 6, выполненным с возможностью транспортировки находящегося на нем сыпучего вещества, а точнее под несущим сыпучее вещество верхним полотном конвейерной ленты и над порожним нижним полотном конвейерной ленты (т.е. расположен между двумя этими движущимися в противоположных направлениях полотнами), а шкаф электроники 4 и пульт управления 5 установлены отдельно (например, удаленно или рядом с нейтронным модулем).

[0031] В настоящем изобретении под термином «конвейер» понимается транспортная установка, служащая для перемещения твердых или жидких веществ. Данное определение термина «конвейер» охватывает как транспортер для перемещения твердых или жидких грузов, например, сыпучих, кусковых, штучных или других грузов, так и трубопровод для перемещения жидких грузов. Кроме того, следует отметить, что сам конвейер не входит в состав устройства по изобретению и в принципе может быть конвейером любого типа, таким как, например, ленточный, желобчатый, пластинчатый, скребковый, винтовой, шнековый, роликовый, тележечный, подвесной, вибрационный, инерционный и другие конвейеры.

[0032] В дополнение, следует отметить, что устройство по изобретению не ограничено показанными на фиг. 2, 3 и 4 вариантами исполнения, в которых нейтронный генератор 2 и гамма-детекторы 3 объединены в один общий нейтронный модуль 1, при этом нейтронный генератор 2 расположен под движущимся на конвейере 6 веществом, а гамма-детекторы 3 расположены по бокам от движущегося на конвейере 6 вещества, причем гамма-детекторы 3 расположены в виде двух блоков, по одному блоку гамма-детекторов с каждой боковой стороны (справа и слева) от движущегося на конвейере 6 вещества. В других вариантах исполнения (не показаны на фигурах) нейтронный генератор 2 и гамма-детекторы 3 могут быть расположены над движущимся на конвейере 6 веществом, причем либо в общем нейтронном модуле 1, либо отдельно. В прочих вариантах исполнения (не показаны на фигурах) нейтронный генератор 2 может быть расположен под движущимся на конвейере 6 веществом, а гамма-детекторы 3 могут быть расположены над движущимся на конвейере 6 веществом, или же, наоборот, нейтронный генератор 2 может быть расположен над движущимся на конвейере 6 веществом, а гамма-детекторы 3 могут быть расположены под движущимся на конвейере 6 веществом.

[0033] В показанных вариантах исполнения устройства по изобретению гамма-детекторы 3 были термостатированы. При этом в одних вариантах исполнения устройства по изобретению все гамма-детекторы 3 могут быть заключены в одном общем термостате, или в других вариантах каждый гамма-детектор 3 может быть заключен в своем отдельном термостате, или же группы гамма-детекторов 3 могут были заключены в разных термостатах, например в том случае, когда группы гамма-детекторов 3 расположены по отдельности в разных местоположениях относительно конвейера. Термостат гамма-детекторов 3 выполнен с возможностью поддерживать при работе постоянную температуру гамма-детекторов 3 с желательной точностью, в частности, с точностью, выбранной в диапазоне от 1°С до 0,01°С, например, с точностью ±1°С, или ±0,5°С, или ±0,1°С, или ±0,05°С, или ±0,04°С, или ±0,03°С, или ±0,02°С, или ±0,01°С, для обеспечения стабильности показаний гамма-детекторов 3. Как указано выше, в одном предпочтительном варианте исполнения гамма-детекторы 3 выполнены на основе больших неорганических сцинтилляционных кристаллов германата висмута (BGO). Световыход кристалла BGO существенно зависит от температуры (≈1,2%/°С), поэтому для достижения высокого энергетического разрешения детектора гамма-излучения необходимо поддерживать стабильную температуру кристалла BGO. С этой целью в наиболее предпочтительном варианте исполнения устройства по изобретению гамма-детекторы помещены в термостат с точностью поддержания температуры ±0,05°С для стабилизации световыхода кристаллов BGO и, соответственно, обеспечения стабильной работы и стабильного выходного сигнала гамма-детекторов.

[0034] Кроме того, в других вариантах исполнения устройства по изобретению нейтронный генератор 2 может быть заключен в одном термостате, а гамма-детекторы 3 могут быть заключены в другом термостате, для раздельного обеспечения стабильной работы нейтронного генератора 2 и стабильности показаний встроенного в него альфа-детектора и стабильной работы и стабильности показаний гамма-детекторов 3, например, эти два термостата могут термостатировать нейтронный генератор 2 и гамма-детекторы 3 с разной точностью, обычно меньшей для нейтронного генератора 2 по сравнению с гамма-детекторами 3. Более того, в еще одном варианте исполнения устройства по изобретению весь корпус нейтронного модуля 1 может представлять собой или включать в себя термостат, в котором заключены нейтронный генератор 2 и гамма-детекторы 3 и который выполнен с возможностью при работе поддерживать их температуру постоянной, например, с желательной точностью, для обеспечения стабильной работы и стабильности показаний термостатированных таким образом нейтронного генератора 2 и гамма-детекторов 3.

[0035] В одном предпочтительном варианте исполнения устройства по изобретению нейтронный генератор 2 предназначен для работы при температуре окружающей среды не ниже +5°С. В этом варианте для обеспечения стабильной работы нейтронный генератор 2 устанавливается в отдельный термостат, в котором поддерживается температура выше +5°С.

[0036] Работа устройства по изобретению в реальных производственных условиях чаще всего означает его функционирование в условиях сильной запыленности и повышенной влажности. Это налагает существенные требования на влаго- и пылезащищенность устройства по изобретению. В частности, термостат(ы) гамма-детекторов 3 и/или нейтронный генератор 2 устройства по изобретению могут быть выполнены с высокой степенью защищенности, например, не ниже IP 65 согласно ГОСТ 14254-2015 «Степени защиты, обеспечиваемые оболочками (Код IP)». В том случае, когда нейтронный генератор содержит блок управления, блок нейтронной трубки и систему замены блока нейтронной трубки, соблюдение этих требований к влаго- и пылезащищенности особенно важно для системы замены блока нейтронной трубки. В таком случае система замены блока нейтронной трубки должна быть выполнена с возможностью обеспечения водо- и пыленепроницаемости нейтронного генератора после замены блока нейтронной трубки.

[0037] Для контроля за состоянием и работой своих систем устройство по изобретению имеет систему телеметрии, контролирующую состояние и работу систем устройства и передающую эти данные интерфейсу оператора.

[0038] Способ работы устройства по изобретению в предпочтительных вариантах его воплощения может содержать одну или более из следующих конкретных операций.

[0039] Непосредственно перед включением устройства по изобретению следует подать напряжение на нейтронный модуль, включить персональный компьютер (ПК), установленный на АРМ оператора 5 и являющийся частью системы анализа данных в одном варианте ее исполнения, и дождаться его полной загрузки. При этом автоматически откроется рабочий стол с программой управления нейтронным модулем 1.

[0040] Затем с помощью этой программы управления производят включение устройства по изобретению и после этого осуществляют управление включенным устройством по изобретению (например, с участием или без участия оператора) в соответствии с выбранным режимом работы.

[0041] В ходе движения конвейера устройство по изобретению непрерывно или прерывисто, например, периодически (согласно командам оператора или управляющим инструкциям, введенным в программу управления) осуществляет процесс измерения движущегося на конвейере вещества, при котором нейтронный генератор 2 испускает быстрые нейтроны, облучая ими движущееся на конвейере вещество, при этом альфа-детектор, встроенный в нейтронный генератор 2, производит мечение этих быстрых нейтронов, регистрируя испущенные одновременно с ними альфа-частицы, а гамма-детекторы 3 регистрируют характеристическое гамма-излучение, исходящее из движущегося на конвейере вещества.

[0042] В режиме on-line всю информацию, полученную из нейтронного модуля, а точнее, от встроенного в нейтронный генератор альфа-детектора и от гамма-детекторов, подают в шкаф электроники 4, являющийся частью системы анализа данных, с целью приема, сбора и обработки этих данных и предварительного отбора событий, зарегистрированных упомянутыми альфа- и гамма-детекторами. При этом с очень высокой точностью (такой как менее 1 наносекунды (нс), например, менее 0,1 нс или менее 0,01 нс) определяют время, истекшее с момента регистрации альфа-частиц альфа-детектором нейтронного генератора до момента регистрации гамма-излучения в каждом из гамма-детекторов. После набора требуемой статистики событий, зарегистрированных альфа-детектором и гамма-детекторами, и предварительного анализа этих событий, информацию о предварительно проанализированных событиях (например, предварительно отобранных, в частности предварительно отфильтрованных событиях) подают из шкафа электроники 4 через интерфейс и/или кабель на пульт управления 5, например, АРМ с персональным компьютером. Компьютерная программа, установленная в пульте управления (персональном компьютере), производит амплитудный и временной анализ событий, предварительно проанализированных (отобранных) шкафом электроники, с целью получения данных о концентрации химических элементов в анализируемом веществе.

[0043] Кроме того, в различных вариантах воплощения настоящего изобретения могут быть использованы следующие признаки и достигнуты следующие преимущества.

[0044] Для определения элементного состава движущегося на конвейере вещества устройство по изобретению использует метод меченых нейтронов, предполагающий анализ гамма-излучения только во временном окне альфа-гамма (α-γ) совпадений, соответствующем сигналу от анализируемого вещества. На фиг. 5, где приведено временное распределение сигналов прихода гамма-квантов в одном конкретном примере применения устройства по изобретению для анализа элементного состава движущейся на конвейере агломерационной шихты, временной спектр случайных совпадений (фона) представлен двумя пологими плечами, четко видимыми слева и справа от сильного основного пика, соответствующего сигналу от анализируемого вещества. При этом одна область временного спектра случайных совпадений показана двумя вертикальными штриховыми линиями возле точки -25 нс и обозначена цифрой 1, а временное окно альфа-гамма совпадений показано двумя вертикальными штриховыми линиями возле точки 0 не и обозначено цифрой 2. Использование для анализа вещества при каждом измерении только части событий из временного спектра альфа-гамма совпадений, т.е. гамма-квантов, попадающих в обозначенное цифрой 2 временное окно альфа-гамма совпадений приводит к существенному подавлению фона. Вместе с тем, для энергетической калибровки гамма-детекторов может быть использован также и временной спектр случайных совпадений, причем энергетическая калибровка проводится по опорным пикам, выбранным как из временного спектра случайных совпадений, например, из области фона, обозначенной цифрой 1, так и временного окна альфа-гамма совпадений, например, из обозначенной цифрой 2 области сигнала. Таким образом, для энергетической калибровки гамма-детекторов целесообразно использовать другую возможность метода меченых нейтронов, а именно, возможность брать для калибровки одни параметры пиков из области фона, например той, которая на фиг. 5 обозначена цифрой 1, а другие - из области сигнала, обозначенной цифрой 2. Соответствующие энергетические распределения гамма-квантов в одном конкретном примере применения устройства по изобретению для анализа элементного состава движущейся на конвейере агломерационной шихты показаны на фиг. 6 и 7. Например, в области фона всегда есть пики с энергиями 847 и 1238 кэВ от железа (Fe), которого много в материале устройства по изобретению, и пики с энергией 2223 кэВ от захвата нейтронов на водороде (Н), который имеется в биологической защите устройства по изобретению. Для области фона вид спектра определяется, в основном, материалом устройства и биологической защиты. Поэтому стабильность положения этих пиков очень высока. В области сигнала можно использовать для калибровки пики углерода (С) с энергией 4438 кэВ и кислорода (О) с энергией 6130 кэВ. Отметим, что в области сигнала тоже есть пики железа (Fe), однако они находятся на «подложке» (континууме), вид которой(го) меняется в зависимости от содержащей железную руду агломерационной шихты, проходящей на конвейере через устройство по изобретению.

[0045] Настоящее изобретение также включает в себя способ предварительной настройки и градуировки устройства по изобретению, включающий следующие стадии:

(а) измеряют энергетические спектры химических элементов, концентрации которых предполагается определять в веществе, при облучении быстрыми мечеными нейтронами устройством по изобретению с целью экспериментального определения парциальных сечений образования гамма-квантов с набором определенных энергий для каждого отдельного химического элемента;

(б) описывают энергетический спектр гамма-квантов, полученный в результате облучения вещества быстрыми мечеными нейтронами устройством по изобретению, в виде функционала, представляющего собой сумму четырех слагаемых:

- функции, описывающей набор химических элементов, входящих в состав вещества, и соответствующих им спектров отдельных гамма-линий;

- функции, описывающей континуум гамма-спектра;

- функции, описывающей фоновый спектр событий, зарегистрированных детекторами гамма-излучения; и

- функции, учитывающей поглощение гамма-квантов в материале конвейера;

(в) параметризуют энергетическую зависимость отклика детекторов гамма-излучения в соответствии с результатами моделирования методом Монте-Карло;

(г) учитывают континуум в непрерывном спектре гамма-квантов от отдельного химического элемента как разность между измеренным экспериментальным спектром и суммой вкладов от спектров дискретных линий;

(д) учитывают энергетический спектр материала несущего рабочего органа конвейера для улучшения точности определения концентраций химических элементов.

[0046] Во время выделения целевого спектра для анализа из-за конечного временного разрешения в него неизбежно попадают события от взаимодействий нейтронов с материалом несущего рабочего элемента конвейера, в рассматриваемом конкретном примере - конвейерной ленты. Так как вклад в целевой спектр от материала конвейерной ленты постоянен, а вклад в целевой спектр от анализируемого вещества зависит от его количества на конвейерной ленте, то появляется зависимость результатов анализа от загрузки ленты анализируемым веществом. Также конвейерная лента может содержать химические элементы, не входящие в анализируемый набор элементов вещества, что дополнительно искажает результаты анализа. Поэтому для более точного определения элементного состава анализируемого вещества на конвейере устройством по изобретению был разработан метод учета материала конвейерной ленты, заключающийся в измерении пустой ленты по определенной методике в ходе предварительной настройки и градуировки устройства по изобретению. А именно, проводится последовательное измерение пробы вещества, пустой ленты, затем снова пробы вещества. Измеряемая проба вещества подбирается такой, чтобы по своим размерам и составу максимально точно имитировать ожидаемое распределение вещества на конвейерной ленте. После этого фиксируется экспозиция (суммарный поток нейтронов) для измерения ленты. По первому и второму измерению пробы вещества рассчитываются и фиксируются положения временных пиков k_i и m_i во временном спектре, которые соответствуют положению пробы. Из двух найденных наборов временных нулей формируют набор временных нулей, являющихся средним n_i(k_i-m_i)/2. После этого из измерения пустой ленты с помощью набора n_i получают вклад от ленты во временной области, соответствующей положению анализируемого вещества. При выделении спектра анализируемого вещества перед его анализом из него вычитают полученный спектр ленты, а также производят нормировку на экспозицию. Данная процедура убирает зависимость элементного состава анализируемого вещества от загрузки конвейерной ленты, а также исключает необходимость знать точный элементный состав конвейерной ленты для его учета в конечном результате анализа.

[0047] Поскольку меченые нейтроны с энергией примерно 14 МэВ относятся к категории быстрых нейтронов, они имеют малое сечение взаимодействия с веществом, что приводит к тому, что они практически не наводят радиоактивность в проанализированном веществе. Это делает устройство и способ по изобретению безопасными как для персонала, обслуживающего устройство по изобретению, например, оператора, так и для людей, работающих впоследствии любым образом с проанализированным веществом.

[0048] В предпочтительном варианте воплощения устройство по изобретению дополнительно содержит пульт управления с предустановленным программным обеспечением (ПО) и интерфейсом оператора, выполненным с возможностью отображать изменение концентраций интересующих химических элементов по мере движения вещества на конвейере в режиме реального времени.

[0049] В другом предпочтительном варианте воплощения устройство по изобретению может дополнительно содержать систему электропитания или систему беспроводной передачи данных, или же комбинацию системы электропитания и системы беспроводной передачи данных, причем система электропитания и система беспроводной передачи данных могут быть отдельными или встроенными в блок электроники или в пульт управления, при этом система электропитания снабжает электропитанием нейтронный модуль и/или пульт управления, а система беспроводной передачи данных может быть предназначена для постоянной или периодической передачи полученных данных измерений вещества по беспроводной связи на внешнее оборудование, такое как, например, удаленный компьютер или сервер.

[0050] В еще одном предпочтительном варианте воплощения изобретения обработка полученных данных измерений вещества методом меченых нейтронов для определения концентрации химических элементов или элементного состава вещества может быть осуществлена так, как описано в вышеуказанном патенте № RU 2685047 С1.

[0051] Далее будут приведены некоторые экспериментальные результаты, подтверждающие осуществимость и практическую значимость изобретения с достижением указанных технических результатов.

Экспериментальная часть

[0052] Далее обсуждаются результаты проведенных экспериментальных исследований и практических испытаний устройства по изобретению (далее сокращенно называемого анализатором).

1. Метод меченых нейтронов

[0053] Метод меченых нейтронов (ММН) дает уникальную возможность прямого определения концентрации легких элементов, в частности, углерода и кислорода. Благодаря знанию концентрации кислорода возможно определять концентрации элементов в веществе любой влажности.

[0054] В качестве источника нейтронов в ММН используется нейтронный генератор, который дает поток нейтронов с фиксированной энергией в 14,1 МэВ и с интенсивностью потока до 10⁸ н/с. Это выгодно отличает технологию ММН от анализаторов с радиоактивными изотопами. Интенсивность нейтронного потока таких источников нейтронов с радиоактивными изотопами неизбежно уменьшается во времени, энергетический спектр нейтронов сильно размыт, более 20% нейтронов имеют энергии менее 400 кэВ, максимальная энергия нейтронов не превосходит 8 МэВ, полная интенсивность нейтронного потока находится на уровне 2×10⁷ н/с.

[0055] В то же время, нейтронный генератор в анализаторе по изобретению дает постоянный поток нейтронов с высокой интенсивностью и четко фиксированной энергией 14,1 МэВ. Это обеспечивает непревзойденную аналитическую стабильность анализатора с таким нейтронным генератором.

[0056] Нейтронный генератор разрабатывался ФГУП ВНИИА имени Н.Л. Духова (г. Москва), который занимает лидирующие позиции в мире по изготовлению нейтронных генераторов для ММН. Нейтронный генератор производства ФГУП ВНИИА имени Н.Л. Духова был установлен на марсоходе Curiosity и успешно проработал на поверхности Марса в течение 6 лет.

[0057] Перед началом работы анализатора по изобретению осуществляли предложенный в изобретении способ предварительной настройки и градуировки такого устройства.

[0058] В ходе работы устройства-анализатора по изобретению обработку снятых спектров проводили по методике, которая была подробно изложена в вышеуказанном патенте № RU 2685047 С1.

[0059] Гамма-спектр анализируемого вещества раскладывали на отдельные составляющие путем подгонки его суммой опорных гамма-спектров от 9 химических элементов, которые были измерены предварительно. В частности, определялись массовые концентрации следующих химических элементов: Al, С, Са, Fe, Mg, Na, О, Р, Si. При сравнении с данными химического анализа массовые концентрации химических элементов были пересчитаны в концентрации оксидов Al₂O₃, СО₂, CaO, Fe₂O₃, MgO, Na₂O, Р₂О₅, SiO₂.

2. Оборудование и методы работы

[0060] Экспериментальные и практические работы проводили с использованием поточного конвейерного анализатора трех моделей: АГП-К-1 (для агломерационной шихты), АГП-К-2 (для фосфатной руды) и АГП-К-3 (для угля). Схематическое изображение анализатора до и после его установки на конвейере показано соответственно на фиг. 3 и 4.

[0061] Нейтронный модуль 1 анализатора всех трех моделей содержал расположенные внутри корпуса портативный нейтронный генератор 2 модели ИНГ-27 производства ФГУП ВНИИА имени Н.Л. Духова со встроенным 9-пиксельным альфа-детектором, множество гамма-детекторов 3, выполненных на основе сцинтилляционных кристаллов германата висмута (BGO), нейтронную защиту гамма-детекторов и внутренний блок управляющей электроники, при этом нейтронная защита расположена между нейтронным генератором 2 и гамма-детекторами 3 внутри корпуса нейтронного модуля и защищает гамма-детекторы от потока нейтронов из нейтронного генератора. Гамма-детекторы 3 расположены симметрично относительно нейтронного генератора, при этом показанный на фиг. 3 и 4 шкаф электроники 4 содержал систему анализа данных, предназначенную для сбора, обработки и анализа данных, получаемых от встроенного альфа-детектора и от гамма-детекторов, и систему электропитания, предназначенную для обеспечения электропитания всего оборудования, содержащегося в нейтронном модуле 1 или во всем анализаторе.

[0062] В ходе работы анализатора портативный нейтронный генератор ИНГ-27 излучает нейтроны с энергией 14,1 МэВ, т.е. пучок быстрых меченых нейтронов, через специальное окно в корпусе нейтронного модуля вверх сквозь ленту ленточного конвейера к движущемуся на конвейере анализируемому веществу, показанному на фиг. 4. Штатная интенсивность I нейтронного пучка из нейтронного генератора ИНГ-27 составляет 5×10⁷ н/с. Встроенный 9-пиксельный кремниевый альфа-детектор представлял собой матрицу 3×3 с размерами пикселя 10 мм ×10 мм.

[0063] Для регистрации у-квантов, возникающих при облучении вещества пучком быстрых меченых нейтронов, использовались гамма-детекторы на основе кристаллов BGO диаметром 76 мм и толщиной 65 мм. Такие гамма-детекторы имеют оптимальное соотношение по стоимости и качеству характеристик и хорошо зарекомендовали себя при использовании в других установках ММН. Энергетическое разрешение всей системы гамма-детекторов составило Г_Е=(4,42±0,14) % на линии 4,44 МэВ. Временное разрешение системы (α-γ)-совпадений, усредненное по всей совокупности гамма-детекторов, составило Г_t=4,82±0,12 нс.

3. Результаты измерений

3.1. Измерения спектров основных химических элементов на анализаторе

[0064] Для получения характеристических гамма-спектров основных химических элементов были использованы реактивы соответствующих оксидов Al₂O₃, СаО, Fe₂O₃, MgO, Na₂CO₃, Р₂О₅, SiO₂, а также пластина углерода и вода, с чистотой не ниже «ч.», массой 2,5 кг. Каждый реактив измеряли в режиме 3×30 мин. На фигурах 8-16 показаны полученные на анализаторе энергетические спектры гамма-квантов характеристического излучения для каждого из этих реактивов, а именно:

Фиг. 8 - для пластины углерода (С),

Фиг. 9 - для оксида алюминия (Al₂O₃),

Фиг. 10 - для оксида кальция (СаО),

Фиг. 11 - для оксида железа (Fe₂O₃),

Фиг. 12 - для воды (Н₂О),

Фиг. 13 - для оксида магния (MgO),

Фиг. 14 - для карбоната натрия (Na₂CO₃),

Фиг. 15 - для пентаоксида фосфора (Р₂О₅),

Фиг. 16 - для диоксида кремния (SiO₂).

3.2. Измерения тестовых образцов на анализаторе

[0065] Помимо измерений вышеуказанных веществ были выполнены измерения тестовых образцов с известным химическим составом, в качестве которых выступили сахар и образец №12 агломерационной шихты. Целью этих измерений была проверка правильности работы анализатора и системы сбора, обработки и анализа данных, включая компьютерную программу обработки данных. Каждый образец измеряли 30 минут, при интенсивности нейтронного потока 2,5×10⁷ н/с. Энергетические спектры гамма-квантов с разложением на вклады от химических элементов показаны на фиг. 17 (сахар) и фиг. 18 (образец №12 агломерационной шихты).

3.3. Поточное определение элементного состава агломерационной шихты

[0066] Применяли поточный конвейерный анализатор АГП-К-1, предназначенный для определения элементного состава предназначенной для производства железа агломерационной шихты на конвейере методом меченых нейтронов в режиме реального времени, без пробоотбора.

[0067] Принцип действия анализатора

• Облучение анализируемого вещества на конвейере потоком быстрых меченых нейтронов и регистрация гамма-квантов от реакций неупругого рассеяния нейтронов на ядрах атомов анализируемого вещества.

• Источником быстрых нейтронов служит портативный нейтронный генератор, а гамма-кванты регистрируются гамма-детекторами на основе сцинтилляционного кристалла BGO.

• Мечение нейтронов осуществляется регистрацией α-частиц (ядер ⁴Не), образующихся в вышеуказанной бинарной ядерной реакции (1).

• Регистрация гамма-излучения в совпадениях с сигналом от α-частиц позволяет в 200 раз уменьшить влияние фона.

[0068] Технические характеристики анализатора

• Источник нейтронов: портативный нейтронный генератор ИНГ-27 со встроенным 9-пиксельным альфа-детектором

• Энергия нейтронов: примерно 14 МэВ

• Интенсивность нейтронного потока: 5×10⁷ н/с

• Количество пучков меченых нейтронов: 9

• Система регистрации гамма-излучения: 14 гамма-детекторов на основе кристалла BGO

• Габаритные размеры нейтронного модуля (Д×Ш×В): 1255×2046×1295 мм

• Масса нейтронного модуля: 2900 кг

• Требования к электропитанию: переменное напряжение 220 В

• Потребляемая мощность: не более 3000 В-А.

[0069] Особенности применения анализатора

• Анализатор выдает данные об элементном составе агломерационной шихты на конвейере каждые 60-90 секунд.

• Анализ потока вещества производится на всю глубину слоя агломерационной шихты на конвейере вплоть до 300 мм.

• Допустимая массовая доля воды в агломерационной шихте составляет до 20%.

• Отсутствие контакта анализатора с анализируемым веществом и лентой конвейера.

• Минимальное расстояние между полотнами (ветвями) ленты: 1090 мм.

[0070] Исполнение анализатора

В состав конвейерного анализатора АГП-К-1 входит нейтронный модуль с биологической защитой и гамма-детекторами и шкаф электроники (производство: Россия, г. Дубна Московской области, ООО «Диамант», http://diamant-sk.ru).

[0071] Экспериментальные погрешности измерения

Δ=|X_XA-Х_АГП|,

где Х_ХА - значение содержания компонента, полученное с помощью контрольного химического анализа,

Х_АГП - значение содержания компонента, полученное с помощью анализатора АГП.

[0072] Интерфейс оператора

• Интерфейс оператора показывает тренды изменения измеренных концентраций СаО, SiO₂, MgO, Al₂O₃, Fе_общ, С и основности агломерационной шихты. Основность - один из важных показателей качества агломерата, она определяется отношением содержания основных оксидов (Са, Fe, Mn, Mg и др.) к содержанию кислотных оксидов (Si, Al, Р), чаще всего рассчитывается просто как отношение CaO/SiO₂ или, иногда, как отношение (CaO+MgO)/(SiO₂+Al₂O₃).

• Данные на интерфейсе оператора появляются (обновляются) каждые 60-90 секунд, причем пользователь (оператор) также может задать необходимое время усреднения, например 5, 10, 15, 30 минут и т.п., для выдачи усредненных данных.

• На фиг. 16 приведен реальный график изменения рассчитанной по измеренным концентрациям основности агломерационной шихты со временем (в промежутке с примерно 10 часов 00 минут по примерно 14 часов 30 минут), полученный при натурных испытаниях поточного конвейерного анализатора АГП-К-1 в ходе определения элементного состава движущейся на конвейере агломерационной шихты в режиме реального времени.

3.4. Поточное определение элементного состава фосфатной руды

[0073] Применяли конвейерный анализатор АГП-К-2, предназначенный для определения элементного состава фосфатной руды на конвейере методом меченых нейтронов в режиме реального времени, без пробоотбора.

[0074] Принцип действия анализатора

• Облучение анализируемого вещества на конвейере потоком быстрых меченых нейтронов и регистрация гамма-квантов от реакций неупругого рассеяния нейтронов на ядрах атомов анализируемого вещества.

• Источником быстрых нейтронов служит портативный нейтронный генератор, а гамма-кванты регистрируются гамма-детекторами на основе сцинтилляционного кристалла BGO.

• Мечение нейтронов осуществляется регистрацией α-частиц (ядер ⁴Не), образующихся в вышеуказанной бинарной ядерной реакции (1).

• Регистрация гамма-излучения в совпадениях с сигналом от α-частиц позволяет в 200 раз уменьшить влияние фона.

[0075] Технические характеристики анализатора

• Источник нейтронов: портативный нейтронный генератор ИНГ-27 со встроенным 9-пиксельным альфа-детектором

• Энергия нейтронов: примерно 14 МэВ

• Интенсивность нейтронного потока: 5×10⁷ н/с

• Количество пучков меченых нейтронов: 9

• Система регистрации гамма-излучения: 14 гамма-детекторов на основе кристалла BGO

• Габаритные размеры нейтронного модуля (Д×Ш×В): 1255×2046×1295 мм

• Масса нейтронного модуля: 2900 кг

• Требования к электропитанию: переменное напряжение, 220 В

• Потребляемая мощность: не более 1500 В-А.

[0076] Особенности применения анализатора

• Анализатор предоставляет данные об элементном составе фосфатной руды на конвейере каждые 40-60 секунд.

• Анализ потока вещества производится на всю глубину слоя фосфатной руды до 300 мм.

• Допустимая массовая доля воды в фосфатной руде составляет до 20%.

• Отсутствие контакта с анализируемым веществом и лентой конвейера.

• Диапазон измерения массовой концентрации Р₂О₅ составляет 2-38%.

• Определяются содержания Р, Si, Mg, Fe, Al, Ca, С, О, Ti, Na, K и соответствующих оксидов.

• Минимальное расстояние между полотнами (ветвями) ленты: 1090 мм.

[0077] Исполнение анализатора

В состав конвейерного анализатора АГП-К-2 входит нейтронный модуль с биологической защитой и блоком гамма-детекторов и шкаф электроники (производство: Россия, г. Дубна Московской области, ООО «Диамант», http://diamant-sk.ru).

[0078] Экспериментальные погрешности измерения анализатора

• Погрешность измерения массовой концентрации Р₂О₅ (повторяемость) - абсолютное стандартное квадратичное отклонение, 0,25%.

• Погрешность измерения массовой концентрации Р₂О₅ (сходимость с результатами контрольного химического анализа) - относительное стандартное квадратичное отклонение, менее 5%.

[0079] Интерфейс оператора

• Интерфейс оператора показывает тренды изменения массовых концентраций Р₂О₅, СаО, SiO₂, MgO, Al₂O₃, Fе_общ, С.

• Данные на интерфейсе оператора появляются (обновляются) каждые 40-60 секунд, для выдачи усредненных данных пользователь также может задать необходимое время усреднения, например, 5 мин, 10 мин, 15 мин, 30 мин, 1 час, 2 часа, 4 часа, одна рабочая смена, одни сутки и т.п.

• На фиг. 17 приведены реальные графики изменения концентраций пентаоксида фосфора (Р₂О₅), оксида алюминия (Al₂O₃), оксида кальция (СаО) и диоксида кремния (SiO₂) со временем (с примерно 19 часов 30 минут по примерно 24 часа 00 минут 05 октября 2021 г.), полученные при натурных испытаниях конвейерного анализатора АГП-К-2 в ходе определения элементного состава движущейся на конвейере фосфатной руды в режиме реального времени.

3.5. Поточное определение элементного состава угля

[0080] Применяли конвейерный анализатор АГП-К-3, предназначенный для определения элементного состава угля на конвейере методом меченых нейтронов в режиме реального времени, без пробоотбора.

[0081] Принцип действия анализатора

• Облучение анализируемого вещества на конвейере потоком быстрых меченых нейтронов и регистрация гамма-квантов от реакций неупругого рассеяния нейтронов на ядрах атомов анализируемого вещества.

• Источником быстрых нейтронов служит портативный нейтронный генератор, а гамма-кванты регистрируются гамма-детекторами на основе сцинтилляционного кристалла BGO.

• Мечение нейтронов осуществляется регистрацией α-частиц (ядер ⁴Не), образующихся в вышеуказанной бинарной ядерной реакции (1).

• Регистрация гамма-излучения в совпадениях с сигналом от α-частиц позволяет в 200 раз уменьшить влияние фона.

[0082] Технические характеристики анализатора

• Источник нейтронов: портативный нейтронный генератор ИНГ-27 со встроенным 9-пиксельным альфа-детектором

• Энергия нейтронов: примерно 14 МэВ

• Интенсивность нейтронного потока: 5×10⁷ н/с

• Количество пучков меченых нейтронов: 9

• Система регистрации гамма-излучения: 14 гамма-детекторов на основе кристалла BGO

• Габаритные размеры нейтронного модуля (Д×Ш×В): 1255×2046×1295 мм

• Масса нейтронного модуля: 2900 кг

• Требования к электропитанию: переменное напряжение, 220 В

• Потребляемая мощность: не более 1500 В⋅А.

[0083] Особенности применения анализатора

• Анализатор предоставляет данные об элементном составе угля на конвейере каждые 40-60 секунд.

• Прямое определение массовой концентрации углерода, а также зольности, влажности и удельной теплоты сгорания угля.

• Определяются содержания Р, Si, Mg, Fe, Al, Ca, С, О, Ti, Na, K и соответствующих оксидов.

• Диапазон измерения массовой концентрации углерода составляет 0,5-99%.

• Анализ потока вещества производится на всю глубину слоя угля до 300 мм.

• Допустимая влажность угля составляет до 20% по массе.

• Отсутствие контакта с анализируемым веществом и лентой конвейера.

• Конвейерный анализатор размещается между рабочей и холостой ветвями ленты конвейера.

• Минимальное расстояние между ветвями ленты: 1090 мм.

[0084] Исполнение анализатора

В состав конвейерного анализатора АГП-К-3 входит нейтронный модуль с биологической защитой и блоком гамма-детекторов и шкаф электроники (производство: Россия, г. Дубна Московской области, ООО «Диамант», http://diamant-sk.ru).

[0085] Экспериментальные погрешности измерения анализатора

где:

σ_r - абсолютное стандартное квадратичное отклонение,

σ_rотн - относительное стандартное квадратичное отклонение,

σ_rотн=σ_r/А, где А - среднее значение переменной в диапазоне содержаний.

[0086] Интерфейс оператора

• Интерфейс оператора показывает тренды изменения массовых элементных концентраций углерода, алюминия и кремния, зольности, влажности и удельной теплоты сгорания.

• Данные на интерфейсе оператора появляются (обновляются) каждые 40-60 секунд, для выдачи усредненных данных пользователь также может задать необходимое время усреднения, например, 5 мин, 10 мин, 15 мин, 30 мин, 1 час, 2 часа, 4 часа, одна рабочая смена, одни сутки и т.п.

3.6. Выводы

[0087] Проведены апробация и натурные испытания трех моделей конвейерного анализатора «АГП-К» для определения концентрации различных химических элементов в агломерационной шихте, фосфатной руде и угле в режиме реального времени. Полученные в ходе испытаний результаты показали возможность и практическую применимость измерения концентрации различных химических элементов в указанных видах сырья методом меченых нейтронов в режиме реального времени.

[0088] Таким образом, устройство и способ по изобретению для определения концентраций химических элементов в движущемся на конвейере веществе методом меченых нейтронов в режиме реального времени были успешно опробованы в промышленной практике на примере разных видов сырья. Однако сфера применения устройства и способа по изобретению не ограничена только вышеуказанными конкретными видами сырья и распространяется на самые разнообразные вещества (исходные материалы, продукты, отходы и т.п.), как подробно изложено выше, при этом сравнение полученных методом ММН результатов определения элементного состава вещества с контрольными результатами по данным химического анализа показывает, что эти результаты находятся в хорошем согласии с учетом статистических погрешностей.

[0089] Предшествующее описание было приведено в виде различных вариантов воплощения настоящего изобретения или исполнения устройства по изобретению. При этом следует понимать, что в такие варианты специалистом в данной области техники могут быть внесены многочисленные и самые разные модификации и изменения без отклонения от сущности настоящего изобретения, которая определяется исключительно прилагаемой формулой изобретения.

[0090] Так, например, конструктивный элемент устройства или этап способа, упомянутый здесь в единственном числе, следует понимать как не исключающий возможности наличия множественных элементов или этапов, если такое исключение не указано в явном виде или не следует из контекста. Кроме того, ссылки на «вариант воплощения» и «вариант исполнения» не должны интерпретироваться как исключающие существование других вариантов, которые также включают в себя сочетания указанных в них признаков. Кроме того, если явно не указано иное, варианты, «включающие в себя», «содержащие» или «имеющие» некий элемент или множество элементов с некими конкретными функцией, свойством или признаком, могут включать в себя дополнительные элементы с другими функцией, свойством или признаком.

[0091] Следует также отметить, что конкретная компоновка конструктивных элементов устройства по изобретению (например, их число, типы, размещение и т.п.) или конкретная последовательность этапов способа в проиллюстрированных вариантах воплощения может быть изменена на другие в различных альтернативных вариантах воплощения. Так, например, в различных вариантах воплощения могут использоваться разные количества конструктивных элементов в нейтронном модуле, может использоваться другой тип или типы конструктивных элементов в нейтронном модуле, в состав нейтронного модуля могут быть добавлены иные конструктивные элементы, или же какой-то конструктивный элемент может быть исключен из состава нейтронного модуля.

[0092] Следует четко понимать, что вышеприведенное описание предназначено для иллюстрации настоящего изобретения, а не для ограничения объема его охраны. Например, вышеописанные варианты воплощения и/или их признаки могут использоваться в любой комбинации друг с другом. В дополнение к этому, могут быть проделаны многочисленные модификации для адаптации одного конкретного варианта воплощения к различным другим вариантам воплощения без отступления от объема охраны изобретения. Размеры, типы, ориентации, число и положения различных описанных здесь конструктивных элементов предназначены характеризовать параметры считающихся предпочтительными в настоящее время вариантов исполнения и являются ни в коем случае не ограничивающими, а просто примерными вариантами. После рассмотрения вышеприведенного описания специалисту в данной области техники станут очевидными многочисленные другие варианты и модификации изобретения в рамках сущности и объема правовой охраны изобретения. Следовательно, объем правовой охраны определяется лишь приложенной формулой изобретения, наряду с полным объемом эквивалентов, на которые эта формула изобретения дает право.

[0093] В настоящем описании и формуле изобретения термины «включающий», «включающий в себя», «содержащий», «имеющий», «снабженный» и другие их грамматические формы не предназначены для истолкования в исключительном смысле, а, напротив, используются в неисключительном смысле (т.е. в смысле «имеющий в своем составе»). В качестве исчерпывающего перечня следует рассматривать только выражения типа «состоящий из».

Использование: для определения концентраций химических элементов в движущемся на конвейере твердом или жидком веществе. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для определения концентраций химических элементов в движущемся на конвейере твердом или жидком веществе методом меченых нейтронов в режиме реального времени содержит нейтронный генератор, предназначенный для генерации потока меченых нейтронов, при этом в нейтронный генератор встроен альфа-детектор; детекторы гамма-излучения, предназначенные для регистрации характеристического гамма-излучения, возникающего при облучении движущегося на конвейере вещества потоком меченых нейтронов; систему анализа данных, предназначенную для сбора и анализа данных, получаемых от альфа-детектора и детекторов гамма-излучения; биологическую защиту, обеспечивающую безопасную работу персонала; систему термостатирования детекторов гамма-излучения, выполненную водо- и пыленепроницаемой, причем система термостатирования детекторов гамма-излучения выполнена с возможностью поддерживать при работе постоянную температуру детекторов гамма-излучения с точностью в диапазоне от 1 до 0,01°C; и систему телеметрии для контроля работы устройства для определения концентраций химических элементов в движущемся на конвейере твердом или жидком веществе методом меченых нейтронов в режиме реального времени. Технический результат: повышение точности определения концентраций химических элементов. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 20 ил., 2 табл.

1. Устройство для определения концентраций химических элементов в движущемся на конвейере твердом или жидком веществе методом меченых нейтронов в режиме реального времени, содержащее:

(a) нейтронный генератор, предназначенный для генерации потока меченых нейтронов, при этом в нейтронный генератор встроен альфа-детектор;

(б) детекторы гамма-излучения, предназначенные для регистрации характеристического гамма-излучения, возникающего при облучении движущегося на конвейере вещества потоком меченых нейтронов;

(в) систему анализа данных, предназначенную для сбора и анализа данных, получаемых от альфа-детектора и детекторов гамма-излучения;

(г) биологическую защиту, обеспечивающую безопасную работу персонала;

(д) систему термостатирования детекторов гамма-излучения, выполненную водо- и пыленепроницаемой, причем система термостатирования детекторов гамма-излучения выполнена с возможностью поддерживать при работе постоянную температуру детекторов гамма-излучения с точностью в диапазоне от 1 до 0,01°C; и

(е) систему телеметрии для контроля работы устройства для определения концентраций химических элементов в движущемся на конвейере твердом или жидком веществе методом меченых нейтронов в режиме реального времени.

2. Устройство по п. 1, в котором нейтронный генератор расположен под движущимся на конвейере веществом, а детекторы гамма-излучения расположены над движущимся на конвейере веществом.

3. Устройство по п. 1, в котором нейтронный генератор расположен над движущимся на конвейере веществом, а детекторы гамма-излучения расположены под движущимся на конвейере веществом.

4. Устройство по п. 1, в котором нейтронный генератор и детекторы гамма-излучения расположены под движущимся на конвейере веществом.

5. Устройство по п. 1, в котором нейтронный генератор и детекторы гамма-излучения расположены над движущимся на конвейере веществом.

6. Устройство по п. 1, в котором нейтронный генератор расположен под движущимся на конвейере веществом, а детекторы гамма-излучения расположены по бокам от движущегося на конвейере вещества.

7. Устройство по п. 6, в котором детекторы гамма-излучения расположены в виде двух блоков, по одному блоку детекторов гамма-излучения с каждой боковой стороны от движущегося на конвейере вещества.

8. Устройство по любому из пп. 1-7, в котором детекторы гамма-излучения расположены симметрично относительно нейтронного генератора.

9. Устройство по любому из пп. 1-8, в котором нейтронный генератор предназначен для генерации потока меченых нейтронов при ускорении дейтронов и взаимодействии их с тритиевой мишенью за счет осуществления следующей бинарной ядерной реакции:

d + t → + n,

где d – дейтрон, t – тритон, – альфа-частица, n – нейтрон.

10. Устройство по любому из пп. 1-9, в котором нейтронный генератор содержит блок управления, блок нейтронной трубки и систему замены блока нейтронной трубки, выполненную с возможностью обеспечения водо- и пыленепроницаемости нейтронного генератора после замены блока нейтронной трубки.

11. Устройство по любому из пп. 1-10, в котором система анализа данных размещена в отдельном шкафу и содержит блок электроники для сбора и анализа данных и электропитания нейтронного генератора и детекторов гамма-излучения.

12. Устройство по любому из пп. 1-11, дополнительно содержащее пульт управления с предустановленным программным обеспечением (ПО) и интерфейсом оператора, предпочтительно выполненным с возможностью отображать изменение концентраций химических элементов в режиме реального времени.

13. Устройство по любому из пп. 1-12, дополнительно содержащее систему защиты нейтронного генератора и детекторов гамма-излучения от фрагментов из движущегося на конвейере вещества.

14. Устройство по любому из пп. 1-13, дополнительно содержащее систему термостатирования нейтронного генератора.

15. Устройство по п. 14, причем система термостатирования нейтронного генератора выполнена водо- и пыленепроницаемой, а предпочтительно выполнена со степенью защищенности не ниже IP65.

16. Устройство по любому из пп. 1-15, причем система термостатирования детекторов гамма-излучения выполнена со степенью защищенности не ниже IP65.

17. Устройство по любому из пп. 1-16, причем система термостатирования детекторов гамма-излучения выполнена с возможностью поддерживать при работе постоянную температуру детекторов гамма-излучения с точностью ±0,05°C.

18. Устройство по любому из пп. 1-17, причем детекторы гамма-излучения расположены в два или четыре ряда слева и справа от конвейера, расположенных параллельно движущемуся на конвейере веществу.

19. Устройство по любому из пп. 1-18, причем вещество представляет собой или содержит сырье, например минеральное сырье, такое как уголь, руда или агломерационная шихта, или вещество представляет собой или содержит продукт производства, например минеральный продукт, такой как рудный концентрат, цемент или гранулы, или вещество представляет собой или содержит отходы производства, например минеральные отходы, такие как хвосты, золы, шлаки, шламы или стоки.

20. Способ определения концентраций химических элементов в движущемся на конвейере твердом или жидком веществе методом меченых нейтронов в режиме реального времени с использованием устройства по любому из пп. 1-19, включающий следующие этапы:

(a) облучение движущегося на конвейере вещества потоком меченых нейтронов из нейтронного генератора;

(б) регистрация спектра характеристического гамма-излучения, возникающего при облучении упомянутого вещества на этапе (а) потоком быстрых меченых нейтронов, детекторами гамма-излучения;

(в) анализ спектра характеристического гамма-излучения, зарегистрированного от упомянутого вещества на этапе (б), и определение концентраций отдельных химических элементов в упомянутом веществе.