Модель твердого топлива для градуировки радиоизотопного золомера Советский патент 1991 года по МПК G01N23/22 

где /OH - насыпная плотность твердого топлива;

/Maj, ,MSJ массовые коэффициенты поглощения и рассеяния j-ro элемента твердого топлива;

m - количество элементов в твердом топливе;

Kj - содержание (по массе) J-ro элемента в твердом топливе,

выполнены отверстия диаметром D, определяемым из соотношения

D 2Чрс-(1 -Ad)pH /7rpc, где А - зольность твердого топлива;

рс - плотность графитовых пластин, при этом внутри отверстий размещены трубки из алюминия, в которые введены стержни из железа, размеры их выбраны из условия равенства сумм массовых коэффициентов как поглощения, так и рассеяния алюминия и железа соответствующим коэффициентам золы натурального топлива со средним химическим составом, причем толщина модели твердого топлива равна 5-7 длинам пробега гамма-квантов при работе золомера с насыщенным слоем (высота слоя больше высоты слоя насыщения), а при работе с ненасыщенным слоем диапазон толщин моделей твердого топлива равен диапазону реального изменения толщины слоя материала при измерении.

Зола натурального твердого топлива имеет сложный химический состав. Основными составляющими зольного остатка в твердом топливе любого месторождения являются окислы алюминия А120з (в среднем около 35% в золе), кремния Si02 (около 35%), кальция СаО (около 10%) и железа FeaOa (около 20%). Значения массовых коэффициентов поглощения отличаются примерно в 5 раз. Таким образом, замена всех золообразующих элементов алюминием приводит к значительному расхождению ядерно-физических характеристик модели твердого топлива и реального, что в результате приводит к погрешности градуировки радиоизотопных золомеров.

Кроме того, для градуировки радиоизотопных золомеров необходимо, чтобы модель твердого топлива воспроизводила значение насыпной плотности натурально го топлива, которая меняется в пределах 0,8-1,2 г/см3. 8 то же время плотность спрессованного графита составляет 1,6-1,8 г/см3, алюминия - 2,7 г/см3.

Установление (аттестация) характеристик модели твердого топлива из натурального материала связано с накоплением значительных погрешностей, например погрешностей стандартного метода, отбора

проб, за счет неопределенности матрицы золообразующих элементов в приготовленной стандартной модели твердого топлива из натурального материала.

Кроме того, модели твердого топлива из

натурального материала окисляются, могут поглощать влагу и т.д., вследствие чего меняется химический состав и его зольность со временем.

Под воздействием вибрации, перепада температур, переупаковки и других факторов насыпная плотность образцов из натурального топлива может меняться со временем. Градуировка радиоизотопного

золомера по модели топлива, обладающей переменными характеристиками во времени, приводит к накоплению систематической погрешности, величину которой определить невозможно.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Так как зольный остаток в предлагаемой модели твердого топлива имитируется алюминием и железом,то по определению

Ad тд| + + тд| + тре, (1)

где тре, тд| - масса железа и алюминия в образце,

масса зольного остатка в образце mAd равна: mAd rrtAk + mpe,(2)

а масса углерода в образце тс равна;

тс (гпА1 + тре)

1 -А

(3)

Для адекватности ядерно-физических характеристик эталонного образца характеристикам натурального твердого топлива необходимо выполнение условий;

(аг вАе Кде аРеКре

/U5Ј-fW

SAt KAe

|U5FeK

Fe

(4) (5)

где //ag./Msj; - массовые коэффициенты поглощения и рассеяния для золы твердого топлива;

(aAi, - массовые коэффициенты

поглощения и рассеяния алюминия;

Ц аРе, ft sFe - массовые коэффициенты поглощения и рассеяния железа;

KAI, Кре - массовые доли алюминия и железа в золе.

Полные массовые коэффициенты взаимодействия для многокомпонентного вещества, каким и является зола твердого топлива, можно представить выражениями:

(6)

(7)

psa- LjUeiKj

где m - количество элементов, входящих в состав золы твердого топлива;

jMaj- //sj - массовые коэффициенты поглощения и рассеяния гамма-квантов для J-ro элемента;

KJ - массовая доля j-ro элемента золы.

Массовые доли Kj элементов золы определяются из среднего состава золы твердого топлива.

С учетом уравнения (2), (6), (7) и того, что массы углерода в натуральном твердом топливе и эталонном образце равны, получают

Отсюда

V Pei K j ( тдг tn

((WoFemFe(«aAelriAe

mtn

Р9и -Ро1 гРаН%:.

paFeZLfUsjKj-IUsFe lS1

(8

(9

т.е. при заданном соотношении масс железа и алюминия в эталонном образце обеспе- чиваетсяадекватностьего

ядерно-физических характеристик характеристикам твердого топлива.

Так как для градуировки радиоизотопных золомеров необходимо, чтобы модель твердого топлива воспроизводила значения насыпной плотности твердого топлива, для снижения насыпной плотности спрессованного графита в последнем равномерно по всему объему выполняются отверстия с шагом L.

Величину шага L выбирают из условия, чтобы длина пробега у гамма-кванта укла- дывалась не менее, чем в трех ячейках модели твердого топлива, т.е.

m

IT 3L или L 1 Јtoa) ) Kj (10)

где РН - насыпная плотность твердого топлива,

fi ao, /«so - массовые коэффициенты поглощения и рассеяния для углерода;

Ко - массовая доля углерода в твердом топливе.

Диаметр D отверстий определяют из условия равенства масс углерода элементарных ячеек модели и твердого топлива

L HpcH/9C L2H/9CH,

где Н - толщина модели твердого топлива и пробы натурального материала;

рс - плотность графитовых пластин;

рсн - кажущаяся плотность углерода в натуральном твердом топливе.

С учетом того, что

рсн р -/9Ad у(1-Аа),

10

)

15

20

где /9Ad, /ЭнА - кажущаяся плотность зольного остатка в натуральном материале, получают из (11)

D 2L 4PC -(1 Ad)pH У31 рс (13)

Выбор размеров полых стержней из алюминия и стержней из железа производят следующим образом.

Общая масса графитовых пластин тс, полых стержней из алюминия гпА1 и стержней из железа тре соответствует соотношениям (3) и (9).

Массу полого стержня из алюминия для одной ячейки определяют из выражения

ШЯА| Л(Я2А1-ГА|).(14)

где RAI, гд| - внешний и внутренний радиус трубки;

/OAI плотность алюминия;

I - длина трубки (ширина модели твердого топлива).

При внешнем радиусе трубки RAI, равном радиусу отверстия D/2,

5

0

5

Г тяА JT(-J-- гд|) I/OAI

(15)

одной

М

Масса стержня из железа для ячейки определяется по формуле

пАе /9ре,(16)

где гре - радиус стержня;

/9ре - плотность железа.

Согласно выражению (10) соотношения масс железа и алюминия из сечений поглощения и рассеяния для алюминия контролируемого материала я

уп

Fe

™Ае

m

m

F9

А2

Q((Ua,Ms). (17)

Масса графита для одной ячейки определяется из выражения

40

(L2-)lpc ,(18)

45

50

55

где L - шаг отверстий диаметром D;

рс - плотность графита.

Подставляя выражения (18), (15), и (12) в формулу (3) и выражения (15) и (16) в формулу (17), получают систему уравнений

ff.l D | J -fD1 ,

H1- ) глг)р, Wr,,(ig)

}r,prf .(D /4 r .lQffti,, (U,)

Решение системы уравнений (19) позволяет определить внутренний радиус трубок из алюминия гд| и радиус железных стержней гре в случае, когда внешний радиус трубок из алюминия совпадает с радиусом отверстий в графитовых пластинах. Если радиусы не совпадают, то подставляя в правую часть первого уравнения системы (19) вместо D /4 фиксированное значение внешнего радиуса R AI, определяют необходимые величины (гд| и гре) Формулы для

определения радиусов не зависят от длины стержней (ширина модели) и количеств ячеек (т.е. длины и ширины модели).

Толщина образца определяется условиями измерения, т.е. при работе с насыщенным слоем (высота слоя материала больше высоты слоя насыщения) толщина модели должна быть равна не менее 5-7 длинам пробега гамма-квантов, а при работе с ненасыщенными слоями диапазон толщин моде- ли должен совпадать с диапазоном реального измерения толщины слоя материала при измерении.

При градуировке радиоизотопного золомера модель устанавливают в рабочую зону золомера и облучают потоком гамма-квантов, которые рассеиваются элементами модели твердого топлива, причем ядерно-физические характеристики и насыпная плотность модели стабильны во времени и адекватны характеристикам натурального твердого топлива определенного химического состава. Следовательно, плотность потока рассеянных моделью гамма-квантов, регистрируемая золомером, соответствует плотности потока гамма-квантов, рассеянных натуральным твердым топливом, определенной зольности, что и необходимо при градуировке прибора. Расположение модели твердого топлива относительно оси источник -детектор не влияет на результат измерения.

Для доказательства того, что модель удовлетворяет этому условию, были проведены экспериментальные исследования модели с шагом 0,9 см, диаметром отверстий 0,66 см, воспроизводящей значение зольности 19,6%.

В качестве датчика применяли опытный образец золомера твердого топлива ПРЗ- 7605, в котором облучение исследуемого ма- териала осуществляли потоком гамма-излучения от Am241 и регистрировали потоки однократно рассеянного Ф1 и многократно рассеянного fc излучений. Модель устанавливали под датчиком так, чтобы расстояние от оси источник - детектор до оси отверстий в графите (или оси стержней из алюминия) принимало различные значения.

Результаты измерений приведены в таблице.

По результатам исследований можно сделать выводы, что случайные отклонения потоков однократного и многократного рассеяний не превышают статистической §ошибки в различных положениях модели от- носительно датчика.

Результаты промышленной апробации описанной модели твердого топлива, полученные после проведения градуировки зо- ломеров ПРЗ-7605 и сопоставления

результатов измерения зольности угольного концентрата замерами и стандартными методами, подтвердили соответствие ядерно-физических характеристик и насыпной плотности модели топлива пробам натурального материала и высокую стабильность данных характеристик во времени.

Соответствие ядерно-физических характеристик и насыпной .плотности модели топлива аналогичным характеристикам

твердого топлива, их стабильность во времени, в свою очередь, обеспечивают точность и стабильность показаний радиоизотопных золомеров.

Повышение точности радиоизотопных

золомеров позволяет повысить качество твердого топлива и производительность отсадочных машин углеобогатительных фабрик.

Форму л а изобретения

Модель твердого топлива для градуировки радиоизотопного золомера, состоящая из контейнера и помещенного в него образца топлива с известным значением насыпной плотности и зольности, отличающ а я с я тем. что, с целью обеспечения стабильности значений характеристик образца, образец выполнен в виде по крайней мере одной пластины прессованного графита, в которой равномерно с шагом L, выбираемым из условия/

,

L

зр„2 (|uflj juei) KJ

где - насыпная плотность топлива: aj, sp массовые коэффициенты поглощения и рассеяния j-ro элемента топлива; m - количество элементов в топливе; Kj - среднее содержание j-ro элемента в топливе;

выполнены отверстия диаметром D. определяемым из соотношения

3) 2Ь

Pc-(-Ad)PH

Рс

где -рс - плотность графита; А - зольность топлива, при этом внутри отверстий размещены трубки из алюминия, внутри которых помещены стержни из железа, внешние диаметры трубок и диаметры стержней выбраны из условия обеспечения равенства сумм массовых коэффициентов поглощения и рассеяния алюминия и железа соответствующим коэффициентам поглощения и рассеяния

золы натурального топлива со средним химическим составом, причем толщина графита выбрана из условия равенства 5-7 длинам пробега гамма-квантов при работе золомера с насыщенным слоем и в диапазоне реального опробования материала по толщине при работе золомера с насыщенным слоем.

Изобретение относится к радиоизотопной технике, в частности к исследованию или анализу материалов радиационными методами, например, с помощью гамма-излучения, конкретнее к получению по подготовке образцов для исследования и градуировки радиоизотопных золомеров твердого топлива, основанных на регистрации рассеянного излучения. Цель - обеспечение стабильности значений характеристик образца топлива. Модель твердого топлива состоит из контейнера с материалом с известными значениями насыпной плотности ρ_н и зольности A^D. Материал модели выполнен в виде пластины или пластин прессованного графита плотностью ρ_C, в котором равномерно с шагом L, выбираемым из условия, приведенного в описании, выполнены отверстия диаметром D, определяемым из соотношения, приведенного в описании. Внутрь отверстий введены трубки из алюминия, в которые введены стержни из железа, а размеры их выбраны из условия равенства сумм массовых коэффициентов как поглощения, так и рассеяния алюминия и железа соответствующим коэффициентам золы натурального топлива со средним химическим составом, причем толщина модели твердого топлива равна 5 - 7 длинам пробега гамма-квантов при работе золомера с насыщенным слоем, а при работе с ненасыщенным слоем диапазон толщин моделей твердого топлива равен диапазону реального измерения толщины слоя материала при измерении. 1 табл.