Способ градуировки для рентгенорадиометрического анализа Советский патент 1991 года по МПК G01N23/22 

Изобретения относится к ядерной геофизике, в частности к рентгенорадиометри- ческим методам анализа веществ сложного химического состава, например различного рода пульп, зольных углей и т.п., состоящих из однокомпонентной мешающей фазы и двухкомпонентной исследуемой фазы, в которой и требуется определить содержание анализируемого элемента.

Известен способ градуировки для рент- геноспектрального анализа, включающий облучение градуировочных проб рентгеновским излучением, измерение потоков квантов характеристического рентгеновского излучения анализируемого элемента и рассеянного излучения и определение уравнений связи. Сущность способа заключается в учете влияния плотности среды по интенсивности рассеянного излучения с использованием уравнений множественной регрессии.

Недостатком данного способа является ограниченный диапазон измеряемых концентраций анализируемого .элемента, к тому же данный способ предусматривает только учет влияния вариаций содержания твердой фазы, а для непосредственного определения значений плотности среды требуются специальные измерения.

Наиболее близким к предлагаемому является способ градуировки для рентгенора- диометрического анализа, включающий облучение градуировочных проб гамма-из: лучением источника, измерение потоков квантов характеристического рентгеновского излучения анализируемого элемента и

VI

О

го

hO О С

рассеянного излучения и построение - раду- ировочной зависимости отношения интенсивности характеристического излучения к интенсивности рассеянного излучения от концентрации анализируемого элемента.

Недостаток указанного способа заключается в ограниченном диапазоне измеряе- мых концентраций анализируемого элемента, поэтому он используется, как правило только для научных исследований и практически непригоден для массового экспрессного контроля среде большими вариациями содержания твердой фазы и концентрации анализируемого элемента, а также требует дополнительных измерений плотности среды.

Цель изобретения - повышение информативности анализа путем совмещения опе- раций определения концентрации анализируемого элемента и плотности вещества.

Поставленная цель достигается тем, что в способе градуировки для рентгенорадио- метрического анализа, включающем облучениеградуировочныхпробгамма-излучением источника, измерение потоков квантов характеристического рентгеновского излучения анализируемого элемента и рассеянного излучения v. построение градуировочной зависимости, измеряют потоки квантов характеристического и суммарного прошедшего через пробу и когерентно рассеянного на пробе первичного излучения на сериях градуировочных проб с различными концентрациями анализируемого элемента и плотностями, перекрывающими весь диапазон изменения состава вещества, по результатам изме- рений строят два семейства градуировочных зависимостей потоков квантов характеристического и суммарного прошедшего через пробу и когерентно рассеянного на пробе излучения от плотности вещества при фиксированных значениях концентрации анализируемого элемента.

На фиг.1 представлены графики градуировочных зависимостей при анализе пульпы на вольфрам в выбранных ограниченных диапазонах измереямых параметров; на фиг.2 - схема устройства для реализации предлагаемого способа; на фиг.З - аппаратурный спектр проб пульпы с различным содержанием анализируемого элемента первого детектора; на фиг.4 - то же, второго детектора.

Сущность способа заключается в одновременном определении двух параметров: плотности вещества и концентрации анализируемого элемента. Предлагаемый способ не требует специальных измерений плотности, величина ее и влияние вариаций плотности на значение концентрации анализируемого элемента автоматически учитываются градуировочными зависимостямм, построенными предварительно по градуировочным пробам, выбираемым таким образом, чтобы охватить весь диапазон возможных изменений плотности среды и концентрации анализируемого элемента,

0 возникающих в ходе непрерывного технологического процесса.

Градуировочные зависимости представлены в виде двух семейств аналитических графиков NX fi(c,p ) и Np f2(c,p ),

5 где Nx-поток квантов характеристического рентгеновского излучения анализируемого элемента; Np - поток квантов суммарного прошедшего через пробу и когерентно рассеянного на пробе излучения; р - плотность

0 вещества; с - концентрация анализируемого элемента.

Каждое семейство графиков строится по нескольким сериям градуировочных проб. Отдельные серии отличаются между

5 собой значениями концентрации анализируемого элемента, т.е. каждая кривая в семействе строится по градуировочным пробам с одной и той же концентрацией анализируемого элемента и с разными зна0 чениями плотности (соотношения исследуемой и мешающей фаз).

Возьмем точку с координатами i, j на графике NX fi(c,/o ).

Координата i соответствует определен6 ной плотности р, а координата j -определенной концентрации q. Участок кривой между точками с координатами I, j и 1+1, j, апроксимируется прямой линией. То же делается для точек I.J+1 иН-1,+1. Между этими

0 апроксимирующими прямыми строится семейство п прямых с концентрациями,расположенными равномерно между С) и cj+i с

CJ + 1 С

интервалом

п

. Это семейство пря11

5 мых апроксимирует зависимость потока квантов характеристического излучения от плотности для концентраций, расположенных в интервале Cj и CJ-H. Перебирая все I и j, получаем семейство непрерывных лома0 иых линий, апроксимирующих зависимость Ых(р ) во всем диапазоне возможных концентраций. Аналогично поступаем с графиком Np h(c,p).

Способ осуществляют следующим об5 разом.

У исследуемой пробы измеряют поток квантов NX характеристического излучения анализируемого элемента и поток квантов Np суммарного прошедшего через пробу и

когерентно рассеянного на пробе гамма-излучения, причем время измерения задают постоянным потоком квантов характеристического излучения реперного элемента. С помощью первого семейства кривых NX f i(c, p) для каждой ломаной линии с определенной концентрацией находят, при какой плотности р 1 она принимает измеренное значение Nx. Аналогично с помощью второго семейства Np f2(c, p ) по измеренному Np находятр2. Таким образом, для различных концентраций получают наборы р ти /02, определенных по двум семействам градуировочных зависимостей. Из условия минимума значения Ыаходят искомую концентрацию анализируемого элемента, а плотность вещества будет равна среднему междур1ир2- Путем увеличения количества апроксимирующих ломаных линий можно увеличить точность определения измеряемых параметров.

Второй метод определения параметров с и риз градуировочных зависимостей заключается в решении системы уравнений, апроксимирующих зависимости NX fi(c,p) и Np f2(c,p). По параметру р достаточной является аппроксимация степенным рядом с квадратичным членом по Дрдля каждой концентрации си

NX(CI) «о (ct) + «1 (ci) Ар + «2 (ci) Ар2 ;

Np(C|) 0o (Cl) + 01 (Ci) Др+ fa (Cl) Ap2 , (1)

здесь Ар -р - po , гдер0- минимальная плотность. Параметр Ар изменяется в малых пределах (от 0 до 0,5) и это определяет достаточность аппроксимации (1), Для полученных зависимостей Оо (с), «1 (с), «2 (с), 0о (с), 01 (с)„ 02 (с) по параметру с достаточной является аппроксимация степенным рядом четвертой степени по с:

«о (с) «оо + «ot С + «о2 С2 + «оЗ С3 +

«о4

«1 (с) «ю + «и с + «12 c2+ ai3 c3+ aw с4;

«2 (С) «20 + «21 С + «22 С2 + «23 С3 + «24 С4;

00(с) Дю + Дл с + Д)2 с + 0оз с3 + 004 с4;

01(с) 0ю + 011 с + 012 с + 013 с3 + 014 с4;

02(С) 020 + 021 С + 022 С2 + 023 С3 + 0Z4 С4.

(2)

Определение коэффициентов аз и 0ij (30 коэффициентов) производится на ЭВМ из градуировочных зависимостей и заносится в память микроЭВМ вычислительного блока.

Из (1) имеем

Ы-4 «2(«o-Nx)1/2+ $-402()t/2 0,(3)

т.е. уравнение (3) не зависит от параметра

РОпределение параметра с производится из уравнения (3) с учетом (2) по алгоритму с использованием метода последовательных приближений. В дальнейшем по любой 5 из зависимостей (1) с учетом коэффициентов (2) по найденному значению с определяем параметр р,

Потоки гамма-квантов характеристического и суммарного прошедшего через про- 0 бу и когерентно рассеянного излучения зависят как от состава и плотности вещества, так и от активности источника излучения, С течением времени она падает и в результат измерения концентрации и плотности,

5 определяемый по градуировочным зависимостям, снятым при другой активности источника, будет вноситься ошибка. Чтобы устранить влияние активности источника на резупьтаты анализа, время измерения пото0 ков квантов характеристического рентгеновского излучения анализируемого элемента и суммарного прошедшего через пробу и когерентно рассеянного гамма-излучения исследуемой и градуировочных проб задают

5 постоянным потоком квантов характеристического излучения реперного элемента. Величину потока выбирают такой, чтобы обеспечить заданную статистическую погрешность измерения. С течением времени,

0 когда активность источника уменьшается, то же количество квантов характеристического излучения реперного элемента будет набираться за большее время и, следовательно, увеличится время измерения в выбранных

5 энергетических диапазонах исследуемой пробы.

Пример. Предлагаемый способ рент- генорадиометрического анализа рассмотрим на примере определения вольфрама во фло0 тационной пульпе с содержанием основных элементов Л/Оз 1,5%, Мо - 0,08%, Bi - 0,02% и содержанием твердого - 25-50%.

Измерения могут проводиться как непосредственно на пульпопроводе при малых по5 токах пульпы, так и на отводах от пульпопровода при больших потоках. В пульпопровод или отвод врезается проточная измерительная кювета 1 из материала, слабо поглощающего излучения в области энергий,

0 превышающих К-линию анализируемых элеметов, и слабо подвергающегося износу при

прохождении пульпы, например фторопласта.

Измерения проводят с источником Со и

двумя сцинтилляционными детекторами .

5 Nal(TI), устанавливаемыми в плоскости, перпендикулярной потоку пульпы. Источник 2 излучения в контейнере коллиматора устанавливают на одной оси с первым тектором 3, регистрирующим суммарное прошедшее через пробу и когерентно рассеянное излучение. Второй детектор 4 располагается под углом В к источнику излучения близким к 90°, точная величина которого определяется экспериментально при настройке прибора, исходя из наилучшего разрешения пиков характеристического излучения анализируемых элементов, особенно в области малых концентраций (порядка долей процента) и малых значений плотности пульпы. После настройки детекторы и источник излучения закрепляются жестко и положение их не меняется при градуировке и работе устройства. Между источником излучения и вторым детектором устанавливают реперный элемент 5, например слово.

Из аппаратурных спектров видно, что самый высокоэнергетический пик в спектре первого детектора (фиг.З), связанный с фотонами, рассеянными в среде под углом 1 8 0Q к источнику излучения, лежит в диапазоне энергии источника (120 кЭв), второй пик в спектре второго детектора (фиг.4) - это характеристическое излучение Ка- линии вольфрама. Интенсивности обоих пиков зависят как от концентрации вольфрама, так и от плотности пульпы (градуировочные зависимости на фиг. 1). Первый пик на фиг.4-это характеристическое излучение репарного элемента (слово). Интенсивность этого пика не зависит от состава и плотности исследуемой пульпы и определяется массой репер- ного элемента и его геометрическим положением.

Третий высокоэнергетический пик детектора возникает вследствие некогерент- иого рассеивания (NH) и не используется в измерениях. Это связано с возникновением неопределенности в определении параметров с л р при концентрациях вольфрама порядка 2,5% (в этом случае в диапазоне плотностей 1,3-1,6 г/см3 для третьего пика

1Л 1-0) dp -0)

В энергетическом спектре выделяются три энергетических диапазона - суммарное прошедшее через пробу и когерентно рассеянное излучение на I датчике, характеристические линии вольфрама и реперного элемента на 2 датчике, соответствующие трем каналам многоканального спектрометра. Области регистрации характеристического рентгеновского и рассеянного излучения соответствуют максим мам их амплитудного распределения в аппаоатур- ных спектрах.

При градуировке прибора берутся градуировочные пробы с различными концентрациями и различными плотностями. Для каждого образца ведется подсчет количества импульсов в первом и втором выбранных энергетических диапазонах, время измерения задается постоянным потоком квантов характеристического излучения реперного элемента. В результате градуировки получаем наборы данных количества импульсов в 1 и 2 каналах для различных плотностей и

0 концентраций пульпы. Эти наборы в виде двумерных массивов записываются в память блока 6 управления на основе ЭВМ,

Измерения на пробах пульпы проводятся подсчетом количества импульсов в 1 и 2

5 каналах спектрометра до тех пор, пока количество импульсов в 3 канале от реперного элемента не достигнет заданной величины, например 0,75 10 импульсов. Измеренные величины, например Nx 0,89 10 импуль0 сов и Np 1,675-106 импульсов вводятся в ЭВМ, где по описанному алгоритму определяется плотность р 1,3 г/см и концентрация вольфрама С 1.7%.

Предлагаемый способ позволяет прово5 дить анализ одновременно нескольких элементов, которые имеют хорошо разрешимые в спектрах пики характеристического излучения, нагример Мо - W, W - Си и др.

0 Преимущество предлагаемого способа по сравнению с прототипом заключается в обеспечении возможности определять как концентрацию полезного компонента непосредственно по взвешенной твердой

5 фракции среды при произвольных.колебаниях ее относительного весового содержания, так и плотность среды без дополнительной аппаратуры в той же кювете, что приводит к повышению эффективно0 сти управлениянепрерывным

технологическим процессом, например флотации минералов.

Формула изобретения 5Способ градуировки для рентгенорадиометрического анализа, включающий облучение градуировочных проб гамма-излучением источника, регистрацию потоков квантов характеристического излучения анализируемо- 0 го элемента и рассеянного излучения и построение градуировочной зависимости, отличающийся тем, что, с целью повышения информативности анализа путем совмещения операций определения концентрации 5 анализируемого элемента и плотности вещества, измеряют потоки квантов характеристического и суммарного прошедшего через пробу и когерентно рассеянного на пробе первичного излучения на сериях градуировочных проб с различными концентрациями

анализируемого элемента и плотностями,

квантов характеристического и суммарного

Изобретение относится к области исследования вещества при воздействии ионизирующим излучением. Цель изобретения - повышение информативности анализа путем совмещения операций определения концентрации анализируемого элемента и плотности вещества. Градуировочные пробы с различными концентрациями определяемого элемента и плотностями, перекрывающими весь диапазон изменения состава вещества, облучают гамма-излучением источника. Измеряют потоки гамма-квантов характеристического и суммарного прошедшего через пробу и когерентно рассеянного на пробе первичного излучения. По результатам измерений строят два семейства градуировочных зависимостей измеренных потоков квантов от плотности вещества при фиксированных значениях концентрации анализируемого элемента. 4 ил. Ё

перекрывающими весь диапазон измене- прошедшего через пробу и когерентно рас- ния состава вещества, по результатам изме- сеянного на пробе излучения от плотности

рений строят два семейства

вещества при фиксированных значениях

градуировочных зависимостей потоков 5 концентрации анализируемого элемента.

/,

t3 4,3 W ,5 tf

вещества при фиксированных значениях

& /Урп

М

U

w/0 №%«

/м

t

и

af

80

10

МО120

Фиг.З

МО

ЕКэ

Ъ,

с- %

90 Ј Кэб