книги из ГПНТБ / Автоматизация обогатительных фабрик

Рис. 69. Р а д и о и зо то п н ы й а н ал и за тор P A B -J -Г Д

откуда видно, что чувствительность метода тем больше, чем больше разница в 2 , и Zx. Следовательно, метод рассеянного (3-излучения может быть применен для измерения содержания таких Металлов, как вольфрам, висмут, свинец и др.

На основе приведенных расчетов разработан ряд опытно-про­ мышленных приборов, один из которых был испытан на Буурдииской фабрике, обогащающей свинцово-цинковую руду.

Испытания показали, что (3 — (3-метод автоматического измере­ ния содержания свинца в продуктах обогащения приемлем в про­ мышленных условиях. Чувствительность регистрирующего прибора составляет 1,5% абс. или 5—10% отн. при изменении содержания свинца в пробах в пределах 26—48%.

Значительные ошибки измерения возникают вследствие колеба­ ния таких параметров пробы, как гранулометрический состав твер­ дого и влажность. Экспериментальные данные показывают, что с уменьшением размеров зерен руды при неизменном содержании металлов в пробе интенсивность обратнорассеянного (3-излучения увеличивается, что вызывает дополнительную ошибку измерения. При увеличении влажности интенсивность обратного (3-излучения уменьшается, так как уменьшается количество твердого в пробе, а также за счет присутствующего в воде водорода увеличивается коэффициент поглощения [3-частиц как падающих на образец, так и рассеянных от него.

Кроме указанных факторов, влияющих на точность измерения, необходимо учитывать также и состояние поверхности анализируе­ мой пробы.

М е т о д р а с с е я н н о г о у - и з л у ч е н и я . В прикладной ядерной геофизике этот метод называют у — у-методом.

Теория распространения рассеянного у-излучения в горных поро­ дах по сравнению с теорией распространения первичного у-излуче- ния довольно сложна и здесь не рассматривается. Этот метод при­ меняют для определения содержания элементов с большим Z (сви­ нец, ртуть, вольфрам и др.) при использовании мягких у-источников с £ < 0 , 5 МэВ.

В Московском институте стали и сплавов разработано несколько модификаций анализатора вольфрама, две из которых приведены

80

ниже. Они отличаются в основном типами используемых детекто­ ров [44].

Радиоизотопный анализатор РАВ-1-ГД (рис. 69) состоит из кор­ пуса, в котором заключены свинцовый обтюратор 8 с источником у-излучения 9, газоразрядные детекторы 4, предусилитель 1. Детек­ торы и источник излучения защищены свинцовой оболочкой. К ор­ пус 3 установлен на подставку 2. Детекторы и источник излучения разделены свинцовым разделителем так, чтобы прямое излучение не попадало на детекторы. На верхней площадке корпуса, выполнен­ ной из гетинакса толщиной 1 мм, установлена направляющая рама 5. По раме перемещаются две кюветы: одна с контрольной, другая с анализируемой пробами. Корпус закрывается свинцовой крышкой 7, имеющей окно для перемещения кюветы 6 с контролируемой про­ бой в зону измерения. При крайнем правом положении (показано пунктиром) в зоне измерения находится кювета с контрольной пробой. При этом анализатором измеряется известное содержание элемента и производится коррекция по шкале вторичного прибора. При перемещении кюветы с анализируемой пробой в зону измерения кювета с контрольной пробой отводится в крайнее левое положение. Отсчет содержания металла производится по шкале вторичного прибора.

сг

Рис. 70. Принципиальная схема электронного блока анализатора РАВ-1-ГД

6 Заказ 1081

50Г ц

Рис. 71. С хем а а н ал и за тор а Р А В -З -С Д

Предусилитель позволяет разместить датчик на расстоянии до 20 м от электронного блока. Электронный блок (рис. 70), предназ­ наченный для измерения средней частоты импульсов, поступающих с усилителя, содержит нормализатор импульсов на лампе Л6 с инте­ грирующей ячейкой, ламповый вольтметр на лампе Л7, сигнальное устройство и стабилизированный блок питания. В качестве нормали­ затора импульсов используется одновибратор, на вход которого поступают отрицательные импульсы усилителя. Напряжение инте­ грирующей цепи сглаживается фильтром, состоящим из конденса­ тора С9, сопротивления R14, и измеряется ламповым вольтметром на лампе Л7. Ламповый вольтметр представляет собой мост пере­ менного тока, плечи которого составлены сопротивлениями R17, R18, R22 и двумя половинами лампы Л7. В измерительную диаго­ наль моста могут быть включены измерительные приборы и сигнали­ зирующее реле. В приборе предусмотрен выход на вторичный при­ бор ПС, ЭПП или ЭПД (клеммы 1 и 2). Недостаток анализатора РАВ-1-ГД состоит в использовании малоэффективных газоразряд­ ных счетчиков. В связи с этим в анализаторе РАВ-З-СД применен в качестве детектора сцинтилляционный счетчик.

82

Электрическая схема анализатора РАВ-З-СД состоит из блока питания, фотоэлектронного умножителя ФЭУ, измерительной схемы и вторичного прибора типа ЭМД или МСР-1 (рис. 71). Блок пита­ ния, который включается в сеть через феррорезонансиый стабилиза­ тор С-0,09, состоит из силового трансформатора Тр1 со вторичными обмотками для питания высоковольтного выпрямителя, анода и экранной цепи ламп измерительной схемы, питания накала ламп. Принцип работы схемы заключается в следующем.

Рассеянные средой у-кванты падают на сцинтиллятор, кристалл Nal(Tl), и возбуждают фотоны света, которые, попадая на фотокатод, выбивают электроны, усиливаемые затем умножителем. Выделен­ ное на анодной нагрузке R12, R15 и R16 фотоэлектронного умножи­ теля напряжение передается на управляющую сетку Л1 и Л2. Уси­ ленное напряжение с анода Л1 через контактную группу Р пере­ дается на анод левого триода. При увеличении отрицательного напряжения на анодной нагрузке ФЭУ выходной балансный каскад запирается по управляющим сеткам, вызывая изменение напряже­ ния на анодах лампы Л2, что в свою очередь ведет к возникновению разбаланса. Напряжение разбаланса подается на вход электрон­ ного моста.

Схема охвачена-отрицательной обратной связью, стабилизиру­ ющей ток ФЭУ для заданного значения, определяемого содержанием контролируемого элемента.

При анализе шеелитового концентрата погрешность определения содержания W 0 3 составляла 1,5% отн. При анализе руды, содержа­ щей 0,2% W 0 3, ошибка составляет 10—15% отн.

Как показал опыт, при постоянных плотности и химическом составе среды с помощью у — у-метода можно оценивать изменения концентрации в жидкой среде элементов с большими атомными но­ мерами, начиная с 0,2—0,5 г/л в эквивалентах свинца, т. е. с 0,02— 0,05 вес. %.

К недостаткам у — у-метода следует отнести зависимость обратно рассеянного у-излучения от плотности исследуемой среды при посто­ янном содержании определяемого элемента. Можно исключить влия­ ние плотности среды, учитывая ее изменение по интенсивности

Следовательно, измеряя коэффициент фотоэлектрического погло­ щения, также можно определить концентрацию полезных элементов

вруде и продуктах обогащения.

Кнедостаткам метода поглощения у-излучения следует отнести

зависимость поглощения у-квантов не только от содержания опреде­ ляемого элемента, но и от плотности контролируемой среды, а также

. от процентного содержания элементов, составляющих 'примеси. Этот недостаток устранен в анализаторе вольфрама РАВ-4-ПС благодаря удачному подбору источника излучения.

Определение содержания вольфрама производят измерением погло­ щения у-излучения пробой анализируемого материала. Поглощение излучения анализируемой пробой сравнивают с поглощением излу­ чения эталоном и определяют относительное изменение поглоще­ ния, которое соответствует разности концентраций вольфрама в эта­ лонном образце и в анализируемой пробе.

Анализатор состоит из двух стандартных и двух эксперименталь­ ных блоков (рис. 72). Стандартными блоками являются: блок высо­ кого напряжения 9, питающий высоким напряжением пропорцио­ нальный счетчик 4; блок пересчетного устройства 7 ПСТ-100. К экспериментальным блокам относятся: измерительная головка с де­ тектором^ качестве которого использован пропорциональный счетчик СРМ-1 с предварительным усилителем импульсов 5; блок регистра­ ции 6 с блоками питания транзисторных схем 8.

Измерительная головка состоит из пропорционального счетчика 4. Над счетчиком расположена каретка с гнездами, в которые вста­ влены стаканы с анализируемой и эталонной пробами 3. Дно ста­ кана выполнено из тефлоновой пленки, пропускающей К а,(3-излу­ чение железа. Регистрация этого излучения компенсирует эффект поглощения квантов Ти-170 в железе. Над кареткой размещен свинцовый контейнер 2 с источником у-излучения 1, в качестве которого использован Ти-170 с активностью 4 мг-экв радия. Кон­ тейнер 2 имеет коллиматор, который формирует пучок у-лучей, направляя его строго по оси стакана с анализируемой пробой на окно счетчика. Каретка, перемещаясь в горизонтальном направле­ нии, занимает определенное фиксированное положение по отноше­ нию к источнику и детектору.

М е т о д ы в о з б у ж д е н и я в т о р и ч н о г о х а р а к ­ т е р и с т и ч е с к о г о и з л у ч е н и я . Как уже отмечалось выше, при взаимодействии мягкого у- или рентгеновского излучения с веществом главное значение имеет фотоэффект, при котором фо­ тоны, поглощенные веществом, выбивают из внутренних электрон-

84

ных оболочек атомов фотоэлектроны. Возбужденные атомы, воз­ вращаясь в основное состояние, испускают вторичные характери­ стические лучи флуоресценции. Длину волны фотонов характери­ стического излучения определяют по формуле

Для различных серий коэффициент W выхода лучей флуоресцен­ ции, определяемый как отношение числа атомов, испустивших вторичный спектр, к числу атомов, возбужденных первичными лучами, зависит от атомного номера Z. Для наиболее интенсивной А'-серии (до 80%) зависимость W от Z хорошо описывается полуэмпирической формулой

Формула положена в основу определения содержания полезных элементов по рассматриваемому методу.

Интенсивность вторичного характеристического излучения зави­ сит не только от интенсивности возбуждающих лучей, но и от их энергии. Зависимость интенсивности вторичного излучения I от соотношения энергии возбуждающих и вторичных квантов для точечных источника и приемника излучений и при значительной толщине образца может быть выражена формулой

где К — коэффициент, зависящий от интенсивности первичногоизлучения, геометрии измерения жZ\ Ех — энергия возбуждающего излучения; Е 2 — энергия вторичного излучения; ср, ф — углы между направлениями распространения первичного и вторичного излучений и поверхностью образца; Sq — скачок поглощения д-уровня.

Как видно из формулы, для получения максимальной чувстви­ тельности метода необходимо, чтобы энергия первичного излучения источника была как можно ближе к энергии вторичного излучения.

Экспериментальная часть работы по использованию рассматри­ ваемого метода проведена авторами (определение содержания железа в рудах и концентратах) на Магнитогорском металлургическом комбинате.

Наиболее подходящим источником для возбуждения атомов же­ леза был признан излучатель вторичного у-излучения с ^-активным

85.

излучателем тритием (Етах = 19 кэВ), сорбированным цирко­ ниевой фольгой. Спектр возникающего тормозного излучения такого источника имеет пологий максимум в области 7 кэВ.

Проведенные исследования показали, что при измерениях воз­ никают ошибки вследствие изменения состояния поверхности пробы, гранулометрической характеристики, влажности и сопутствующих примесей. Так, интенсивность шероховатой поверхности уменьша­ лась почти на 10% по сравнению с гладкой поверхностью. Интен­ сивность характеристического излучения линейно зависит от про­ центного содержания определяемого элемента в пробе только при определенных условиях. На форму зависимости влияет атомный подтер Z определяемого эледтеита, а также наличие других эледтеитов в смеси.

Метод, основанный на издтерении плотности распределения нейт­ ронов, замедленных в среде, называют н е й т р о н - н е й т р о н -

ны дт м е т о д о м. В связи с тем, что результаты издтерений с подтощыо этого дтетода в значительной степени зависят от содержания водорода и сильнопоглощающих элементов, его применяют для определения влажности пород и содержания в них элементов с большим сечениедт поглощения нейтронов. В СССР впервые этот дтетод был придтенен в 1957 г. В. И. Барановьш и В. К. Христиановым для определения в породах сильнопоглощающих элементов, таких, как бор.

Метод, основанный на издгерении у-излучения радиационного захвата, возникающего в среде под действиедт нейтронов, называют

не й т р о н н ы д ! у - дт е т о д о дт. В СССР впервые этот метод был применен сотрудникадш ГЕОХИ АН СССР в 1958 г. при определе­ нии содержания бора в поверхностных отложениях. Нейтронный у-метод дает воздюжность оценить содержание хлора в этих отложе­ ниях (по у-излучению радиационного захвата). Эта оценка позволяет вводить поправку в данные нейтрон-нейтрониого дтетода и точнее ■определять содержание бора в отложениях.

Метод, основанный на измерении наведенной (3- и у-активности

под действием нейтронов, называют м е т о д о м н а в е д е н н о й а к т и в н о с т и . Он идтеет наибольшие перспективы при издтерении содержания в породах следующих элементов: дтеди, марганца, индия, алюминия, натрия, хлора, кобальта, бродш, серебра, иода, золота и редких зедюль. Присутствие в породе нескольких перечис­ ленных элементов будет приводить к искажению результатов опреде­ ления какого-либо одного эледтента.

Метод, основанный на издтерении плотности распределения фото­ нейтронов, возникающих при облучении руд потоком у-излучения, называют у - н е й т р о н н ы м м е т о д о м . Этот метод придтеняют для измерения содержания бериллия в рудах.

Имеется ряд работ, показывающих принципиальную воздюж­ ность использования наведенной «-частицами искусственной радио­ активности для количественного анализа руд и продуктов обогаще­ ния. В работах показана воздюжность использования для этих целей

■ 86

a-излучения полоыия-210. Методы анализа с помощью а-излучения обладают той особенностью, что определение ведется в весьма незна­ чительном поверхностном слое (до 20 мк). Таким образом, этот метод представляет интерес для изучения поверхностных физико-химиче­ ских явлений, имеющих большое значение в процессе обогащения.

А к т и в а ц и о н н ы й а н а л и з основан на ядерных реак­ циях, которые приводят к возникновению радиоактивных изотопов, под воздействием потока нейтронов. Анализируемую пробу подвер­ гают облучению нейтронами. В результате ядерных реакций ядра атомов определяемого элемента становятся радиоактивными с соот­ ветствующим периодом полураспада. По интенсивности и виду энер­ гии излучения наведенной радиоактивности определяют состав пробы. Промышленностью выпускаются три типа сс-нейтронных источ­ ников: полоний-бериллиевые, радий-бериллиевые и плутоний-берил- лиевые. В смеси, помещенной в латунный цилиндр диаметром 20— 25 мм высотой 20—40 мм, протекает ядерная реакция

2Не4 + 4Ве3 = 6С12 -+- „п1.

Поток нейтронов этих источников составляет 106—3 •107 нейтронов/с_ Основными параметрами нейтронных источников являются выход, энергия и угловое распределение нейтронов.

При ядерной реакции образуются быстрые нейтроны. В то же время в большинстве случаев при активационном анализе требуются медленные нейтроны. Поэтому источники нейтронов окружают замедлителем, в котором быстрые нейтроны в результате столкнове­ ния с ядрами замедляются, превращаясь в медленные или тепловые нейтроны.

При облучении исследуемой пробы наряду с определяемым эле­ ментом могут активироваться другие элементы, находящиеся в пробе. Это мешает количественному анализу. Поэтому для селективного' определения анализируемого элемента используют различные приемы:

1. Различие в периодах полураспада анализируемого элемента и наполнителей. Если периоды полураспада наполнителей значи­ тельно больше, чем периоды полураспада анализируемого элемента,, то измеренная доля активности наполнителей при малом времени активации и счета импульсов будет незначительна по сравнению с активностью определяемого элемента. Наоборот, если период, полураспада мешающих элементов мал, то следует после активации выдерживать пробу некоторое время, соответствующее почти пол­ ному распаду короткоживущих элементов наполнителя, а затем измерять импульсы.

2. Если анализируемый элемент после наведенной активности излучает [3-частицы или у-кванты, имеющие энергию, отличающуюся от энергии частиц, излучаемых наполнителем, то, применив фильтрыпоглотители, можно с помощью спектрометрической аппаратуры: селективно определить содержание анализируемого элемента.

87

химического активационного метода анализа, является большая продолжительность его. Однако в последние годы разработаны экспрессные методы анализа на некоторые элементы (AI-28, V-52, Са-49, Co-60, Mg-28 и т. д.), позволяющие определять содержание элементов в пробах в течение 2—10 мин.

При активационном анализе чаще всего применяют метод у- спектрометрии, при которой энергия у-квантов определяется по положению пика фотоэлектронов.

Блок-схема сцинтилляционного у-спектрометра с одним кристал­ лом Nal(Tl) показана на рис. 73. Прибор состоит из источника у-излучения И, фотоумножителя ФЭУ со сцинтиллятором, катод­ ного повторителя КП, линейного усилителя УС. Усиленные им­ пульсы анализируются по амплитуде амплитудным анализатором АА и регистрируются счетным устройством ПС. Однокристальный у-спектрометр отличается высокой эффективностью регистрации. Однако при сложном спектре вследствие наложения фотоэффектов, комптоновских эффектов и эффектов образования пар при энергии

Метод активационного анализа с успехом применяется для опре­ деления марганца в рудах, в которых нет элементов с сечением реакции большим, чем у марганца (Мп-56) с периодом полураспада 12,56 ч. Продолжительность анализа 6 мин. Точность анализа соста­ вляет ±0,5% при содержании марганца в продуктах от 23 до 56%. В качестве эталона может быть использован кварц с различным содер­ жанием марганца. Ванадий,обычно содержащийся в железных рудах, определяют по реакции (п, у) на медленных нейтронах. При этом ■образуется радиоактивный изотоп Y-52 с периодом полураспада

-88

3,7 мин, Вольфрам определяют с применением полоний-бериллиевого' источника, дающего поток примерно 107 нейтронов в 1 с. При облу­ чении образуется W-187 с периодом полураспада 24,1 ч.

ние годы как в лабораториях, так и в промышленности стали при­ менять портативный генератор нейтронов для активационного ана­ лиза, который представляет собой низковольтный ускоритель. При бомбардировке ионами дейтерия мишени, насыщенной тритием, по реакции Н? (d, п) Не4 при ускоряющем напряжении 100—150 кВ [45] в генераторе возникают быстрые нейтроны с энергией порядка 14 МэВ. Сечение реакции Н? (d, л.)Не4 при энергии 100—200 кэВ настолько велико, что для образования интенсивного потока нейтро­ нов достаточно иметь напряжение примерно такое, как в рентгенов­ ской трубке, При энергии 200 кэВ выход нейтронов достигает 104 нейтронов в 1 с на 1 мкА дейтронного тока.

Возникающие при указанной реакции радиоактивные изотопы обладают специфическими ядерными характеристиками и позволяют идентифицировать и определять содержание того или иного элемента-- Так как при активации многих веществ возникают быстро распада­ ющиеся изотопы, анализ можно проводить в течение нескольких минут,

Широкое применение быстрых нейтронов при активационном анализе обусловлено устранением эффекта самоэкранирования, вызы­ вающего значительные погрешности при анализе с использованием тепловых нейтронов.

Нейтроны с энергией приблизительно 14 МэВ, возникающие при реакции H 3(d, л)Не4, используют для определения кремния и магния в горных породах. Определение кремния производят по реакции Si28 (л, р)А128 с применением сцинтилляционного счетчика для реги­ страции у-излучения с энергией 1,78 МэВ и интегрального амплитуд­ ного дискриминатора при пороге 1,4 МэВ. Активация продолжается 1 мин. Наведенная активность регистрируется по истечении минут­ ной выдержки. Благодаря этому исключается регистрация N16 (период полураспада которого 7,3 с), возникающего при активации кислорода, присутствующего в пробе. Средняя ошибка составляет 2,6%. Ошибка, вызванная активностью кальция, магния и железа, не превышает 2%.

для определения содержания ки слорода применяются только гене раторы.

Изотоп N16, образующийся в результате указанной реакции, имеет период полураспада 7,35 с. Он распадается, испуская жест­ кие у-кванты с энергией 7,14 и 7,12 МэВ. Благодаря большой энер­ гии у-излучения N16 можно с помощью у-спектрометра исключить

89