CN105158215B - 气动滑板分析仪系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种气动滑板分析仪，用于测定容纳在气动滑板内的材料的元素含量，所述气动滑板具有倾斜隧道和透气性材料，以适于借助重力作用和透过所述透气性材料的材料悬浮气动作用，通过所述隧道传送材料。分析仪主体具有气动滑板的进口与出口和气动滑板通道的内部空隙，所述主体包括辐射屏蔽材料。辐射检测器位于分析仪主体内部和气动滑板近端，具有朝向气动滑板的监测区。辐射源位于分析仪主体和气动滑板近端，具有朝向气动滑板的辐射场。处理器用于分析来自所述辐射检测器检测到的信息。所述系统通过来自辐射源的辐射照射所述气动滑板，产生的排放由辐射检测器检测并由处理器分析，以提供含于气动滑板的材料的分子和元素信息中的至少一个。

Description

气动滑板分析仪系统和方法

交叉引用的相关申请

本申请要求美国临时专利申请号为61/996152，于2014年04月30号申请的题为“气动滑板分析仪”的权益，本申请内容通过在此引用其整体完成。

技术领域

本发明涉及用于分析散装材料的系统和方法，更具体地，它涉及一种散装材料的流线分析仪，其具有一种特殊设计的气动滑板。

背景技术

在使用散装材料的制造厂，材料通过使用各种不同的技术进行运输。所述材料可通过使用前端装载机、体力劳动、输送机、升降机、斗式提升机或管道被输送。一种广泛使用的运输方法，是在稍微倾斜的流态化空气管道在此称为气动滑板上输送料。

气动滑板是一种使用重力作用来移动材料的系统。曝气输送(即气动滑板)用于以传递低压空气通过多孔膜介质插入材料床进入正在处理的材料床的方式重力输送粉末，导致该材料成为流化态。材料的运动是通过倾斜气动滑板以匹配材料依靠流化态的角度来实现的。在正确的斜率上，流化态材料将像液态一样“流动”。

通常气动滑板用于输送一般具有粒状一致性的材料，例如，像面粉或粉末一样。通过气动滑板输送的材料实例为生料，和水泥厂操作的成品水泥。在许多行业中，具有被输送材料的物理性能和组成的测量值是有利的。这个信息用于各种原因，包括验证该材料为正确共混物或材料的混合物，验证该材料具有正确的材料特性，或使用该测量值优化制造过程。可以获取不同的测量值，包括材料的元素组成，该材料的分子组成，该材料的粒状尺寸，材料的反射率，材料的密度等等。确切的测量值依赖于应用的要求。

在现有技术中，各种系统已经被开发以解决流化态材料的准实时评估，主要用于非气动滑板系统。例如，一种使用广泛的流线分析仪，是一种使用叫做瞬发伽马(γ)中子活化分析(PGNAA)技术的传送带分析仪。PGNAA使用热中子来测量在传送带上的材料的元素组成。然而，这些系统均是在传送带上工作，而不是在气动滑板上工作。这是因为，以目前的技术来说，材料的低密度使准确测量值成为不可能。迄今为止，用于测量气动滑板上的流化材料的高度精确系统还不存在。

因此，在工业中，对于一种精确、高性能的气动滑板分析仪是长期需要的。这种分析仪的各种细节阐述在下面描述中。

发明内容

下面给出以提供对所要求保护的主题的一些方面的基本理解的简要概述。此概述并非为广泛综述，且并不旨在标识关键/重要的元素或划定所主张的标的物的范围。其目的是为了以简化的形式呈现一些概念作为前奏，稍后呈现更详细的描述。

在所公开的实施例的一个方面中，一种用于测定气动滑板中的材料的元素含量的气动滑板分析仪被提供，所述气动滑板分析仪包括：具有倾斜隧道和透气性材料的气动滑板，所述气动滑板适于通过所述隧道传送材料，借助重力作用和透过所述透气性材料的材料悬浮气动作用；具有气动滑板的进口与出口和气动滑板通道的内部空隙的分析仪主体，所述主体包括辐射屏蔽材料；位于分析仪主体内部和气动滑板近端的辐射检测器，具有朝向气动滑板的监测区；位于分析仪主体和气动滑板近端的辐射源，具有朝向气动滑板的辐射场；和处理器，用于分析来自所述辐射检测器检测到的信息；其中，所述气动滑板接收来自辐射源的放射线的照射，产生的排放由辐射检测器检测并由处理器分析，以提供含于气动滑板的材料的分子和元素信息中的至少一个。

在所公开的实施例的另一个方面中，所述气动滑板分析仪上被设置，其中：所述分析为瞬发伽马(γ)中子活化分析(PGNAA)、热中子分析(TNA)、脉冲快中子分析(PFNA)和快中子分析(FNA)中的至少一种；和/或所述辐射检测器是多个检测器；和/或所述多个检测器中的至少一个是激光诱导击穿光谱(LIBS)和近红外成像(NIR)检测器中的至少一个；和/或所述辐射源是放射性中子源和可控中子发生器中的至少一个；和/或气动滑板分析仪内的气动滑板的部分是由吸收中子少于钢的材料制成；和/或还包括至少一个位于隧道内部的可动闸门，所述至少一个闸门的操作是为了增加或减少位于隧道材料堆积区的材料的总重量，以通过气动滑板分析仪进行测定；和/或还包括隧道中的混合器，所述混合器混合在隧道中或者隧道材料堆积区的前部或内部的材料；和/或还包括至少一个加热器和冷却器来加热或冷却所述检测器；和/或还包括位于气动滑板和检测器之间的活跃冷却通道；和/或还包括中子慢化剂，以优化来自气动滑板分析仪的信号；和/或还包括位于所述主体上的γ射线吸收剂，以直接或间接地减少那些不希望被吸收和计数或有助于外部生物辐射剂量从气动滑板分析仪发出的背景辐射；和/或设置所述屏蔽材料以减少对于生物屏蔽的外部辐射；和/或所述主体包括多个基本均匀形状的，独立的，屏蔽的部分，使所述主体以分段的方式构造或拆除；和/或所述主体被构造，以适应不同的屏蔽要求或不同的气动滑板尺寸；和/或还包括位于隧道内的开口，以使物理采样材料中的至少一个直接来自所述隧道，以及评价隧道的校准标准；和/或所述气动滑板包括多个部分，其中的一个部分可被替换以便于维护或校准；和/或位于主体上的气动滑板的堆积区被设计为具有一定形状和尺寸，以提高气动滑板分析仪的信号准确度；和/或所述分析仪内部的启动滑板的一部分的尺寸被设计，以改善信号的精度；和/或还包括所述气动滑板的材料，所述材料为生料，成品水泥，成品水泥和集料的共混物，预拌混凝土，飞灰，石膏，石灰石，水泥熟料，不合规格的熟料，底灰，炉渣，选矿飞灰，石灰，硅粉，研磨的粒状高炉炉渣，页岩，砂，砂石，铁更，铝土矿，火山，和灰中的至少一种；和/或还包括含所述材料中的至少一种的筒仓；和/或所述处理器发送信息，根据气动滑板中的材料的分子和元素组成中的至少一个，来调节来自所述筒仓的材料的供给量。

在所公开的实施例的还有一个方面中，一种用于测量气动滑板中的材料的元素含量的方法，包括：形成气动滑板分析仪主体，其具有气动滑板的进口与出口和气动滑板通道的内部空隙，所述主体包括辐射屏蔽材料；布置气动滑板于所述主体的所述内部空隙，所述气动滑板的一部分被指定为一个分析区；输送材料到气动滑板，并在分析区积累；设置位于分析区和气动滑板近端的辐射检测器，具有朝向所述分析区的监测区；设置位于分析仪主体和气动滑板近端的辐射源，具有朝向分析区的辐射场；通过辐射检测器，检测来自分析区被照射材料的辐射信息；转发所述辐射信息于处理器；分析所述转发信息，并确定分析区材料的元素和分子组成信息中的至少一个。

在所公开的实施例的还有另外一个方面中，提供的所述方法还包括：调整分析区的材料的量；和/或所述分析为瞬发伽马(γ)中子活化分析(PGNAA)、热中子分析(TNA)、脉冲快中子分析(PFNA)、快中子分析(FNA)、激光诱导击穿光谱(LIBS)和近红外成像(NIR)探测器中的至少一种；和/或所述辐射源是一种产生广谱X射线的X射线源，所述辐射检测器是一种X射线检测器，所述分析是基于X射线源光谱并随材料中的每种元素衰减；和/或所述材料的分子和元素组成中的至少一个由每种元素的独特能量依赖性对入射γ射线的响应函数确定，其中，所述入射γ射线取决于每种元素的原子密度厚度(g/cm2)；和/或还包括根据气动滑板中的材料的分子和元素组成中的至少一个，来调节来自提供材料于气动滑板的所述筒仓的材料的供给量，其中，所述筒仓包含生料，成品水泥，成品水泥和集料的共混物，预拌混凝土，飞灰，石膏，石灰石，水泥熟料，不合规格的熟料，底灰，炉渣，选矿飞灰，石灰，硅粉，研磨的粒状高炉炉渣，页岩，砂，砂石，铁更，铝土矿，火山，和灰中的至少一种。

附图说明

图1是相关技术的滑道分析仪的透视图。

图2是相关技术的传送带分析仪的侧视图。

图3是相关技术的分析仪在材料流动深入所述分析仪的示意图。

图4是相关技术的气动滑板的透视图。

图5是示例性气动滑板分析仪的一个实施例的透视图。

图6是示例性气动滑板分析仪的一个实施例的剖面图。

图7是示例性气动滑板的剖面图。

图8是另一示例性气动滑板的剖面图。

图9是示例性气动滑板分析仪的一个模块化实施例的透视图。

图10是具有多个检测器的示例性气动滑板分析仪的一个实施例的剖面图。

图11是包括源的示例性气动滑板分析仪的一个实施例的剖面图。

图12是配置各种尺寸的气动滑板的示例性气动滑板分析仪的一个实施例的剖面图。

图13是控制硬件的组件示意图。

图14是在水泥制造环境的示例性滑板分析器的示意图。

具体实施方式

广泛使用的流线传送带分析仪的分析方法是瞬发伽马(γ)中子活化分析(PGNAA)。PGNAA使用热中子来测量在传送带上的材料的元素组成。这种技术对于散装材料分析特别有用，因为该技术是深穿透性的并且可以测量大部分材料如果不是全部在传送带上。因此，与其它的使用表面测量的技术如X射线衍射和X射线荧光不同，PGNAA分析仪能够测量大批量和深度的材料。PGNAA的另一个显著好处是，所述测量是无接触的，而且PGNAA设备几乎没有运动部件。

由于PGNAA的性能和优点，PGNAA设备广泛使用于整个煤，水泥和矿物质市场。在水泥市场，PGNAA通常用于原材料的分析和混合。来自水泥厂的原料从采石场，矿山，筒仓，或桩中萃取，典型粉碎，然后使用PGNAA设备进行分析。

早期的PGNAA设备使用的是一种图1中相关技术100所示的下落斜槽型分析仪，其具有检测器120和在相对侧的源极140。这个系统的一个例子在美国专利号为4482992，标题为“自包含的，在线的，实时的散装材料分析仪”，作者为阿特韦尔等的专利中描述。这些类型的分析仪是有用的，但价格昂贵，而且难以安装在工厂上。这个问题随着在线传送带PGNAA分析仪的发展被解决。一个相关技术的交叉皮带分析器系统200的透视图和剖视图分别被图2A和图2B示出。这样一种系统的机制在美国专利号为5296071，标题为“散装材料分析仪的模块化装配”，作者为阿特韦尔等的专利中描述。这些交叉带系统对于非常好地安装和装配进厂的操作来说显然更容易，然而，需要在源240上装配检测器220A和220B。随着第一PGNAA上带分析仪的发展，这些设计已经发展，主要是易于安装和易于制造的焦点。现代PGNAA装置通常安装在传送带的导轨或跨越导轨安装到两侧。该设备不需要切割输送带，并可以在几天内安装和校准。

用于在线和离线分析的其他PGNAA分析仪已经制定出来。例如，材料的分析，可以通过管道380与外装源340和检测器320完成，如图3中相关技术300所示，以及如在美国专利号谓7778783，标题为“散装物质中元素的分析方法和装置”，作者为凌人等的专利中所描述。该专利包括PGNAA系统的普通类型的描述，例如静态分析器，浆液分析仪，机械取样分析仪，输送机分析仪，和钻头尾矿分析仪。

当今在服务PGNAA分析仪仍具有性能问题。例如，在交叉带PGNAA分析仪，材料的分层可能会发生，这会影响分析的准确性。为弥补这一点，技术已被开发。例如，美国专利号为6657189，标题为“维护瞬发伽马(γ)中子活化分析仪的测量精度通过可变材料流量或料床深度”，作者为阿特韦尔等的专利，开发了一种纠错技术，以弥补分层。

可能出现在PGNAA分析中的另一个问题是由于不同水分含量。材料中不同量的水分有可能改变作为材料深度函数的热中子密度，并因此可能影响瞬发伽玛射线产生和作为材料深度的函数的发射光谱。PGNAA分析仪通常具有水分仪以测定水分含量，而该信息可以用于允许补偿不同的水分量。但是，这种补偿的修正通常减少PGNAA设备的精度。

散装物料通过各种方法输送，但大量的材料是通过传送带运输。其结果是，绝大多数最新的PGNAA分析仪是皮带输送机类型，并提供一种在传送带上的材料的元素分析。

在一些情况下，“添加剂”的材料可被添加到输送带分析仪的制造工艺下游。例如，在水泥工厂，飞灰、矿渣、集尘室的灰尘或其它材料可被添加到所述交叉带束分析仪之后的制造过程中，这将对窑进料的组成产生更大的不确定性。

在水泥行业和其他行业，材料通过传送带转移，当摇滚产品与矿石从采石场到达其被研磨的过程点。为了制备用于在水泥窑使用的原料，原料被碾磨，使其具有粉末状稠度，类似于粉末如面粉。为了输送这种材料，该材料通常是由斗式提升机和气动滑板输送，而不是在传送带上。气动滑板使用空气和重力的组合来运送材料。一种使用空气和重力的相关技术的气动滑板如图4所示。空气从散装材料下方的空气室吹入。空气穿过多孔膜织物，并进入包含该材料的隧道。空气使材料流化态。通过调整气动滑板使其向下滑动几度，则流化材料沿着气动滑板行进，并伴随所需的小摩擦或压缩能量。然而，PGNAA测量系统在气动滑板系统中的应用从未完成，这是因为该材料的低密度，和在实现准确和及时测量的困难。

PGNAA技术，如上带分析仪，通常需要许多原子的曝光以完成一项精确的分析。在传送带或浆式分析仪上，该材料可以是堆积密度范围为1.5-1.7g/cc的矿物矿石或岩石/砂产物骨料，密度为0.8-0.9g/cc但氢百分比为3.5％-6％的粉碎煤-，或密度为1.1～1.35g/cc和氢含量为8-10％的矿物-水浆。样品中的氢可以缓和中子下降到一定能量，其中，该材料的原子具有吸收中子和在其中产生γ射线发射的显著更大的概率。

假设检测系统不受信号速率的限制，PGNAA测量精度主要是一个函数，所述函数关于在被检测材料中感应捕获的中子的数量(其正比于测量区的材料的总质量和样品中氢的百分比，其增加材料中子俘获的概率)，或关于检测装置的组合几何立体角的乘积，探测器的内在伽马射线效率，以及一个关于检测器和信号处理电子产品的能量分辨率(光谱清晰度或尖锐)的函数。在气动滑板，该材料是干粉形式：堆积密度可能较低(0.75～0.85克/立方厘米)；水分和氢可基本上为零；和在气动滑板的材料水平通常只是气动滑板容量的25-50％和在底部的空气室可以是空的材料构成，这可能导致在气动滑板可用于分析的原子显著更少。

这些考虑说明了PGNAA技术的准确性的问题，当其被施加与气动滑板。得到一种在气动滑板的材料的高精度元素分析，这是很有利的。例如，在水泥制造中，分析随后将包括任何材料，如粉煤灰，添加到研磨阶段之后的气动滑板。当熟料被研磨成粉后，气动滑板分析仪中可利用的另一个位置在水泥生产过程中，当添加剂如石膏或石灰石被加入。气动滑板分析仪将提供有用的过程反馈，以允许运营商验证和优化制造过程。另外，由于气动滑板运输的材料必须足够干以在气动滑板上正确的移动，因此气动滑板分析仪将部分解决材料的不同水分含量问题。

一种解决上述问题的尝试在美国专利号为7924414，标题为“非危险散装材料分析系统”的专利中找到，这是利用光源和分光计测量在气动滑板的材料的组分的方法。然而，光源和分光计可能仅仅是表面测量，而不能进行材料的100％分析。此外，数据的偏差可能会产生由于该技术是基于该材料的光谱反射率，并且不是直接测量材料的元素组分。另一个问题是，有轻和更重的物料在该混合物中，所以隔离和分层的可能性高，使得一个表面测量将不能代表分析仪中的整个材料。

概述

如上所述，上述的各种实施例呈现了流线分析仪测量在气动滑板上输送的材料的元素组成。分析仪组分的机械设置与在分析区域前、中、后的气动滑板的附加和修饰组分一起，如此设计以相对于传统的设计安装于传送带或浆料管附近的PGNAA分析仪具有显著的高性能。这种PGNAA系统的几何配置(分析器有一个改性气动滑板)的结构将优化从系统中得到的信号。通过使用一种新的独特的系统设计，能够大大增加PGNAA装置的灵敏度。因此，输送在气动滑板上的材料可以被高精度元素分析，使得其可用于监测、过程控制和其他用途。

为了测量所有在气动滑板上的材料，称为瞬发伽马中子活化分析(PGNAA)的技术被使用。在该技术中，中子介入待分析材料，并通过材料与中子的相互作用，材料发射γ射线。通过对中子激发的材料发射的伽马射线进行分析，以确定该材料的元素组合物。本文所描述的实施例不限于PGNAA，但也可以使用快中子或热中子，或二者的组合。常用术语为PGNAA，热中子分析(TNA)，脉冲快中子分析(PFNA)，快中子分析(FNA)，以及其他那些本领域众所周知的专业知识。该方法可以是连续或者脉冲工作模式。中子源可以来自一个同位素源，或可替代地来自中子发生器或两者的组合。在各种实施方案中，该系统包括气动滑板输送机构、中子源和放射线检测器。该材料进入气动滑板分析器，同时中子扩散进入材料。材料捕获或无弹性散射中子，而且是在第二发射γ射线的一个非常小的部分内。辐射量(γ射线的频谱)被分析以确定元素组成。

在各种实施方案中，系统包括提供更多的物质用于分析的方法，可以提高分析的准确度。例如，更多的材料被限制或配置在限制区内进行材料流动，使得材料在分析区域内积累。在一些下游的区域材料可被允许返回到其定类尺度和流动特性。

由于暴露具有不同化学性质不同密度的颗粒的共混物会导致运行于气动滑板上的混合物的空间非均匀性，并根据不同的质量流动速率，空间非均匀性会不希望地波动。并根据示例性分析装置的设置(来源，检测器)相对于所述材料，该材料的不均匀性可导致测量误差。为了缓解这一潜在问题，各种实施例可以包括将所述材料混合进入分析仪“中”或在进入材料分析仪“之前”的选项。为确保该分析并不由于给定化学性质的部分材料而又偏见，也因为诸如密度或缺乏流态化的特性，系统可以进一步包括确保任何物理性质的材料保持流动性以及无阻塞地通过分析仪的方法。

由于在空动滑板内部的材料可能相当热，如在生料，所述示例性实施例可结合能够确保探测器和系统的温度一致，并且不会损坏系统装置的方法。各种实施例可进一步设计，通过使用许多不同的方法来优化系统的测量。第一个例子是，所述来源、检测器、材料、气动滑板机构的物理位置被布置，以提供最佳的测量性能，同时确保系统继续提供一致的流动特性。在正常的气动滑板结构元件(管道或通道)通常是金属的，一般是钢。来自大多数金属的强烈信号，会降低分析仪的性能。因此，在各种实施方案中，中子辐射的分析器气动滑板设备的设计和制造是由能让分析器具有较好的测量性能的材料制成。结构材料可以是独特性质材料或掺杂能够提供γ射线性质的材料，与被测材料的性质区分开来。材料也可以是具有较小的横截面，从而吸收一些中子，例如，碳或低剖面锆等材料。

在其他实施方案中，所述系统可以是模块化的，使得它可以根据气动滑板的不同尺寸而容易地调节和设置。模块化件可大可小。小模块被设计成很容易地用手携带，使得该分析器可安装在地点能够可以是使用起重机或其它提升机构不可能或非常困难才能实现的地方。

所述的空气滑板常常是在关键的位置，使得气动滑板件的故障可以潜在地停止制造过程。因此，保证在系统维护、阻塞、故障或校准的过程中不会限制材料流转的方法是至关重要的。在各种实施例中，气动滑板分析仪可以包括插入替换的气动滑板部分，其被设计成很容易地安装替代特殊部分，它通常是在分析仪内使用，如果发生任何流动问题或其他故障。还提供了处理出现的气动滑板的任何问题的方法，以及空气滑板保养的方法，气动滑板修理的方法，气动滑板件的校准方法，同时确保设备运转不会受到不利影响。另一种方法是将具有分支门，其允许材料流过分析仪，同时如果有流转问题、维护需求或其他有必要转移材料流转的情况，转移分析仪周围的流转。另一个重要方面是尽量减少来自系统的辐射。因此，屏蔽可以延伸到气动滑板的前面或背面。其可以被连接到分析仪上，或做成分离的。其总体目标是尽量减少周边地区的辐射量。

系统的校准通常对系统性能很关键。在各种不同的实施方案中，该系统可以通过接入端口在分析器前或在后适配气动滑板，校准用标准通过接入端口进入分析区域，或通过去耦的特殊气动滑板部分测量分析仪，同时移动气动滑板部和分析器向上、向下或侧向远离气动滑板以允许插入的校准标准通过分析器气动滑板部的端部。在一些实施方案中，分析仪未配备气动滑板本身。气动滑板分析器可以连接到气动滑板的输入或排出端，以提供材料进行分析。下面所描述的各种实施例包括一个气动滑板机构，其可确保该气流系统具有一致的流动特性。

在一些实施方案中，分析手段利用了X射线源(S)产生的广谱X射线照射在气动滑板上的材料上，检测器或检测器阵列在材料的相对侧，其中测得的信号是由各构成材料的元素的在X射线源光谱的衰减，以及量化材料元素组成的方法，其利用了每个元素对入射伽马射线具有唯一的能量依赖性响应函数这一物理属性，这取决于每个元素中对气动滑板的材料组合物中的原子密度厚度(g/cm2)。

应当理解，对于PGNAA系统，最佳性能的获得通常是有更多的材料。当材料为粉末形式，它可以从传送带上吹掉。因此，在移动粒状或粉末形式的材料时使用气动滑板移动材料是的一种更高效的和有效的方法。

图4是气动滑板的示意图400。该材料(示为箭头)在材料腔410行进，而空气从加压空气腔420吹入材料腔410。空气从气室420行进“向上”通过多孔膜430并抬起材料腔410中的材料。在膜430可以是任何材料，其非限制性的例子是金属滤网、多气孔织物等。在一些情况下，膜可以被振动，以协助所述材料的抬起。气动滑板是通常有一个角度，因此，材料行行进时有材料腔410的倾角。移动材料也可以是通过气体力学的方式，其中，材料通过管道或通道吹出-没有被广泛使用，因为气动滑板件的固有效率需要显著较少的操作功率。该材料可以是粉末状、颗粒状，它的制备使得它适合于气动滑板输送。

图5是示例性的气动滑板分析仪的一个实施例的透视图500。气动滑板501通过具有气动滑板501的入口和出口的分析仪550，材料(未示出)在经由分析仪550时被分析。气动滑板501的通道502允许材料通过分析仪550，同时在空气腔503只不过的空气保证材料的流态化。需要注意的是，也可以设计出没有空气腔503的气动滑板分析仪，其中材料滑动或穿过分析仪550，但是如果希望在分析过程中保持“流体”流动，相比其他系统空气腔系统对材料的流动性破坏较少。当然，用于分析的其他配置，而不是使用气动滑板，是可在不脱离本公开的精神和范围内预期的。

由于大多数气动滑板由金属制成，金属气动滑板所载材料的分析可能会影响到来自分析仪550中材料的信号。因此，通道502和空气腔503可以由不吸收许多或任何中子的材料制成，或为整体校准提供唯一信号。可使用的材料的非限制性的例子包括碳纤维，和其他低截面的材料，如合成材料或低中子截面的金属。通道502，空气腔503和周围的材料的设计用以优化从通过气动滑板501的材料上得到的信号。分析也可以通过一个钢气动滑板完成，但是应当理解要利用更多中子透明材料以最小化分析仪550的信号改变或丢失。

在此图示500中，原料门508上示出的中子源是放置在分析器550的“右”侧的。然而，来源和检测器是可以位于所述气动滑板501的其他侧面的。应当认识到，在一些实施方案中，所述来源可以是放射性同位素或加速器或其他按需中子/辐射源。

图6是示例性气动滑板分析仪的横截面图600，示出了材料(未示出)穿过的内部通道602，气动滑板620的非分析仪部和分析仪650之间的缓冲区域603，605。

所有中子活化系统具有中子源606和一个或多个检测器604。虽然图6示出了来源/检测器606，604的设置，其它设置也可以采用。例如，所述来源606可以沿气动滑板分析仪650的纵轴放置。中子源606的可以是同位素源，或可替换地使用中子发生器。检测器604可以沿纵向或垂直来配置，或者根据需要优化信号。与其它中子为基础的系统一样，检测器604可以被加热或冷却。

可替代地，由于气动滑板620中的材料可以是热的，系统还可以提供冷却(未示出)以防热材料故障。这个实施例说明了使用顶部和底部生物屏蔽材料607能保证辐射安全。分析仪650的主体中使用的确切材料还选择要考虑到气动滑板620的材料的温度，和分析仪650周围的环境温度。例如，对于生料，测量可以是热的，因而该检测器的外壳可以包括检测器604的加热和冷却机制。在一个商业实施例中，冷却通道644可安装在气动滑板620和检测器装置604之间，冷却通过各种被动或主动手段是吸纳，非限制性的例子是通风口，加压气流或压缩空气或喷射压缩空气等等手段由绝热膨胀冷却。

示例性的气动滑板分析仪示出在闸门608的使用。气动滑板620中的材料类似于液体，并且因此使用闸门608的材料应允许材料在分析仪650内累积。闸门608实质上是作为一个坝，以使得该材料在坝的后面累计。使用闸门608积聚材料将增加在分析仪650中的材料，并能增加系统的结果信号。闸门608可被降低或升高进行调整累积程度，以确保流动是适合设备运转或分析仪运转。闸门608可以是一截面，从分析仪650分离，或它可以是分析仪650的一部分。闸门608可以简单地由一块金属制成，或能从组件底部或侧部上来并抑制材料的流动的其他合适材料所制成。它也可以是固定的，所以它不动，类似于具有固定高度的坝。闸门608或一系列闸门608可以安装于下游，或上游，或两者兼而有之，在测量中逐步建立水平。

图7是示例性气动滑板720的侧视图700，其具有“下”空气腔701和突出的闸门608。闸门608充当坝，作为结果，材料积聚在此图中定义为702的区域。分析区可以位于分析仪主体内的中心，以便允许每端的中子源辐射的生物屏蔽。该系统可以优化，分析堆积在区域702的材料。在各种实施方式中，闸门高度可以向上或向下调整，以允许建立或通过不同的体积的区域或者简单地允许预先设定的体积。闸门608只是分析仪累计材料的一个方法。还有其他可用于积累材料的方法或手段。

气动滑板720可包括多个段或片，从而允许一个或一组被迅速地更换，或根据需要进行交换。例如，闸门608被示出是最右边的片的一部分，其是可单独更换的一部分，在这种情况下，闸门部分需要维护。

在另一个实施方案中，在分析区的材料的流化密度可以最佳地通过用一系列的横向部分制作空气室部分而最大化，其中每一个都具有单独的空气供给和压力调节，从而达到最佳流化物料的水平或高度。阀和压力可以通过基于水平感测或质量流量装置的微型计算机或控制器来控制。在一些实施方案中，槽可在分析仪内部或外部使用。阀(如V型球)，也可以在分析仪上或之后使用，以增加在分析仪内材料的量。然而，另一种方法是缩小材料腔的宽度，例如，使之变窄。然而，另一种方法是限制下游的流动，使得大量材料积聚在分析仪中。主要目的是通过增加在分析区域的材料的量，以增加信号。

为便于操作，气动滑板720在分析仪“内部”的多孔材料可以是与气动滑板720剩余部分相同的材料制成，以确保材料在分析仪内的流动与气动滑板720剩余部分相一致。在一些实施方案中，根据设计偏好可以使用不同的材料。应当理解，虽然本实施例中示出了空气腔701，分析仪中的材料从分析仪中间穿过或吹过不一定必须要空气腔701。然而，为了操作和流动的一致性，此处实施例中都具有空气腔701。因此，可以理解的是，本领域技术人员能够想出替代性的设计考虑不存在的空气腔的方案，而不偏离本公开的精神和范围。

通过气动滑板输送的材料可以具有一致的成分，或者它可具有不均匀的成分，并可能引起分层。图8是其中一个实施例800的示意图，其具有隔离装置801，其可以由金属或其他弹性材料制成，以一定角度弯曲安置于气动滑板820上，以隔离材料或空气流，以使得该材料在区域702积累之前鼓动起来。例如，附加的空气可以吹入或脉冲进入区域702。这可以是从底部或侧面，或者顶部进入。同样的影响可以通过在区域702使用不同的多孔织物进行(可能具有不同的摩擦，或孔隙率等特性)。可替代地，该系统可以包括混合堆积在702区域材料的一些机制。这可以通过位于区域702或邻接于隔离装置801的简单的如螺旋桨式的机构来实现。因此，对于“混合”的替代方法，可以通过普通技术人员的技术实现，也应理解为这是本发明公开的范围之内的。

为了确保该物质不在栅栏608上静止，该栅栏可包括多孔材料，以允许该物质流过栅栏。或者，在栅栏608中可以有一个开口或孔洞，以允许该物质流过栅栏608，而不仅仅是翻过栅栏608。确保该物质不积累并不在区域702内停留的一种替代方法是，以周期性的间隔打开或关闭该栅栏608或者倾斜或翻转该栅栏608，以允许该物质流过系统。该栅栏608可以是任何所需的外形或几何形状。各种方法可被设计用于保证物质不保留在该聚集区域702内。此外，在分析区域内，提高材质级别的各种方法可以被全自动控制，并可使用粒位传感或质量流量反馈，或者分析仪自身，通过组分分析的总质量定量检测。

在一些实施例中，该空气滑道820可以具有一个渠道或通道835，用于允许一些物质被定向到一个单独的分析装置(未显示)，以便独立分析，例如，元素分析或分子分析，从而补充正在执行的中子分析。该空气滑道820的任何其他经历过传递物质的部分可以具有该渠道或通道835，例如，该栅栏608或其他部分可以具有该渠道或通道835。此外，通道835可被用于插入仪器，例如用于校准标准或者传递材料的直接测量。

所述空气滑道可被设置于难以接触到的车间内。因此，在一些情况下，如果该空气滑道分析仪可被安装到对于起重机或其他起重装置来说是具有挑战性或不可行的位置，那么这是有益的。图9显示了一个实施例900，其中分析仪屏蔽950被设计为具有模块化部件。例如，一个模块被设立于材料外面，适于PGNAA分析仪，例如填充屏蔽材料的聚乙烯，或其他适用的材料。当然，根据设计偏好其他材料也可被使用。该设计为模块化的，这样每个模块901可被很方便地移植到该分析仪的安装地点，或者交替地，该分析仪屏蔽950可被作为一个单元移动。模块901可被配置为具有用于对齐/配合邻接块的配合边缘或突起，或者通过粘合剂或其它联接化合物被“匹配”。该模块901可以为基本上均匀的形状，使得空气滑道分析仪能够以分段方式建造或拆除。足够轻以致可以手工进行的模块化装配的使用在分析仪屏蔽950的安装位置提供了灵活性。

在此物理空间没有限制，该整个分析仪屏蔽950可被制成几个大的模块，或者小的模块部件或更大的模块可被外部固定为一个完整的装配。例如，装配现有的空气滑道，该模块可被设置为具有独立装配的顶部、底部、侧面，它们“拟合”在该空气滑道周围，在车间加速装配。“尺寸”或几何形状的其他组合，或者堆叠布置被理解为在本领域技术人员能力范围之内。因此，可选的装配或设计方法可被用于一个示范性空气滑道分析仪的制造。装配也可包括另外的屏蔽，其被使用在环绕空气滑道的系统或该空气滑道的一部分的前部或后部。这允许系统另外的安全屏蔽。此屏蔽可被连接到系统，或者以单独的附件连接到系统。

图10展示了具有空气滑道隧道1007的示范性空气滑道分析仪1050的一个实施例的横截面图1000，其在隧道1007“更低”的位置1006包含物质。在此附图中，使用了9个检测器1008，显示分布在该空气滑道1001的“侧面”和“顶部”的外面。从一到许多，所使用的检测器1008的数量取决于不同的因素，例如，气流室的尺寸，穿过分析仪1050的物质的数量，所需的性能，和其他因素。同样，呈矩形所示，空气滑道分析仪1050的形状，可以是所需的其他几何形状。中子源1002位于空气滑道1001的气室1005下方的底部，在此显示为具有屏蔽和/或减速材料1010。用于中子源1002的其它地点可根据设计偏好被使用。例如，该中子源1002可被设置位于气室1005的内部，或该中子源1002可被设置位于侧面，并且该检测器1008移动到不同的位置，在隧道1007的每侧，或者甚至在该中子源1002后面，通过适当的中子衰减材料被分离。该中子源1002可为一个同位素源，一个中子发生器1022，一个或多个上述的，或者所有这些的结合。在一个示范性实施例中，该系统对于中子发生器1022和中子源1002具有规定，其可被同时使用，或任一个可被使用。

同样，可以设想另一个探测器或传感器1018(如图所示，位于该隧道1007正上方)可以与基于中子的分析结合使用，例如一个激光诱导击穿光谱(LIBS)，近红外成像(NIR)。当然，根据设计偏好，其他传感器1018可被设置位于另一个地点，在分析仪1050或空气滑道1001中。

在一个替代实施例中，该气室1005可被在很短的纵向跨度去除，而该中子源1002(或发生器1022)位于此区域。在另一个替代实施中，该中子源1002(或发生器1022)可被设置位于真正的隧道1007中。在另一个实施例中，该中子源1002(或发生器1022)可被设置位于物质1006里。而另一个实施例中，该中子源1002(或发生器1022)可被设置位于该隧道1007的顶部或该空气滑道1001之上。

在各个实施例中，该气室1005的尺寸和形状被设计用于优化来自区域1006内穿过分析仪1050的物质的信号。例如，该隧道1007的宽度可被收缩以增加区域1006内更低区域(例如，在梯形或其它狭窄几何形状内)的物质的深度。或者，该隧道1007(随后在隧道1007内物质占据的区域1006)可被成形以允许区域1006中该材料的溢出，从而改进可能需要的信号或其他方面。此隧道1007(和更低区域1006)的“成形”，一直基于大量的建模工作，所具有的产生的配置，被设计用于最小化地点之间的距离，在此该伽玛射线从物质放射出，而确保该伽玛射线从包含物质的所有区域被捕获。该设计业最小化了撞击检测器的中子，确保该分析仪1050中来自物质的最好信号。用于检测器1008的屏蔽材料(未显示)可以是各种不同的材料，当中子运行至该检测器1008后，以屏蔽该检测器1008，或者屏蔽更低能量的伽马射线，或者最小化背景伽马射线，直接或间接地，否则将被吸收并被计数。

图11为使用一个中子发生器1101而非一个放射源(例如锎)的替代实施例的横截面图1100。此可为一个脉冲或连续的氘-氘发生器，一个氘-氚发生器，或一个氚-氚发生器等等。该空气滑道分析仪1150的几何形状和外形可被修改，以改进该分析仪的性能，基于材料的类型，材料的流动，流量，所需的系统的性能和影响系统性能的其他因素，容量和成本。如图10所示，如果一个中子发生器1101和一个同位素源都被使用了，那么该同位素源可设置于靠近该中子发生器1101的位置。所以该系统可使用一个同位素源，或一个中子发生器1101，也可独立或同时使用它们。

图12为用于屏蔽和建设而使用较小模块901的一个空气滑道分析仪1250实施例的横截面视图1200。此设计可以应对空气滑道不同的尺寸。例如，在位置1203、1204和1205所示的该屏蔽材料可由聚乙烯片制成，而其厚度可以改变以考虑不同空气滑道的尺寸。对于更宽的空气滑道，该隧道尺寸1007(1006/1005)可通过使用更多的(或重新安排)模块901而增加，此后用屏蔽材料(如图所示，例如，位于1203,1204,1205)和其他填充模块901和该空气滑道之间的间隔和其他需要屏蔽的位置。放射出的辐射的剂量也可通过改变模块901的数量而进行调整，其被使用在系统的宽度，系统的高度，或同时使用于二者。可选的另外的模块901或屏蔽材料可被在该分析仪1250之前或之后使用，以减少该系统之前或之后的辐射。该屏蔽可以模块或其他的形式，并且还可以连接到系统或分离的。同样，屏蔽和/或减速材料1210可被设置在该中子源1002的近端，如果需要的话。该屏蔽/减速材料1210可对更好地指导中子前往空气滑道所需的部分起作用。

所述分析仪控制箱1201可以容纳检测器电子，电源，该分析仪电脑和系统的其他部分。在该最简单的实施例中，该用于系统的电子和电源位于此控制箱1201内，而该分析电脑位于远程位置，或可选地位于该控制箱1201内部。当然，许多其他不同的构造和几何形状也是可能的。

图13为控制箱1201组件的一个可能实施例的示意图1300。控制箱1201可包含检测器1008的电源1305，用于捕捉来自检测器的数据的模拟-数字转换器，一个或更多的具有存储器1320的处理器1315，用于处理和分析数据并存储数据。系统的接口1325可以位于专用计算机上，或交替使用一个基于网络的接口。基于中子的分析仪已存在超过25年了，而可选的控制箱1201实施范例处于本领域普通技术人员的范围之内。

图14为在商用水泥产业设置中的示范性空气滑道分析仪1450的示意图1400。多个不同的料仓1410，1420包含着材料，例如熟料，不符合规格的熟料，石膏，石灰石，石灰，大理石，花岗岩，页岩，砂，砂岩，砾，轧屑，铁矿，矾土，火山岩，底灰，选矿粉煤灰，炉渣等等。当然，基于被创造的“水泥”的类型，也可以考虑其他材料。此材料通过球磨机1430并随后被空气滑道分析仪1450分析。来自该空气滑道分析仪1450的测量信息被用于借助于反馈控制(未显示)进行动态地调整，被混合在一起的材料混合物。使用此方法，就可能动态地调整该材料，拥有所需的非常接近最佳的组分，或者最适用于水泥厂运行的组分，并且为终端客户提供非常始终如一的产品。一个示范性的空气滑道分析仪1450可被使用在其他许多可能的位置，因此任何的这些位置都可被用于分析。确切的位置和使用取决于车间的运行，还有地点的需求。

另一个潜在的应用是预加热和/或煅烧后热餐的分析，在热餐进入炉窖之前。这个可被用于监视、控制或调整碾磨后所加的材料，例如粉煤灰和其他材料。在车间里该系统也可被连接到其它PGNAA系统、其它过程控制软件和系统，用以动态地控制制造过程。该系统也可使用混合生料和研磨过程之前和之后添加的添加剂。而另一种潜在的应用为在预拌地点使用集料用于成品水泥混合的分析。

当图14中的实施例处于商用水泥产业设置的背景下时，清楚地理解了上述图中的该示范性空气滑道分析仪，可被使用在其他需要聚合材料分析的产业。非限制性的例子可为食品、化学、制药行业等等。

此外，反复提到都是为了PGNAA作为可选的方法，其他适用的方法/系统可被实施。例如，其中中子进入该材料用于被分析，而伽马射线显现出来，伽玛光谱分析可被应用于该产生的光谱上用以提前测量信息。因此，“分析”机制并不限于PGNAA，却可包括使用快中子的中子活化分析，热中子或所有类型的中子，通常这被称为中子活化分析。于是，所描述的不同实施例可涵盖PGNAA，该分析也可使用这些业界使用的缩略语，例如PFNA,PFTNA,PTNA和其他对于那些熟悉此技术的人来说很普遍使用的术语。相应地，在一些实施例中，多个分析机制可被实施，一个位于该空气滑道的前部分的第一分析仪和一个位于该空气滑道的后部分的第二(或更多)分析仪(可能实施不同种类的分析)。因此，根据设计偏好，各种源头、检测器、分析方案等等的结合，可被实施。

而另一个实施方案为使用另一个传感器，其与该基于中子的分析联合起来，例如激光诱导击穿光谱(LIBS)，近红外成像(NIR)，或其他技术，并使用此用于纠正或调整其他的传感器，或选择性地使用其他传感器以调整该中子测量。另外的测量也可被实施，并与系统相结合。例如，在堰门或其他位置，样品可被提取，分子分析可被完成。于是，该系统将既可提供元素分析又可提供分子分析。

还应当理解的是此处描述的这个和其他结构的目的只是为了作为例子。因此，本领域技术人员会理解为其他的结构和其他的元件(例如，机械，接口，功能，次序和功能分组等等)可被替代使用，并且根据所需的结果，一些元件可以被完全省略。此外，许多描述的元件为功能实体，其可被实现为离散的或分布式组件或与其它组件一起，以任何合适的组合和位置。例如，本发明所公开的功能块，方法，装置和系统可以被集成或分为本领域技术人员所熟知的系统、装置和功能块的不同组合。

只要不脱离其范围，许多修改和改变都可被做出，而这对本领域技术人员是显而易见的。本发明公开范围内功能上等同的方法和设备，除了上述列举的那些例子，对本领域技术人员来说都将是显而易见的。应当理解为本发明的公开内容并不限于特定方法、实施方式和实现方法，这些当然都可以做出改变。还应当理解为这里使用的术语仅仅是以描述特定实施例为目的，并非旨在限定。本发明所公开的各个方面和实施例是以示例为目的，而并非旨在限定，其真正的范围由以下权利要求所限定。

Claims (27)

1.一种用于测定气动滑板中的材料的元素含量的气动滑板分析仪，所述气动滑板分析仪包括：具有倾斜隧道和透气性材料的气动滑板，所述气动滑板适于通过所述隧道传送材料，借助重力作用和透过所述透气性材料的材料悬浮气动作用；

具有气动滑板的进口与出口和气动滑板通道的内部空隙的分析仪主体，所述主体包括辐射屏蔽材料；

位于分析仪主体内部和气动滑板近端的辐射检测器，具有朝向气动滑板的监测区；

位于分析仪主体和气动滑板近端的辐射源，具有朝向气动滑板的辐射场；和

处理器，用于分析来自所述辐射检测器检测到的信息；

其中，所述气动滑板接收来自辐射源的放射线的照射，产生的排放由辐射检测器检测并由处理器分析，以提供含于气动滑板的材料的分子和元素信息中的至少一个；

所述气动滑板分析仪还包括至少一个位于隧道内部的可动闸门，所述至少一个闸门的操作是为了增加或减少位于隧道材料堆积区的材料的总重量，以通过气动滑板分析仪进行测定。

2.根据权利要求1所述气动滑板分析仪，其中，所述分析为瞬发伽马中子活化分析、热中子分析、脉冲快中子分析和快中子分析中的至少一种。

3.根据权利要求1所述气动滑板分析仪，其中，所述辐射检测器是多个检测器。

4.根据权利要求3所述气动滑板分析仪，其中，所述多个检测器中的至少一个是激光诱导击穿光谱和近红外成像检测器中的至少一个。

5.根据权利要求1所述气动滑板分析仪，其中，所述辐射源是放射性中子源和可控中子发生器中的至少一个。

6.根据权利要求1所述气动滑板分析仪，其中，气动滑板分析仪内的气动滑板的部分是由吸收中子少于钢的材料制成。

7.根据权利要求1所述气动滑板分析仪，还包括隧道中的混合器，所述混合器混合在隧道中或者隧道材料堆积区的前部或内部的材料。

8.根据权利要求1所述气动滑板分析仪，还包括至少一个加热器和冷却器来加热或冷却所述检测器。

9.根据权利要求1所述气动滑板分析仪，还包括位于气动滑板和检测器之间的活跃冷却通道。

10.根据权利要求5所述气动滑板分析仪，还包括中子慢化剂，以优化来自气动滑板分析仪的信号。

11.根据权利要求1所述气动滑板分析仪，还包括位于所述主体上的γ射线吸收剂，以直接或间接地减少那些不希望被吸收和计数或有助于外部生物辐射剂量从气动滑板分析仪发出的背景辐射。

12.根据权利要求1所述气动滑板分析仪，设置所述屏蔽材料以减少对于生物屏蔽的外部辐射。

13.根据权利要求1所述气动滑板分析仪，其中，所述主体包括多个基本均匀形状的，独立的，屏蔽的部分，使所述主体以分段的方式构造或拆除。

14.根据权利要求13所述气动滑板分析仪，其中，所述主体被构造，以适应不同的屏蔽要求或不同的气动滑板尺寸。

15.根据权利要求1所述气动滑板分析仪，还包括位于隧道内的开口，以使物理采样材料中的至少一个直接来自所述隧道，以及评价隧道的校准标准。

16.根据权利要求1所述气动滑板分析仪，其中，所述气动滑板包括多个部分，其中的一个部分可被替换以便于维护或校准。

17.根据权利要求7所述气动滑板分析仪，位于主体上的气动滑板的堆积区被设计为具有一定形状和尺寸，以提高气动滑板分析仪的信号准确度。

18.根据权利要求17所述气动滑板分析仪，其中，所述分析仪内部的启动滑板的一部分的尺寸被设计，以改善信号的精度。

19.根据权利要求1所述气动滑板分析仪，还包括所述气动滑板的材料，所述材料为生料，成品水泥，成品水泥和集料的共混物，预拌混凝土，飞灰，石膏，石灰石，水泥熟料，底灰，炉渣，石灰，硅粉，研磨的粒状高炉炉渣，页岩，砂，砂石，铁灰，铝土矿，火山灰中的至少一种。

20.根据权利要求19所述气动滑板分析仪，还包括含所述材料中的至少一种的筒仓。

21.根据权利要求20所述气动滑板分析仪，其中，所述处理器发送信息，根据气动滑板中的材料的分子和元素组成中的至少一个，来调节来自所述筒仓的材料的供给量。

22.一种用于测量气动滑板中的材料的元素含量的方法，包括：

形成气动滑板分析仪主体，其具有气动滑板的进口与出口和气动滑板通道的内部空隙，所述主体包括辐射屏蔽材料；

布置气动滑板于所述主体的所述内部空隙，所述气动滑板的一部分被指定为一个分析区；

输送材料到气动滑板，并在分析区积累；

设置位于分析区和气动滑板近端的辐射检测器，具有朝向所述分析区的监测区；

设置位于分析仪主体和气动滑板近端的辐射源，具有朝向分析区的辐射场；

通过辐射检测器，检测来自分析区被照射材料的辐射信息；

转发所述辐射信息于处理器；

分析所述转发信息，并确定分析区材料的元素和分子组成信息中的至少一个。

23.根据权利要求22所述方法，还包括，调整分析区的材料的量。

24.根据权利要求22所述方法，其中，所述分析为瞬发伽马中子活化分析、热中子分析、脉冲快中子分析、快中子分析、激光诱导击穿光谱和近红外成像探测器中的至少一种。

25.根据权利要求22所述方法，其中，所述辐射源是一种产生广谱X射线的X射线源，所述辐射检测器是一种X射线检测器，所述分析是基于X射线源光谱并随材料中的每种元素衰减。

26.根据权利要求22所述方法，其中，所述材料的分子和元素组成中的至少一个由每种元素的独特能量依赖性对入射γ射线的响应函数确定，其中，所述入射γ射线取决于每种元素的原子密度厚度。

27.根据权利要求22所述方法，其中，还包括根据气动滑板中的材料的分子和元素组成中的至少一个，来调节来自提供材料于气动滑板的筒仓的材料的供给量，其中，所述筒仓包含生料，成品水泥，成品水泥和集料的共混物，预拌混凝土，飞灰，石膏，石灰石，水泥熟料，底灰，炉渣，石灰，硅粉，研磨的粒状高炉炉渣，页岩，砂，砂石，铁灰，铝土矿，火山灰中的至少一种。