CN1942759B

CN1942759B - 钻石检测

Info

Publication number: CN1942759B
Application number: CN2005800116079A
Authority: CN
Inventors: 雅克·P·F·塞尔肖普; 西蒙·H·康奈尔
Original assignee: WITWATERSRAND JOHANNE, University of; SELLSCHOP SUSAN MARIETTA EF
Current assignee: WITWATERSRAND JOHANNE, University of; SELLSCHOP SUSAN MARIETTA EF
Priority date: 2004-03-12
Filing date: 2005-03-14
Publication date: 2011-01-12
Anticipated expiration: 2025-03-14
Also published as: AU2005220403A1; CN1942759A; AP1986A; ZA200608025B; WO2005088283A1; AP2006003753A0; RU2006135960A; CA2559516C; CA2559516A1; AU2005220403B2; RU2334974C2

Abstract

本发明涉及一种检测颗粒中钻石存在及根据颗粒是否包含钻石而进行分选的方法和装置。在所述方法中，所述颗粒受到选定能级的光子的辐射(36)，在所述能级下激发用于光子与碳发生核子作用的GDR(巨偶极子谐振)，根据该颗粒在射入的光子下发生的反应识别该颗粒为潜在的钻石或者含钻石颗粒。在优选的实施例中，根据光子/碳核子作用是否产生特征半衰期约为20分钟的同位素¹¹C，并且根据是否检测到该颗粒发射具有与特定能级重合和共线的伽马射线光子来识别该颗粒是否为钻石或含钻石颗粒。

Description

钻石检测

技术领域

本发明涉及钻石的检测。

本发明可用于检测以单体的自由颗粒、包藏在典型地如金伯利岩寄主体中或者以颗粒的形式被包含在大量其它颗粒中的钻石。

背景技术

参照本发明在金伯利岩寄主体内检测钻石的应用，应当认识到，在钻石分离操作中，非常希望在早期阶段有检测作为蕴含钻石寄主的金伯利岩颗粒的设备。然后可以抛弃那些无用的金伯利岩颗粒而仅仅继续处理那些被指示出包含钻石蕴含物。在较早的阶段抛弃无用的颗粒，可以减小对后续处理设备在处理能力上的要求。

另外，具有这样的设备的好处是不但检测出钻石蕴含物的存在，而且检测出该蕴含物在寄主金伯利岩体中的大小和相对位置，因为这些信息可以用于调节后续用于分离出钻石蕴含物的破碎操作，从而保证其不被物理损坏。

在已知的从寄主金伯利岩体中检测钻石蕴含物的方案中，采用X射线或者中子线照射寄主体。在前者的情况下，钻石和金伯利岩对于X射线不同的吸收作用指示出钻石蕴含物的存在。然而，这种技术饱受钻石和寄主金伯利岩之间X射线衰减系数差异较小的缺点的困扰，因此得到的对比性受到限制。另外，采用这种方式在能够被分析的颗粒的大小上有更严格的限制，原因是在金伯利岩中发生实质性的X射线衰减。已知的中子辐射技术依赖于中子谐振吸收性，但是也存在钻石和围绕的金伯利岩之间可检测的对比性和该方法在实践中的复杂性的限制，这些限制也受到关注。

发明内容

本发明的一个方面是提供一种在颗粒中检测钻石存在的方法，其利用选定能级的光子辐射所述颗粒，在该能级上，激发用于光子与碳的核子作用的GDR(巨偶极子谐振)，则根据该颗粒与射入的光子发生的相互作用识别该颗粒为潜在的钻石或者含钻石颗粒。该颗粒可以用包括一定范围的能级的轫致辐射来辐射，在该范围内包括特有的GDR能级，其对碳原子而言典型地为22MeV。

在优选实施例中，根据光子/碳的核子作用是否产生特征半衰期约为20分钟的同位素¹¹C和/或根据是否该颗粒发射与特征能级重合和共线的伽马射线光子来识别该颗粒是否潜在地为钻石或含钻石颗粒。

根据本发明的另一方面，这里提供一种联机(on-line)颗粒分类方法，其包括这样的步骤，即，用一定能级的伽马射线光子辐射颗粒，在该能级上，激发用于光子与碳的核子作用的GDR(巨偶极子谐振)，从而根据光子/碳核子作用是否产生特征半衰期约为20分钟的同位素¹¹C和/或根据是否该颗粒发射具有与特征能级重合和共线的伽马射线光子来识别该颗粒是否潜在地为钻石或含钻石颗粒，并且将被识别为潜在的钻石或含钻石颗粒的那些颗粒从其它颗粒中分离出来。

本发明还提供一种从颗粒中检测钻石的存在的装置，该装置包括用一定能级的伽马射线光子辐射颗粒的装置，在该能级上，激发用于光子与碳发生核子作用的GDR(巨偶极子谐振)；以及根据该颗粒与入射光子的相互作用来识别该颗粒是否为潜在的钻石或含钻石颗粒的装置。

本发明还提供一种联机颗粒分选装置，其包括用于辐射颗粒的辐射装置，所述颗粒被一定能级的伽马射线光子辐射，在该能级上，激发用于光子与碳发生核子作用的GDR(巨偶极子谐振)；以及包括根据光子/碳核子作用是否产生特征半衰期约为20分钟的同位素¹¹C和/或根据是否该颗粒发射具有与特征能级重合和共线的伽马射线光子来识别该颗粒是否为钻石或含钻石颗粒的识别装置；还包括将被识别为潜在的钻石或含钻石颗粒的那些颗粒从其它颗粒中分离的分离装置。

本发明的其它特征将从下述说明和附带的权利要求书中显现。

在本发明如上所述的第一方面中，通过具有足够能量的颗粒加速器产生轫致辐射，以在接受分析的可能存在的碳原子核的颗粒中激发GDR。

应当注意的是，GDR是所有原子核的激发态的基本模式，也包括碳原子核，其特征在于其显著的强度、宽度和平均能量。可以使用具有这样的能量端点的完全、连续的轫致辐射，所述能量端点超过包含对于碳的特征GDR，即，约22MeV的能带的窗口的上端点。可以典型地通过特定发射角的校准使该轫致辐射单色化，从而能带宽度在选定的中间值位置足以覆盖特征GDR宽度。

分析钻石是否存在的颗粒，典型地是金伯利岩颗粒，利用轫致辐射被单独地照射。在为了这些含钻石的颗粒从其它颗粒中分离出来而对很多含钻石的金伯利岩颗粒进行分析的情形下，这些颗粒例如以单行或单层形式通过辐射站，在该处这些颗粒单独地受到辐射。例如，这可以发生在如一个传送带上，或者颗粒从排放点自由下落的过程中。

较之其中嵌入钻石的寄主岩石而言轫致辐射中在特征光子能级上更大程度上被颗粒中的碳也就是钻石所吸收。由得到的差异吸收图像，可以检测到颗粒中钻石的存在。可以采用简单的线性几何检测阵列或更复杂的层析成像系统获得图像。在任何一种情况下，可以采用标准图像增强技术来改善图像中钻石和与其相关的岩石之间的对比度。一般低密度的碳均质地分布在相关联的岩石中形成淡淡的轮廓背景，而钻石中高密度、高密度的碳被叠加在其上。

在上述分析中指出颗粒内存在钻石的情况下，典型地采用传统分选设备将该颗粒被从其它无用的颗粒中分离出来。例如，在颗粒在传送带上被输送并被分析，然后从该带的一端抛出并在重力作用下自由下落的情况下，可以利用在实施分析的计算机的控制下操作的适宜的鼓风喷射器使选出的颗粒偏离出所述的下落颗粒流。

然而，应当理解的是，可以用任何适合的分选装置将肯定性地鉴定存在钻石的颗粒从不存在这种鉴定的无用颗粒中分离开。

如上述总结，本发明优选的第二个方面，接受分析的颗粒再次受到预定能级的伽马射线轫致辐射的辐射。入射光子通过核子作用激活有关的颗粒的碳含量：

¹²C(γ，n)→¹¹C 带有Q＝-18.7215MeV

¹¹C→β⁺+β^- 带有Q＝+1.982MeV

T(¹¹C)＝20min

¹¹C的半衰期20分钟使得该反应具有特性，并且为后续质疑程序的应用表示出一个适当的时间周期，如下所述。

当正电子静止时，其立即与电子湮灭，如下：

β⁺+β^-→γ+γ

所述两个伽马射线是重合的并且是共线的，各具有特征能级0.511MeV，使得它们易于被检测。它们独特的特征(背靠背的(back-to-back)，时间重合(time coincident)的及被分辩的能量(energy resolved))可以用来对的共线的各自的能级为0.511MeV的光子对的发射源进行定位并且成像，如下进一步说明。

刚才所述方法的灵敏度可以通过仔细选择入射光子的能级而得到改善。当Q值为-18.7215MeV时，发生该反应的阈值能级为+18.7125MeV。然而，如上所述，碳即钻石的特征GDR值为约22MeV。因此可以考虑将入射光子能级的值最优地延伸到超过30MeV。可以通过使连续轫致辐射的端点在此范围内的形式或者利用一个具有足够的宽度能够包括全部GDR谱和适当的中间能量的光子能级窗来实现。通过以此方式仔细选择入射光子能级，可以减小接受分析的颗粒遭受的辐射损伤，而不会减小响应的可检测性。

根据本发明的第一方面的方法，肯定性地识别含有钻石蕴含物的颗粒可以从其它没有这种识别的无用颗粒中被分离出来。¹¹C的半衰期和两个重合并且共线的各自具有0.5111MeV能级的伽马射线光子这些区别特征，与该辐射的源点的成像一起，使得该方法在砾石选矿中或在传送带或类似物传送过程中不仅适合区分并分离出全部或局部嵌入蕴含在寄主颗粒中的钻石，而且适合区分并分离以孤立的或与其它例如包覆物的颗粒混合的形式存在的离散颗粒型的游离钻石。

上述第二种方法的一个重要特征的产生来自于在选定的与钻石中产生GDR效应向一致的能级下的入射光子具有的高穿透能力以及发射出的伽马射线光子具有高的穿透能力。

这对于每个颗粒能在多大程度上敏感以及如何使得颗粒被光子通量辐射两者都是重要的。对于入射光子通量，例如可以理论性地示出对于典型金伯利岩具有2.8gcm^-3，仅有50％的初始30MeV的光子通量在通过13cm的金伯利岩样品后被衰减，并且当样品厚度为10cm和44cm时，相同的初始光子通量的相应衰减值分别为22％和90％。这样，以10cm的金伯利岩样品颗粒为例，在光子能级为30MeV时可以容易地实现对于任何钻石蕴含物的充分激化。在任何情况下都可以实施适当的校正从而满足预期的衰减。

这样，应当理解的是，利用本发明的方法可以分析较大的颗粒，而且初始矿石破碎步骤可以相应的进行定制。还应当理解的是，虽然术语“颗粒”用于本说明书的全文，本发明并不仅限于分析小尺寸的矿物碎块。

对于发射出的特定的伽马射线光子的穿透能力以及由此而来的检测能力而言，可以理论性地示出钻石在直径10cm的球形金伯利岩颗粒的中心位置，钻石蕴含物发出的0.511MeV的伽马射线光子，到达颗粒的表面，被衰减了70％，剩下的原始通量的30％足以用于检测。然而，鉴于接受分析的颗粒是不规则形的，并且任何钻石蕴含物很少位于中心位置，可以相信用检测器围绕在颗粒的周围是有利的，由此可以改善检测到钻石的可能性。

在实际装置中，可以在传送带的上游位置利用入射光子通量辐射所述颗粒，可以在考虑到20分钟的特征半衰期后选择在该带的下游位置进行伽马射线检测。该检测器可以采用信号模式，重合模式或它们的结合模式。

作为本发明的第二方面的方法的进一步的特征，其不仅可以确定是否颗粒中含有钻石蕴含物，而且可以确定该蕴含物在颗粒中的位置和尺寸。根据伽马射线发射的绝对强度，可以确定钻石蕴含物的尺寸。为了确定颗粒中的钻石的位置，可实施图像重建算法。例如可以采用两个伽马射线检测器并且在它们之间使颗粒旋转。可替代的是，可以采用带有大规模阵列的静态检测器的PET摄像系统或者较小阵列可移动的移动监测器，从而建立具有充分空间分辨率的三维图像，以精确地确定该蕴含物的位置。具有足够的空间分辨率的现代检测器和完善的软件可供使用，并且其原理已经被实验证实。以下更多地要论述的是目前优选的检测器的布置形式。

已经发现光子与金伯利岩之间的相互作用可以产生信号干涉。⁵³Fe，⁵²Mn和⁸¹Sr具有与¹¹C可比拟的半衰期，但是它们在金伯利岩中的低密度对于¹¹C的检测没有显著的影响。除了⁴⁴K的光子能级为0.4MeV外，来自⁴⁴K的干涉应当予以关注，并且适当地选择能级为0.511MeV的光子可以消除这种干涉。

在金伯利岩样品中最常见的元素是氧，然而其由于有关的核子作用导致的半衰期仅为2.03分钟。这样，在经过几个¹⁶O的半衰期之后实施碳检测步骤可以充分的减弱由于干涉导致的问题，例如在大约10分钟后，在氧激化已经停止后实施检测。剩余的正电子衰变将由20分钟半衰期主导并且相应地区分出碳。

被抛弃的受过辐射的金伯利岩显示出较小的放射性。受到激发的主要的元素的半衰期从几秒到几小时。一天之后，放射级别将会显著降低。对于受到辐射的包含较大蕴含的钻石，实验已经示出，到目前为止主要放射源是几个小时后才会衰变完的¹¹C。

根据以上内容，应当理解的是，应用本发明的这一方面提出的方法对碳的标识依赖于作为前述的作用顺序的结果而从碳原子附近发射出的两个重合并且共线的光子的检测。

钻石和非钻石碳源都将会导致相同的重合和共线光子的特征。金伯利岩中非钻石形式的碳与钻石形式的碳比较，在关注的尺寸范围内表现为更细小的微粒，并且基本上均质分布。非钻石形式的碳的典型密度为约0.2％。仅凭碳信号的强度还不足以在寄主金伯利岩体积大于钻石的体积约500倍时识别出潜在的钻石颗粒的存在。

该问题可以通过对碳信号的源几何图形进行准成像，基本上识别在源区域的碳的密度而得以解决。等效地，源自钻石的碳信号并不是在整个金伯利岩体积内可见，而是在较小的体积内可见，也就是在可以被准成像处理识别的最小体积元内。这种技术可以相应地改善在钻石和非钻石形式的碳之间的区别。

这是基于这样的事实，即所考虑的大多数类型的金伯利岩中，钻石形式的碳都代表最强的区域化的碳信号源。所述准成像技术利用两个光子重合并且共线这一事实，使得PET型算法可以用来重构发生双光子事件的源分布。适当的PET型算法利用检测器的两维阵列，同时使得源物质相对移动，一列PET型检测器器典型地沿着传送系统的长度布置并包围该传送系统。

这在示意性的附图中有图示。如图1所示，金伯利岩或者其它源物质10利用传输系统诸如图示的传送带12匀速移动，通过两个成像装置14和16。第一成像装置14对物质颗粒的粗糙物理尺寸进行成像。其可以例如通过一列光电二极管连同相关联的计时部件产生物质的二维“阴影”，该阴影可以利用适当的软件算法产生被输送颗粒的三维图像。

第二装置16是上述的准成像装置，以类似于PET装置的方式工作。重合并且共线的光子被一列位置敏感的光子检测器器18(图2)检测，后者测量检测到的光子的位置、进行这种测量的时间以及光子的能量。

然后利用适当的软件对检测器18因此获得的信息进行分析，所述软件在相对于源物质的即时位置在给定时间内恰当地将检测到的光子配成重合对。实际上软件算法冻结了源物质的移动，并且采用射线跟踪技术，在共线的背对背发射的技术上重构源物质的碳信号密度图。最终的图像重构依赖于光子检测器18的位置灵敏特性以及被识别的光子对和它们的共线特性。

为了准确地重构图像，检测器良好的时间分辨率对于正确识别重合光子对而言是个关键。已经确认在采用纳秒级的时间分辨率的检测器时，对真实重合比值的随机性可以忽略。

结合重构的图像与装置14获得的源物质颗粒的物理图像，可以决定是否研究中的微粒包含碳的局部浓度，即高于贫钻石金伯利岩颗粒的平均碳浓度的碳的局部浓度，该局部浓度相应地表示是否存在钻石22。

以下，如前所解释的那样，源物质微粒进入将被识别的颗粒从其它颗粒中分离的分选装置20(图1)。

图3示意性图示处理厂的组件，该处理厂可以实施刚才所述的方法。标记30表示破碎机，用来将颗粒尺寸减小到10cm或更小。斜槽32将破碎的颗粒引向环形传送带34上，该传送带将颗粒输送通过22MeV的辐射器36，该辐射器利用如上所述的伽马辐射辐射所述颗粒。颗粒被该传送带放置在漏斗38内，该漏斗在将颗粒放置到环形传送带40之前将颗粒保持至少20分钟的时间。所述传送带40将颗粒传送通过检测台，其中检测器44的阵列42围绕该带，如上所述。在检测台的下游，被识别为潜在的含钻石的颗粒被加标签装置46加上标签，此后被加上标签的颗粒从普通颗粒流中被机械拾取装置48取走。无用的颗粒50被放置在另外的传送器上，该传送器将它们运输到废料区，而选出的颗粒52，如果有需要的话，在破碎台进行破碎，并且在重介质分离单元56内接受常规的重介质分离，可能的话，在X射线分选器58内接受传统的X射线分选，从而产生富含钻石的产品60。

可以预期的是，在地下钻石矿场内，上述的处理至少直到分选阶段的过程都可以在地下实施。无用的岩石然后可以堆积在地下而不需要将它们运输到地面上。仅仅选出的颗粒需要提升到地面而进行进一步的处理。

应当理解的是，上述说明和附图是对本发明的特定实施例的说明，在本发明的范围内可以进行许多的改动。

Claims

1.一种检测颗粒中钻石存在的方法，其中所述颗粒受到选定能级的光子的辐射，在所述能级激发用于光子与碳发生核子作用的GDR(巨偶极子谐振)，根据该颗粒在射入的光子下发生的反应识别该颗粒为潜在的钻石或者含钻石颗粒。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述颗粒可以用包含一定的能级范围的轫致辐射来照射，该能级范围包括碳的特征GDR能级。

3.如权利要求2所述的方法，其中所述颗粒可以用一定的能级范围的轫致辐射来照射，该能级范围包括特征能级22MeV。

4.如前述任意权利要求之一所述的方法，包括根据光子/碳核子作用是否产生特征半衰期约为20分钟的同位素¹¹C而识别所述颗粒是否为钻石或者含钻石颗粒的步骤。

5.如权利要求4所述的方法，包括根据是否从所述颗粒发出与特征能级重合和共线的伽马射线光子而识别所述颗粒是否为钻石或者含钻石颗粒的步骤。

6.如权利要求5所述的方法，其中根据是否从所述颗粒发出与能级0.511MeV重合和共线的伽马射线光子而识别所述颗粒是否为钻石或者含钻石颗粒。

7.如权利要求5所述的方法，包括分析检测到的重合和共线的伽马射线光子，以提供一个在一容纳碳蕴含物的颗粒中聚集的碳蕴含物，潜在的钻石的相对位置的指示的步骤。

8.如权利要求6所述的方法，包括分析检测到的重合和共线的伽马射线光子，以提供一个在一容纳碳蕴含物的颗粒中聚集的碳蕴含物，潜在的钻石的相对位置的指示的步骤。

9.一种联机颗粒分选方法，包括步骤：用一定能级的伽马射线光子辐射颗粒，在该能级上，激发用于光子与碳发生核子作用的GDR(巨偶极子谐振)，从而根据光子/碳核子作用是否产生特征半衰期约为20分钟的同位素¹¹C和/或根据是否该颗粒发射具有与特征能级重合和共线的伽马射线光子来识别该颗粒是否为钻石或含钻石颗粒，并且将被识别为潜在的钻石或含钻石颗粒的那些颗粒从其它颗粒中分离出来。

10.如权利要求9所述的联机颗粒分选方法，其中，在辐射后，所述颗粒在实施进一步分析前被保持至少20分钟。

11.如权利要求1-3任一所述的方法，其中，如果由所述颗粒吸收的光子能量指示碳以聚集形式存在的话，所述颗粒被识别为潜在的钻石或者含钻石颗粒。

12.如权利要求11所述的方法，其中所述颗粒为金伯利岩颗粒，并且所述方法包括获得所述颗粒的差异吸收图像，并且确定是否所述图像指示所述颗粒中存在碳的聚集的步骤。

13.一种用于检测颗粒中钻石存在的装置，该装置包括用一定能级的伽马射线光子辐射颗粒的装置，在该能级上，激发用于光子与碳发生核子作用的GDR(巨偶极子谐振)；以及根据所述颗粒与所述入射光子的相互作用来辨认该颗粒是否为潜在的钻石或含钻石颗粒的装置。

14.如权利要求13所述的装置，其中所述辐射装置被布置成利用能级为22MeV的伽马辐射来辐射所述颗粒。

15.如权利要求13或者14所述的装置，包括确认是否光子/碳核子作用产生特征半衰期约为20分钟的同位素¹¹C以及是否所述颗粒发射具有与特征能级重合和共线的伽马射线光子的装置。

16.如权利要求15所述的装置，包括确认是否从所述颗粒发出与能级0.511MeV重合和共线的伽马射线光子的装置。

17.如权利要求15所述的装置，包括分析检测到的重合和共线的伽马射线光子，以提供一在容纳碳蕴含物的颗粒中指示出聚集的碳蕴含物，潜在的钻石的相对位置指示的装置。

18.一种联机颗粒分选装置，包括：用于辐射颗粒的辐射装置，所述颗粒被一定能级的伽马射线光子辐射，在该能级上，激发用于光子与碳发生核子作用的GDR(巨偶极子谐振)；以及包括根据光子/碳核子作用是否产生特征半衰期约为20分钟的同位素¹¹C和/或根据是否所述颗粒发射具有与特征能级重合和共线的伽马射线光子来识别所述颗粒是否为钻石或含钻石颗粒的识别装置；还包括将被识别为潜在的钻石或含钻石颗粒的那些颗粒从其它颗粒中分离的分离装置。

19.如权利要求18所述的联机颗粒分选装置，包括在所述识别装置的操作前将所述颗粒保持至少20分钟时间的临时存储装置。

20.如权利要求19所述的联机颗粒分选装置，其中所述存储装置包括漏斗，所述漏斗在辐射后保持所述颗粒并且在保持至少20分钟后将其释放到所述识别装置上。