DE102007029778A1 - Verfahren und Vorrichtung zum qualitativen und/oder quantitativen Nachweis von chemischen Elementen in Bodenproben - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum qualitativen und/oder quantitativen Nachweis von chemischen Elementen in Bodenproben Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum qualitativen und/oder quantitativen Nachweis von chemischen Elementen in Bodenproben. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung bereitzustellen, das mobil an unterschiedlichen Orten im Feld zum Einsatz kommen kann, ein geringes Gewicht hat und bei einfacher Handhabung eine hohe Analysengenauigkeit erreicht. Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, dass der Abklingprozess der mit der Bodenprobe wechselwirkenden schnellen Neutornen für eine mobile Feldanalyse mit folgenden Schritten verwendet wird: a) synchrones Bestrahlen einer Referenzprobe und der Bodenprobe zum gleichzeitigen Erfassen der Messwerte für eine Referenz-Abklingkurve (K2) und eine Abklingkurve (K1) für die Bodenprobe, b) Vergleich der Referenz-Abklingkurve (K2) und der Abklingkurve (K1) für die Bodenprobe durch Normierung auf die Abklingkurve (K1); c) Auswerten der Abklingkurve (K1) nach ihrer Lage, Form und ihren Unstetigkeitsstellen zum Bestimmen der qualitativen Elementzusammensetzung der Bodenprobe, wenn die Vergleichbarkeit beider Kurven (K1; K2) festgestellt wird und d) Vergleich der ermittelten Elementzusammensetzung nach Schritt c) mit elementbezogenen Kalibrierungskurven zum Bestimmen des Elementgehalts in der Bodenprobe.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum qualitativen und/oder quantitativen Nachweis von chemischen Elementen in Bodenproben, bei dem eine Bodenprobe mit schnellen Neutronen hoher Energie aus einer künstlichen Neutronenquelle impulsartig bestrahlt, die Anzahl bzw. Impulse der mit den Elementen wechselwirkenden thermischen Neutronen durch einen Detektor gemessen werden, wobei die Impulse des Abklingprozesses in digitalisierte Messwerte gewandelt und einem Rechner zugeführt werden, der die Messwerte zu einer Abklingkurve verarbeitet, aus dem Art und Menge der in der Bodenprobe enthaltenen Elemente bestimmt und angezeigt werden.
  • Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum qualitativen und/oder quantitativen Nachweis von chemischen Elementen in Bodenproben, mit einer künstliche Neutronenquelle zum impulsartigen Bestrahlen der Probe mit schnellen Neutronen hoher Energie von bis zu 14 MeV, mindestens einen Detektor zum Registrieren der Abklingzeit der mit der Probe wechselwirkenden Neutronen durch Zählen der Impulse und eine Stromversorgung für die Neutronenquelle und den Detektor, und einer mit dem Detektor über eine Schnittstelle verbundenen Steuereinheit zum Empfangen und Verarbeiten der erfassten Impulse, einem Monitor zur Anzeige der verarbeiteten Ergebnisse und eine separate Stromversorgung für die Steuereinheit,
  • Stand der Technik
  • Zur quantitativen Bestimmung des Vorhandenseins von Kohlenwasserstofföl oder Salzwasser in einer von einem Bohrloch durchdrungenen Erdformation ist es bekannt, künstliche Neutronenquellen einzusetzen ( DE 2 210 550 A1 ).
  • Aus der EP 493 545 B1 ist ein Verfahren zum Bestimmen des Gehaltes der unterschiedlichen Bestandteile eines Schüttgutes bekannt, bei welchem das Schüttgut kontinuierlich in eine Bestrahlungs- und Gammamesszone gefördert wird, wobei die Gammastrahlung durch eine gepulste Neutronenquelle erzeugt wird. Die von dem Schüttgut emittierte Gammastrahlung wird in einem kontinuierlichen Energiebereich von 0 bis 10 MeV von einem Detektor, beispielsweise Szintilationszähler, gemessen und als resultierendes Spektrum erfasst. Die Daten des resultierenden Spektrums werden einer Berechnungseinrichtung zugeführt, in welchem Daten von Vergleichsspektren gespeichert sind.
  • Das gemessene Spektrum wird in Energiebänder segmentiert und jede Segmenthöhe mit den Segmenthöhen der Energiebänder der entsprechenden Vergleichsspektren verglichen, um die Gehalte der jeweiligen Bestandteile des Schüttgutes über eine Matrizenberechnung zu bestimmen.
  • Die Anordnung zum Bestimmen des Gehaltes der unterschiedlichen Bestandteile eines Schüttgutes umfasst eine Neutronenstrahlungsquelle zum gepulsten Bestrahlen des Schüttgutes, Meßeinrichtungen für verschiedene Gammastrahlen, eine Empfangseinrichtung für die Daten der resultierenden Spektren und eine Berechnungseinrichtung, die einen Vergleich zwischen den Daten des gemessenen Spektrums mit den Daten der unter identischen Bedingungen gemessenen Spektren für die reinen Bestandteile ermöglichen.
  • Dieser bekannte Stand der Technik hat den Nachteil, dass die Sekundärreaktion, d. h. Gammastrahlen, für die Bestimmung des Gehalts an Elementen genutzt wird, so dass eine ausreichend Elementmenge im zu untersuchenden Material zur Verfügung stehen muss, damit ein Nachweis überhaupt möglich ist. Elementnachweise im ppm-Bereich sind daher mit diesem bekannten Verfahren zu ungenau.
  • Des Weiteren hat dieses bekannte Verfahren auch den Nachteil, dass resultierende Energiespektren erfasst werden, die letztendlich nur summare Effekte beinhalten, wodurch die Genauigkeit dieser bekannten Messmethodik weiter verschlechtert wird, so dass dieses bekannte Verfahren keine echte Alternative zu der aufwändigen chemischen Elementaranalyse oder Röntgenfluoreszenzanalyse ist.
  • Aus der DE 36 10 800 A1 ist ein Verfahren zum Messen von Erdformationseigenschaften bekannt, bei dem die Erdformation mit Impulsen von Neutronen wiederholt bestrahlt wird und die von der Erdformation ausgehenden Gammastrahlen erfasst werden, wobei die kumulativen Zählwerte für jeden Impuls Punkte auf einer Kurve der kumulativen Zählung über die Zeit definieren, die einen mathematischen Ausdruck hat. Die Eigenschaften der Erdformation werden aus den kumulativen Zählfenstern durch Berechnen der Variablen in dem mathematischen Ausdruck ermittelt. Das bedeutet, dass bei diesem bekannten Stand der Technik eine kumulative Zählung anstelle der Zählratenkurve zum Bestimmen der Formationseigenschaften benutzt wird. Auch diese bekannte Messmethodik führt zu dem Nachteil, dass nur summare Effekte zur Auswertung gelangen.
  • Der Anmelder hat gemäß unveröffentlichten Patentanmeldung 10 2006 031 800 ein Verfahren zum Überwachen von Schadstoffen im Boden und/oder flüssigen Medien, insbesondere simultanen Überwachen einer Vielzahl von chemischen Elementen, anorganischen und/oder organischen Verbindungen vorgeschlagen, bei dem die Art und Menge des Schadstoffes an Ort und Stelle in-situ ermittelt und angezeigt wird. Der Boden und/oder die flüssigen Medien werden mit schnellen Neutronen hoher Energie aus einer künstlichen Neutronenquelle impulsartig bestrahlt, wobei die schnellen Neutronen auf den Bereich thermischer Energie verlangsamt und von den nachzuweisenden Elementen und/oder Verbindungen eingefangen werden, wobei die Anzahl der thermischen Neutronen registriert, die erfassten Werte anschließend einem Rechner digitalisiert zugeführt und dann von diesem zu einer für das untersuchte Medium typischen Abklingkurve verarbeitet wird, aus der die Art und die Menge der Elemente und/oder Verbindungen kontinuierlich bestimmt wird.
  • Dabei wird die sich ergebende Verteilung der thermischen Neutronen als Abklingkurve über die gesamte Lebenszeit der Gesamtheit der thermischen Neutronen zum Nachweis, zur Anzeige der chemischen Elemente und/oder Verbindungen herangezogen. Es laufen im Einzelnen folgende Arbeitsschritte ab:
    • a) Erfassen aller Wechselwirkungen zwischen Neutronen und Umgebung während der Lebenszeit eines einzelnen Neutrons in Form der Abklingkurven,
    • b) Festlegen einer Länge eines Zählintervalls oberhalb einer Totzeit des Systems,
    • c) Auswertung der nach Schritt a) ermittelten Abklingkurven durch Untergliedern der Kurve in einanderstoßende Registrierfenster, wobei die Zählraten in jedem einzelnen oder ausgewählten Fenster durch Zählen bestimmt und erfasst werden,
    • d) Feststellen der Art des Elementes und/oder der Verbindung auf der Abklingkurve durch Zuordnen der ermittelten Zählraten in den einzelnen Fenster zu von für die einzelnen Elemente bzw. Verbindungen vorliegenden charakteristischen Einfangquerschnitten für thermische Neutronen und
    • e) Bestimmen der Menge des Elementes und/oder der Verbindung aus der Höhe der erfassten Zählrate oder der Lage auf der Abklingkurve.
  • Das vorgeschlagene Verfahren benötigt eine in den Boden oder in das Gewässer stationär verlegt Sonde und ist daher für eine simultane kontinuierliche Überwachung auf Kontaminationen von Boden und Gewässer gut geeignet. Mobile Elementgehaltbestimmungen an unterschiedlichen Orten wie sie in Feldanalysen notwendig werden, sind mit der vorgeschlagenen Lösung nicht zufriedenstellend lösbar, weil die Sonde für einen mobilen Einsatz einerseits zu sperrig und auch zu schwer und andererseits die Verbindung zwischen Sonde und Rechner stationär, d. h. flüssigkeitsdicht bzw. fest, ausgelegt ist.
  • Aufgabenstellung
  • Bei diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung bereitzustellen, das mobil an unterschiedlichen Orten im Feld zum Einsatz kommen kann, ein geringes Gewicht hat und bei einfacher Handhabung eine hohe Analysengenauigkeit erreicht.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Gattung mit den Merkmalen des Anspruches 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Verfahren den Unteransprüchen entnehmbar.
  • Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich durch ein Verfahren aus, das den element- und materialspezifischen Abklingprozess schneller Neutronen für die mobile Feldanalyse nutzt. Die verschiedenen Elemente und Materialien besitzen gegenüber den Neutronen unterschiedliche Reaktionsintensitäten, so dass die Abklingkurve für das untersuchte Medium einen typischen Verlauf einnimmt und Aussagen über die Art und Menge der im Boden enthaltenen chemischen Elemente liefert.
  • Bei der mobilen Feldanalyse wird zunächst eine Abklingkurve aus den unterschiedlichen Reaktionsintensitäten zwischen den Neutronen und den Elementen in der Probe formiert. Damit diese gemessene Abklingkurve ausgewertet werden kann, wird eine Referenz-Abklingkurve mit bekannter Zusammensetzung und Menge bereitgehalten, wobei die Vergleichbarkeit der beiden Kurven durch eine Normierung der Referenz-Abklingkurve auf die formierte Abklingkurve bezogen wird. Durch Auswerten der gemessenen Abklingkurve nach ihrer Form und Lage wird die Art und die Anzahl der Elemente in der Probe bestimmt. Die Auswertung nach den Unstetigkeitstellen im Kurvenverlauf ergibt die Zusammensetzung der Probe. Die Konzentration der Elemente in der Probe wird als Abweichung von einer aus der Referenz-Abklingkurve und formierten Abklingkurve gebildeten mittleren Abklingkurve berechnet.
  • Von besonderem Vorteil ist, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung modular aufgebaut ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung setzt sich aus einem robusten, leichtgewichtigen und transportablen Feldmodul zur Probenbestrahlung und aus einem mit dem Feldmodul über Schnittstellen drahtlos oder durch Kabel verbundenes Steuermodul zur Auswertung der gemessenen Zählraten zusammen. Das Feldmodul ist mit seinem geringen Gewicht leicht beweglich und kann vor Ort je nach den Messerfordernissen problemlos umgesetzt werden, ohne dass das Steuermodul seine Lage verändern muss.
  • Wesentlich ist, dass das Feldmodul eine Probenkammer mit variablen Innenvolumen enthält, welches an Proben unterschiedlicher Größe und Konsistenz durch eine Anordnung von wasserstoffreichem Moderationsmaterial anpassbar ist und konstante Messbedingungen für den Neutronenfluß in der Probenkammer gewährleistet. Der Probenkammer ist eine Kammer zur Aufnahme einer Referenzprobe für die Verifizierung und die Quantifizierung der Messergebnisse zugeordnet. Die Probenkammer ist zudem gegenüber dem Detektor oder der Detektor gegenüber der Aufnahmekammer beweglich ausgelegt, so dass auch eine Probenabtastung von Proben mit größeren Volumina möglich wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren erreicht eine Empfindlichkeit im ppm-Bereich für alle bestimmten Elemente, die durchaus mit den Ergebnissen aus chemischen oder massenspektrometrische Analysen vergleichbar, aber wirtschaftlicher und zeitsparender ist.
  • Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.
  • Ausführungsbeispiel
  • Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
  • Es zeigt
  • 1 eine Darstellung einer aus einem Feldmodul und einem Steuermodul bestehenden erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei Feldmodul und Steuermodul drahtlos oder durch Kabel miteinander kommunizieren,
  • 2 einen Scnnitt entlang der Linie A-A in 1,
  • 3 Beispiele von typischen Abklingkurven für verschiedene Elemente,
  • 4 ein Beispiel einer Kalibrierungskurve für die Bestimmung des Zink-Gehaltes
  • 5 ein Schema zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
  • 6 ein Beispiel für den Zusammenhang zwischen Referenzprobe und Bodenprobe.
  • Der Gehalt an chemischen Elementen einer im Feld genommenen Bodenprobe soll qualitativ und quantitativ mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmt werden. Die Bodenprobe liegt in Form eines durch eine Kernbohrung gewonnenen Kernes vor, der mit schnellen Neutronen zur Bestimmung des Elementgehaltes impulsartig mit einer Quellenenergie von 14 MeV bestrahlt wird.
  • Die 1 und 2 zeigen den Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die aus einem transportablen Feldmodul 1 und einem stationären Steuermodul 2 besteht. Feldmodul 1 und Steuermodul 2 kommunizieren miteinander.
  • Das Feldmodul 1 enthält eine physikalische Neutronenquelle 3, beispielsweise ein niederfrequentes Minitron mit einer Quellenenergie von bis zu 14 MeV, mindestens einen Detektor 4 zum Registrieren der Abklingzeit der mit der Probe wechselwirkenden Neutronen und erfassen somit über die thermische Neutronenverteilung alle Effekte während der Lebenszeit eines Einzelneutrons. Es werden immer komplette Abklingkurven der mit der Probe wechselwirkenden thermischen Neutronen durch Zählen der Impulse aufgenommen. Die 3 zeigt den element- und materialspezifisch typischen Verlauf des Abklingprozesses in Form von Abklingkurven einer Reihe von Elementen.
  • Zum Feldmodul 1 gehört weiterhin ein Detektor 4, eine Stromversorgung 5 für den Betrieb des Feldmoduls 1, ein Modem 6 zur Datenübertragung an das Steuermodul 2, eine Kontrollplatine 7 für das Betriebsregime und ein Mikroprozessor 8 mit Speicher für die Daten der durch die Detektoren gezählten Impulse. Als Detektor 4 kommen Helium 3- oder Szintillationszähler zum Einsatz.
  • Das Feldmodul 1 ist kastenförmig ausgebildet und weist maximal Kantenlängen von 80 cm × 30 cm × 30 cm auf. Das Gesamtgewicht der Vorrichtung ist auf ca. 10 kg ohne Probe begrenzt, so dass eine Umsetzung des Feldmoduls 1 vor Ort problemlos möglich ist.
  • Das Feldmodul 1 enthält eine Probenkammer 9 für die zu analysierende Bodenprobe 10. Die Probenkammer 9 ist variabel ausgelegt, so dass Proben mit einer Länge von maximal 50 cm aufgenommen und analysiert werden können. Das kleinste Probenmaß beträgt 3 cm × 1 cm × 1 cm. Die Probenkammer 9 ist beiderseits mit Gummimanschette verschlossen.
  • Die Probenkammer 9 wird durch den Einbau von wasserstoffreichem Moderationsmaterial, beispielsweise Wolle bzw. Kugeln aus Polyethylen oder Wachs, an die unterschiedlichen Probengrößen und Konsistenz angepasst, um konstante Bedingungen für den Neutronenfluss zu gewährleisten. Das Moderationsmaterial kann beispielsweise an den Wänden 19 des Feldmoduls 1 als Verschalung befestigt sein.
  • Der Probenkammer 9 ist eine Kammer 12 zur Aufnahme einer Referenzprobe 13 zugeordnet, die in einer Ausnehmung 14 der Probenkammer 9 angeordnet ist. In dem hier gezeigten Beispiel ist die Ausnehmung 14 in die Wandung 11 der Probnenkammer eingeformt. Die Referenzprobe 13 ermöglicht es, eine Referenz-Abklingkurve K2 für die Abklingkurve K1 der zu analysierenden Bodenprobe 10 unter identischen Untersuchungsbedingungen zum Vergleich zu gewinnen und im Speicher des Rechners 17 zur Verarbeitung abzulegen. Des weiteren dient die Referenzprobe 13 auch dazu, den technischen Zustand des Feldmoduls 1 zu überprüfen und Abweichungen im Messverhalten rechtzeitig festzustellen. Die zu untersuchende Bodenprobe 10 kann dabei auch die Referenzprobe überdecken.
  • Die Neutronenquelle 3 liegt aus Stabilitätsgründen unterhalb der Probenkammer 9 und ist so angeordnet, dass die emittierten Neutronen mit der in der Probenkammer 9 gelagerten Bodenprobe 10 Wechselwirken können.
  • Der Szintallationszähler bzw. Detektor 4 befindet sich seitlich von oder oberhalb der Bodenprobe 10 und zählt die Impulse der mit der Bodenprobe 10 wechselwirkenden thermischen Neutronen, die nach ihrer digitalen Wandlung im Speicher des Mikroprozessors 8 abgelegt und zur Übertragung an das Steuermodul 2 über das Modem 6 bereitgehalten werden.
  • Um die Probenabmessungen für die Messung optimal auszulegen, kann die Probenkammer 9 gegenüber den Detektor 4 translatorisch oder rotatorisch bewegt werden. Natürlich gehört es auch zu der Erfindung, wenn anstelle der Probenkammer 9 der Detektor 4 eine entsprechende Bewegung ausführen kann.
  • Das Steuermodul 3 setzt sich aus einem Bedienungspult 15 mit zumindest einer Schnittstelle 16 zum Anschluß eines ein Interface- und eine Mikroprozessorkarte aufweisenden Rechner 17 zusammen, über den alle notwendigen Einstellungen vorgenommen und die vom Feldmodul 1 übertragenen Daten verarbeitet werden. Des Weiteren besitzt das Steuermodul 3 eine Stromversorgung 18, die batterie- oder auch netzbetrieben sein kann. Das Steuermodul 3 hat darüber hinaus eine Empfangs- und Übertragungsfunktion, die beispielsweise GPS-gestützt ist.
  • Im Speicher des Rechners 17 sind eine Vielzahl von Kalibrierungskurven für die einzelnen Elemente hinterlegt. Diese Kalibrierungskurven beinhalten die aus chemischen Analysen gewonnenen Elementkonzentrationen als ppm-Angabe in Abhängigkeit der aus der Neutronenbestrahlung des jeweiligen Elements resultierenden Zählraten. Beispiele derartiger Kalibrierungskurven zeigt 4.
  • Die 5 stellt schematisch den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens dar. Die beispielsweise durch eine Kernbohrung gewonnene Bodenprobe 10 wird auf den nicht dargestellten Messbereich in der Probenkammer 9 des Feldmoduls 1 gelegt. In der Ausnehmung 14 der Probenkammer 9 befindet sich die Referenzprobe 12. Beide Proben 10 und 13 werden gleichzeitig durch die physikalische Neutronenquelle 3 mit schnellen Neutronen hoher Energie impulsartig bestrahlt. Die Anordnung ist so gewählt, dass die mit den Proben wechselwirkenden Neutronen zugeordnet werden können. Die Impulse der mit den Elementen in den Proben wechselwirkenden thermischen Neutronen wird durch einen Detektor 4 gemessen, wobei die Impulse durch den Rechner 17 in eine Abklingkurve K2 für die Referenzprobe 13 und in eine Abklingkurve K1 für die Bodenprobe 10 verarbeitet werden.
  • Im nachfolgenden Schritt wird ein Vergleich der beiden aufgenommenen Abklingkurven K1 und K2 durchgeführt und die beiden Kurven durch Normierung vergleichbar gemacht. Dies geschieht dadurch, dass die Abklingkurve K2 der Referenzprobe 13 auf die Abklingkurve K1 der Bodenprobe 10 bezogen wird.
  • Wird durch den Rechner 17 festgestellt, dass die beiden Kurven K1 und K2 vergleichbar sind, beginnt die Auswertung der Abklingkurve K1 der Bodenprobe 10 nach ihrer Lage, Form und ihren Unstetigkeitstellen. Der Bearbeitung wird die komplette Abklingkurve unterworfen. Für die Elementbestimmung, d. h. dem qualitativen Nachweis der einzelnen Elemente in der Bodenprobe 10 werden die Neutronenreaktionen mit den Elementen genutzt wie sie sich in der Abklingkurve K1 in der zeitlichen Folge niederschlagen, und zwar, die Paarbildung für ausgewählte Elemente im linken Teil der Abklingkurve, die Bremsreaktionen im Mittelteil und die Einfangreaktion im rechten Teil der Abklingkurve.
  • 5 verdeutlicht die Auswertung der Abklingkurve K1 der Bodenprobe 10 im Zusammenspiel mit der Abklingkurve K2 der Referenzprobe 13 näher.
  • Die Abklingkurven werden in vorgegebenen Zeitschritten (Fenster) ausgewertet. Die gemessene Abklingkurve K2 für die Referenzprobe 13 wird auf die Abklingkurve K2 der Bodenprobe 10 bezogen. Im dargestellten Beispiel liegt die Abklingkurve K2 für die Referenzprobe 13 höher als die Kurve K1 für die Bodenprobe 10. Dies wird durch den Chlor-Gehalt in der Bodenprobe 10 hervorrufen, der gegenüber der Referenzprobe 13 um 8 mg höher liegt. Durch die Pfeile sind im Kurvenverlauf Unstetigkeitsstellen für die Anwesenheit weiterer Elemente kenntlich gemacht. So entspricht der Pfeil im Bereich des Fensters Nr. 11 Aluminium, der Pfeil im Fenster Nr. 19 Eisen. Bei Fenster Nr. 21 handelt es sich um Chrom und bei Fenster Nr. 32 um Blei. Die Identifizierung der Elemente erfolgt durch Berechnung.
  • Für die so ermittelten Elemente erfolgt im nachfolgenden Schritt die quantitative Bestimmung ihrer Menge. Hierfür sind im Speicher des Rechners 17 Kalibrierungskurven einer Vielzahl von Elementen abgelegt. In den Kalibrierungskurven KK sind die aus chemischen Analysen oder anderen geeigneten Analysen wie beispielsweise Röntgenfluoreszenzanalysen gewonnenen Ergebnisse in Abhängigkeit der aus der Neutronenbestrahlung des jeweiligen Elements resultierenden Zählraten angegeben, so dass eine einfache Bestimmung der Menge anhand der jeweilig für das Element gemessenen Zählraten durch den Rechner 17 möglich ist.
  • Für den in 6 dargestellten Fall erfolgt die Bestimmung der Konzentration durch die Ermittlung einer mittleren Abklingkurve, die aus den Abklingkurven K1 und K2 gebildet wird. Die Abweichung der Abklingkurve K1 der Bodenprobe 10 von der mittleren Abklingkurve wird zur Bestimmung der Menge der Elemente in der Bodenprobe 10 herangezogen.
  • Es ergeben sich:
    Aluminium 2,05 Gew.-%
    Eisen 0,6 Gew.-%
    Chrom 15 μg/g
    Blei 1,2 μg/g
    Chlor 12 mg/g
    geringer Anteil chlorfreier Organik
    Feuchtegehalt etwa 15% in der Bodenprobe.
  • Aus der Abklingkurve wird durch Vergleich des linken und rechten Astes der Wassergehalt der Probe als Parameter und zu eventuellen Korrekturzwecken ermittelt.
  • 1
    Feldmodul
    2
    Steuermodul
    3
    Neutronenquelle
    4
    Detektor
    5
    Stromversorgung
    6
    Modem
    7
    Kontrollplatine
    8
    Mikroprozessor
    9
    Probenkammer
    10
    Bodenprobe
    11
    Wandung von 9
    12
    Kammer für Refererenzprobe
    13
    Referenzprobe
    14
    Ausnehmungin 9
    15
    Bedienpult
    16
    Schnittstelle
    17
    Rechner
    18
    Stromversorgung von 2
    19
    Wandung von 1
    K1
    Abklingkurve Probe
    K2
    Abklingkurve Referenz
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 2210550 A1 [0003]
    • - EP 493545 B1 [0004]
    • - DE 3610800 A1 [0009]

Claims (25)

  1. Verfahren zum qualitativen und/oder quantitativen Nachweis von chemischen Elementen in Bodenproben, bei dem eine Bodenprobe mit schnellen Neutronen hoher Energie aus einer physikalischen Neutronenquelle impulsartig bestrahlt, die Anzahl bzw. Impulse der mit den Elementen wechselwirkenden thermischen Neutronen durch einen Detektor gemessen werden, wobei die Impulse des Abklingprozesses in digitalisierte Messwerte gewandelt und einem Rechner zugeführt werden, der die Messwerte zu einer Abklingkurve verarbeitet, aus dem Art und Menge der in der Bodenprobe enthaltenen Elemente bestimmt und angezeigt werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Abklingprozess für eine mobile Feldanalyse mit folgenden Schritte verwendet wird: a) synchrones Bestrahlen einer Referenzprobe und der Bodenprobe zum gleichzeitigen Erfassen der Messwerte für eine Referenz-Abklingkurve (K2) und eine Abklingkurve (K1) für die Bodenprobe, b) Vergleich der Referenz-Abklingkurve (K2) und der Abklingkurve (K1) für die Bodenprobe durch Normierung auf die Abklingkurve (K1); c) Auswerten der Abklingkurve (K1) nach ihrer Lage, Form und ihren Unstetigkeitsstellen zum Bestimmen der qualitativen Elementzusammensetzung der Bodenprobe, wenn die Vergleichbarkeit beider Kurven (K1; K2) festgestellt wird und d) Vergleich der ermittelten Elementzusammensetzung nach Schritt c) mit elementbezogenen Kalibrierungskurven zum Bestimmen des Elementgehalts in der Bodenprobe.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abklingkurve (K1) der Bodenprobe aus den unterschiedlichen Reaktionsintensitäten zwischen den Neutronen und den Elementen in der Probe gebildet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Referenz-Abklingkurve (K2) im Speicher des Rechners für die Auswertung der nach Schritt c) bereitgehalten wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenz-Abklingkurve (K2) aus Teilen mehrerer Referenz-Abklingkurven so zusammengesetzt wird, dass die Unstetigkeitsstellen nach ihrem zeitlichen Entstehen zugeordnet werden können,
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Kalibrierungskurven für die Bestimmung des Elementegehalts in der Bodenprobe im Speicher des Rechners bereitgehalten wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierungskurve auf aus Analysen gewonnenen Elementkonzentrationen in Abhängigkeit der aus der Neutronenbestrahlung des jeweiligen Elements resultierenden Zählraten bezogen werden.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine mittlere Abklingkurve aus der Referenz-Abklingkurve (K2) und der Abklingkurve (K1) der Bodenprobe ermittelt wird, deren Abweichung für die Bestimmung des Elementegehalts nach Schritt d) herangezogen wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Referenz-Abklingkurven (K2) im Speicher des Rechners abgelegt werden.
  9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der ermittelte Wasserstoffgehalt zur Abschätzung des Feuchtegehalts der Probe herangezogen wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Neutronenquelle ein niederfrequentes Minitron mit einer Fusionsreaktion D/T verwendet wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Detektor ein Helim3- oder Szintillationszähler verwendet wird.
  12. Vorrichtung zum qualitativen und/oder quantitativen Nachweis von chemischen Elementen in Bodenproben zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer physikalischen Neutronenquelle (3) zum impulsartigen Bestrahlen der Probe (10) mit schnellen Neutronen hoher Energie von bis zu 14 MeV, mindestens einen Detektor (4) zum Registrieren der Abklingzeit der mit der Probe wechselwirkenden Neutronen durch Zählen der Impulse und eine Stromversorgung (5) für die Neutronenquelle und den Detektor, und einer mit dem Detektor (4) über eine Schnittstelle (16) verbundenen Steuereinheit (17) zum Empfangen und Verarbeiten der gezählten Impulse, einem Monitor zur Anzeige der verarbeiteten Ergebnisse und eine separate Stromversorgung (18) für die Steuereinheit, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung aus einem die Neutronenquelle (3) und den Detektor (4) umfassenden ortsveränderlichen Feldmodul (1) und einem im wesentlichen stationären Steuermodul (2) zusammengesetzt ist, und dass das Feldmodul (1) eine Probenkammer (9) mit variablen Innenvolumen enthält, welches an Proben unterschiedlicher Größe und Konsistenz durch eine Anordnung von Moderationsmaterial für Neutronen am Feldmodul anpassbar ist und konstante Messbedingungen für den Neutronenfluß in der Probenkammer gewährleistet, und dass der Probenkammer (9) eine Kammer (12) für die Aufnahme einer Referenzprobe für die Verifizierung und die Quantifizierung der Messergebnisse zugeordnet ist, und dass die Probenkammer (9) gegenüber dem Detektor (4) oder der Detektor gegenüber der Probenkammer (9) beweglich ausgebildet ist.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Moderartionsmaterial aus Polyethylen, vorzugsweise Polyethylenwolle oder Polyethylenkugeln, besteht.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Moderationsmaterial aus Wachs besteht.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Moderationsmaterial an den Außenwänden des Feldmoduls (1) befestigt ist.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (12) für die Referenzprobe in einer Ausnehmung (14) der Probenkammer (9) angeordnet ist.
  17. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Probenkammer (9) gegenüber dem Detektor (4) oder der Detektor (4) gegenüber der Probenkammer (9) translatorisch verschiebbar ausgebildet ist.
  18. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Probenkammer (9) gegenüber dem Detektor (4) um eine Achse rotationsbeweglich ausgebildet ist.
  19. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (4) und die Neutronenquelle (3) unterhalb der Probenkammer (9) angeordnet ist.
  20. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Feldmodul (1) mit dem Steuermodul (2) durch ein bis zu 1000 m langes Kabel verbunden ist.
  21. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Feldmodul (1) mit dem Steuermodul (3) durch eine Funkverbindung drahtlos verbunden ist.
  22. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Neutronenquelle (3) ein Minitron mit einer Quellenenergie von 14 MeV ist.
  23. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (4) ein Helium3- oder Szintillationsdetektor ist.
  24. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Feldmodul (1) transportabel ausgebildet.
  25. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher des Rechners (17) des Steuermoduls (2) eine Vielzahl von Kalibrierungskurven abrufbar enthält.
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