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Verfahren und Anordnung zur n'rmittlung des Gehaltes an chemischen
Elementen in Festkörpern Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des
Gehalt es an chemischen Elementen in Festkörpern, insbesondere in Ges-teinen, sowie
eine Anordnung zur Durchführung @ieses Verfahrens.
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Bekannt sind Verfahren für Ermittlung chemischer Elemente in Festkörpern,
die auf der Untersuchung der charakteristischen Röntgenstrahlung des nachzuweisenden
Elementes, die zum Beispiel durch Bestrahlung des zu untersuchenden Festkörpers
angerbt wird, beruhen. Zur Durchühfurng derartiger Verfahren verwendet man Einrichtungen,
mit dessen Milfe die charakteristische Röntgegenstrahlung untersucht wird.
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Bekannt sind auch Einrichtungen zur Untersuchung aer Struktur der
Kerne chemisofer Elemente, zum Beispiel die Einrichtung von Messbauer, bestehend
aus der auf den zu untersuchenden Festkrper gerichteten Gammastrahlungsquelle mit
dem radioaktiven Isotopen, dessen Zerfall die Energieniveaus des Kerns des entsprechenden
stabilen Isotopen erregt1 ferner einem
Gammastrahlendetektor sowie
einer Einricht@ng zum Verschieben der Strahlungsquelle und des zu untersuchenden
Festkörpers gege. eirallder und einem Zählblock. Die letztgenannten Einrichtungen
wurden jedoch bisher zur Ermittlung les Gehaltes an chemischen Elementen in Festkörpern
nicht verwendet.
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Die Nachteile der bisherigen Verfahren zur Ermittlung des Gehaltes
an chemischen Elementen in Festkörpern bestehen in der Unmöglichkeit, den Genalt
an chemis@en Elementen mit nahen Atomnummern praktisch zu ermitteln, sowie in @er
S@@wierigkeit der Durchführung des Verfahrens unter feldmäßigen @edingungen. bei
Einrichtungen, die auf der Röntgenbestrahlung de zu untersuchenden Festkörper ber@hen,
war die Anwendung speziell präparierter Proben erforderlich; insbescadere mußte
auf einer besonderen unterlage eine dünne homogene Schicht des zu unter suchen@en
Sto@fes in einer bestimmten Dicke aufgetragen werden. Die Einhaltung dieser Bedingungen
unter feldmä@igen und Betriebsbeding@ngen war jedoch kaum möglich.
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Der vorliegenden Erfindung wurde die aufga@be zugrundegelegt, ein
Verfahren für Ermittlung chemischer Elemente in Festkörpern und eine Einrichtung
zu dessen Durchführung zu entwikkeln, die unter Beseitigung der genannten nachteile
es ermöglichen sollten, sohnell und genau Messungen unter feldmäßigen Bedingungen
vorzunehmen, keine besonders präparierte Proben erfordrn und auch in denjenigen
Fällen verwenuet werden
können, in denen es unmöglich oder unerwünscht
ist, - zum Beispiel bei der Arbeit in geologischen Bohrungen, in Steinbrüchen und
Gruben, - die Ganzheit des Festkörpers zu zerstören.
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Diese Aufga@e wird gemäß der Erfindung dadurch Gelöst, daß dem Verfahren
zur Ermittlung des Gehalte an chemischen Elementen in Festkörpern, insbesondere
in Gesteinen, der Effekt der vollständigen Resonanzabsorption von Gammastrahlen
durch die chemischen Elemente zugrundegelegt und dieser Effekt, der von der Art
@er relativen Bewegung der Stra@lun@squelle und des zu untersuchenden Festkörpers
zueinander abhän@ig ist, analytisch ausgenutzt wird.
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Das erfindunEssemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß der
zu untersuchende Festkörper mit solchen Gammastrahlen, die vom Isotopen des zu ermittelnden
chemischen Elementes resonant absorbiert werden, bei zwei versciiiedenen relativen
bewegungezuständen der Strahlungsquelle und des Festkörpers zueinan@er bestrahlt
und aus der Differenz der Zählges@@windigkeiten der Resonanzgammastrahlen, die diesen
verschiedenen Arten der relative @ewegungen entsprechen, das Vorliegen uiid den
prosentualen Gehalt am chemischen Element im Festkörper ermittelt wird.
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Man zählt zweckmäßig die Differenz der Zählgeschwindigkieiten der
Resonanzgammastrahlen, die durch den zu untersuchenden Festkörper hindurchgegangen
sind, Es kann aber auch die Differenz
der Zählgeschwindigkeiten
der Resonanagammastrahlen , die von dem zu untersuchenden Festkörper zurückgeworfen
werden, gezählt werden.
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In der Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird die vorgenannte Einrichtung von Messbauer angeenthält eine wandt; diese auf
den zu untersuchenden Festkörper gerichtete Gammastrahlungsquelle mit demjenigen
radioaktiven Isotopen, dessen Zerfall die Energieniveaus der Kerne des entsprechenden
stabilen Isotopen erregt, ferner einen Galrmastrahlendetektor sowie eine Einrichtung
zum Verschieben der Strahlungsquelle und des zu untersuchenden Festkörpers zueinander
und schlielslich einen Zählblock.
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Als Gammastrahlendetektor dient zweckmäßig ein aus zwei Elektrodenabteilungen
mit je einer Anode und je zwei Kathoden bestehender Gasentladungszähler, bei welchem
das eine Kathodenpaar eine darauf aufgebrachte Schicht des Stoffes, der am radioaktiven
Isotop des zu bestimmenden chemischen Elementes angereichert ist, und das andere
Kathodenpaar eine darauf aufgebrachte Schicht des Stoffes, der an demselben Isotopen
verarmt ist, aufweist.
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Im nachfolgenden werden Ausführungsformen der Anordnung gemäß der
Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutern; von diesen zeigt:
Fig.
1 das Schema einer Anordnung zur Registrierung der durch den Festkörper hindurchgehenden
Gammastrahlung; Fi. 2 das Schema einer Anordnung zur Registrierung der von einem
Festkörper zurückgeworfenen Gammastrahlung; Fig. 3 das Schema einer Anordnung zur
Ermittlung von chemischer Elkemente bei der Karottage von Bohrungen und Fig. 4 einen
Gasentladungszähler mit zwei Elektrodenabteilungen.
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Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung dient zur Ermittlung'chemischer
Elemente, z.B. von Zinn, in Gesteinsproben und enthält eine Gammastrahlungsquelle
1, einen Gammastrahlendetektor 2 und einen Zählblock 3. Die zu untersuchende Probe
4 befindet sich in einem für die Gammastrahlung durchlässigen Behälter 5, der in
der Strahlungsrichtung der Gammastrahlen durch eine Einrichtung 6 hin- und herbewegt
wird.
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Als Gammastrahlenquelle 1 dient das entsprechende radioaktive Isotop
des zu bestimmenden chemischen Elementes. Die Gammastrahlen bestrahlen d,ie su untersuchende
Probe 4, wobei der Detektor 2 die Gammastrahlen, die durch die zu untersuchenden
Probe 4 hindurchgegangen sind, registriert. Die Gammastrahlungs,-quelle 1 wird ebenfalls
mittels der Einrichtung 6 hin- und herbewegt. Letztere ist in Form von zwei getrennten
Baueinheiten, welche die Gesteinsprobe 4 und Gammastrahlungsquelle 1 unabhängig
voneinander
in ;3ewegung setzen, ausgeführt.
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Die Messung der Zählgeschwinaigkeit der Gammastrahlen, die durch die
Probe 4 hindurchgegangen sind, wird zweimal vorgenommen: Zuerst registriert man
die Zählgeschwindigkeit der Gammastrahlen im Stillstand der Strahlungsquelle 1 und
der Probe 4 zueinander; dann mit Man die Zählgeschwindigkeit der Eammastrahlen,
wenn die zu untersuchende probe gegenüber der stillstehenden Strahlungsquelle bewegt
wird, Wenn die Messungen ergeben, daß die Zählges@@windigkeit der Gammastrahlen
von der krt der relativen Bewegung Mer Strahlungsquelle 1 und der Probe 4 abhängig
ist, so zeugt dies dafür, daß die zu untersuchenden Proben das zu bestimmende chemische
Element enthalten. Die Größe der Differenz der Zählgescnwindigkeiten der Gammastrahlen,
die den verschiedenen @ewegungszuständen entsprechen, hängt von der Menge des zu
bestimmen@en Elementes in einem festkörper ab. Mit nilfe des Zählblocks 7 ermittelt
man die Differenz der zwei gemessenen Zählgeschwindigkeiten der Gammastrahlen, welche
dem Gehalt am chemischen Element in der zu untersuchenden Probe proportional ist.
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Die Ermittlung des Gehaltes an chemischen Elementen in einem offenen
Gestein 7 gemäß Fig. 2 erfolgt, wie oben beschrieben, wobei lediglich die Gammasctrahlungsquelle
1 durch die Binrichtung 8 hin- und herbewegt wird und der Detektor 9 die Gammastrahlern,
die von Gestein 7 gestreut werden, registriert.
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Zwischen der Strahlungsquelle 1' und dem Detektor 9 ist ein feststehender
Scnirm 10 angebracht, der das Auftreffen der direkten Gammastrahlen aus der Strahlungsquelle
1' auf den Detektor 9 verhindert. Die Einric@tung 8, der die Strahlungsquelle 1'
in bewegung g@genüber dem Gestein 7 setzt, sowie der Detektor 9 und der feststehende
Schirm 10 sind auf einer und derselen Grundplatte 11, die mit einer Einrichtung
12 zum Feststellen der Anordnung gegenüber dem Gestein 7 versehen ist, angebracht.
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Zwecks Ermittlung chemischer Elemente im Gestein 14 bei der Karottage
geologischer Bohrlöcher wird die erfindungsgemäße Anordnung gemäße Fig. 3 in einem
Behälter 13, der aus einem für die Ganunastrahlen der Strahlenquelle lt, durciilässigen
Werkstoff hergestellt ist, untergebracht. Die Gammastrahlungsquelle 1 und der Detektor
9 werden hierbei derart angeordnet, daß der Detektor 9 die vom Gestein 14 des Bohrloches
zerstreute Gammastraiilen registriert. Zwischen der Strahlenquelle 1 und dem Detektor
9 ist ein Schirm 15 angebracht, welcher das Auftreffen der Gammastrahlen der Strahlungsquelle
1' auf den Detektor 9 verhindert. ei der Messung wird der Behälter 13 gegenüber
dem Ges. ein 14 mittels Einrichtungen 16 festgehalten.
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Der Zählblock ist in der Abb. 2 und 3 nicht angedeutet.
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Um ein rascheres Ansprechen der erfindungsgemäßen Anordnung zu erreichen,
wird in dieser gemäß Fig. 4 als Gammastrahlendetektor
ein aus zwei
Elektrodenabteilungen zusammengesetzter Gasentladungszähler verwendet. Diese Abteilungen
des Zählers sind in einem gemeinsamen Gehäuse 17 eingeschlossen, dessen vordere
Wand 18 aus einem für Gammastrahlen durchlässigen Werkstoff hergestellt ist. Das
Gehäuse ist mit einem Gasgemisch gefüllt.
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Die beiden Elektrodenabteilungen sind als zwei selbständige Gasentladungszähler
ausgeführt, die je eine Anode 19 bzw. 19' sowie je zwei Kathoden 20 und 21 bzw.
22 und 23 enthalten. Die Kathodenpaare der beiden Abteilungen sind elektrisch miteinander
verbunden, während die Anoden voneinander isoliert sind.
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Auf die Kathoden 20 und 21 der ersterer Abteilung ist eine Schicht
24 eines Stoffes, welcher am Isotop des zu bestimmenden chemischen elementes angereichert
ist, aufgebracht, während auf die Kathoden 22 und 23 der anderen Abteilung eine
Schicht 25 eines an demselben Isotop verarmte Stoffes aufgetragen ist. Dabei registriert
die erstere der genaiinten Abteilungen sowohl die REsonanz-, als auch lTichtresonanzgPmmastrahlen,
die in den Zähler geraten, während die z-ieite Abteilung lediglich die Nichtresonanz-Hintergrundgammastrahlung
registriert.
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Durch die Verwendung eines derartigen Zählers wird ermöglicht, die
Ermittlung von chemischen Elementen in Festkörpern dadurch wesentlich zu beschleunigen
und zu vereinfachen, daß die Einrichtung zum Bewegen der quelle der Gammastrahlungsquelle
und
des zu untersuchenden Festkörpers gegeneinander aus der Anlage
in dem Falle ausfällt, wenn die vom Festkörper gestreute Gammastrahlung - zum Beispiel
bei der Arbeit in geologischen Bohrlöchern - reg,istriert wird.
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Hierbei erfolgt die Registrierung der von dem Festkörper gestreuten
Resonanz- und Hintergrundgammastrahlung durch die beiden Elektrodenabteilungen des
beschriebenen Gasentladungszählers gleichzeitig und nicht hintereinander, wie dies
bei Verwendung beliebiger anderer Gammastrahlendetektoren der Fall ist. Darüber
hinaus soll dabei die Gammastrahlungsquelle während der gesamten Meßzeit gegenüber
dem Festkörper unbeweglich bleiben, wodurch nicht unbedingt erforderlich wird, in
der Anlage eine in allen anderen Fällen unentbehrliche Einrichtung zum Bewegen der
Gammastrahlungsquelle anzuwenden.
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Wenn mit Hilfe des Gasentladungszählers gemäß Fig. 4 die durch den
Festkörper hindurchgegangene Gammastrahlung registriert wird, so wird die Meßzeit
kürzer, während die Konstruktion der Anlage unverändert bleibt. Deshalb ist die
Verwendung des genannten Zählers besonders bei der Arbeit in was geologischen Bohrlöchern,
Steinbrüchen und Gruben angezeigt, wenn die vom Festkörper gestreute Gammastrahlung
registriert wird.
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Bei der Registrierung der durch die Probe oder durch das Gestein
gestreuten G&mtaa-strahlung ist es zweckmäßig, mehrere Detektoren zu verwenden,
wodurch infolge der zunenmenden Anzahl
der registrierten Gammaquanten
auch die Meßzeit verringert wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung chemischer Elemente
arbeites völlig selektiv, d.h. die Ermittlung eines bestimmten Elementes, das zur
Resonanzabsorption von Gammastrahlen fähig ist, hängt vom Vorliegen ande@er Elemente
nicht ab.
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Ein Vorteil des Verfahrens ist zudem, daD die getrennte Ermittlung
verschiedener chemischer Verbindungen eines und desselben Elementes durchführbar
ist.