DE2622175B2 - Verfahren zum Ermitteln der Volumenanteile eines Drei-Komponenten-Gemisches - Google Patents

Description

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'O

= exp [-l

+ ϋ,μ., + (1 - v_k - υ_ν)μ_Μ.)]

die Volumenanteile (vk, V₅) der Komponenten zu ermitteln, wobei die erste Gammaquelle bezüglich ihrer Energie so gewählt ist, daß bei ihr die Transmission weitgehend durch den fotoelektrischen Wechselwirkungsprozeß bestimmt wird, welcher eine starke Abhängigkeit von der Ordnungszahl der Elemente zeigt, während die zweite Gammaquelle bezüglich ihrer Energie so ausgewählt wird, daß bei ihr die Transmission im wesentlichen von der Dichte des Meßobjekts abhängt

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie der ersten Gammaquelle kleiner als 150 keV und die Energie der zweiten Gammaquelle größer als 300 keV ist

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Gammaquellen Radionuklide verwendet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Transmissionsstrecke größer als das Zehnfache des mittleren Partikel-Durchmessers gewählt wird.

Die Extinktion von Gammastrahlung beim Durchgang durch Materie hängt in komplizierter Weise von der Energie der Strahlung, der chemischen Zusammensetzung der Materie und ihrer Dichte ab. Bei vorgegebener Gammaenergie und bekannter Zusammensetzung des Meßobjekts kann über eine einfache Transmissionsmessung allenfalls die mittlere Dichte des Meßobjekts bestimmt werden, ein Verfahren, das sich bei Anwendungen in der Industrie bereits vielfältig bewährt hat.

Eine auf solche Weise ermittelte Gemischdichte läßt jedoch bereits bei mehr als zwei Komponenten keinen eindeutigen quantitativen Schluß auf die Komponentenanteile zu. Hinzu kommt, daß in vielen Fällen — wie z. B. auch bei dem Gemisch Manganknollen — Sediment — Wasser — die Stoffdichten von zwei oder mehr

Komponenten sich nicht wesentlich unterscheiden.

Diese Schwierigkeiten können umgangen werden, wenn zur Komponentenbestimmung bei Gemischen mit mehr als zwei Bestandteilen nicht eine einfache Transmissionsmessung, sondern die Gamma-Absorptiometrie bei zwei oder mehreren Energien durchgeführt wird. Zum selektiven Nachweis wenigstens eines Elements in einer Mischung mit mehreren anderen Elementen (z. B. in Form einer Lösung) haben Buffereau et al. (DE-OS 20 01 513) vorgeschlagen, eine dienergetische Gammastrahlung mit je einer Linie knapp unterhalb und oberhalb einer Absorptionskante des interessierenden Elements zu benutzen. Dabei bleiben die übrigen Elemente des Gemisches unbestimmt Diese Methode setzt voraus, daß die Absorptionskanten der Matrixelemente energetisch ausreichend entfernt sind von derjenigen des nachzuweisenden Einzelelements und dürfte in der Praxis nur für Elemente mit hoher Ordnungszahl Z (z. B. Blei, Uran, Thorium, Plutonium) in einer Matrix mit niedrigem Z anwendbar sein. Für Elemente mit kleiner und mittlerer Ordnungszahl liegen die Absorptionskanten in der Größenordnung weniger keV und darunter. Damit scheitert das von Buffereau et al. vorgeschlagene Verfahren schon aus Gründen der Transparenz von Rohrwandungen und Fördergemisch.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines verbesserten Ermittlungsverfahrens, mit dem sämtliche Bestandteile eines Drei-Komponenten-Gemisches (die nicht notwendig chemische Elemente sein müssen) simultan in einer einzigen Messung quantitativ bestimmt werden können, ohne von der Existenz von Absorptionskanten Gebrauch zu machen.

Die vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Hauptanspruch angegebenen Mittel gelöst

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 ein Diagramm des qualitativen Verlaufs der Extinktionskoeffizienten in Abhängigkeit von der Energie,

F i g. 2 ein Blockschaltbild der Datenerfassung, -aufbereitung, -übertragung, -verarbeitung und -ausgabe,

Fig.3 eine schematische Darstellung von drei Gammaspektren im Overlap-Display,

F i g. 4 und 5 zwei gegeneinander um 90° versetzte, schematische Schnitte durch ein Förderrohr zur Drei-Komponenten-Analyse mit Gammaquelle und Detektor.

Bezeichnet man die linearen Extinktionskoeffizienten

in dem Drei-Komponenten-Gemisch Wasser, Knollen und Sediment mit μ*, ßk und μ.» so gilt für die geschwächte Gammastrahlungsintensität / relativ zur ungeschwächten Strahlung /0:

;

—- = t = e[~Uv_klj._k + ΐλ,.μ._ν + (1 - yfe - ϋ_Λ.)μ_Β,)] ,

wobei in üblicher Terminologie f die Transmission, /die gesamte Wegstrecke des kollimierten Strahls im zu untersuchenden Medium und ν der Volumenanteil von

Knollen bzw. Sediment bedeutet

Wegen der Energieabhängigkeit der Extinktionskoeffizienten μ erhält man bei Verwendung einer Gammastrahlung mit Linien bei der Energie E\ und E₂ auch zwei verschiedene Transmissionswerte U und h, die den Koeffizienten (i_w\, μ*ι, μ*ι und μ_wi, μ*2 und μ_ί2 entsprechen. Die Auflösung der zwei Transmissionsgleichungen vom Typ der Gleichung (1) ergibt eindeutige Werte für die gesuchten Volumenteile v* und v₅:

v_k =

μ»2)(μ»·ι -

— μ*ΐ)(μ»·2 — μ.*2) — (μ»·2 —

~ μ«ι)

und analog für v*

Die Empfindlichkeit, mit der die Anteile bestimmt werden können, hängt sehr stark von den Koeffizienten, d. h. von den gewählten Gamma-Energien, und — weniger kritisch — von der Genauigkeit, mit der die statistische Größe »Transmission« beispielsweise in Prozenten gemessen werden kann, ab.

Es zeigt sich, daß die Genauigkeit in der Volumenanteilbestimmung (öv) nicht von der Größe dieses Anteils selbst abhängt und mit der Länge der Transmissionsstrecke wächst. Die Unsicherheit bei der Bestimmung der Volumenanteile hängt in folgender Weise von den Meßwerten U, t₂ und den Koeffizienten ab:

d v_k = —

Γ¹

(μ«·2 — μ^Ημ»! — μ,νΐ) l_x)² + (μ*., -

Für ein realistisches Beispiel ergibt sich bei einer Transmissionsstrecke von / = 30 cm und bei auf 1 % genau gemessenen Transmissionswerten rechnerisch, daß der Knollenanteil auf 0,3% und der Sedimentanteil auf ca. 0,7% genau bestimmt werden können.

Die Genauigkeit der Transmissionsmessung hängt von der Meßzeit, Quellstärke des Gammastrahlers und Struktur des Spektrums ab. Die vorausgesetzte Genauigkeit von 1% läßt sich (ohne Berücksichtigung der Spektralstruktur) bei einer Quellstärke von ca. 20 mCi schon in 100 see erreichen.

Wie schon erwähnt, können die beiden Gammaquellen von einem einzigen Radionuklid gebildet werden, sofern dies Nuklid in den erforderlichen zwei Energiebereichen strahlen kann.

Bei der Exploration von Manganknollenfeldern in der Tiefsee läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren beispielsweise so durchführen, wie es das Blockschalt-

bild der F i g. 2 zeigt. Die von einer gestrichelten Linie 1 eingerahmten Bauteile können an Bord eines Schiffes untergebracht werden. Die von der gestrichelten Linie 2 eingerahmten Bauteile befinden sich in einer Tiefsee-Sonde auf einem Schlitten od. dgl. Die beiden Aggregate 1 und 2 sind über ein Tiefseekabel 3 miteinander verbunden, welches bei einer angenommenen Länge von 10 km eine Kapazität von 90OmF hat bei einer Dämpfung von 14 dB/100 kHz.

Die Fig.4 und 5 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform des eigentlichen Sondenkopfes. Durch entsprechende Fördermittel wird das zu untersuchende Komponentengemisch durch ein Förderrohr 4 hindurchgeleitet. An gegenüberliegenden Seiten des Förderrohres 4 befinden sich eine linienförmige Gammaquelle 5, die in den zwei unterschiedlichen Energiebereichen strahlt, und eine Detektoranordnung 6. Der Sondenkopf ist von Kollimatoren 7 umgeben.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Ermitteln der Volumenanteile eines Drei-Komponenten-Gemisches, wie z. B. eines Manganknollen-Sediment-Wasser-Gemisches, von dem sich zwei oder drei Komponenten nicht wesentlich in der Dichte zu unterscheiden brauchen, dagegen in der mittleren Ordnungszahl, dadurch gekennzeichnet, daß man das Gemisch gleichzeitig mit zwei Gammaquellen (1, 2) unterschiedlicher Energie bestrahlt, die durchgelassene Strahlung mit einem gemeinsamen Detektor erfaßt und die Detektorsignale allein bezüglich der Anteile der beiden Gammalinien Spektroskopien und das Spektrogramm bezüglich der beiden Transmissionen (i 1, (2) und bezüglich der Extintkionskoeffizientenpaare für jede der drei Komponenten (μ*ι, /4*2), fasu μ*ϊ), diw\, μ<*2) auswertet, um dann bei bekannter Länge (I) der Transmissionsstrecke durch Auflösung der zwei Transmissionsgleichungen vom Typ