DE2622175C3

DE2622175C3 - Verfahren zum Ermitteln der Volumenanteile eines Drei-Komponenten-Gemisches

Info

Publication number: DE2622175C3
Application number: DE2622175A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dipl.-Phys. Dr.rer.phil. 2050 Börnsen Pepelnik
Original assignee: GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Current assignee: GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Priority date: 1976-05-19
Filing date: 1976-05-19
Publication date: 1982-04-01
Also published as: US4200792A; GB1539316A; FR2352297A1; DE2622175B2; FR2352297B1; JPS5310492A; JPS6233544B2; CA1088679A; DE2622175A1

Description

t = ■—- = e.xp \_-Hv_k\i_k + t\;x, + (1 - Vk - ΐ'«)μ»-)] '(I

die Volumenanteile (v_k, v_s) der Komponenten zu ermitteln.

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. Biei, 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.

Um den Bleigehalt in einer Flotation zu messen, ist es bereits bekanntgeworden, (J. S. Watt und W. J. Howarth, IAEA-Bericht Helsinki 1972, IAEA/ SM-159/1), zwei Gammasonden mit Strahlungsquellen unterschiedlicher Energie zu verwenden. Dabei handelt es sich um eine Elementbestimmung, die im Grunde mit einer Messung in einem Energiekanal durchgeführt werden könnte. Der in der vorgenannten Literatur verwendete zweite Energiekanal ist lediglich erforderlich, weil die Dichte des bleihaltigen Schlammes nicht nur als Funktion des Bleigehaltes variiert. Die Messungen im zweiten Energiekanal erfüllen nur die Funktion einer Dichtebestimmung zur Normierung der Meßgröße im ersten Energiekanal. Für die Wirkungsweise dieses bekannten Bestimmungsverfahrens mit Dichtesonde und »Bleisonde« ist entscheidend, daß sich die gesuchte Elementkomponente bezüglich Photoabsorption bzw. Ordnungszahl beträchtlich von der Matrix unterscheidet. Die Dichtemessung über die Gamma-Absorption ist — wie in Fachkreisen bekannt — sehr unbefriedigend, weil der die Absorption bestimmende mittlere Massenschwächungs-Koeffizient deutlich von der Komponentenkonzentration eines Gemisches abhängt. Damit ist das vorbekannte Elementbestimmungsverfahren lediglich für Zwei-Komponenten-Systeme geeignet, sofern eine Komponente eine im Vergleich zur Matrix hohe Ordnungszahl Z besitzt.

Aus oben genanntem IAEA-Bericht ist es auch bekannt, die Konzentration von mehreren Elementen in Flotationen mittels Eintauchsonden zu bestimmen. Dabei ist jede Eintauchsonde jedoch mit einer eigenen Detektoreinheit versehen.

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe 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 und bei dem von der Existenz von Absorptionskanten kein Gebrauch gemacht wird.

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,

Fig. 2 ein Blockschaltbild der Datenerfassung, -aufbereitung, -übertragung, -verarbeitung und -ausgabe,

F i g. 3 eine schematische Darstellung von drei Gammaspektren in Überlappungsanzeige,

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_Λ, μ* und μ» so gilt für die geschwächte Gammastrahlungsintensität / relativ zur ungeschwächten Strahl jng /0:

= exP [-/

(1 -T₄-

wobei in üblicher Terminologie t 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 £Ί und E₂ auch zwei verschiedene Transmissionswerte t\ und t₂, die den Koeffizienten fi_wU μ*ι, μ₅\ und μ»2, μ*2 und μ₅₂ entsprechen. Die Auflösung der zwei Transmissionsgleichungen vom Typ der Gleichung (1) ergibt eindeutige Werte für die gesuchten Volumenteile v_k und V₁:

_ (//H₁// + IVi)(μ,_ν; - μ»ι) - UlU₂Il + μ,,-2) (μ«-ι - μ-i )

(μ..ΐ — μ

— (μ»-:· —

und analog für v_s.

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 (δ ν) 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 ii, t₂ und den Koeffizienten ab:

i)V_k =

'Mi Mμ_Μ2 ~ μ.ο) ~~ (μ_Μ2 "~ 'M₂)i'i-n] — ;j.si)

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 s 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 Blockschaltbild der F i g. 2 2eigt. 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 90On 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

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Ermitteln der Volumenanteile eines Drei-Komponenten-Gemisches, 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, mittels Gamma-Transmissionsanalyse, dadurch gekennzeichnet, daß man das Gemisch gleichzeitig mit zwei Gammaquellen bestrahlt, die bezüglich ihrer Energie so gewählt sind, daß bei der ersten Gammaquelle die Transmission weitgehend durch den fotoelektrischen Wechselwirkungsprozeß bestimmt wird, während bei der zweiten Gammaquelle die Transmission im wesentlichen von der Dichte des Meßobjektes abhängt, daß man die durchgelassene Strahlung mit einem gemeinsamen Detektor erfaßt und die Detektorsignale allein bezüglich der Anteile der beiden Gammalinien spektroskopiert und das Spektrogramm bezüglich der beiden Transmissionen (tu t₂) und bezüglich der Extinktionskoeffizientenpaare für jede der drei Komponenten (ß_ku ßkii, (ßst, ßs2), (ßwu .Uw2) auswertet, um dann bei bekannter Länge (I) der Transmissionsstrecke durch Auflösung der zwei Transmissionsgleichungen vom Typ