DE2931086A1 - Verfahren und vorrichtung zur quantitativen messung eines oder mehrerer elemente in einer probe - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur quantitativen messung eines oder mehrerer elemente in einer probe

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DE2931086A1 DE19792931086 DE2931086A DE2931086A1 DE 2931086 A1 DE2931086 A1 DE 2931086A1 DE 19792931086 DE19792931086 DE 19792931086 DE 2931086 A DE2931086 A DE 2931086A DE 2931086 A1 DE2931086 A1 DE 2931086A1
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Description

  • Verfahren und Vorrichtung zur quantitativen Messung
  • eines oder mehrerer Elemente in einer Probe Die Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung zur Elementaranalyse, beschrieben auf der Grundlage der Messung von y-Strahlen aus der unelastischen Neutronenstreuung in Kombination mit einer Messung der y-Strahlenstreuung im wesentlichen am gleichen Probenvolumen. Die y-Strahlen-Streumessung wirkt als Korrektur der Streumessung unelastischer Neutronen zu den Variablen wie Schüttdichte der Probe, Schüttdichte-Gradienten und Probendicke. Die Uberlagerung der beiden Meßsysteme ermöglicht die Erzielung einer höheren Genauigkeit als zuvor. Dies ist besonders wichtig bei der gleichzeitigen Analyse der spezifischen Energie (früher EIeizwert oder Verbrennungswärme) von Kohle, wozu der Kohlenstoffgehalt auf eine relative Genauigkeit von besser als 1 % bestimmt werden muß. Frühere Versuche zur Analyse von Kohlenstoff in Kohleprobenmassen haben diese Genauigkeit nicht erbracht.
  • Wenn ein Gesteins- oder mineralisches Produkt mit schnellen Neutronen bombadiert wird, gibt es eine Reihe konkurrierender Prozesse der y-Strahlenerregung, wie in Tabelle 1 aufgeführt: Tabelle 1 Prozesse, bei denen energiereiche Neutronen mit Materie unter Bildung von y-Strahlen in Wechselwirkung treten Prozeß Symbol Beschreibung unelastisch X(n,n'y)X ein Kern wird durch ein Neutron unter Verlust einer entsprechend Engienne zu einem dsiP höheren Zustände angeregt.
  • Der Kern kehrt unter prompter Aussendung von y-Strahlung in seinen Grundzustand zurück.
  • >trahlungsprozeß X(n,y)Y Ein Kern erfährt eine Umwandlung durch Einfang eines thermischen Neutrons. Der gebildete Kern kehrt prompt unter Aussendung von y-Strahlen vom erregten Zustand zum Grundzustand zurück.
  • Aktivierung Ein in stabiler Kern bildet sich durch Neutroneneinfang, und beim Zerfall dieses Produktkerns werden gebremste y-Strahlen emittiert. Die Intensität der verzögerten y-Strahlen variiert in Abhängigkeit von der Halbwert zeit des Produktkerns.
  • Beim unelastischen Neutronenstreuprozeß wird ein Kern zu einem seiner höheren Zustände durch ein Neutron mit einer größeren zugehörigen Energie als der Energie dieses höheren Zustands angeregt. y-Strahlen werden sofort von diesem Zustand emittiert, gewöhnlich in weniger als wo 10 s, bestimmt aus der Lebensdauer des Zustands. Unelastische Neutronenstreuung eignet sich zur Analyse leichter Elemente, von denen einige, wie Kohlenstoff, anderen Massenanalysenmethoden nicht leicht zugänglich sind. Wirkungsquerschnitte für die Entstehung unelastisch gestreuter y-Strahlen aus einigen Elementen sind jn Tabelle 2 aufgeführt.
  • Tabelle 2 Ungefähre Wirkungsquerschnitte für herausragende y-Strahlen der unelastischen Neutronen streuung einer Reihe von Elementen Bildungsquerschnitt (mb) Element y-Strahlung bei einer Neutronenenergie Energie Energie (MeV) En (MeV) (in Klammern) Kohlenstoff 4,43 350 (E = 6,5) -n Sauerstoff 6,13 100 (En = 7,1) Fluor 0,20 530 (En = 2,6) Natrium 0,44 700 (En = 2,6) Magnesium 1,37 700 (En = 4,0) Aluminium 0,84 102 (En = 3,0) 1,01 250 Silizium 1,78 700 (E = 4,0) n Eisen 0,85 860 (En = 2,6) Eine Reihe von Forschern haben die y-Strahlenspektren der unelastischen Neutronenstreuung untersucht, um die Möglichkeiten der Technik zur Elementaranalyse zu ermitteln. Zu den untersuchten Elementen gehören viele der gewöhnlichen leichteren Elemente. Diese Untersuchungen sind berichtet in Anal. Chim. AcL-a 33, (1971) 40 (Allan et al.); UCRL -14654, Rev. 1 (1968) (Waggoner et al.); TID - 20080 (1963) (Martin et al.); Radiochemical Methods of Analysis (Proc.
  • Symp. Salzburg 1964) 1 IAEA (Wien (1965) (Christell et al.); J. Radioanal Chem. 4, (1970) 305 (Pierce et al.); und J.
  • Radional. Chem. 10, (1972) 83 (Pierce et al.). Die meisten dieser Arbeiten waren jedoch nur vorläufiger Natur. Keiner dieser Forscher verwendete y-Strahlenquellen-Messungen zum Kompensieren der Probendichte und Geometrieeinflüsse, und angegebene Fehler lagen über 5 % relativ.
  • Das wahrscheinlich größte Projekt der Anwendung der unelastischen Neutronenstreuung auf die Analyse wurde von der Texas Nuclear Corporation unternommen. Diese Firma errichtete eine Pilotanlage zur Analyse von Schüttgut auf einem Förderband, wie von Parker et al., Mater. Eval. 25, (1967), 214, beschrieben. Die Anwendung von Kerntechniken auf die Analyse von Kohlenstoff, Sauerstoff, Silizium und Aluminium in Kohle wurde unter Verwendung eines 14 MeV-Neutronengenerators untersucht. Kohlenstoff und Sauerstoff wurden durch unelastische Streuung schneller Neutronen und Silizium und Aluminium durch Aktivierung mit schnellen Neutronen gemessen. Neutronen-induzierte y-Strahlenmessungen erfolgten an Kohle-Schüttgutproben konstanter physikalischer Dimensionen, und Messungen unter Verwendung einer y-Strahlenquelle wurden nicht unternommen. Das Ergebnis dieser Arbeit wurde von Berry und Martin in Adv. Activ. Analysis 2, (1972), 89, wie folgt zusammengefaßt: "Die Analysen für Si und Al wurden erfolgreich demonstriert, aber die Messungen von C und 0 waren nicht ermutigend genug für die Prozeßkontrolle. Sauerstoff hätte vielleicht durch Aktivierung und Zählung verzögerter y-Strahlung gemessen werden können, die Bandgeschwindigkeit war aber für die Durchführung dieser Messung nicht schnell genug.
  • Die Schwierigkeit bei Kohlenstoff war, daß weder die Empfindlichkeit noch die Genauigkeit für eine bedeutsame Bestimmung des Heizwerts von Kohle ausreichten. Zur Erzielung der gewünschten Genauigkeit bei der Kohlenstoff-Bestimmung (besser als 0,5 % C) ist eine ausgeklügelte instrumentelle Ausrüstung in Form einer gepulsten Neutronenquelle und eines ausgeblendeten Flugzeit-Spektrometers erforderlich (Martin, Mathur und Morgan, TID-20080, 1063). Diese Art instrumenteller Ausstattung wurde als derzeit zu aufwendig und teuer angesehen, um weitere Arbeit über Kohle zu rechtfertigen." Bei der Diskussion der gleichen Arbeit stellten auch Rhodes et al. in ORO-2980-18 (1968) fest: "Ergebnisse mit ruhender Kohle zeigten an, daß das ganze System zufriedenstellend funktionierte und daß meßbare Signale für die vier Elemente (Kohlenstoff, Sauerstoff, Aluminium und Silizium) zu erhalten waren ... Ergebnisse mit unelastischer Neutronenstreuung wurden mit sich bewegende Proben nicht erhalten.
  • Das Hauptproblem in diesem Falle war das niedrige Verhältnis von Signal zu Untergrund für den 4,43 MeV-Kohlenstoffpeak, wie in Fig. 10 zu sehen. Man kam zu dem Schluß, daß bei diesen Umständen die geforderte Genauigkeit von 1 % beim Kohlenstoffgehalt nicht zu erreichen war".
  • Stewart berichtete in Instrument Soc. Amer. Trans. 6, (1967) 200 über Labormessungen unelastischer Neutronenstreuung für Kohlenstoff an statischen Proben von Flugasche (2,7 bis 16,4 Gew.-% C) und Eisenerz-Sintergemisch (6,2 bis 8,6 Gew.-% C). Unter Anwendung ringförmiger Geometrie und ohne Kompensationsmessungen zur y-Strahlenstreuung berichtete Stewart eine Genauigkeit von 0,5 Gew.-% C entsprechend einer relativen Genauigkeit von 7 %.
  • Christell und Ljunggren, Proc Symp. Salzburg (1964) 1, IAEA Wien, (1965), 263, haben die Analyse von Eisen in Eisenerz unter Verwendung von Einfang-y-Strahlen und y-Strahlen unelastischer Streuung untersucht. Im Labor wurden Messungen an Proben von 300 x 200 x 30 mm durchgeführt, die 3 min unter Vibration gehalten worden waren, um Änderungen der Schüttdichte minimal zu halten. Relative Genauigkeiten von etwa + 10 % wurden erhalten.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist in ihrer breitesten Form zur quantitativen Messung der Konzentration eines Elements in einer Probe eine Einrichtung zur unelastischen Neutronenstreuung, eine Einrichtung zur y-Strahlenstreuung und eine Einrichtung zur Berechnung der Konzentration aus den Signalen der Einrichtungen auf, die zur Messung über im wesentlichen dem gleichen Volumen der Probe einander angepaßt sind, wobei die Einrichtung zur unelastischen Neutronenstreuung eine erste Quelle aufweist, die Neutronen liefert, die eine Energie aufweisen, die zur Erzeugung unelastisch gestreuter erster y-Strahlen aus einem stabilen Isotop des Elements ausreicht, ferner einen ersten Detektor zum Nachweis dieser ersten y-Strahlen, und eine damit verbundene erste Abschirmeinrichtung zur Senkung der Intensität direkter y-Strahlen der Quelle, wobei die Einrichtung zur y-Strahlenstreuung eine zweite Quelle aufweist, die zweite y-Strahlen liefert, einen zweiten Detektor zum Nachweis der zweiten y-Strahlen, die von der Probe gestreut werden, und eine damit verbundene zweite Abschirmeinrichtung zur Senkung der Intensität direkter y-Strahlen der Quelle. Die Abstimmung aufeinander ist erforderlich, um Dichteschwankungen und Inhomogenitäten in den gemessenen Proben geeignet auszukorrigieren.
  • Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur quantitativen Messung eines oder mehrerer Elemente in einer Probe, bei dem die Ergebnisse (i) einer Messung unelastisch gestreuter Neutronen-y-Strahlen über einem ausgewählten Volumen der Probe und (ii) einer Messung der y-Strahlenstreuung über dem ausgewählten Volumen kombiniert werden.
  • Messungen aus der Einrichtung zur y-Strahlenstreuung werden als Korrektur zu den Messungen der unelastischen Neutronenstreuung verwendet Die erste Abschirmeinrichtung dient zur Senkung der Intensität der direkten y-Strahlen der Quelle und der Neutronen am Detektor. Die zweite Abschirmeinrichtung dient zur Senkung der erfaßten Intensität direkter y-Strahlen von der Quelle der zweiten y-Strahlen. Die Quellen, Detektoren und Abschirmeinrichtungen sowohl der Einrichtung zur unelastischen Neutronenstreuung als auch der Einrichtung zur y-Strahlenstreuung können in angemessener Weise auf der gleichen Seite der zu messenden Probe angeordnet sein. Alternativ können die Detektoren sowohl für die Einrichtung der unelastischen Neutronenstreuung als auch für die Einrichtung der y-Strahlenstreuung auf der ihren Quellen gegenüberliegenden Seite der Probe angeordnet sein, die durch die Probe gestreuten, übertragenen oder erzeugten y-Strahlen erfassend. In diesem Falle kann die Abschirmeinrichtung zwischen den Quellen und Detektoren auf jeder Seite der Probe angeordnet sein.
  • Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung können beide Einrichtungen in eine Einheit eingebaut sein, in der Messungen durch Vertauschen der Neutronen- und y-Strahlenquellen erfolgen.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann eine Kombination von Neutronen/y-Strahlen-Quelle mit einem Detektor verwendet werden. Bei dieser Ausführungsform würden die y-Strahlen der unelastischen Neutronenstreuung und der y-Strahlen-Streuun durch Pulshöhenanalyse getrennt.
  • Beim Analysieren von Materialien mit variablem Feuchtigkeitsgehalt kann die Anwendung einer Korrektur nötig sein.
  • In diesem Falle kann eine Korrektur durch Messen der Intensität von 2,2 MeV-Wasserstoffeinfang-y-Strahlen oder des thermischen oder epithermischen Neutronen flusses entweder in einer Einrichtung zur unelastischen Neutronen streuung oder in einer getrennten Einrichtung erfolgen. Weitere geeignete Messungen wären die Kapazitanz oder das Infrarot-Reflexionsvermögen.
  • Bei einer rückstreuenden y-Einrichtung kann die einzelne Streuleistung P wie folgt ausgedrückt werden: PaNP1 P2 ...(1) XYZ X, Y, Z = Kartesische Koordinaten N = Zahl der Elektronen im Volumenelement av, P1 = Wahrscheinlichkeit, daß ein y-Strahl ## erreicht, P2 = Wahrscheinlichkeit, daß ein y-Strahl in Richtung auf den Detektor gestreut wird, P3 = Wahrscheinlichkeit, daß ein gestreuter y-Strahl den Detektor erreicht.
  • Die Terme -P1 und P3 sind von der Form 1/R2 exp (-ijx), wobei R der Abstand von der Quelle (oder dem Detektor) zu ##, µ der y-Strahlen-Absorptionskoeffizient und x die Entfernung ist, die der y-Strahl durch die Probe zurücklegen muß. Der geometrieabhängige Term beim Ansprechen der Einrichtung ist 22 daher ungefähr proportional P1 P3, was (1/Ri Ro ) exp (-µi xi -µoxo) ist, wobei sich die Indizes i und o auf die einfallende bzw. austretende Strahlung beziehen. Ein ähnliches Ergebnis gilt für die unelastische Neutronenstreumessung.
  • Für konstante Entfernung von Quelle zu Detektor und erhöhte Entfernungen von Quelle zu Probe sinkt der relative Einfluß des Terms (1/Ri2Ro2), und die Durchdringung der Probe wird wirksam gesteigert. So können die Eindringtiefen der Neutronen- und y-Einrichtungen wirksam aufeinander abgestimmt werden. Da die Strahlungsdurchdringung für die Neutroneneinrichtung gewöhnlich gröBer ist, ist die Entfernung von Quelle zu Probe für diese Einrichtung kleiner als für die y-Rückstreueinrichtung.
  • Die Anwendung des Verfahrens ist nicht auf die Verwendung der beiden getrennten Rückstreumeßeinrichtungen, wie oben beschrieben, beschränkt. Diese Geometrie ist jedoch günstig, da die Abstimmung verhältnismäßig einfach ist und sich die Geometrie für gleichzeitige Förderbandanalyse eignet. Wenn erforderlich, können die Maße für die Tiefendurchdringung und die Rückstreuung durch genaues Einstellen der Neutronen- und/oder y-Strahlen erhöht werden. Die Abstimmung kann auch durch eine Reihe alternativer Maßnahmen verbessert werden, dazu gehört (i) die Änderung der Dicke der Abschirmung, durch die gestreute y-Strahlen zu treten haben, bevor sie den Detektor an der y-Einrichtung erreichen. um vorzugsweise einzeln auszuwählen oder gestreute y-Strahlen zu vervielfachen; (ii) Verringerung der Quelle-zu-Detektor-Trennung an der y-Einrichtung im Vergleich zur Neutroneneinrichtung.
  • Die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung sind unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben; von diesen zeigt: Fig. 1 einen Querschnitt der zur Bestimmung in Kohle unter Anwendung unelastischer Neutronenstreuung verwendeten Einrichtung; Fig. 2 einen Querschnitt der y-Strahlen rückstreuenden Einrichtung, deren Ausgangsleistung zur Korrektur der Messung der unelastischen Neutronenstreuung (Fig. 1) benutzt wird; Fig. 3 ein Pulshöhenspektrum, erhalten unter Anwendung der in Fig. 1 gezeigten Einrichtung mit einer australischen Kohlenprobe mit 76,4 Gew.-% C; Fig. 4 experimentelle relative Zählwerte als Funktion der Probendicke für eine Kohleprobe auf den in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellten Einrichtungen; Fig. 5 die Ergebnisse von Mehrfachmessungen an einer Einzelkohle-Unterprobe als Funktion der Kompaktheit; Fig. 6 die Ergebnisse der Bestimmung des Kohlenstoffgehalts in 22 Kohleproben aus den Kohlebergwerken des südl.
  • NSW, Australien; Fig. 7 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemässen Vorrichtung.
  • In der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung zur unelastischen Neutronenstreuung emittiert eine Neutronenquelle 1 (z.B.
  • Pu-Be) Neutronen, die einem Weg, wie z.B. 2, in eine Probe 3 (z.B. eine Kohleprobe) folgen, wo sie Atome des zu bestimmenden Elements bei 4 treffen und dadurch y-Strahlen erzeugen, die einem Weg, wie z.B. 5, durch eine Neutronenabschirmung 6 auf einen Detektor 7 folgen, der von der Neutronenquelle 1 durch eine weitere Abschirmung 8 abgeschirmt ist. Die Neutronenquelle 1 ist von der Probe 3 durch einen Abstand d1 getrennt. Eine geeignete Abschirmung 6 ist Bortrioxid, das den Detektor 7 vor gestreuten Neutronen abschirmt, während Wolfram, Blei oder Wismut als Abschirmung 8 zum Abschirmen des Detektors 7 gegen die Quelle 1 geeignet wären. Ein geeigneter Detektor 7 wäre ein WaJ(Tl)-Kristall von 150 mm Durchmesser x 100 mm Dicke. 165 mm wären als Abstand d1 geeignet.
  • In der in Fig. 2 dargestellten y-Strahlen-Rückstreueinrich-60 tung emittiert eine y-Quelle 9 (z.B. 120 mCi Co) y-Strahlen, die einem Weg, wie z.B. 10, in eine Probe 11 (z.B. eine Kohleprobe) folgen, wo sie auf Atome des zu bestimmenden Elementes bei 12 treffen und dadurch y-Streustrahlung hervorrufen, die einem Weg, wie z.B. 13, zu einem Detektor 14 folgt. Der Detektor 14 ist gegen y-Strahlung durch die -Abschirmung 15 abgeschirmt, die bei 16 von geringerer Dicke ist, um ein Hindurchtreten eines Teils der gestreuten y- Strahlen auf den Wegen, wie 13,zum Detektor 14 zu ermöglichen. Der Detektor 14 ist gegen die Quelle 9 mit Hilfe der Abschirmung 15 abgeschirmt. Die Quelle 9 hat gegenüber der Probe 11 einen Abstand d2. Blei eignet sich als Abschirmung 15. Der für die unelastische Neutronenstreueinrichtung beschriebene Detektor 7 wäre als Detektor 14 geeignet. 350 mm wären ein geeigneter Abstand d2.
  • Das Verfahren wurde durch Messung des Kohlenstoffgehalts von sohleproben unter Verwendung der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Versuchseinrichtungen getestet. Bortrioxid wurde als Abschirmung gegen thermische Neutronen gewählt, da es keinen Kohlenstoff oder Wasserstoff enthält. Weitere Neutronenabschirmungen sind z.B. Lithiummetall, Lithiumverbindungen und andere Borverbindungen.
  • 238 Die verwendete Neutronenquelle war eine 238Pu-Be-Quelle mit einer Abgabeleistung von 2 x 107 Neutronen/s. In der Praxis könnte jede Neutronenquelle, die Neutronen einer Energie über der unelastischen Streuschwelle liefert, verwendet werden. Geeignete Neutronenquellen für unelastische Streuanalyse (wenngleich nicht notwenigerweise Kohlenstoffanalyse) sind z.B. die verschiedenen a-Strahlen emittierenden Be-Gemische, 252Cf und Neutronengeneratoren (Tritium/ Deuterium oder Deuterium/Deuterium). Die in Fig. 2 verwendete y-Strahlenquelle war 120 mCi 60Co. Jede y-Strahlenquelle, die y-Strahlen einer Energie liefert, die eine Abstimmung des Ansprechens der Neutronen- und y-Einrichtung zuläßt, könnte verwendet werden.
  • Pulse von einem NaJ(Tl)-Detektor in der Neutroneneinrichtung wurden verstärkt, wozu ein verstärkungsstabilisierter Verstärker verwendet wurde, und in einen Hewlett-Packard 5401B-Vielkanal-Analysator geführt. Zählimpulse und Untergrund wurden bestimmt, indem Ausschnitte (Fenster) in den Pulshöhenspektren gesetzt wurden. Ein typisches Pulshöhenspektrum ist in Fig. 3 dargestellt.
  • In Fig. 3 bedeuten die Kurven B und C 10- und 50-fache Vergrößerung, verglichen mit Kurve A. Der Peak 19 verkörpert 1,78 MeV Si, 20 bedeutet 2,22 MeV H, 21 bedeutet 3,92 MeV 12C-Entweichen und 22 bedeutet 4,43 MeV 12C. Der 3,92 MeV-Peak rührt vom Entweichen einer 0,511 MeV-Annihilationsy-Strahlung aus der Wechselwirkung eines 4,43 MeV 12C-y-Strahls im Detektor her.
  • Das Abstimmen des Ansprechens der beiden Meßsysteme in den Fig. 1 und 2 als Funktion der Probendicke ist in Fig. 4 wiedergegeben. Dieses Abstimmen könnte weiter durch Erhöhen des Abstands d2 zwischen Quelle und Probe in Fig. 2 relativ zu d1 in Fig. 1 verbessert werden.
  • In Fig. 4 veranschaulicht Kurve D die Ausbeute an unelastischer y-Strahlung von 4,43 MeV, gemessen in der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung. Kurve E verkörpert die Ausbeute an y-Stireustrahiung, gemessen in der in Fig. 2 dargestellten Einrichtung.
  • Kohleproben von 44 Gallon-Trommeln wurden auf -25 mm gebrochen, bevor sie in Aluminiumbehälter einer Abmessung von 40 cm x 40 cm x 30 cm Höhe zwecks Analyse geschüttet wurden. Zumindest zwei Unterproben wurden als Funktion der Kompaktheit für jede der getesteten Kohleproben analysiert.
  • Für eine typische Kohleprobe lag die Gesamtzählung in der Einrichtung in Fig. 4bei etwa 70000 Zählimpulsen/s (>250 keV), und Proben wurden jeweils für 10 min analysiert. Für die y-Rückstreueinrichtung lag die Streuzählung bei etwa 50000 Zählimpulsen/s und die Zählzeit bei 200 s/Probe.
  • Die Ergebnisse von Mehrfachmessungen an einer Einkohle-Unterprobe als Funktion der Kompaktheit (durch Schütteln, Stoßen usw.) sind durch Kurve F in Fig. 5 wiedergegeben.
  • Die Daten in Fig. 5 decken einen Schüttdichtebereich von -3 etwa 0,98 bis 1,13 g cm 3. Der Fig. 5 ist zu entnehmen, daß die Methode der y-Rückstreukompensation zur Verminderung der Effekte der Dichtevariation über diesen Bereich von 3,5 % relativ (unkompensiert) bis weniger als etwa 0,3 % relativ angewandt werden kann.
  • Die mittlere Quadratwurzel-Abweichung der Datenpunkte um die Kurve F beträgt 3,1 Zählimpulse/s, entsprechend einer relativen Abweichung von 0,37 %, wovon 0,29 % auf Zählstatistiken entfallen.
  • Ergebnisse der Kohlenstoffbestimmung an 22 australischen Kohleproben sind als Kurve G in Fig. 6 wiedergegeben. Versuchstests auf der Grundlage mittlerer kompensierter 4,43 MeV-Zählwerte für eine Reihe von Unterproben sind als Funktion des chemischen Labortests aufgetragen. Kompensierte 4,43 MeV-Zählraten werden berechnet durch Normalisieren der unelastischen Neutronenstreuergebnisse zu einer konstanten y-Strahlenst-euzählrate unter Verwendung der Steigung der Kurve F in Fig. 5. Kompensierte 4,43 MeV-Zählraten sind dann im wesentlichen unabhängig von der Probenkompaktheit. Die mittlere Quadratwurzel-Abweichung der experimentellen Punkte um die Eichlinie in Fig. 6 ist 0,86 Gew.-% Kohlenstoff.
  • In Fig. 7 wird Kohle 23 auf einem sich bewegenden Förderband 24 mit einem Strahl 2 von Neutronen aus einer Quelle 1 bestrahlt, was zu unelastisch gestreuten y-Strahlen 5 führt, die von einem Detektor 7 mit einer Abschirmung 6 erfaßt werden Die Kohle wird au@@ durch @@Strahlen 10 aus einer Quel-@@@ @@prüft, was zu @ @enten @@str@h@ @ führt, die von Die mit den Detektoren 7 und 14 verwendete Elektronik ist Stand der Technik und umfaßt Hochspannungseinheiten 25 für den Betrieb der Detektoren 7 und 14, Verstärkers26, Einkanal-Analysatoren 27 oder des Mehrkanal-Analysators 28 zur Auswahl der elektrischen Pulshöhen, die den jeweils erfaßten y-Strahlen entsprechen, sowie Koppelungseinheiten 29 zur Verbindung der Ausgangssignale von den Einheiten 27, 28 mit einem Digitalcomputer 30, der die elektrischen Impulse mißt und die Konzentration des Kohlenstoffgehalts der Kohle 23 errechnet.
  • Berechnungen haben gezeigt, daß die spezifische Energie von 110 australischen Schwarzkohlen (Joint Coal Board/Queensland Coal Board, Australian Black Coals, Report, Sept. 1976) aus vielen verschiedenen Lagern oder Flözen durch Messen des Kohlenstoffgehalts der Kohle auf einen Wert innerhalb eines Bereichs von 1,6 % relativ bestimmt werden kann. Bei einigen Einzellagern stehen die spezifische Energie und der Kohlenstoff innerhalb von 0,4 % relativ miteinander in Beziehung.
  • In der Praxis sind drei wichtige Kohleparameter, für die gleichzeitige Analyse erforderlich ist, die spezifische Energie, Asche und Feuchtigkeit. Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur gleichzeitigen Bestimmung dieser drei Parameter in Kohle auf der Grundlage einer Kombination der Messung der Intensität von 4,43 MeV-y-Strahlung und y-Streustrahlung mit einer Messung der Intensität von 2,22 MeV-Wasserstoffeinfang-y-Strahlen (Peak 20 in Fig. 3) angewandt werden. Dies ist am besten zu erklären, indem Kohle als drei Komponenten aufweisend betrachtet wird, nämlich Kohlematerial, mineralisches Material und Asche. Kohleasche ist de oxydierte, unbrennbare Rückstand aus der Verbrennung von K@nle und ste@@ @ @@ em Zusamm@@h@@@g mit dem mineralischen Materialgehalt @@@ estimmung von Kohlenstoff, wie oben be schrieben, legt die Kohlematerialkomponente der Kohle in engen Grenzen fest. Da das Kohlenstoff/Wasserstoff-Verhältnis im Kohlematerial für Kohle aus einem bestimmten Flöz etwa konstant ist, bestimmt eine Wasserstoffmessung unter Verwendung der 2,22 MeV-Wasserstoffeinfang-y-Strahlen die Feuchtigkeit und daher die Asche durch Differenzbildung.
  • Die Ergebnisse der Messungen sind in Tabelle 3 zusammengestellt.
  • Tabelle 3 Zusammenfassung der Ergebnisse von 81 Messungen an 22 australischen Kohleproben.
  • Konzentration C spezifische Asche Feuchtig-(Gew.-%) Energie (Gew.-%) keit (MJ/kg) ~~~~~~~ (MJ/kg) ~~~~~~~ (Gew. -%) Bereich 61,3-78,2 25,0-31,9 10,2-27,0 0,7-14,3 Mittel 71,3 29,1 14,3 4,0 Standard-Abweichung 4,8 2,0 5,2 4,8 mQw-Abweichung *(a) 0,86 0,42 1,31 0,88 /Mittel (% relativ) 1,2 1,4 9,2 22,0 *Mittlere Quadratwurzelabweichung zwischen chemischen Labortests und Tests auf der Grundlage der Intensitäten von 4,43 MeV-y-Strahlen und y-Strahlenrückstreuung (für Kohlenstoff und spezifische Energie) oder 4,43 und 2,22 MeV-y-Strahlen und Y-Strahlenrückstreuung (für Asche und Feuchtigkeit).
  • Die in Tabelle 3 aufgeführten Abweichungen werden kleiner, wenn weniger als alle 22 Proben betrachtet werden. Wird die Analyse z.B. auf Proben mit >70 Gew.-% C beschränkt, sind diese Abweichungen für Kohlenstoff, spezifische Energie und Asche 0,41 Gew.-%, 0,28 MJ/kg bzw. 0,83 Gew.-%.
  • Die in Tabelle 3 angegebene, verhältnismäßig hohe Abweichung für Feuchtigkeit beruht auf verschiedenen Verhältnissen von Wasserstoff und Kohlenstoff in dem Kohlematerial.
  • Da Kohlematerial etwa 5 Gew.-% Wasserstoff enthält und 1 Gew.-% Wasser nur 0,11 Gew.-% Wasserstoff enthält, müssen Schwankungen im Wasserstoff bezüglich Kohlenstoff im Kohlematerial für genaue Feuchtigkeitsmessungen klein sein.
  • Für 20 Messungen an einer Kohleprobe mit zugesetzter Feuchtigkeit im Bereich von 0,8 bis 23,4 Gew.-% betrug die mittlere Ouadratwuszi-Abweichung zwischen den experimentellen und den berechneten Werten nur 0,19 Gew.-% Wasser.
  • Asche kann theoretisch auf Werte innerhalb 9 % relativem Fehler durch Messen der kompensierten Intensität von unelastischen 1,78 MeV-Si--Strahlen bestimmt werden. In der Praxis jedoch beträgt die mittlere Quadratwurzelabweichung auf der Grundlage dieser Messung 3,8 Gew.-%, verglichen mit dem Wert von 1,3 Gew.-% in Tabelle 3. Dies beruht teilweise auf einer mäßigen Beziehung zwischen Silizium und Asche in den getesteten Proben und teilweise auf experimentellen Schwierigkeiten bei der genauen Messung der Ausbeute an 1,78 MeV-y-Strahlen.
  • Die oben angegebenen Ergebnisse wurden mit Proben erhalten, die bezüglich der Rückstreumessungen (Fig. 4) praktisch unendlich dick waren. Für Probendicken unter "unendlich" korrigiert auch die y-Strahlenkompensationsmethode genau Tiefenschwankungen, vorausgesetzt, es wird genaue Abstimmung der Neutronen- und y-Systeme erzielt. In der Praxis sollte sich dies als wesentlicher Vorteil des Verfahrens für Anwendungen, wie bei gleichzeitiger Förderbandanalyse, erweisen.
  • Eine für Trichteranwendungen geeignete Geometrie könnte die Quelle/Abschirmung/Detektor-Einheiten in einem Rohr in einem Trichter umfassen. Die Analyseneinrichtungen könnten zwecks Abstimmung bewegt werden. Diese Art von Einrichtung könnte für Elementaranalysen in Bohrlöchern verwendet werden. Eine alternative Anordnung für eine Trichteranwendung könnte Quellen innerhalb des Trichters und Detektor(en) außerhalb verwenden. Eine weitere Alternative für das oben beschriebene Rückstreusystem bestünde darin, die Quellen und Detektor(en) auf einander gegenüberliegenden Seiten einer Probo anzuordnen und das Ansprechen der Neutroneneinrichtung durch eine vorwärts streuende oder übertragende y -Strahlen-Einrichtung- abzustimmen.
  • Weitere Anwendungen lägen im Einbringen der Neutronen- und y-Messungen in eine Einrichtung durch austauschbare Quellen, vorausgesetzt, daß annehmbare Abstimmung der Neutronen- und y-Wechselwirkungen erzielt werden könnte. In manchen Fällen mag es möglich sein, von der Neutronenquelle emittierte y-Strahlen zu verwenden.
  • Vermutlich die bedeutendst Anwendung der Technik ist die gleichzeitige Kohleanalyse. Über 80 % australischer Schwarzkohle wird vor dem Verkauf oder der Verwendung in einer Wäsche oder einem Mischvorgang vorbearbeitet. Schwarzkohle wird in erster Linie in der Eisen- und Stahlindustie oder zur Elektrizitätserzeugung verbraucht. Gleichzeitige Bestimmung von Asche und Feuchtigkeit ist wichtig bei der Steuerung von Wasch- und Mischvorgängen. Kontinuiertiche Bestimmung der spezifischen Energie von Kohle, die in einem Kraftwerk verbrannt werden soll, kann das Mittel sein, die graftwerksbelastung wirksamer zu planen und zu optimieren. Wenn die spezifische Energie rasch gemessen werden kann, kann dies auch zu einer größeren Verbrennungsleist-lg fiThrene indem ein Brennerbetrieb näher bei eptP° malem Brennstoff/Luft-Verhältnis ermöglicht wird.
  • Weitere Anwendungen umfassen die Analyse von Kohlenstoff in Koks, die Analyse von Aluminium, Silizium und Eisen in Bauxiterzen, die Analyse von Eisen in Eisenerzen und mineralischen Produkten und die Analyse von Silizium in Kohle.

Claims (13)

  1. Verfahren und Vorrichtung zur quantitativen Messung eines oder mehrerer Elemente in einer Probe Patentansprüche 1. Verfahren zur quantitativen Messung eines oder mehrerer Elemente in einer Probe, dadurch gekennzeichnet, daß die Ergebnisse (i) einer Messung unelastischer Neutronen-y-Streustrahlung über einem gewählten Volumen der Probe und (ii) einer Messung von y-Streustrahlung über dem gewählten Volumen kombiniert werden.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Probe Kohle oder Koks verwendet und als Element Kohlenstoff gewählt wird und daß die Messung zur Bestimmung der pesifischen Energie der Kohle oder des Kokses bei 4,43 HeV, unelaattache Xohlenstoff-Neutronen-y-Streu-Strahlung, verwendet wird.
  3. 3. ttewfahen nach Anspruch 2, dadurch qekennzeichnet, daß ferner der Feuchtigkeits-, Asche und/oder Wasserstoffgehalt durch Erfassen von 2,2 MeV-Wasserstoffeinfangy-Strahlen gemessen wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ferner das Ergebnis (iii) der Messung von 2,2 MeV-Wasserstoffeinfang-y-Strahlen, thermischem Neutronenfluß, epithermischem Neutronenfluß, Kapazitanz und/oder Infrarot-Reflexionsvermögen kombiniert wird.
  5. Vorrichtung zur quantitativen Messung der Konzentration eines Elements in einer dieses enthaltenden Probe, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Einrichtung zur unelastischen Neutronenstreuung, eine Einrichtung zur y-Strahlenstreuung und eine Einrichtung zum Berechnen der Konzentration aus den Ausgangssignalen der Einrichtungen aufweist, wobei die Einrichtungen zur Messung über praktisch dem gleichen Volumen der Probe abgestimmt sind, wobei die Einrichtung zur unelastischen Neutronen streuung eine erste Quelle für Neutronen mit einer Energie, die zur Erzeugung erster unelastisch gestreuter y-Strahlen von einem stabilen Isotop des Elements ausreicht, einen ersten Detektor zur Erfassung der ersten y-Strahlen und eine erste damit verbundene Abschirmung zur Senkung der Intensität der direkten y-Strahlen der Quelle aufweist, wobei die y-Strahlenstreueinrichtung eine zweite Quelle für zweite y-Strahlen, einen zweiten Detektor zur Erfassung der zweis ten, von der Probe gestreuten y-Strahlen und eine damit verbundene zweite Abschirmung zur Senkung der Intensität der direkten y-Strahlen der Quelle aufweist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzoiohnet daß die unelastische Neutronen-Streueinrichtung und 4ie -Strahlen-Streueinrichtung auf der gleichen Seite der Probe angeordnet sind.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Quelle auf der dem ersten Detektor gegenüberliegenden Seite der Probe angeordnet ist.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Quelle auf der zum zweiten Detektor gegenüberliegenden Seite der Probe angeordnet ist.
  9. 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Detektor durch einen einzigen Detektor ersetzt sind und die Messung durch Austausch der ersten und zweiten Quelle erfolgt.
  10. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Quelle durch eine einzige Quelle ersetzt sind, die die zweiten y-Strahlen und Neutronen einer zur Erzeugung der ersten y-Strahlen ausreichenden Energie liefert, und daß der erste und der zweite Detektor durch einen einzigen Detektor ersetzt sind, wobei die Messung durch Trennen der Erfassung von y-Strahlen aus der unelastischen Neutronenstreuung und den gestreuten zweiten y-Strahlen durch Pulshöhenanalyse erfolgt.
  11. 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Messung des Kohlenstoffgehalts und der spezifischen Energie von Kohle oder Koks durch 4,43 MeV-Kohlenstoff-y-Strahlen eingerichtet ist, wobei die erste Quelle Neutronen mit einer zur Erzeugung uneiastisch gestreuter 4,43 MeV-Kohlenstoff--Strahlen ausreichenden Energie liefert.
  12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Messung des Feuchtigkeits-, Asche- undioder Wasserstoffgehalts von Kohle oder Koks eingerichtet ist, wobei die erste Quelle auch Neutronen liefert, die 2,2 MeV- Wasserstoffeinfang-y-Stahlen erzeugen.
  13. 13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner ein oder mehrere Meßeinrichtungen aufweist, die 2,2 MeV-Wasserstoffeinfang-y-Strahlen, thermischen Neutronenfluß, epithermischen Neutronenfluß, die Kapazitanz oder das Infrarot-Reflexionsvermögen zur Korrektur des Feuchtigkeitsgehalts der Probe messen.
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WO2020201210A3 (de) * 2019-04-05 2020-12-30 Rwe Power Ag Vorrichtungen und verfahren zum ermitteln einer elementzusammensetzung eines materials

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0227246A2 (de) * 1985-10-25 1987-07-01 United Kingdom Atomic Energy Authority Verfahren zur Flüssigkeitsanalyse unter Verwendung einer Quelle schneller Neutronen
EP0227246A3 (en) * 1985-10-25 1989-04-05 United Kingdom Atomic Energy Authority Analysis of fluids using a source of fast neutrons
WO2020201210A3 (de) * 2019-04-05 2020-12-30 Rwe Power Ag Vorrichtungen und verfahren zum ermitteln einer elementzusammensetzung eines materials

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