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Verfahren und Vorrichtung zur quantitativen Messung
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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.
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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.
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Der Kern kehrt unter prompter Aussendung von y-Strahlung in seinen
Grundzustand zurück.
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>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.
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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.
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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.
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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.
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Symp. Salzburg 1964) 1 IAEA (Wien (1965) (Christell et al.); J. Radioanal
Chem. 4, (1970) 305 (Pierce et al.); und J.
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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.
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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.
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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.
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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".
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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 %.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Beim Analysieren von Materialien mit variablem Feuchtigkeitsgehalt
kann die Anwendung einer Korrektur nötig sein.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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NSW, Australien; Fig. 7 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemässen
Vorrichtung.
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In der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung zur unelastischen Neutronenstreuung
emittiert eine Neutronenquelle 1 (z.B.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Ergebnisse von Mehrfachmessungen an einer Einkohle-Unterprobe
als Funktion der Kompaktheit (durch Schütteln, Stoßen usw.) sind durch Kurve F in
Fig. 5 wiedergegeben.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Ergebnisse der Messungen sind in Tabelle 3 zusammengestellt.
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Tabelle 3 Zusammenfassung der Ergebnisse von 81 Messungen an 22 australischen
Kohleproben.
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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).
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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.-%.
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Die in Tabelle 3 angegebene, verhältnismäßig hohe Abweichung für Feuchtigkeit
beruht auf verschiedenen Verhältnissen von Wasserstoff und Kohlenstoff in dem Kohlematerial.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.