FI56904C - Anordning foer maetning av grundaemneshalterna hos ett material enligt infaongningsgammametoden - Google Patents

Description

- —--- r. .... KU ULUTUSJULKAISU , A „ ^ (11) UTLÄGGNI NGSSKRIFT 56904

Jgjg C ^trnttl ayiJnr-tty 10 Cl '.1'")

Vs^ ^ (51) Kv.ik.*/int.ci.* G 01 N 23/22 SUOMI-FINLAND (21) Ptt«nttlhik«mut — Pattnttnsttknlnj 781381 (22) Hakamlsptlvl — Ansöknlngsdag OU. 05 · 78 ^ (23) Alkupllvi — Glltlghaudaj OH.05-78 , (41) Tullut julkiseksi — Bllvlt offsntllj 05-11.79

Patentti- ja rekisterihallitus .... ........ ...

_ * (44) NlhtSvlkilpanon ja kuul-julkalaun pvm. —

Patent-och registerstyrelsen Ansäkan utltjd och utl.ikrlftan publicerad 31-12-79 (32)(33)(31) Pyydetty atuolksua —Baglrd prloritet (71) Outokumpu Oy, Outokumpu, FI; Töölönkatu H, 00100 Helsinki 10,

Suomi-Finland(FI) (72) Georg Christian von Alfthan, Espoo, Tuula Anneli Lukander, Kauniainen,

Pekka Rautala, Espoo, Heikki Johannes Sipilä, Espoo, Seppo Juhani Uusitalo, Espoo, Suomi-Finland(FI) (7^·) Berggren Oy Ah (5M Laite materiaalin alkuainepitoisuuksien mittaamiseksi kaappausgamma-menetelmällä - Anordning för mätning av grundämneshaltema hos ett material enligt infängningsgammametoden

Esillä oleva keksintö kohdistuu laitteeseen materiaalin alkuainepitoisuuksien mittaamiseksi kaappausgammamenetelmällä, käsittäen joko isotooppilähteen tai neutronigeneraattorin neutronilähteenä gamma-säteilydetektorin, sekä moderaattorin.

Kaappausgammamenetelmä on sinänsä tunnettu menetelmä. Siinä annetaan neutronilähteestä tulevien neutronien kaappautua näytteen ato-miytimiin, jolloin vapautuu energiaa gammasäteilyn muodossa. Gammasäteilyn energisin ja intensiteettien perusteella voi näytteen alkuaineet tunnistaa ja niiden pitoisuudet laskea.

Kaappausgammamenetelmää on kauan tutkittu ja sovellettu käyttäen eri neutronilähteitä kuten reaktoreita, neutronigeneraattoreita ja isotooppilähteitä. Lähteestä lähtevät neutronit ovat nopeita ja niitä on hidastettava moderaattorissa ennen kuin ne aiheuttavat kaappausgammoja tuottavia ydinreaktioita. Hidastuminen tapahtuu parhaiten aineessa, jossa on kevyitä atomiytimiä (vety). Gamma-spektroskopialla selvitetään syntyvän gammasäteilyn energiat ja intensiteetit, joiden perusteella alkuaineet ja niiden pitoisuudet voidaan laskea.

2 G G 90 4

Kaappausgammamenetelmän tärkein etu on se, että sekä neutronien että gammasäteilyn tunkeutumissyvyys on suuri näytteessä. Esimerkiksi liekkisulatusuunin syöttöseoksella puoliintumispaksuus neutroneille on noin 6 cm ja gammasäteilylle noin 12 cm. Neutronien puoliintumispaksuus voi eri näytteillä vaihdella huomattavasti. Gammasäteilyn absorptioon vaikuttaa pääasiassa vain näytteen tiheys. Näytteet voivat yleensä olla hyvin karkearakeisia. Mittaus voi myös tapahtua paksun alumiinilevyn läpi. Mittaus voidaan suorittaa suoraan prosessiputkesta, siilosta tai kuljettimelta.

Jos näytepatja on riittävän ohut, niin detektori ja lähde voidaan sijoittaa näytteen eri puolille, jolloin niille saadaan enemmän välimatkaa, mikä taas on detektorin suojauksen kannalta edullista. Paksummalla näytteellä kuitenkin suuri osa kaappausgammoista joutuisi kulkemaan lähes koko näytekerroksen läpi, jolloin Compton-tausta spektrissä kasvaa, ja on edullisempaa käyttää geometriaa, missä detektori ja lähde ovat näytteen samalla puolella.

Kaappausgammamenetelmää on kirjallisuuden mukaan käytetty jatkuvatoimisena vain tuikeilmaisimella. Puolijohdedetektoria on käytetty silloin tällöin tapahtuvissa mittauksissa esim. porareikäana-lyysissä. Tämä johtuu siitä, että nopeat neutronit vaurioittavat puolijohdedetektoria jo melko pieninä annoksina (alle 10"^ neutronia/ 2 cm ). Esimerkiksi liekkisulatusuunisyötteen analysoinnissa on puoli johdedetektorin parempi resoluutio kuitenkin tarpeen, jotta saadaan eri aineiden viivat erottumaan toisistaan. Ongelmana on siis saada näytteeseen riittävästi termisiä neutroneja ja samalla estää nopeiden neutronien pääsy detektoriin. Detektorin on oltava niin lähellä näytettä, että kaappausgammakvantit saadaan havaituksi hyvällä efektiivisyydellä.

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on ratkaista edellä mainittu ongelma ja aikaansaada mittauslaite, jolla kyetään suorittamaan kaappausgammamittaus jatkuvatoimisena ja hyvällä suorituskyvyllä.

Näiden tehtävien ratkaisemiseksi on keksinnölle tunnusomaista se, mikä on esitetty oheisessa patenttivaatimuksessa 1. Keksinnöille on olennaista, että käyttäen raskasta vettä moderaattorina, saadaan näytteeseen suuri hitaiden neutronien vuo ja samalla niin pieni 3 56904 nopeiden neutronien vuo, että detektori voidaan sijoittaa välittömästi näytteen viereen tai sisään. Tällöin näytteen lähettämää Ύ -säteilyä saadaan mitattua suurella efektiivisyydellä.

Ennen kuin keksintöä selostetaan yksityiskohtaisesti on paikallaan tarkastella periaatteessa keksinnön lähtökohtana olevaa teoriaa.

Neutronien hidastuminen ja diffuusio on matemaattisesti vaikea ongelma, jolle tarkka ratkaisu löytyy vain hyvin yksinkertaisella geometrialla esim. pallosymmetrisessä tapauksessa. Mittauslaitteisto sisältää kuitenkin pakosta monia eri aineita ja eri suuntaisia rajapintoja. Yksinkertaisinta on tällöin käyttää laskuissa Monte Carlo-menetelmää, joka perustuu siihen, että yksityisen neutronin käyttäytymistä hallitsevat todennäköisyyslait kussakin väliaineessa tunnetaan. Seuraamalla lukuisia erilaisia neutronien tapaushisto-rioita (atomeihin törmätessä hidastuvaa ja suuntaansa vaihtavaa kulkua ja lopulta absorptiota) saadaan vähitellen kuva neutronien määrästä ja energiajakautumasta eri paikoissa.

Monte Carlo-menetelmää käyttäen suoritettiin edellä olevan keksinnön yhteydessä erilaisiin kaappausgammamittausjärjestelyihin liittyviä laskuja ja keksittiin, että vähän absorboivien hidastinaineiden (raskas vesi, grafiitti) käyttö oli oleellista. Keksittiin myös sopivat geometriat, ja suoritettu koe osoitti, että simulointilas-kujen tulokset osuivat hyvin kohdalleen.

Seuraavassa keksinnön yksityiskohtaisessa selostuksessa viitataan oheisiin piirustuksiin, joissa kuva 1 esittää keksinnön teorian selitykseen liittyviä käyriä, kuva 2 esittää vismuttisäteilysuojän erilaisia vaihtoehtoja, kuva 3 esittää erästä erityisen edulliseksi osoittautunutta mittausjärjestelyä, kuva 4 esittää erästä mittausjärjestelyä, kuvat 5 ja 6 esittävät keksinnön mukaisella laitteella mitattuja spektrejä, 4 !jö9G4 kuva 7 esittää vielä erästä hieman muunnettua mittausjärjestelyä, kuva 8 esittää laitteen soveltamista lietemittaukseen, ja kuvat 9 ja 10 esittävät sovellutuksia, joissa detektorina on käytetty tuikekidettä.

Kun laskettiin terminen ja nopea vuo 100 cm säteisillä 1^0 ja d20-palloilla, saatiin kuvassa 1 esitetyt tulokset. Kuvasta näkyy, että HjOissa terminen vuo putoaa nopean vuon kanssa samaa tahtia, kun taas DjOjssa diffuusio levittää termistä vuota laajemmalle ilman absorptiota, ja vasta vuoto pallon ulkopuolelle alkaa pienentää vuota.

Grafiitin hidastumisväli on suurempi ja diffuusioväli pienempi kuin D20:n, mutta sitä kannattaa halvemman hinnan takia käyttää D20:n ympärillä, ja grafiitin ympärillä mahdollisesti H20:ta. Detektorin suuntaan lähtevien nopeiden neutronien sirottamiseksi ja lähteen gammojen absorboimiseksi kannattaa käyttää Bi-kartiota lähteen ja detektorin välissä. Vismutilla ei juuri ole häiritseviä kaappaus-gammoja, ja se on raskasta ainetta.

Puolijohdedetektorin tapauksessa vismutti on kuitenkin erittäin huono hidastin, eikä se saa ulottua detektoriin saakka, etteivät neutronit sitä pitkin pääse nopeina detektoriin. Seuraavassa on taulukoitu kuvan 2 mukaisissa järjestelyissä detektoriin tulevien nopeiden neutronien määrä (n) tietyssä ajassa. D20-välillä ei ole kovin suurta vaikutusta, mutta pitempi väli on jonkin verran parempi. Leveämpi alkukartio parantaa edelleen tilannetta. Se sirottaa neutroneja suuremmasta avaruuskulmasta.

Taulukko 1

A BCD

a 10 20 10 20 (cm) b - - 10 - (cm) 1 50 50 50 50 (cm) n 147 131 168 113

Kuvassa 2 on viitenumerolla 1 merkitty detektoria, joka voi olla esimerkiksi puolijohdedetektori. Numero 2 tarkoittaa sirottaja-kartiota, joka on esimerkiksi vismuttia. Sirottajan ympärillä on kartiomaisesti suljettuna raskasta vettä 3. Numero 4 tarkoittaa säteilylähdettä.

5 56904

Raskas vesi on melko kallista, joten sen määrä kannattaa optimoida. Optimoinnin tuloksena on päädytty kuvan 3 tapaiseen geometriaan, missä suurin osa hidastimesta on raskaan veden sijasta grafiittia. Detektorin suunnassa kannattaa kuitenkin käyttää raskasta vettä, koska on oleellista, että detektoriin tulevat neutronit ovat ehtineet termalisoitua. Laskuilla on selvitetty tarvittavan D20-alueen leveys ja todettu, että D20-määrän lisääminen yli noin 12 litran ei enää oleellisesti paranna tilannetta.

Kuvassa 3 tarkoittavat viitenumerot 1, 2 ja 3 kuten edellä detektoria, sirottajaa sekä sirottajan ympärillä olevaa raskasta vettä. Neutronilähde 4 sijaitsee sirottajan kärjen kohdalla, numero 5 tarkoittaa grafiittia ja numero 6 esimerkiksi kuljettimella olevaa materiaalia, jolle mittaus suoritetaan.

252

Neutronilähteenä on kokeissa ja laskuissa käytetty Cf-isotooppi-lähdettä, koska sillä saadaan paras neutronituotto aktiivisuusyk-sikköä kohti, se on hinnaltaan melko edullinen ja neutronispektril-tään pehmeä. Luonnollisesti myös muita isotooppilähteitä tai neutronigeneraattoreita voidaan käyttää lähteenä.

Detektorin kestämästä nopeiden neutronien määrästä tiedot kirjallisuudessa vaihtelevat aika paljon. Tässä on otettu lähtökohdaksi O n 10 n/cm^, mikä edustaa varovaista keskiarvoa. Simuloinnin perusteella 15 cm:n lisäys lähteen ja detektorin välimatkassa pudottaa nopeiden neutronien annoksen kymmenesosaan. Detektorin eliniäksi saatiin optimaalisella geometrialla eri etäisyyksillä taulukon 1 252 mukaiset arvot 20 ^ug:lle Cf:

Taulukko 2 Etäisyyden vaikutus detektorin elinikään ja gammaintensiteettiin

Etäisyys Detektorin elinikä Suhteellinen γ-intensiteetti 45 cm 110 vrk 2,2 55 cm 1,4 v 1,2 60 cm 3 v 0,8 65 cm 6,3v 0,5

Konstruktiossa kannattanee käyttää noin 65 cm etäisyyttä, vaikka se kokeessa olikin 55 cm. Vaurioitunut detektori ei ole lopullisesti tuhoutunut, vaan se voidaan valmistajalla korjauttaa.

6 56904

Suoritetun optimoinnin perusteella on päädytty kuvan 4 mukaiseen koegeometriaan. 1

Kuvassa 4 tarkoittavat viitenumerot 1-6 samaa kuin edellä. Numerolla 7 on merkitty tukilaitetta, joka pitää sirottajaa 2 oikeassa asennossa. Numero 8 tarkoittaa nestetyppipulloa; nestetyppeä käytetään detektorin pitämiseksi alhaisessa lämpötilassa. Näyte-astiaan 6 on tehty kolo detektorin esivahvistinta varten. On huomattava, että tämä järjestely tehtiin laboratoriokoetta varten ja että käytännön sovellutuksissa järjestely voi olla huomattavastikin erilainen.

3

Kokeissa oli käytettävissä Ge(Li)-detektori (tilavuus 110 cm , efektiivisyys 21,8 %) sekä siihen kytketty tietokonesysteemi, josta saatiin tulokset listauksena reikänauhalle ja piirturille. Lähtee-252 nä oli 1 ^,ug Cf. Mittausaika oli 100 min ja näytteenä oli Ni-ja Cu-rikaste. Taulukossa 3 on esitetty rikasteiden pääkomponent-tien pitoisuudet.

Taulukko 3 Rikasteiden pääkomponenttien pitoisuudet

Ni Cu S Fe Si02 % % % % %

Ni-rikaste 5,52 3,40 23,3 29,8 24,9

Cu-rikaste 0,21 24,8 29,6 29,8 8,3

Lisäksi suoritettiin taustamittauksia korvaamalla näyte sellaisella boorihappoliuoksella, jonka heijastuskyky termisille neutroneille oli suunnilleen yhtä suuri kuin näytteen. Mittausgeometria on esitetty kuvassa 4. Geometriaa muunneltiin lisäksi siten, että näytteen ja moderaattorin väliin jäävä detektoria ympäröivä tyhjä tila täytettiin näytteellä ja toisessa tapauksessa sovitettiin detektorin ympärille grafiittipaloja heijastimiksi. Lisäksi kokeiltiin, mitä detektorin suojaksi asetettu ohut Cd-levy aiheuttaa spektrille. Kuvassa 4 näkyvän laitteiston suhteellisen suuri korkeus johtuu siitä, että grafiitti oli vakiomittaisina tankoina.

Spektrin käsittelyssä käytettiin Helsingin yliopiston fysiikan laitoksen Vipunen nimistä ohjelmaa, joka kansainvälisen testauksen perusteella on erittäin hyvä spektrin käsittelyohjelma. Ohjelma etsii piikit, kalibroi energiat, määrää taustan, laskee piikkien 7 5G904 pinta-alan ja niiden virhearvot. Listauksessa saatiin spektrin lisäksi taulukko piikeistä ja niiden parametreista.

Pulssistatistiikan aiheuttaman virheen arvioimiseen käytettiin hyväksi eri aineiden tärkeimpiä piikkejä:

Fe: 7,646 MeV ja 7,632 MeV pakopiikkeineen S: 5,420 MeV pakopiikkeineen, 3,221 MeV,

2,931 MeV ja 2,380 MeV

Cu: 7,915 MeV ja 7,306 MeV pakopiikkeineen

Ni: 8,999 MeV ja 8,535 MeV pakopiikkeineen

Si: 4,934 MeV ja 3,539 MeV.

Ni-rikasteesta saadut tulokset nähdään seuraavassa taulukossa.

252

Taulukko 4 Lähde 1 ^,ug Cf , mittausaika 100 min

Ni-rikaste, suht. abs.

virhe% virhe% S 4,1 0,96

Fe 1,8 0,54

Cu 9,0 0,31

Ni 4,5 0,25

Si02 11,5 2,9

Vastaavat tulokset saataisiin käyttäen 10 ^ug/10 min tai 20 ^ug/5 min. Lisäämällä aika nelinkertaiseksi, pienenisi virhe puoleen.

Kuvissa 5 ja 6 on esitettynä osia Ni-rikasteen spektristä.

Cd suojuksen avulla detektorin rakennemateriaalista tulevat kaappaus-gammat ja aktivoitumispiikit saatiin eliminoitua. Jokin muu neutroni absorbaat tori kuin Cd saattaisi huonontaa vähemmän piikki-tausta-suhdetta. Näytteestä saatujen kaappausgammojen määrä väheni tekijällä 1,7 käytettäessä Cd-suojusta.

Lopuksi on kuvassa 7 esitetty miten keksinnön mukainen mittauslaite voitaisiin sijoittaa esimerkiksi reedlerkuljettimella kuljetetun materiaalin 6 mittaamiseksi. Geometria on sama kuin kuvissa 3 ja 4 esitetty, mutta se on käännetty ympäri näihin verrattuna.

56904

On selvää, että geometriaa voidaan muunnella monella tavalla poikkeamatta keksinnön ajatuksesta. Jos esimerkiksi tutkittava aine on materiaalivirta putkessa, esim. liete, se toimii itse myös moderaattorina. Detektori voidaan sijoittaa lietteeseen, jolloin järjestelystä tulee kuvan 8 tapainen. Siinä tutkittava näyte eli liete 6 virtaa putkessa, jonka keskellä detektori 1 sijaitsee. Myös lukuisia muita mahdollisuuksia voidaan luonnollisesti ajatella.

Tuikeilmaisimen käyttö aiheuttaa jonkin verran erilaisia ratkaisuja. Se ei ole herkkä nopeille neutroneille, mutta aktivoituu termisistä. Se pitää siis suojata sopivalla termisten neutronien absorbaatto-rilla esim. boorihapolla.

Tuikeilmaisin voi olla lähellä lähdettä, kun vain huolehditaan lähteestä tulevien gammojen riittävästä vaimennuksesta esim. Bi-kartion avulla. Kun geometria on kompaktimpi, ei neutronien absorboituminen moderaattoriin ole niin haitallista kuin puolijohdedetektorin tapauksessa. Hidastimena voidaan tällöin käyttää vetypitoisia aineita huomattavasti enemmän kuin edellä. Grafiitti voidaan jossain tapauksessa kokonaankin korvata vedellä tai parafiinilla.

Edellä on esitetty, mitä etuja raskaan veden käytöstä saadaan, kun detektorina on puolijohdedetektori. Myös tuikeilmaisinta käytettäessä raskaan veden käytöstä koituu eräitä etuja johtuen siitä, että raskasta vettä käytettäessä voidaan lähde sijoittaa suhteellisen kauas näytteestä (ks. kuva 1). Tällöin näytteeseen saadaan melko tasainen termisen neutronivuon jakautuma suurelle alueelle. Mittauksesta tulee edustavampi. Lisäksi eräillä aineilla epitermi-set ja nopeat neutronit aiheuttavat ydinreaktioita, joiden synnyttämien gammojen energiat ja vaikutusalat saattavat olla hyvinkin erilaisia verrattuina termisten neutronien aiheuttamiin reaktioihin ja täten häiritä analyysiä. Pidempää lähteen ja näytteen välistä etäisyyttä käyttämällä saadaan häiritsevien reaktioiden osuus pieneksi, koska termisen ja nopean vuon suhde saadaan hyväksi.

S 56904

Eräitä mahdollisia mittausgeometrioita esitetään kuvissa 9 ja 10. Kuvan 9 tapauksessa voidaan detektorina toimiva tuikekide 1 edullisesti sijoittaa pilkutettuun asentoon näytteen toiselle puolelle, kun näytekerros 6 on riittävän ohut. Kuvassa 10 on esitetty menetelmän soveltaminen putkessa kulkevan materiaalivirran mittaamiseen. Virta voi olla liuoksena, lietteenä tai kiinteinä kappaleina. Myös muita modifikaatioita voidaan luonnollisesti ajatella.

Claims (9)

10 S&904

1. Laite materiaalien alkuainepitoisuuksien mittaamiseksi kaap-pausgammamenetelmällä, käsittäen joko isotooppilähteen tai neutro-nigeneraattorin neutronilähteenä (4) , puolijohdedetektorin gamma-säteilydetektorina sekä moderaattorin (3), joka ainakin osaksi on raskasta vettä, tunnettu siitä, että detektori on sijoitettu välittömästi hitaiden neutronien vuossa olevan näytteen viereen tai sisään ja että moderaattoria on lähteen ja näytedetektoriyhdis-telmän välillä niin paljon, että nopeita neutroneja pääsee vain vähän vaurioittamaan detektoria.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, tunnettu siitä, että osa moderaattorista on grafiittia (5), joka sopivimmin sijaitsee raskaan veden (3) ympärillä.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen laite, tunnettu siitä, että siinä on lisäksi moderaattoriaineena tavallista vettä tai muuta vetypitoista ainetta,

4. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen laite, tunnettu siitä, että neutronilähteen (4) ja detektorin (1) väliin on gammasäteilyn absorbaattoriksi ja nopeitten neutronien sirottajaksi sovitettu raskasta, neutroneja vähän absorboivaa ainetta, esimerkiksi vismuttia (2).

5. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen laite, tunnettu siitä, että sirottaja (2) on kartion tai kahden peräkkäisen kartion muotoinen, jolloin neutronilähde (4) sijaitsee kartion kärjen läheisyydessä ja kartion laajeneva pää suuntautuu kohti detektoria (1).

6. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen laite, tunnettu siitä, että neutronilähteen (4) intensiteetin oi-lessa noin 5*10 neutronia/s on neutronilähteen (4) ja detektorin (1) välinen etäisyys vähintään noin 45 cm ja että tämä etäisyys kasvaa noin 15 cm intensiteetin kasvaessa yhden dekaadin.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen laite, tunnettu siitä, että raskas vesi (3) on järjestetty neutronilähteen (4) ympärille olennaisesti katkaistun kartion muotoiseksi, neutronilähteen sijaitessa kartion kapeammassa päässä ja detektorin (1) sijaitessa kartion leveämmän pään edessä. 11 56904

8. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen laite, tunnettu siitä, että sirottajan (2) ja puolijohdedetekto-rin (1) välinen etäisyys raskaassa vedessä (3) on vähintään noin 10 cm.

9. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen laite, jossa tutkittava materiaali virtaa putkessa, tunnettu siitä, että detektori (1) on sijoitettu putken sisään itse virtaavaan materiaaliin (6), joka itse osittain toimii moderaattorina.