FI73527C - Foerfarande och anordning foer samtidig maetning av de kemiska koncentrationerna av kisel- och aluminiumkomponenterna i material. - Google Patents

Description

1 73527

Menetelmä ja laite materiaalien pii- ja alumiini-komponenttien kemiallisten konsentraatioiden samanaikaiseksi mittaamiseksi Förfarande och anordning för samtidig mätning av de kemiska koncentrationerna av kisel- och aluminium-komponenterna i material

Keksinnön kohteena on menetelmä ja laite materiaalien pii- ja alumiinikomponenttien kemiallisten konsentraatioiden samanaikaiseksi mittaamiseksi. Keksinnölle on olemassa useita mahdollisia käyttösovellutuksia, joista mainittakoon pii-5 ja alumiinipitoisuuksien mittaaminen hiilessä ja rautamal meissa. Keksintö kehitettiin kuitenkin ensi kädessä bauk-siittimalmeissa olevien alumiini- ja piikomponenttien kemiallisten konsentraatioiden valvomiseksi osana mineraaliteol-lisuuden valvontaprosessissa. Keksinnön tämä sovellutus se-10 litetään yksityiskohtaisesti tässä hakemuksessa.

Bauksiittiteollisuudessa on olemassa kaksi erikoisaluetta, joissa keksintöä voidaan käyttää. Toinen on malmin laadurväLvonta bauksiittia kuormattaessa vientikuljetuksia varten, jolloin alumiinin laatu ja piiepäpuhtauskonsentraa-15 tioiden valvonta ovat oleellisia sen seikan varmistamiseksi, että malmi täyttää vientisopimuksen laatumääritelmät.

Toisena käyttönä mainittakoon malmin laadunvalvonta bauksiittia lajiteltaessa varastokasoihin, jotka sisältävät piitä ja alumiinia määriteltyinä eri konsentraatioina.

20 Riippumatta näiden varastojen muodostumistavasta voivat nämä varastokasat sisältää (a) malmia, joka on sekoitettu malmin käsittelylaitoksia varten, tai (b) malmia, jota voidaan käyttää seuraavissa sekoitusvaiheissa.

73527

Molemmissa näissä tapauksissa nykyinen käytäntö malmin laadun valvomiseksi perustuu malminäytteiden jaksottaiseen ottoon malmimassasta, joka tavallisesti siirtyy kuljetushihnan varassa näytettä otettaessa. Näytteet ovat 5 suhteellisen suuria (useita kilogrammoja) ja ne joko jaetaan pienempiin osanäytteisiin välittömästi tai sekoitetaan muihin näytteisiin, jotka on otettu määrätystä lukumäärästä automaattisia näytteenottojaksoja edustavan massanäytteen muodostamiseksi, joka sitten jaetaan osanäytteisiin. Osa-10 näytteiden otto ja murskaus jatkuvat, kunnes pieni näytekappale (noin 1g) on lopuksi käytettävissä kemiallista analyysiä varten kemiallisten märkäkokeiden tai röntgensäde-fluoresenssianalyysin avulla. Nämä näytteiden käsittelymenetelmät ovat erikoisen runsaasti aikaa kuluttavia siinä 15 tapauksessa, että näytteeltä halutaan massan hyvä edustavuus. Analyysi kuluttaa myös paljon aikaa.

On todettu, että eräissä tilanteissa (esim. laivoja kuormattaessa) ja malmin laadun vaihdellessa nämä analyyttiset menetelmät eivät ole riittävän nopeita toimenpiteiden 20 mahdollistamiseksi tarkoituksella korjata alumiinin ja piin kemiallisia konsentraatioita (esim. muilla sekoitustoimen-piteillä). Jos olisi mahdollista soveltaa aikaisemman tekniikan mukaisia menetelmiä liikkuvalla hihnalla siirtyvän bauksiitin analysoimiseksi kuljetusvirrassa, olisi kompo-25 nenttien nopeampi analyysi ja näin ollen nopeammat korjaavat sekoitustoimenpiteet periaatteessa mahdollisia. Mär-käkemiallisia menetelmiä ei kuitenkaan valitettavasti voida soveltaa jatkuvaan materiaalivirtaan, ja röntgensäde-fluoresenssiin perustuvia menetelmiä ei voida soveltaa jat-30 kuvana virtana kulkevien malmikimpaleiden mittaamiseksi.

Röntgensädefluoresessiin perustuva menetelmä ei myöskään sovellu käsittelemättömien massanäytteiden analyysiin röntgensäteilyn pienen läpitunkeutumisen takia (pienempi kuin 1 mm) ja sen takia, että malmi on heterogeenistä 35 kosteuspitoisuuteen ja hiukkaskokoon nähden.

5 73527 Tämän keksinnön perustana olevassa neutxoniaktivointi-analyysissa ei ole niitä edellä mainittuja ongelmia, jotka suurien massanäytteiden analyysiin sovellettuina liittyvät m ä r -käkemialliseen analyysiin tai röntgensäde-fluoresenssi in 5 perustuvaan menetelmään. Aktivointianalyysimentelmät voidaan itse asiassa suraan soveltaa suuriin massanäytteisiin, ja ne vaativat sangen vähän näytteen esivalmistelua murskaamalla ja kuivaamalla. Niillä vältetään myös useimmat sellaiset heterogeenisyysongelmat, jotka liittyvät röntgensäde-10 fluoresenssiin perustuvan analyysin soveltamiseen massanäyt-teisiin, koska käytetyt neutronit ja gammasäteet tunkeutuvat paljon syvemmälle kuin röntgensäteet. Tämän ansiosta liikkuvilla hihnoilla siirtyvän bauksiittimalmin laadun valvonta (samoin kuin muiden materiaalien alumiini- ja piipitoisuuk-15 sien valvonta) soveltuu keksinnön mukaiselle neutroniakti-vointimenetelmälle.

Neutroniaktivointianalyysi sinänsä ei ole uusi. Esimerkiksi neutroniaktivoinnin näkökohtia on käsitelty jonkin verran arvomineraalimalmien haivaitsemisessa (erikoisesti 20 hopeamalmi) US-patentin no. 3,463,922, F.E. Senftle et ai, selityksessä. Senftle et ai käsittelee malmien säteilytyksen suhteellisia etuja ylikuormituksessa nopeilla ja hitailla » » neutroneilla ja päättelee, että monissa tapauksissa arvo-kas malmi voidaan havaita hitaan neutronisäteilytyksen avul-25 la pinnasta, havainnoimalla tunnusomainen gammasäteily akti-: voiduista mineraaleista kivien, maan ja j uon i k i v ima t er i aa 1 i n ,··. pintakerroksen alta.

Toinen esimerkki neutroniaktivoinnista löytyy UK-patentin no. 1,409,480 selityksestä (United States Atomic 30 Energy Commissio). Tässä selityksessä kuvataan kaksoislenkin käsittävä neutroniaktivointianalyysi nestemäisten väliaineiden kuten massojen, liuosten ja nesteytettyjen jauheiden • '-· mittaamiseksi. Tähän menetelmään kuuluu (a) ensimmäinen : : : lenkki, jossa nestemäistä väliainetta säteilytetään lämpö- · . 35 neutroneilla ja jäljelle jäävä gammasäteily mitataan, ja 4 73527 (b) toinen lenkki, jossa nestettä säteilytetään nopeilla neutroneilla ja jäljelle jäävä gammasäteily jälleen mitataan.

Vielä yksi esimerkki aktivointianalyysin käytöstä 5 löytyy länsisaksalaisesta omasta julkaisustamme no.

2,329,105, (ja vastaavasta australialaisesta patenttiseli-tyksestä no. 475,297). Tässä esimerkissä hitailla neutroneilla tapahtuvan säteilytyksen tarkoituksena on päätellä veden ja erityisen komponentin konsentraatio materiaa-10 lissa - erityisesti vesi- ja rautapitoisuus hihnakuljetta-massa irtorautamalmissa.

Neutroniaktivointimenetelmiä on aikaisemmin sovellettu piin ja alumiinin analyysiin pienissä näytteissä (pienemmät kuin 150 g). Niinpä näitä menetelmiä on seli-15 tetty julkaisussa, jonka on laatinut F.Dugain ja 3. Tatar, Ann. Inst. Geol. Publici, Unkari, Volume 54, s. 375 (1970), ja julkaisuissa, jotka ovat laatineet L. Alaerts, J.P.Op de Beeck ja J. Hoste, Anal. Chim. Acta, Volume 70, s. 235 (1974) ja Anal. Chim. Acta, Volume 78, s. 329 (1975).

20 Nämä menetelmät riippuvat komponentteina olevien kemiallisten alkuaineiden kahteen keskinäiseen vaikutukseen. Toinen keskinäinen vaikutus on se, joka esiin- 2 8 ty nopeiden neutronien ja isotoopin Si välillä, jolloin 28 28 28 muodostuu isotooppi AI reaktion Si(n,p) AI seuraukse- 2 8 25 na. Reaktiotuote AI hajoaa siten, että sen puoliintu- misikä on 2,3 minuuttia, jolloin kehittyy gammasäteilyä energiatasolla 1,78 MeV. Näytteen alumiinikomponenttia sätei- lytettäessä hitailla neutroneilla kehittyy samaa radioaktii- 2 8 vista isotooppia AI, johon liittyy 1,78 MeV gammasäteily.

30 Koska nopeiden neutronien ja pienissä näytteissä olevan materiaalin keskinäinen vaikutus on mitättömän pieni, voidaan piin ja alumiinin kemialliset konsentraatiot kalibroida suoraan 1,78 MeV gammasäteilyn laskentojen perusteella, 35 73527 jotka laskennot havaitaan määrätyn aikavälin kuluessa sen jälkeen, kun ensin on säteilytetty nopeilla neutroneilla ja sitten hitailla neutroneilla. Bauksiitin massanäytteiden ja varsinkin huomattavan paljon vettä sisältävien näyt- 5 teiden tutkimuksessa on otettava erikoisesti huomioon niiden nopeiden neutronien hidastuminen, joita käytetään piin analyysia varten ja siihen liittyvään isotoopin 2 8 AI muodostumiseen, joka aiheutuu hitaiden neutronien sieppaamisesta alumiiniin saman säteilyttämisen aikana.

10 Eräs menetelmä tämän ilmiön ottamiseksi huomioon on seli tetty seuraavassa keksinnön toiminnan selityksen yhteydessä.

Nykyään käytetyissä neutroniaktivointiin perustuvissa analyysimenetelmissä, jotka vaativat kahta sätei-15 lyttämistä (ensin nopeilla ja sitten hitailla neutroneil la), aiheuttavat nämä molemmat neutronilähteet ja niiden vastaavat suojayhdistelmät huomattavan suuria pääomakustannuksia. Analyysin kohdistuessa hihnalla siirtyvän malmin liikkuvaan virtaan tarvitaan myös kaksi spektromet-20 ristä gammasäteily ilmaisinta _/esim. 127 x 127 mm NaI(Tl_)7. Jos analyysi on suoritettava kasoissa tai säiliöissä olevilla massanäytteillä, tullaan kylläkin toimeen vain yhdellä gammasäteilyilmaisimella, mutta piin ja alumiinin analyysimenetelmät on kahdennettava, mikä kaksinkertaistaa 25 analyysiin kuluvan ajan pituuden ja tarvittavan työn.

Jotta mittauksia voitaisiin menestyksellisesti käyttää hyödyksi analyysissa, on lisäksi oleellista, että nopea ja hidas neutronivuo pysyvät vakioina ja toistettavina mittauksesta toiseen.

30 Tämä keksintö antaa tulokseksi huomattavia ajan ja laitteistokustannusten säästöjä nykyiseen teknologiaan verrattuna esittämällä analyysimenetelmän, joka perustuu näytteen yhteen ainoaan säteilytykseen, minkä jälkeen seuraa yksi ainoa mittausvaihe.

35 Keksinnön perustana olevat ydinreaktiot ovat seu- raavat: 73527 27 27

Al(n,p) Mg (jota käytetään alumiinikomponenlin määrittämiseksi, ja 28 28

Si(n,p; AI (piin määrittämiseksi).

Näissä reaktioissa vaikuttavien neutronien energiat 27 5 ovat suuremmat kuin 4,5 MeV. Radioaktiivinen ydin Mg ha joaa siten, että sen puoliintumisikä on 9,46 minuuttia, ja ydin lähettää hajotessaan kaksi gammasädettä, joiden energiat ovat vastaavasti 0,844 MeV ja 1,015 MeV. Toisen 28 radioaktiivisen ytimen AI emissio ja puoliintumisaika 10 on selitetty edellä. Kuten myös edellä on selitetty, on kolmas ydinreaktio tärkeä kaikissa massanäytteissä, jotka alumiini- ja piikomponenttien lisäksi sisältävät huo- 2 T 28 mättävän paljon vettä. Tämä reaktio, Al(n, V ) AI, johon liittyy alumiinissa olevien hitaiden neutronien 15 sieppaus, johtaa 1,78 MeVgammasäteilyn emissioon, joka sum mautuu siihen 1,78 MeV gammasäteilyyn, joka aiheutuu nopeiden neutronien reaktiosta näytteen piikomponentin kanssa. (On huomattava, että käytettäessä jopa lähteitä, jotka lähettävät ainoastaan nopeita neutroneja näytteen sätei-20 lyttämiseksi, tulee huomattava lukumäärä nopeita neutroneja hidastumaan lämpöenergiaksi näytteessä kohdatessaan vety-ytimiä, jotka liittyvät näytteen vesipitoisuuteen.)

Edellä selitettyjen ydinreaktioiden soveltaminen alumiinin ja piin analyysiin nopeiden neutronien aktivoinnin 25 avulla on selitetty tieteellisessä kirjallisuudessa.

Niinpä voidaan viitata julkaisuun, jonka ovat esittäneet R.H. Gijbels ja J. Hertogen, Pure Appi. Chem., Volume 49, s. 1555, (1977), ja julkaisuun J. Kuusi, Nucl. Appi.

Technol., Volume 8, s. 465 (1970). Nämä sovellutukset kos-30 kevät kuitenkin pieniä näytteitä tai sellaisia suuria näyt teitä, jotka sisältävät niukasti vetyä ja täten aiheuttavat nopeiden neutronien mitättömän pientä hidastumista näytteissä.

Keksintö voittaa ongelman, joka johtuu alumiinin ja 35 piin välisestä interferenssistä 1,78 MeV gammasäteilyn takia seuraavasti: nopeilla neutroneilla suoritetun sätci- 73527 lytyksen jälkeen mitataan 1,78 MeV gammasäteet näytteestä 27 samanaikaisesti kuin ne säteet, jotka isotooppi Mg lähettää energiatasoilla 0,844 MeV ja valinnaisesti myös 1,015 Mev, ennalta määrätyn aikavälin kuluessa. (Jos näy- 5 tesäiliö on valmistettu sellaisesta materiaalista, kuten kuparista, joka kehittää gammasäteilyä, joka vaikuttaa näytteen lähettämään 1,015 MeV gammasäteilyyn, jätetään tämä 1,015 MeV gammasäteily pois analyysistä). Koska iso-27 toopista Mg johtuvien laskentojen lukumäärä aiheutuu ai-10 noastaan alumiinista, voidaan alumiinin kemiallinen konsen-traatio saada suoraan näistä tallennetuista laskennoista, kun tunnetaan näytteen massa. Näytteen a 1umiinipitoisuu-den ollessa tunnettu, ja edellyttäen, että myös tunnetaan hitaiden neutronien vuo materiaalissa, voidaan 1,78 MeV 15 gammasäteilyn se komponentti, joka aiheutuu hitaiden neutronien reaktiosta alumiinink kanssa, vähentää koko lasketusta 1,78 MeV gammasäteilystäsiten, että saadaan se energiatasolla 1,78 MeV tapahtuva gammasäteily, joka aiheutuu siitä, että nopeat neutronit ovat aktivoineet näytteessä 20 olevan piin.

Koska lämpöneutronivuo massanäytteessä on herkkä vedenpitoisuudelle, on oleellista mitata lämpöneutronien lukumäärä tietyn aikavälin kuluessa neutronisäteilytyksen aikana. Tätä varten sopiva nnutroni-ilniaisin sijoitetaan 25 lähelle näytettä. Ilmaisimen tallentama neutronien lukumäärä on verrannollinen lämpöneutronivuohon näytteessä.

Keksinnön mukaan saadaan täten menetelmä materiaali-näytteen alumiini- ja piipitoisuuden analysoimiseksi samanaikaisesti, jolloin näytteitä säteilytetaän nopeilla neutro-30 neilla, ja tämän menetelmän tunnusomaiset vaiheet ovat: a) mitataan aikaansaatu lämpöneutronivuo näytteessä, b) mitataan gammasäteily säteilytetystä näytteestä energiatasoilla 1,78 MeV ja 0,844 MeV, c) käytetään energiatasolla 0,844 MeV mitattua gamma-35 säteilyä näytteen alumiinipitoisuuden määrittämiseksi, ja d) käytetään energiatasolla 1,78 MeV mitattua gammasäteilyä, josta on vähennetty sen energiatasolla 1,78 MeV tapahtuva gammasäteily, joka aiheutuu lämpöneutronien reakti- 8 73527 osta näytteessä olevan lasketun alumiinin kanssa näytteen piipitoisuuden määrittämiseksi.

Keksinnön mukaan saadaan myös laite menetelmän toteuttamiseksi, jossa on: 5 a) nopeiden elektronien lähde, joka on sovitettu ma- teriaalinäytteen säteilyttämiseksi, b) lämpöneutronien ilmaisin, joka on sijoitettu siten, että se mittaa lämpöneutrönivuon säteilytetyssä näytteessä, c) gammasäteilyn ilmaisin, joka on erotettu ja suojat-10 tu neutroni lähteestä ja joka on sovitettu mittaamaan sätei- lytetystä näytteestä saadun gammaspektrin, d) välineet signaalien valitsemiseksi, jotka edustavat mitattua gammasäteilyä energiatasoilla 1,78 MeV/ ja 0,844 MeV/, ja e) välineet mainittujen signaalien ja mainitun lämpö-15 neutronien ilmaisimen ulostulosignaalin käsittelemiseksi mainitun näytteen alumiini- ja piipitoisuuden määrittämiseksi.

Keksinnön muut tunnusmerkit selitetään seuraavassa oheisten piirustusten kuvaaman erääb suoritusmuodon perusteella .

20 Kuvio 1 esittää kaaviollisesti koejärjestelmää näyt teen alumiini- ja piipitoisuuden mitaamiseksi.

Kuvio 2 esittää osittain kaaviollisena ja osittain lohkoesityksenä komponentteja, joita käytetään kuvion 1 näyttämässä järjestelmässä neutroniaktivointianalyysin 25 suorittamiseksi.

Kuvio 3 ja 4 esittävät käyrinä alumiini- ja pii-määrityksen tuloksia näytteissä, joihin on kohdistettu sekä tavanomainen analyysi että on sovellettu krksinnön mukaista neutronien aktivointimenetelmään perustuvaa analyysia.

30 Ennenkuin laite ja menetelmä selitetään yksityiskoh taisesti, on eduksi tutustua matematiikkaan, joka liittyy tähän keksintöön.

Näytteessä, joka sisältää sekä alumiinia että piitä, on alumiinin AL määrä suhteessa siihen laskentojen luku-35 määrään G, joka mitataan isotoopin Mg lähettämien gamma-säteiden perusteella energiatasolla 0,844 MeV/ ja / tai 73527

1,015 MeV, ja on edelleen suhteessa näytteen painoon W

seuraavan yhtälön kuvaamalla tavalla: AI = a + a.G + a0W. ( 1 ) o 1 2

Vakiokertoimet aQ, a^ ja a„, määritetään lineaarisen regres-5 sioanalyysin perusteella.

Laskentojen lukumäärä G määritetään yhtälöstä G = G,p - k J , (2) jossa G^ on niiden gammasäteiden kokonaislukumäärä, joka on mitattu energiaikkunassa, joka käsittää 0,844 MeV 10 ja/tai 1,015 MeV piikit, J on niiden laskentojen kokonais lukumäärä, joka on mitattu 1,78 MeV gammasäteistä, ja k on vakio. Lausetta kJ käytetään sen jatkuvan spektrin vähentämiseksi, joka on kotoisin sekä Comptonin 1,78 MeV haja-gammasäteälystä että neutronilähteen lähettämästä taustasä-15 teilystä.

Täten AI = aQ + a1GT + a2W + a^J, (3) jossa a^ = -a^K.

Samalla tavoin näytteessä olevan piin Si kemiallinen 20 konsentraatio on suhteessa siihen laskentojen lukumäärään aikayksikössä H, joka aiheutuu 1,78 MeV gammasäteilystä,

')Q 2 R

joka on kotoisin reaktiosta Si(n,p) AI ja on suhteessa näytteen painoon W seuraavan yhtälön mukaan:

Si = bQ + b ,,Η + b2W, (4) 25 jossa bo, b ja b2 ovat regressioanalyysin perusteella saa tavia vakiokertoimia.

Bauksiitin massanäyttoestä kyseenollen sisältää käytännössä kuitenkin laskentojen lukumäärä aikayksikössä, ? δ joka aiheutuu isotoopeista ' AI ja suureesta J, kaksi toi- 1 2 3 4 5 6 sistaan erottamatonta komponenttia H ja I, joista I on kom- 2 27 3 ponentti, joka on kotoisin isotoopin AI lämpöneutroniak-tivoinnista. Laskentojen lukumäärä I on verrannollinen 4 säteilyttämisen aikana mitattujen lämpöneutronien luku 5 määrän ja näytteen alumiinikonsentraation tuloon. Kos- 6 ka edellä mainittujen laskentojen lukumäärä G^, on suhtees sa alumiinin konsentraatioon, ja koska on verrannolli- 10 73527 nen lämpöneutronivuohon näytteessä, saadaan näytteen todellinen piin konsentraatio yhtälöstä

Si = b0 + b3J + bdGTNt + b2W’ (5) jossa b. b ovat regressiokertoimia.

5 li 5 Yhtälöitä (3) ja (5) käytetään materiaaleja analysoi taessa keksinnön mukaan.

Kuvion 1 näyttämässä keksinnön kokeilemiseen tarkoitetussa koejärjestelmässä on neutronilähde 10 ja lämpö-neutronien ilmaisin 11, jotka sijaitsevat lähellä rautatie-10 kiskoja 12, joiden varassa pieni materiaalinäyte 13 voidaan äirtää. Lähellä kiskoja 12 mutta etäällä neutronilähtees-tä 10 ja ilmaisimesta 11 on gammasäteilyn ilmaisin 14, joka on sopivasti suojattu lyijysuojauksella 15 ja muuri-suojuksella 16.

15 Kuvion 1 näyttämässä koejärjestelmässä oli neutroni- 7 lähteenä 20 Ci Am-Be, ja laskettu ulostulo oli 4,4 x 10 n/s. Materiaalinäytteet 13 oli sijoitettu suorakaiteen muotoiseen messinkilaatikkoon 17 (25 x 25 x 4 cm syvä), ja näytettä säteilytettiin nopeilla neutroneilla alhaaltapäin. Neutro-20 nilähde 10 oli suljettu kadiumia olevaan lieriömäiseen kuoreen 21 (kuvio 2), joka esti lähteestä säteileviä lämpöneutrore^. saavuttamasta näytettä 13. Näytteessä 13 kehittynyt lämpöneutronivuo mitattiin lämpöneutronien ilmaisimella 11, joka oli erittäin tehokas neutronien il-25 maisin (täytetty 390 kPa paineeseen seoksella, jossa oli 3

He ja Kr), joka myös oli sijoitettu näytesäiliön alapuolelle lähelle neutronilähdettä.

Sen jälkeen, kun lähteellä 10 oli säteilytetty 6 minuuttia, siirrettiin näyte 13 15 sekunnin kuluessa 30 sijoituspaikkaan, joka oli välittömästi gammailmaisiraen 14 yläpuolella. Ilmaisimena oli 127 x 127 mm NaI(T1)-tyyppinen skintillaatioilmaisin. Neutronilähteen 10 ja gam-mailmaisimen 14 välinen etäisyys oli noin 7 metriä. Tämä lähteen ja ilmaisimen välinen etäisyys lisäsi huomattavan 35 etäissyssuojakomponentin siihen jo ennestään huomattavan suureen suojaan säteilylähteen vaikutukselta, joka oli muo- 11 73527 dostettu betonitiilirakenteille 16 ja 26, jotka oli rakennettu sekä NaI(T1)-ilmaisimen 14 että neutronilähdeyhds-telmien ympärille. Kolmen senttimetrin paksuinen lyijy-suojus 15, joka oli rakennettu skintillaatioilmaisimen 5 14 rungon ympärille siten, että ainoastaan yläpuolinen laakapinta oli paljaana mittauksia varten, vähensi edelleen 1 37 taustasäteilyä. Spektri stabiloitiin käyttämällä Cs-1 lähteen 0,662 MeV gammasäteilyä (ei näytetty piirustuksis sa), mikä antoi vertailupiikin "Canberra Industries Model 10 1520" -tyyppiselle analogiselle spektrin stabiloimislait- teelle.

Skintillaatioilmaisimen 14 ilmaisemien gammasäteiden energiaspektrit analysoitiin menetelmän alkuperäisten kehitysvaiheiden aikana käyttämällä "Tracor Northern" 15 -tyyppistä 4096-kanavaista pulssikorkeuden analysointilaitetta (mallia TN-1700). Myöhemmässä vaiheessa, jolloin energiapulssien korkeuden kalibroinnit oli saatu täysin toteutetuiksi, käytettiin kuvion 2 näyttämällä tavalla . i , Ortec-tyyppistä yhden kanavan analysointilaitetta, digitaa- t 20 lilaskimia ja aikalaitetta, koska nämä laitteet paremmin soveltuivat tehdas- tai kaivospaikan käyttöolosuhteisiin. Vahvistimina käytettiin "Tennelec"-tyyppistä lineaarista vahvistinta skintillatioilmaisimelle 14 ja "Ortec"-tyyppistä spektroskooppivahvistinta neutroni-ilmaisimelle 11. Di-25 gitaalilaskimen ulostulo saatiin liuskak.ir joittimesta .

Kuvion 2 näyttämä osittain kaaviollinen ja osittain loh-konmuotoinen kaavakuva havainnollistaa paremmin ymmärrettävällä tavalla kuvion 1 näyttämää laitetta. Varsinkin suuritehoisten neutronien lähde 10 ja lämpöneutronien 30 ilmaisin 11 on näytetty yksityiskohtaisemmin siten, että nähdään neutronilähde 10 suljettuna kadiumsuojukseen 21 ja lähde 10 ja ilmaisin 11 sijoitettuina muurisuojukseen 26.

Yksi ainoa suurjännitteinen tehonsyöttö 22 palveli sekä lämpöneutronien ilmaisinta 11 että gammasäteilyn il-35 maisinta 14.

12 73527 Lämpöneutronien ilmaisimen 11 lähtösignaali vahvistetaan ensin vahvistuksen valvontayksikössä 23. Jos vahvistettu signaali ylittää vaaditun kynnysarvon (jonka kynnyslaite 24 määrittää), syötetään se digitaalilaskimen 25 tuloon.

5 Tämän laskimen 25 lähtö syötetään prosessoriin 32, jona tavallisesti on mikroprosessori tai pieni tietokone, joka on ohjelmoitu tarvittavan analyysin suorittamiseksi kolmesta tulo-signaalistaan .

Prosessorin 32 molemmat muut tulosignaalit ovat sig-10 naaleja, jotka osoittavat suureiden G ja J arvoja (kts. edellä olevaa selitystä). Nämä signaalit johdetaan gammailmaisi-men 14 vastaanottamista gammasäteistä, jotka aiheutuvat näyt- p o teen säteilytyksen aikana muodostuneiden isotooppien AI ja 27 'Mg hajoamisesta. Nämä tulot saadaan sen jälkeen, kun il-15 maisimen 14 lähtöä on käsitelty vahvistimessa 26, gamma-säteiden diskriminaattorissa ja digitaalilaskimissa 28 ja 28a. Gammasäteiden diskriminaattori on piirustuksessa näytetty kahtena yksikanavaisena gammasäteiden analysointi-laitteena 27 ja 27A. Käytännössä nämä laitteet 27 ja 27A 20 voivat muodostaa yhden ainoan yksikön, joka on monikanavainen analysointilaite, joka antaa lähdöt kanavista, joissa on energiaikkunat, joiden leveys tyypillisesti on noin 0,35 MeV ja jotka on keskiöity energiatasoille 0,844 MeV, 1,015 MeV £1,78 MeV.

25 Esiasetettava aikalaite 31 ohjaa digitaalilaskimen 28 ja 28a toimintaa. Aikalaite 31 on synkronisoitu digitaalilaskimen 25 toimintaa ohjaavaan esiasetettavaan aika-laitteeseen 3 nähden, mutta toimii tämän jälkeen.

Prosessorin 32 lähtö voidaan tallentaa, esim.

30 varastoida magneettinauhaan, magneettikiekkoon, magneet-tikoriin, reikänauhaan, reikäkorttiin tai mihinkä muuhun sopivaan välineeseen. Vaihtoehtoisesti tai tämän lisäksi voidaan prosessorin 32 lähtö esittää digitaalinäyttönä, paperille kirjoitettuna, tai korttiin merkittynä. Tä-35 män alan ammattimiehet ymmärtävät, että prosessorin 32 lähdön kulloinkin käytettävä esitysmuoto voidaan valita 73527 siten, että se soveltuu laitteiston omistajan tai käyttäjän tarpeisiin. Näin ollen on kuviossa 2 näytetty ainoastaan yksi ainoa määrittelemätön näyttöyksikkö 33·

Eräässä keksinnön mukaisessa kokeellisessa testaus-5 esimerkissä bauksiittinäytteet kuivattiin siten, että niiden sisältämä vapaa kosteus oli pienempi kuin 5 paino-%, ja murskattiin £- 6 mm hiukkaskokoon. On kuitenkin huomattava, että näin laaja esikäsittely ei ole oleellista. Bauksiittinäytteessä oli alumiinia rajoissa 26 ... 32 pai-10 no-%, kun taas piin konsentraatiot olivat rajoissa 0,9 ... 4,5 paino-%. Säteilytykseen käytetyn näytteen massa oli noin 4 kg.

Bauksiittia säteilytettäessä nopeilla neutroneilla

oli odotetusti gammasäteiden spektrissä dominoivina 1,78 MeV

28 15 gammasäteilypiikki, joka aiheutui isotoopista AI, ja jatkuvana spektrinä gammasäteet, joihin oli kohdistunut Compton- hajonta sekä ilmaisimessa että massanäytteessä. Tämä jatku- 27 va spektri sijaitsee isotoopin Mg aiheuttamien spektri-piikkien alla energiatasoilla 1,015 ja 0,844 MeV. Tässä 20 esimerkissä Compton-hajontaprosesseja dominoivat gammasäteet, joiden alkuenergiat olivat 1,78 MeV, 1,015 MeV ja 0,844 MeV, jotka olivat kotoisin näytteestä, sekä 0,662 137

MeV, joka oli kotoisin isotoopin Cs stabiloivasta ver-tailulähteestä. Bauksiitin tapauksessa oli nytkin odote-25 tusti muista komponenteista, kuten luonnollista radioaktiivisista nuklideista kotoisin olevat häiriöt minimaaliset, 56 ja isotoopin Mn piikit energiatasoilla 0,846 MeV, 1,811

MeV ja 2,113 MeV olivat hyvin pienet. (Tämä nuklidi, jonka 55 56 puoliintumisikä on 2,57 h, voi johtua mn(n,Y )3DMn-reak-56 56 30 tiosta tai Fe(n,p) Mn-reaktiosta. Ensimmäinen näistä reaktioista myötävaikuttaa mitättömän vähän isotoopilla 56

Mn, johtuen Australian bauksiittien äärimmäisen pienestä mangaanikonsentraatiosta, huolimatta tätä reaktiota varten käytetystä suhteellisen suuresta poikkileikkauksesta 13,3 35 barnia. Toinen näistä reaktoista, johon rauta liittyy, 56 antaa enemmän isotooppia Mn kuin ensimmäinen reaktio, riutta muodostaa noin 2-prosenttisen vakio-interferenssitason, jonka vaihtelu on vain noin 1% siitä gammasäteilysignaalista, 27 joka on kotoisin isotoopista Mg.) 14 73527

Toinen tässä esimerkissä esiintyvä spektrisen interferenssin lähde aiheutui messinkiä olevan näytesäiliön kuparikomponentin neutronien aktivoitumisesta, mikä antoi pienen piikin energiatasolla 1,05 MeV. Oli näin ollen vält-5 tämätöntä jättää pois laskelmista kaikki laskenta-arvot, jotka oli merkitty noin 0,1 MeV leveässä ahtaassa energia-ikkunassa, joka oli keskiöity energiatasolle 1,0 MeV.

Niiden spektrin piikkien interferenssin lisäksi, jotka aiheutuvat näytteen pienehköjen komponenttien ja 28 10 näytesäiliön kehittämistä monoergeettisistägammasäteistä( Aija 27

Mg) esiintyi myös huomattavaa interferenssiä gamma-haja-

säteilyn jatkuvasta spektristä. Interferenssi 1,78 MeV

spektripiikin kanssa näytti olevan merkityksetön suuremmilla energiatasoilla esiintyvän mitättömän pienen gammasäteilyn 2 7 15 takia. Isotoopista Mg johtuvan 0,844 MeV gammasäteily- piikkiin vaikutti huomattavasti alla olevan jatkuvan spektrin melkoisen suuri interferenssi, joka aiheuti isotoopin 28 AI hajoamisen seurauksena esiintyvän 1,78 MeV gammasäteilyn Compton-hajonnasta ja neutronilähteen taustasäteilystä.

20 AU-patentin 468.970 selityksessä on kuvattu eräs menetel mä, jota olisi voitu käyttää interferenssiongelmien voittamiseksi tapauksessa, jossa käytetään monikanavaisia pulssi-korkeuden analysointilaitteita neutronin aktivointianalyysia varten. Tähän menetelmään liittyy alla olevan jatkuvan spekt- 25 rin määritys, joka perustuu laskentojen lukumäärään energia-kanavassa, joka sijaitsee lähellä kysymykseen tulevaa spekt-ripiikkiä. Keksinnön mukaisessa koejärjestelmässä sovellettiin tehokkaasti erästä vaihtoehtoista menetelmää käyttämällä yksikanavaisia analysoimislaitteita bauksiitin aktivointiana- 30 lyysissa. Tämä menetelmä perustuu yksinkertaisesti siihen, että käytettiin kahta erikoista energia-ikkunaa. Toinen ikkuna, joka on keskiöity energiatasolle 0,844 MeV, on noin 0,1 MeV leveä. Toinen noin 0,35 MeV leveä ikkuna käsittää 1,78 MeV piikin.

35 Näiden molempien energia-ikkunoiden käyttäminen yk sistään toimii hyvin, koska ensimmäisessä ahtaassa ikkunassa esiintyvään jatkuvaan spektriin kerääntyvät laskennat ovat 15 73527 ' hyvänä lilkimääräisarvona verrannolliset niiden laskentojen i\ 28

lukumäärään, jotka ovat kotoisin isotoopin AI 1,78 MeV

Ί '.· gammasäteilystä. Näissä molemmissa ikkunoissa saadut las- * kennat on yhtälöissä (3) ja (5) merkitty G^, ja J siten, että 5 voidaan joko määrittää kalibrointikertoimet a, ja b. tai mää- ; rittää piin ja alumiinin kemialliset konsentraatiot näytteis- • sä siinä tapauksessa, että kalibroinnit ja näin ollen kertoimet jo olivat tunnetut.

. Sen jälkeen, kun oli suoritettu joukko kokeita hyvin 10 sekoitetuilla, tehokkaasti homogeenisilla malminäytteillä, sovitettiin aktivointianalyysin tiedot lineaarisen reg-ressioanalyysin avulla niihin kalibrointitietoihin, jotka S oli saatu kemiallisista märkäkokeista. Massanäytteistä saa- .· tujen pii- ja alumiinimääritysten vastaavat tarkkuudet 15 saatiin näytteen standardipoikkeamina (s) seuraavalla taval- f T la: (a) Käytettäessä yhtälöitä (3) ja (5) ja sovellettaessa keksinnön mukaista menetelmää oli

alumiinille s = 0,43% AI

i 20 piille s = 0,14% Si (b) Kun yhtälöstä (5) jätetään pois isotoopista . 27

Mg energiatasolla 0,844 MeV esiintyvän gammasäteilyn myötävaikutus, saadaan

Piille s = 0,19% Si 25 (c) Kun yhtälöstä (5) jätetään pois ne osuudet, jotka 27 aiheutuvat sekä isotoopin Mg säteilystä energiatasolla 0,844 MeV että näytesäiliön alla mitatuista lämpöneutro-neista, saadaan: piille ss 0,82% Si.

30 Kuten keksintöä soveltamalla saatujen tulosten pie nistä standardipoikkeamista selviää, on keksintö sangen edullisesti verrattavissa vaihtoehtoihin (b) ja (c).

Kuvioissa 3 ja 4 on näytetty vertailut, jotka koskevat neutroniaktivoinnin määrityksiä alumiinille ja piille, 35 jotka on lausuttu aluminioksidina (Al^O^) ja piidioksidina (SiOg), ja toisaalta tavanomaisen analyysin avulla saadut määritykset.

Ammattimiehelle on selvää, että (a) säiliön 17 ei · t ! “ 73527 tarvitse olla messinkiä eikä sen tarvitse kehittää tutkittavan gammaspektrin merkityksellistä komponenttia, (b) edellä selitetyssä koejärjestelmässä käytetty rautatiekisko järjestelmä ja massanäyte voidaan korvata kuljetushih-5 nalla, joka siirtää malmia (tai muuta materiaalia ) neutro-nisäteilytysaseman ja myötävirran suunnassa sijaitsevan gammasäteilymittausaseman välillä siten, että voidaan suorittaa hihnan kuljettaman materiaalin sisältämän piin ja alumiinin analyysi jatkuvasta virrasta, ja (c) edellä se-10 litetjn koejärjestelmän rautatiekiskojärjestelmä ja massanäy te voidaan korvata porausreiän kiinteillä seinämillä ja ympäröivällä kalliolla, ja sekä säteilylähdettä että ilmaisinta voidaan samanaikaisesti siirtää porausreiässä siten, että voidaan tutkia piin ja alumiinin esiintymistä tässä 15 reiässä. Tällaista järjestelmää varten asennetaan suuritehoinen neutronilähde, lämpöneutronien ilmaisin ja gamma-j säteilyilmaisin porausreikää varten tehtyyn sondiin, joka sitten voidaan laskea porausreiässä mihinkä tahansa haluttuun asentoon tätä porausreikää ympäröivän kallion analysoimi-20 seksi. Signaalinkäsittelylaitteita ei normaalisti sijoi teta sondiin, vaan ne yhdistetään lähteeseen ja ilmaisimiin ; pitkillä kaapeleilla.

ΐ ] 25 ί 1 30 i i i.

i i 1 35 i j

Claims (20)

1. Menetelmä materiaa 1 inäy11een (13) alumiini- ja piipitoisuuden analysoimiseksi samanaikaisesti, jolloin säteily-tetään näytteitä (13) nopeilla neutroneilla, tunnettu siitä, että tämän menetelmän vaiheet ovat: 5 a) mitataan aikaansaatu lämpöneutronivuo näytteessä (13), b) mitatataan gammasäteily säteilytetystä näytteestä (13) energiatasoilla 1,78 MeV ja 0,844 MeV, c) käytetään energiatasolla 0,844 MeV mitattua gamma -10 säteilyä näytteen alumiinipitoisuuden määrittämiseksi, ja d) käytetään energiatasolla 1,78 MeV mitattua gammasäteilyä, josta on vähennetty se energiatasolla 1,78 MeV tapahtuva gammasäteily, joka aiheutuu lämpöneutronien reaktiosta näytteessä olevan lasketun alumiinin kanssa näytteen 15 piipitoisuuden määrittämiseksi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, t u n -n e t t u siitä, että vaiheeseen (b)sisältyy lisävaihe sä- : .· teilytetyn näytteen (13) gammasäteilyn mittaamiseksi energia- tasolla 1,015 MeV, ja vaiheessa (c) joko mitattua gammasätei-' 20 lyä energiatasolla 1,015 MeV tai mitattua gammasäteilyä ener- ·;··: giatasolla 0,844 MeV käytetään näytteen alumiinipitoisuuden määrittämiseksi.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että vaiheeseen (c) sisältyy enerqia- 25 tasolla 0,844 MeV tai 1,015 MeV tai 0,844 MeV mitatun gammasäteilyn kompensoiminen Comptonin energiatasolla 1,78 MeV " * tapahtuvalla gammahajasätei1y1lä ja gammataustasätei1y1lä .

·*·’ 4. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen menetelmä, -;*· tunnettu siitä, että näytteen a lumi in ipi toi suus mää- 30 ritetään vaiheessa (c) käyttämällä yhtälöä AI = a + a,GT + a„W + a,J, . 01123 jossa aQ, ja a2 ovat kalibrointikertoimia, jotka määri -" tetään kalibroimalla vastaukset G^., U ja J tunnettujen näyt teiden alumiinipitoisuutta vastaan käyttämällä regressioana-35 lyysia, Gy on energiatasolla 0,844 MeV tai 1,015 MeV tapahtuvan gammasäteilyn yksikköäjassa laskettu gammailmaisimen kokonaislukumäärä, J on energiatasolla 1,78 MeV tapahtuvan gammasätei- 18 73527 lyn yksikköäjassa laskettu gammailmaisimen kokonaislukumäärä ja W on näytteen paino.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen menetelmän, t u n -n e t t u siitä, että piipitoisuus määritetään vaiheessa 5 (d) käyttämällä yhtälöä Si = bQ + b-jJ + b^G^.Nt + b2W, jossa bQ, b^ ja b^ ovat kalibrointikertoimia, jotka on määritetty kalibroimalla vastaukset J ja l/J tunnettujen näyt teiden regressioanalyysin avulla saatuja piipitoisuuksia v a s -10 taan, ja on todettu lämpöneutronivuo näytteessä, kun tätä säteilytetään nopeilla neutroneilla.

6. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että näytteenä on massa-näyte, ja vaihe (a) suoritetaan ensimmäisessä sijoituspaikassa, 15 vaiheet (b) ja (c) suoritetaan toisessa sijoituspaikassa, joka sijaitsee etäällä ensimmäisestä sijoituspaikasta ja mainittu massa näyte siirretään ensimmäisestä sijoituspaikasta toiseen sijoituspaikkaan ajassa, joka on lyhyt verrattuna isotooppi 2 8 Al:n puoliintumisikään, kun vaihe (a) on saatu päätökseen.

7. Jonkin patenttivaatimuksen 1...5 mukainen menetel mä, tunnettu siitä, että mainittu näyte kuljetetaan liikkuvalla kuljetushihna11 a.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen menetelmä, t u n -n e t t u siitä, että vaihe (a) suoritetaan ensimmäisessä 25 sijoituspaikassa, joka on kuljettimen ylä- tai alapuolella, ja vaiheet (b) ja (c) suoritetaan toisessa sijoituspaikassa kuljettimen yläpuolella tai alapuolella, jolloin tämä toinen sijoituspaikka sijaitsee myötävirran suunnassa ensimmäisestä sijoituspaikasta.

9. Jonkin patenttivaatimuksen 1...5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että näytteenä on porausreiän seinämässä oleva materiaali.

10. Laite patenttivaatimuksen 1 mukaisen menetelmän toteuttamiseksi, tunnettu siitä, että tässä lait-35 teessä on (a) nopeiden elektronien lähde (10), joka on sovitettu materiaalinäytteen (13) sätei1yttämiseksi, 19 73527 b) lämpöneutronien ilmaisin (11), joka on sijoitettu siten, että se mittaa lämpöneutronivuon säteilytetyssä näytteessä (13), c) gammasäteilyn ilmaisin (14), joka on erotettu ja 3 suojattu neutronilähteestä (10) ja joka on sovitettu mittaamaan säteilytetystä näytteestä (13) saadun gammaspektrin, d) välineet (27, 27A) signaalien valitsemiseksi, jotka edustavat mitattua gammasäteilyä energiatasoilla 1,78 MeV ja 0,844 MeV , ja 10 e) välineet (28, 28A, 25, 32) mainittujen signaalien ja mainitun lämpöneutronien ilmaisimen (11) ulostulosignaalien käsittelemiseksi mainitun näytteen (13) alu miini- ja piipitoisuuden määrittämiseksi.

11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen laite, t u n -15 n e t t u siitä, että välineet signaalien valitsemiseksi käsittävät lisäksi välineet signaalien valitsemiseksi gammasäteilyn energiatasolla 1,015 MeV.

12. Patenttivaatimuksen 10 tai 11 mukainen laite, ... tunnettu siitä, että siinä on näytesäiliö (17), joka ! 20 on sovitettu siirrettäväksi ajassa, joka on lyhyt verrattuna 28 "· isotooppi Al:n puoliintumisikään ensimmäisestä sijoitus paikasta, jossa se sijaitsee mainitun nopeiden neutronien ‘ · lähteen ja lämpöneutroni-ilmaisimen välittömässä läheisyydes- :.V sä, toiseen sijoituspaikkaan, joka on etäällä tästä ensimmäi- 25 sestä sijoituspaikasta, ja jossa se sijoitetaan mainitun gammasäteilyilmaisimen välittömään läheisyyteen.

13. Patenttivaatimuksen 11 tai 12 mukainen laite, tunnettu siitä, että mainittu säiliö (17) on asennettu rautatiekiskojen (12) varaan.

14. Patenttivaatimuksen 11, 12 tai 13 mukainen laite, tunnettu siitä, että näytesäi1iönä (17) on messinki-laatikko.

. .·. 15. Patenttivaatimuksen 10 tai 11 mukainen laite, tunnettu siitä, että nopeiden neutronien lähde (10) 35 ja lämpöneutronien ilmaisin (11) on asennettu ensimmäiseen sijoituspaikkaan mainittua materiaalia kuljettamaan sovitetun kuljetushihnan välittömään läheisyyteen, ja gammasäteilyni-maisin (14) on asennettu tämän kuljetushihnan välittömässä läheisyydessä olevaan toiseen sijoituspaikkaan, joka sijaitsee 20 7 3 5 2 7 myötävirran suunnassa ensimmäisestä sijoituspaikasta.

16. Patenttivaatimuksen 1 0 tai 11 mukainen laite, tunnettu siitä, että nopeiden neutronien lähde (10), lämpöneutronien ilmaisin (11) ja gammasäteilyilmaisin (14) 5 on asennettu porausreiän sondiin.

17. Jonkin patenttivaatimuksen 10...16 mukainen laite, t u n n e t t u siitä, että nopeiden neutronien lähde (10) on suljettu kadiumkuoreen (21).

18. Jonkin patenttivaatimuksen 10...17 mukainen laite, 10 t u n n e t t u siitä, että siihen sisältyy spektrin s t a b i - loimislaite .

19. Jonkin patenttivaatimuksen 10...18 mukainen laite, t u n n e t t u siitä, että mainitut välineet signaalien valitsemiseksi, jotka edustavat havaittua gammasäteilytasoa 15 käsittävät joko joukon yksikanavaisia analysointilaitteita tai monikanavaisen analysointilaitteen.

20. Patenttivaatimuksen 19 mukainen laite, t u n - n e t t u siitä, että siihen kuuluu näyttölaite (33), joka on sovitettu näyttämään mainitun näytteen (13) alumiini- ja 20 piipitoisuuden määritetyt arvot. 73527