PT87973B - Processo e instalacao de analise por bombardeamento neutronico de um fluxo de materias a granel - Google Patents

Processo e instalacao de analise por bombardeamento neutronico de um fluxo de materias a granel Download PDF

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Description

A presente invenção refere-se a um processo de análise por bombardeamento neutrónico para medir a quantidade de um ou vários elementos procurados num fluxo de materiais a granel, no qual se faz passar o fluxo de materiais na proximidade de pelo menos uma fonte de neutrões susceptíveis de provocar a emissão de radiações gama pelos referidos elementos, se detectam e se medem, de maneira selectiva no seu espectro de energia, as radiações gama específicas emitidas pelos referidos elementos, para obter, por análise espectral, as suas quantidades respectivas no fluxo de materiais. A presente invenção refere-se igualmente a uma instalação para a realização deste processo.
Um processo deste género é conhecido em especial
na indústria mineira, para determinar o teor em metais dos minérios ou □ teor em estéreis do carvão e na indústria cimenteira para determinar o teor das matérias primas (chamadas o cru) em diferentes elementos que devem ser doseados para a fabricação do cimento. Em particular, podem citar-se as publicações EP-A-0 171 256, U5-A-4 362 939 e WO-04/O4393. □ processo baseia-se no facto de que um bombardeamento dos materiais por neutrões provoca reacções nucleares com diferentes elementos, acompanhadas de emissão de radiação gama apresentando diferentes níveis de energia em função da sua origem, o que permite uma análise por espectrometria. Estas radiações compreendem, por um lado, reacções ditas de captura, que são emitidas apenas no decurso das reacções de captura dos neutrões por átomos, formando novos isótopos, e radiações ditas activas, que são emitidas, a partir desse momento, pelos isótopos radioactivos assim formados e com uma intensidade média decrescente durante a vida destes radioisótopos.
Em condições de laboratório, podem utilizar-se diversas fontes de neutrães para bombardear amostras relativamente pequenas colocadas em recintos fechados apropriados. Mas para analisar de maneira contínua ou intermitente grandes quantidades de materiais a granel, as dimensões e a maneabilidade da fonte de neutrões limita as possibilidades. Para estas aplicações à escala industrial, o processo clássico consiste em utilizar uma fonte de radionucleidos para bombardear os materiais que desfilam em frente da fonte. Por exemplo, a patente EP-A-0 171 256 descreve uma instalação de análise por bombardeamento neutránico de acordo com este processo, que compreende uma chaminé vertical rectangular, na qual os materiais a granel são descarregados continuamente e escodos de cima para baixo, a uma velocidade regular, estando uma ou várias fontes radioactivas de neutrões dispostas de um lado da chaminé e um ou vários detectores respectivos colocados em frente das fontes, do outro lado da chaminé, de modo a obter resultados o mais uniformes possível para o
conjunto da secção do fluxo de materiais.
facto dos radionucleidos serem fontes permanentes traz dificuldades para uma tal aplicação industrial. A blindagem volumosa necessária para proteger o ambiente humano, bem como os riscos de contaminação por arrasto acidental da matéria radioactiva da fonte, impõem a colocação da fonte fora do fluxo de materiais, sendo a irradiaçao destes assegurada por uma fracçao apenas dos neutrões emitidos pelos radionuclei dos, através de uma janela aberte na blindagem. Esta disposição impõe também importantes medidas de protecção do pessoal nas imediações da instalação. Além disso, limita a secção da chaminé, portanto o volume dos materiais expostos à fonte num instante dado, o que exige proceder a uma amostragem para o contro lo dos grandes fluxos de materiais, tais como se encontram por exemplo na exploração, ou a pré-homogeneização do carvão, do tores de raios gama ficam expostos ao bombardeamento dos neutrões , susceptíveis de os deteriorar ou de os perturbar, raios gama parasitas provenientes das duas paredes da chaminé, em conta a densidade dos materiais na zona situada entre a fonte de neutrões e o detector oposto, a patente EP-A-0 171 256 mostra que é necessário utilizar meios suplementares para esse fim, por exemplo duas fontes de raios gama situadas de um lado e do outro da fonte de neutrões, e dois detectores suplementares situados em frente destas fontes de raios gama. Isto aumenta a complexidade da instalaçao e os problemas da radioprotecçao.
Até aqui, estes inconvenientes têm impedido uma larga aplicação do processo e deste tipo de instalações.
Para limitar os problemas de radioprotecçao, a patente GB-A-2 101 304 prevê, num aparelho destinado a classifi3
formada chaminés car pedaços de minério de outro, uma fonte de neutrões por um alvo portador de deutério e situada entre três verticais rotativas dispostas em triângulo em torno do mesmo para formar três passagens para os materiais. 0 alvo é bombardeado com ioes por meio de um acelerador de alta tensão situado lateralmente e ligado ao alvo por um tubo de vácuo. A detecçao dos raios gama é efectuada mais longe, a jusante, numa outra parte do aparelho onde os pedaços são considerados individualmen te para ser divididos e classificados raios gama de activação. Por do acelerador e das chaminés dida dos proposto culdades construtivas consideráveis
Temos assim apenas uma me□ dispositivo apresenta difioutro lado, rotativas
Um outro inconveniente essencial da utilização das fontes de radionucleidos é que se detectam ao mesmo tempo jdnto da fonte as radiações gama de captura e de activação e nunca um só dos dois tipos de radiação simultaneamente, de modo que a identificação da origem das diferentes radiações se torna mais difícil, até impedir uma medição precisa do teor de certos elementos investigados.
D facto dé certos destes elementos activados terem um período muito curto, impede a utilização como ponto de radiaçao de activação unicamente, da ordem de alguns segundos, comparação de uma medida da efectuada a uma certa distância e ríum certo instante depois do bombardeamento.
Por conseguinte, o objecto da presente invenção consiste em utilizar, em vez de uma fonte de neutrões de radionucleidos, uma outra fonte apresentando menos problemas de radioprotecçao e susceptível de ser utilizada para analisar uma corrente dé materiais de grande caudal, de preferência de modo a distinguir as radiações gama de captura das radiações gama de activaçao. Um objecto adicional consiste em fornecer um processo de análise no qual náo há a necessidade de medir separadamente parâmetros variáveis dos materiais, tais como a sua densidade ou o seu teor de água
Para isso, □ processo de análise segundo a presente invenção é caracterizado por se utilizar como fonte de neutrões pelo menos um tubo gerador de neutrões, por se comandar o tubo gerador de neutrões de maneira intermitente periódica para produzir fases de emissão de neutrões sob a forma de impulsos, e por se detectar, em intervalos de tempo situados na vizinhança dos referidos impulsos, radiações gama de captura e de activação dos referidos elementos, pará estabelecer um primeiro espectro, por se determinarem separadamente, num outro intervalo de tempo, unicamente radiações gama de activação dos referidos elementos, para estabelecer um segundo espectro, e por se combinarem valores respectivos de radiações gama detectadas em bandas de energia correspondentes do pximeiro e do segundo espectro para fornecer uma indicação de um espectro que compreende unicamente radiações gama de Captura.
Como basta interromper a rador de neutrões para interromper a evitar os riscos de irradiação do pessoal fora das utilização e simplifica portanto consideravelmente os trabalhos de instalação e de soes reduzidas da fonte alimentaçao do tubo geemissão, isstJ permitirá fases de manu tenção. de neutrões
Além disso, graças às dimene à radioactividade muito (tál como o detector de fraca dos seus componentes, a fortte raios gama) pode ser colocada no interior do fluxo de materiais, os quais envolvem a mesma e facilitam a radioprotecção. Uma tal disposição tem tambám a vantagem de ser aplicável não só com materiais sólidos granulares, mas também com um fluxo 'que se apresenta sob uma forma pastosa ou líquida, formada por materiais sólidos dispersos em água, em relaçao radionucleidos tais mente utilizadas, um tubo gerador de neutrões monoenergéticos, cujo nível de energia é mais como as fontes por exemplo uma pasta
Por outro lado, de Cf-252 habitual emite neutrões elevado no início,
por exemplo 14 MeV, contra cerca de 2,35 MeV para o Cf-252. Podemos pois travar à vontade uma parte dos neutrões para bombardear os materiais’com diversos níveis de energia e obter portanto reacções mais variadas. Para isso, pode interpor-se uma camada de uma matéria rica em átomos de hidrogénio entre o tubo gerador de neutrões e o fluxo de materiais.
Convém realçar que a publicação EP-A-0 095 900 descreve a utilização de um tubo gerador de neutrões para efectuar um bombardeamento de maneira pulsada, em combinação com meios de detecção e de medição dos raios gama de captura e de activação, mas numa aplicação e com um objectivo que sao essencialmente diferentes dos da presente invenção, visto que se trata então de obter somente a duraçao de vida dos neutrões térmicos ém formações geológicas em torno de um furo de prospecção, por exemplo quando se procura petróleo. 0 processo conhecido neste documento não tem por objecto e nao permite medir a quantidade de certos elementos no solo em torrio do furo. Com efeito, preve, depois de cada impulso de bombardeamento neutrónico, pelo menos quatro intervalos de tempo consecutivos, nos quais se medem as radiações gama, cuja intensidade global decrescente de um intervalo para o seguinte representa a diminuição do número de capturas, portanto da população dos neutrões térmicos. Estas medidas sao corrigidas por subtracção de urrta radiação de fundo que se considera constante e que é medida num intervalo mais longo, no qual o tubo gerador de neutrões nao está accionado. Nao só este processo não fornece medidas separadas das radiações gama de captura e das de activação, mas sobretudo não preve qualquer análise espectral destas radiações Além disso, exige o emprego de dois detectores na sonda introdu zida no furo de prospecção.
Numa forma preferida do processo, efectuam-se ciclos de emissão e de detecção que compreendem pelo menos uma
fase de emissão pulsada que compreende intervalos periódicos de emissão de neutrões e intervalos periódicos de detecção intervindo respectivamente depois de cada intervalo de emissão, para detectar as radiações gama de captura e de activação, depois uma fase de não emissão que compreende pelo menos um intervalo prolongado de detecção, para detectar unicamente as radiações gama de activaçao, medém-se separadamente as radiações gama detectadas durante os intervalos periódicos e durante o intervalo prolongado, e combinam-se em seguida estas medidas respectivas de modo a fornecer uma indicação das radiações gama de captura. Cada ciclo pode ter por exemplo uma duração inferior a 100 ms, enquanto que os intervalos de emissão e os intervalos periódicos de detecção têm durações respectivas inferiores a 0,2 ms. Em cada ciclo, o referido intervalo prolongado tem de preferência uma duração igual à soma das dos intervalos periódicos de detecção.
Segundo um aperfeiçoamento deste processo, podem efectuar-se emissões pulsadas ainda mais rápidas, para detectar de maneira breve, depois de cada emissão, as radiações gama produzidas pelos choques inelásticos dos neutrões nos materiais considerados, enquanto que o fluxo de neutrões térmicos nos materiais, e portanto também o número de capturas é ainda desprezável. Estas radiações gama são diferentes das de captura e de activação e podem portanto fornecer informações suplementares sobre os elementos investigados. Para isso, os referidos ciclos compreendem duas fases de emissão pulsada, tendo os intervalos periódicos de emissão e de detecção uma duração que é inferior a 0,05 ms (de preferência da ordem de 0,005 me) na primeira fase e compreendida entre 0,05 ms e 0,2 ms na segunda fase, medindo-se separadamente as radiações gama detectadas durante a primeira fase de emissão pulsada e combinando-se os resultados das medidas resultantes da referida primeira fase com as medidas resultantes da segunda fase de emissão pulsada e da fase de não
- 7 emissão, para obter uma indicação de um espectro das radiações ** gama produzidas por choques inelasticos dos neutrões nos referidos elementos.
Numa forma particularmente vantajosa do processo segundo a presente invenção, definem-se diferentes bandas de energia das radiações gama, associadas a níveis de energia respectivas que são cáracterísticas dos elementos investigados, medem-se em canais respectivos as radiações detectadas nestas bandas, medem-se ao mesmo tempo, num canal distinto, as radiações gama detectadas numa banda englobando todas as energias superiores a um limiar determinado, sendo várias das outras bandas englobadas nesta banda de referencia, e estabelece-se uma indicação do teor de um elemento nos materiais a granel por uma combinação linear das medidas obtidas respectivamente na banda de referencia e nas outras bandas. De preferência, uma das bandas de energia é a banda de 2 220 KeV e o referido limiar é superior a 2 400 KeV.
Com o processo segundo a presente invenção, fluxo do material pode ser contínuo numa zona em dos o bombardeamento neutrónico e a detecção das que aàd efectua radiaÇoes gama.
fluxo analisado pode ser principalmente um fluxo de materiais sólidos granulares, ou um fluxo de materiais sólidos dispersos num líquido, em especial sob a forma de uma pasta ou de uma massa.
Numa aplicaçao preferida do processo, os materiais analisados compreendem matérias primas para o fabrico do cimento. Os elementos investigados nestes materiais por meio do processo segundo a presente invenção podem compreender pelo menos um dos elementos seguintest carbono, sódio, magnésio, alumínio, silício, enxofre, cálcio, ferro. Todavia, o processo é igualmente utilizá-
vel noutras aplicações para medir a quantidade de elementos, por exemplo azoto, fósforo ou potássio dos fertilizantes, ou fluor na industria do alumínio muitos outros na indústria
Para a realização do processo atrás definido, a presente invenção aplica-se a Uma instalação de análise por bombardeamento neutrónico de um fluxo de materiais a granel, compreendendo uma fonte de pelo menos uma pelo passagem para os materiais, colocada na proximidade desta passagem, menos um ximidade promaeleA instalação segundo a presente invenneutrões detector de radiação gama colocado igualmente na desta passagem, e meios de medição para medir de neira selectiva radiações gama específicas emitidas pelos mentos destes materiais ção é caracterizada por a fonte de neutrões ser constituída por um tubo gerador de neutrões, por a instalação compreender meios de comando para comandar de uma emissão dos neutrões pelo tubo gerador e meios de medição das compreenderem pelo menos uma via de medição de radiações gamá de captura e de activação, uma outra via de medição das radiações gama de activação Unicamente binar entre maneira cíclica, por um lado, a , por atro lado, os radiações gama, e por os meios de medição para comdif cien, e meios de cálculo si as medidas respectivas obtidas para as tes vias de medição.
Uma forma particularmente vantajosa de uma .instalação segundo a presente invenção compreende um só detector de radiaçao gama, tendo uma saida ligada a meios de comutaçao accionados pelos meios de comando para fornecer ós sinais dé saida do detector selectivamente para uma via de medição, uma outra via de medição quencial em função de um para ou para nenhuma delas, de maneira seciclo de emissão pulsada dos neutrões
Nos casos em que a referida passagem dos materiais é definida por uma chaminé vertical, uma sonda que com9 preende □ tubo gerador de neutrões e pelo menos um detector de radiação gama pode ser colocada 'num tubo protector disposto no interior desta chaminé, de modo que ela se encontra vantajosamente no coração do fluxo dos materiais. Desta maneira, os neutrões emitidos em todas as direcções pela fonte encontram praticamente todo o fluxo de material, salvo os que sao absorvidos por uma blindagem prevista na sonda entre a fonte ’e o detector Do mesmo modo, o detector recebe radiações gama provenientes de praticamente todas as direcções, de modo que pode detectar correctamente as radiações gama sem ser cegado” pelos neutrões muito energéticos provenientes directamente da fonte. De preferencia, o tubo gerador de neutrões está disposto no centro da passagem dos materiais.
Numa forma de realizaçao vantajosa, o tubo protector que envolve a sonda compreende uma camada de uma matéria rica em átomos de hidrogénio. Como estes átomos têm um grande poder retardador dos neutrões e uma secção eficaz de difusão particularmente grande, eles reduzem (espalhando o espectro) a energia de uma parte dos neutrões, isto é, aumenta-se assim o portanto a quantidade das radiações matéria rica em átomos de hidrogésintético, tal como polietileno, inteiramente o tubo protector, ou outro, ndmero de neutrões térmicos gama de captura.' nio pode ser de referida um material realizar-se de um material metálico, com o qual pode tando o emprego susceptível de emitir radiações gama parasitas ceramico, eviDo mesmo modo, a parede da chaminé pode ser revestida interiormente com uma camada de um material rico em átomos de hidrogénio, por exemplo também de polietileno. Graças ao seu poder de difusão, esta camada reenvia para o fluxo dos materiais uma parte importante dos neutrões que não foram captados por estes. Assim melhora-se a eficácia do bombardeamento do ponto de vista da captura e da activação na zona periférica da passagem dos materiais
Para melhor compreender a presente invenção e as suas vantagens, descreve-se a seguir, a título de exemplo, uma forma de realização, com referência aos desenhos anexos, cujas figuras representam:
A fig. 1, um esquema de princípio que mostra as partes essenciais de uma instalação segundo a presente invenção, para a análise por activação neutrónica de materiais sólidos granulares numa chaminé de transferencia;
A fig. 2, um esquema mais completo da instalação, no caso em que a medição se efectua numa derivação do fluxo principal dos materiais;
A fig. 3, uma vista esquemática em corte longitudinal de uma sonda que compreende a fonte de neutrões;
A fig. 4, um diagrama que representa uma primeira forma de um ciclo de emissão de neutrões e de detecção de radiações gamaj
A fig. 5, um diagrama que representa uma segunda forma de um ciclo de emissão e de detecção;
A fig. 6, um diagrama que representa um espectro de radiações gama de captura; e
A fig. 7, um esquema que mostra duas vias de medição das radiações gama a partir de um só detector.
Com referência à fig. 1, um fluxo de materiais (1) é constituido por uma mistúra seca, ou com a humidade natural, de rochas destinadas a servir de matérias primas para o fabrico do cimento e trituradas com uma granulometria habitual. Estes materiais são levados continuamente por um transportador de fita (2) equipado com uma balança (3) para a pesagem contínua, são descarregados para uma chaminé de transferência (4), na qual descem por gravidade e sao sujeitos a medições, sendo retomadas na parte inferior desta chaminé por um transportador de fita (11), como indicam as setas. Esta disposição é conhecida e corresponde sensivelmente a da patente EP-A-0 '171 256 atrás mencionada.
No exemplo aqui descrita, a chaminé (4) contém um tubo central (5) disposto verticalmente e que é acessível pela parte de cima da chaminé. Na parte do tubo (5) que é envolvida pelos materiais (1) que enchem a chaminé, colocou-se uma sonda (6) que compreende um tubo gerador de neutrões (7), que é alimentado electricamente em alta tensão por uma Unidade de comando (8) associada a uma unidade de medição (9), e um detector de radiação gama (10) ligada à unidade de medição (9). No caso presente, o detector (10) é um detector de cintilações de cristal de iodeto de sódio, mas podem ser usados outros tipos, nomeadamente detectores de semicondutor, tal como o germanato de bismuto ou o germânio puro.
tubo gerador de neutrões (7) é um aparelho conhecido, disponível no comércio. £ formado por um tubo selado que compreende uma fonte de iões deutério, um acelerador de alta tensão e um alvo de titanio carregado de trítio, no qual se produz a reacção nuclear seguintes
Numa instalaçao de ensaio correspondente ao esque ma da fig. 2, utilizou-se um tubo possuindo um fluxo nominal de
emissão de 10^ neutrões/s em 4 sendo a energia inicial dos neutrões de 14 MeV. 0 raio de eficácia dos neutrões a partir do alvo (12) (fig. 2) é da ordem de 30 cm, o que corresponde a uma zona de influencia (13) relativamente grande, portanto a uma secção bastante importante da passagem dos materiais (1) através da chaminé (4)« (6),
A fig suspensa no interior do tubo protector (5) de comando (B)
Numa manga exterior de alumínio com cerca a sonda (6) compreende,
-neutrões ( 7) no carregado os neutrões, electrónico o bloco (17) ilustra esquematicamente a sonda e ligada à unidade e à unidade de medição (9) por cabos (14) e (15) de 70 mm de diâmetro, de cima para baixo, o tubo gerador de com o alvo (12), uma blindagem (16) de polietilede boro (ou de um outro material) para absorver o detector (10) de iodeto de sódio e um bloco (17) que lhe está associado. Como mostra a fig. 7, compreende um órgão de comutação (50), que recebe, os sinais analógicos provenientes de uma saida linha (52) comando para para a outra por um lado, (51) do detector (10) e, por outro lado, por uma proveniente da unidade de comando (B), sinais de dirigir os sinais de saida do detector para uma, ou para nenhuma das duas vias de medição das radiações gama detectadas. Uma primeira via de mediçãd reune as radiações de captura e de activação» No bloco electrónico (17) da sonda (6), ela compreende um sistema de análise multicanais (53) que compreende nomeadamente conversores analógico/digital para transmitir dados na forma digital por uma linha (54). Na unidade de medição (9), esta primeira via compreende igualmente um sistema de análise multicanais (55) no qual os sinais, classificados em são contados durante inNoutros instantes do ciclo detecção de radiações gama função da energia tervalos de tempo de funcionamento, de activação unicamente, o órgão dé comutação (50) dirige os sinais de detecção para a segunda via de medição, que é constidas radiações gama, pré-determinados, correspondentes à
tuida por conjuntos electrónicos (53a), (54a) e (55a) semelhantes aos conjuntos (53) a (55) da primeira via.
Na unidade de medição (9), os sinais saidos dos sistemas de análise (55) e (55a) sao tratados automaticamente e em tempo real pelos meios electrónicos de cálculo (56), graças a um processo de normalização que será descrito mais adiante. Um elemento essencial deste processo é que os valores fornecidos pela primeira via de medição (53a) a (55a) são subtraídos dos valores fornecidos pela primeira via (53) a (55), de modo a fornecer valores que representam unicamente as radiações gama de captura. Assim, os meios de cálculo (56) são capazes de fornecer, por um lado, resultados de medição (57) indicando teores de certos elementos nos materiais analisados, medidos unicamente com base nas radiações gama de captura, e, por outro lado, resultadas de medida (58) que indicam teares de outros materiais, medidos unicamente na base das radiações gama de activação.
Os meios electrónicos (50) a (56) atrás descritos são conhecidos no domínio da espectrometria gama e não á necessá rio descrevê-los aqui com mais pormenores. É claro que os conjuntos (53, 55) e 53a, 55a) das diferentes vias de medição podem ser repartidos de uma maneira diferente entre o bloco (17) da sonda e a unidade de medição (9).
A sonda (6) é comandada pela unidade (8) de maneira a efectuar ciclos de emissão e de detecção cuja duração é uma fracção de segundo, por exemplo menos de 100 ms. No exemplo da fig. 4, o ciclo tem uma duração de 50 ms. Ele compreende sucessivamente uma fase de emissão pulsada (A) de 30 ms e uma fase de não emissão (B) durante 20 ms. 0 diagrama superior da figura representa, em função do tempo t, o fluxo 0 de neutrões de 14 MeV n emitidos pelo tubp gerador. Na fase (A), este emite durante 100 intervalos periódicos de D,1 ms cada um, separados por uma pausa
de 0,2 ms, depois o tubo fica inactivo durante a fase (B). A duraçao de 0,1 ms dos intervalos (31) é suficiente para que muitos neutrões sejam travados o suficiente para ser capturados, A curva (32) do fluxo dos neutrões térmicos, representada a tracejado e numa outra escala no diagrama, tende, com efeito, para a horizontal além dos 0,1 ms, A sua parte decrescente durante 0,2 ms entre os intervalos (31) corresponde à fase principal de captura dos neutrões. Esta duração poderia evidentemente ser reduzida por medições num meio muito húmido, onde a duração de vida dos neutrões térmicos é mais curta.
diagrama central ilustra, na forma de impulsos, intervalos periódicos de detecção (33) durante os quais □ órgão de comutação (50) (fig. 7) põe em funcionamento a primeira via de medição (53) a (55) das radiações gama, para explorar as indicações do detector quando o tubo gerador de neutrões for parado. Cada intervalo (33) segue-se a um intervalo (31), mas com um atraso de cerca de 0,05 ms para evitar a detecção de radiações gama resultantes de choques inelásticos, tendo aqui uma duração de 0,14 ms durante os quais se detecta essencialmente radiações de captura no início da fase (A) e depois de captura e activação. Na fase (B), esta primeira via de medição não está activada e o órgão de comutação põe então em funcionamento a segunda via de medição (53a) á (55a), ségundo □ diagrama inferior da figura, durarite um intervalo prolongado (35), cuja duraçao é de 14 ms, isto é, igual ao total das durações dos intervalos periódicos (33), o que facilita a comparação das medidas fornecidas pelas duas vias.
Graças a este modo de detecção, pode retirar-se das medidas da primeira via o efeito das radiações gama de activaçao e obter directamente um espectro de radiaÇoes gama de captura.
Os dois diagramas da fig. 5 correspondem aos dois diagramas superiores da fig. 4 e ilustram uma possibilidade de utilizar uma terceira via de medição, para por choques inelásticos. Esta via pode ser maneira que as outras duas vias ilustradas caso, efectua-se antes da fase (A) uma primeira fase de emissão pulsada (C) que compreende uma rajada de emissões de neutrões pelo tubo gerador durante intervalos (36) que são suficientemente as radiações gama disposta da mesma na fig. 7. Neste curtos para que as radiações gama por choques inelásticos preponderantes relativamerite a estas capturas. Em espeé necessário que estes intervalos sejam inferiores se eles forem inferiores desprezável. 0 diagrama inferior ilustra intervalos de detecção (37) que cobrem o tempo livre entre os intervalos (36) sej am ciai, 5D yjs;
a a 50yjs, o nómero de capturas é
As radiaçoes detectadas durante estes intervalos são tratadas numa terceira via de medição. Este processo exige evidentemente uma electrónica extremamente rápida nos meios de comando e de medição, de modo que não se justifica senão no caso de as radiações de captura e de activaçao nao forneceíem informações suficierttes. Graças à análise espectral das radiações gama ditas inelásticas, dispomos de possibilidades novas para medir de manei ra industrial o teor de elementos relativamente leves em certos materiais, por exemplo o teor de carbono no cru de cimento ou o teor de fluor em materiais que intervêm na fabricação do alumínio .
750 t/h
transportador (24) a um monte de homogeneização prévia (25), donde os materiais serão retomados com vista á fabricação do cimento
A tremonha (4) está equipada com um dispositivo de pesagem (26) que permite controlar o nível de enchimento em regime intermitente ou regular o caudal em regime contínuo. A pesagem permite igualmente dispor de uma informação útil para a interpretação das medidas. Um extractor fibrante (27) está colocado sob a chaminé (4) para permitir retirar os materiais à velocidade desejada, sendo os materiais extraídos evacuados por um transportador (28) para o monte (25), A velocidade de extracção pode ser ajustada em função do caudal.
Sao possíveis dois modos de funcionamento a alimentação da chaminé é interrompida quanProcede-se então ao bombardeamento e às
No modo intermitenté, do esta estiver cheia.
medições num intervalo com uma duração compreendida entre algumas dezenas de segundos e alguns chaminé. Pode então operar-se um minutos, depois nouo enchimento esvazia-se a
No modo contínuo, da chaminé (4) são permanentes e segurar um nível constante dos materiais (1) na sultados das medições bombardeamento médio, materiais determinado a alimentação e o esvaziamento são reguladds de maneira a aschaminé. Os resão interpretados em função do tempo de ** sendo então medido em massa, dos (3) e de um órgão (3*) (2), como se mostra na por pesagem, de medição fig. 1.
o caudal, com o auxílio de uma balança da velocidade do transportador
Uma tal instalação poderia também ser disposta po::
forma a analisar continuamente iim o fluxo principal (21) da velocidade de desfile dos mateUtiliza-se então uma chaminé com fluxo de materiais muito importante, por exemplo fig. 2, sem aumento excessivo riais em frente da sonda (6).
uma secção horizontal muito maior que a da chaminé (4) que seja segundo a e na qual
se descarrega a totalidade do fluxo (21), suprimindo o captador (22). Uma primeira variante consiste em dispor nesta chaminé vários tubos protectores (5) com várias sondas respectivas (6) segundo uma geometria óptima, sempre no interior do fluxo dos materiais. As vantagens dos fotoes gama nas diferentes sondas (6) podem simplesmente ser adicionados na unidade de medição (9).
Uma segunda variante consiste em utilizar uma sonda única (6), por exemplo no centro desta chaminé larga, nomeadamente mais larga que a zona de influência prática (13) da sonda. Considera-se então que os materiais que atravessam esta zona (13) formam uma ámostra representativa do conjunto do fluxo. Assim, a sonda encontra-se no próprio coração de uma grande massa de materiais, na qual não há que temer uma segregação por efeito de parede. Uma tal disposição apresenta igualmente vantagens para a detecção do ferro, visto que o tubo protector (5) e a sonda (6) podem estar isentos deste metal, enquanto que as paredes da chaminé, situadas fora do alcance da sonda, podem ser também de aço.
A fig. 6 ilustra um exemplo do espectro de radiações gama de captura e o processo de exploração deste espectro para a análise de cru de cimento, no qual se investiga por exemplo a concentração de cálcio, de silício e de ferro. Quanto ao teor de alumínio, igualmente importante para a fabricação do cimento, ele será investigado num outro espectro que representa as radiações gama de activaçao. 0 diagrama da fig. 6 representa o número N de fotoes gama de captura detectados em função da sua energia E = H. durante um tempo dado. Para facilitar a leitura, representou-se uma segunda vez a parte da direita do espectro, ampliada de um factor x.
Entre os numerosos parâmetros que afectam a
1Θ
informação recolhida sob a forma de espectro, quatro sao essenciais:
C. : concentração do elemento i (fracção ponderai directamente proporcional ao riómero de reacções de captura produzidas.
w : teor de água do meio.
: fluxo de neutrões térmicos no meio irrat h diado.
yj : massa por unidade de volume do meio irradiado.
A forma de um espectro depende portanto destes parâmetros, bem como dos modos de irradiação e de detecção utilizados, o que conduz à sobreposição de dois motivos:
- um fundo Compton (40) correspondente à acumulação de fotões gama que perderam energia por difusão Cõmpton no fluxo de materiais ou no detector;
- picos fotoeléctricos (41) observáveis quando o fotão incidente perde toda a sua energia no detector.
A irradiaçao pulsada por um tubo gerador de troes e a detecção por cristal de Nal não permitem separar tamente os picos (41) do fundo Compton tector Nal, neudireci detector de embora aproximadamente dez é no entanto picos que semicondutor, são demaseado dispersos (40) vez es menos
Devemos
Com efeito, mais eficaz selectivo e deque um fornece então interessar-nos por zonas extensas do espectro, que permitem, terizar a concentração de um elemento a dosear (Ca, caso presente) e, por outro lado, ter em conta os parâmetros de influencia atrás mencionados. Para isso, poí um lado, carac5i, Fe no definem-se nas zonas
interessantes do espectro, bandas de energia relativamente largas (42) a (46) cada uma das quais engloba pelo menos um pico característico de um elemento procurado, bem como uma banda de referência (47) que corresponde à contagem integral N do espectro para todas as energias superiores a 2,5 MeV. No presente exemplo, as bandas (42) a (47) correspondem às características seguintes:
Banda Elemento associado (KeV) Identificação Banda de energia (KeV)
42 Ca : 1943 NCal 1610 - 20 90
43 H : 2220 % 2100 - 2380
44 Si ; 4930 N5í 3750 - 5130
45 Ca : 6420 NCa2 5140 - 6200
46 Fe : 7640 F e 6860 - 10000
47 Integral N. . int 2500 - 10000
Deve notar- se que o ferro é o único element o pro-
curado que figura na banda (46) e que para as outras bandas todo 5
os elementos presentes intervêm por intermédio do Deduz-se daqui um sistema de equações, que poderá no qual f a representam funções:
fundo Compton ser resolvido,
(I) NCa = f ( CCa’
N = f ( c . ,
Si 2 Si’
N = f (
Fe 3 Fe
CSi’ CFe· 0th’ f 1 CCa’ CFe’ 0 ’ f 1 0th’ P ’
A banda de referência (47) permite ter em conta os efeitos dos três parâmetros 0,. (fluxo de neutrões térmicos), t n w (teor de água), n (densidade do material). Com efeito, esta
contagem N. aumenta quando estes parâmetros aumentaram, indeínt pendentemente uns dos outros ou simultaneamente. No caso do ferro, será no entanto necessário ter em conta a banda (43) associada ao hidrogénio e representando as variações do teor de água w, porque a contribuição das paredes da chaminé é tanto maior quanto menor for w. Calculam-se em seguida as concentrações C^ dos elementos procuradas invertendo as relações do sistema (I) para obter o sistemas
(II) CCa “ 91 ( NCa’ 5Si’ NFe· Nint>
CSi = s2 ( NSi- NCa’ ha’ Nint>
CFe = 5 3 ( NFa’ Nint> nh)
representando
funções.
A exploração é então possível com uma combinação linear das medidas respectivas N obtidas para os diferentes elementos, representando o termo constante a contribuição do ambiente do material analisado. 0 sistema (II) toma então a forma seguinte:
C = (p.N + p N + p N + p N ) /N . + p
Ca 1 Cal 2 Ca2 3 Si 4 Fe int r (III) Csi = (P1NS. + p2NCa2 + p3NFe) /N.nt + p4 CFe = ”l-NFe/Nint + »r1/( VNint>
A aferiçao consiste em determinar os coeficientes Pj a Pç. por regressão linear múltipla das condições experimentais precisas, sendo em seguida possivel o doseamento de todo elemento nestas condições.
Na instalaçao atrás descrita, um tal processo de
exploração dos espectros, também denominado processo de normalização, póde ser realizado automaticamente pelos meios de cálculo (56) integrados na unidade de medição (9), uma vez determinados os coeficientes p. Note-se que, graças à utilização das bandas (42) a (47) relativamente largas e poucõ numerosas, o número de canais de medição em cada via é muito reduzido.
Embora o exemplo da fig. 6 se refira às radiações gama de captura, um processo de normalizaçao semelhante aplxca-se aos espectros de fotões gama de activação, em particular para permitir o doseamento ’do alumínio no casd do cru de cimento. Noutros casos de aplicação,como a análise do carbono ou dos minerais metálicos, definir-se-ão evidentemente as bandas de energia de uma maneira diferente, em função dos elementos procurados,
Em todos os casos, um aspecto particularmente interessante deste processo é o facto de ele eliminar praticamente a influência do teor de água dos materiais, que pode variar muito durante a sua bem como as influencias respecti-
Constata-se pois que a utilização de um bombardeamento neutrónico por um tubo gerador de neutrões produzindo emissões pulsadas, em relação à utilização de umá fonte permanente de radionucleidos, oferece não só uma grande segurança, um bombardeamento numa maior gama de energias e informações mais completas sobre os elementos procurados graças à distinção entre as radiações de captura e de activação, como além disso podem facilmente eliminar-se os efeitos perturbadores causados, na técnica anterior, pelos neutrões que atingem o detector, pela radiaçao gama das paredes metálicas expostas aos neutrões e pelas variações da densidade e da humidade dos materiais. Além disso,a análisé espectrométrica em tempo real das radiações gama resultantes dos choques inelásticos, num grande fluxo de materiais a nível industrial, abre perspectivas muito prometedoras, por exemplo para o doseamento automático dos carbonatos na fabricação do cimento.

Claims (2)

  1. Processo de análise por bombardeamento neutrónico para medir a quantidade de um ou vários elementos procurados num fluxo de materiais a granel, no qual se faz passar o fluxo de materiais (1) na proximidade de pelo menos uma fonte de neutrões susceptíveis de provocar a emissão de radiações gama pelos ditos elementos, se detectam e se medem, no seu aspecto de energia, as das pelos referidos elementos, quantidades respectivas no por se utilizar como fonte de dor de neutrões (7), de maneira intermitente periódica para de neutrões sob a forma de impulsos, tervalos de tempo situados depois dos referidos impulsos, radiaçoes gama de captura e de activaçao dos referidos elementos para estabelecer um primeiro espectro, por se detectarem separadamente, em pelo menos um outro intervalo de tempo, çoes gama de activaçao dos referidos elementos para estabelecer um segundo espectro e por se combinarem valores respectivos das radiações gama detectados em bandas de energia correspondentes do primeiro e do segundo espectros para fornecer uma indicação de um espectro que compreende unicamente radiações gama de captura.
    as de maneira selectiva radiações gama específicas emitipara obter fluxo de neutrões por se comandar o , por análise espectral, materiais, pelo menos um tubo geratubo gerador de neutrões produzir fases de emissão por se detectarem, em incaracterizado unicamente radia24
  2. 2§
    Processo de acordo com a reivindicação por se colocar o tubo gerador de neutrões terizado menos um detector de radiação gama (10) materiais.
    no coraçao (7) do
    1, carace pelo fluxo de
    1, caracProcesso de acordo com a reivindicação rica em átoterizado por se interpor uma camada de uma matéria «w o tubo gerador de neutrões mos de hidrogénio entre de materiais.
    e □ fluxo
    Processo de acordo com a reivindicação 1, caracciclos de emissão e de detecção que fase de emissão pulsada (A,C) çao 1 terizado por se efectuarem còmpreendem pelo menos uma compreende intervalos periódicos de emissão de neutrões intervalos periódicos de detecção de radiações gama ('33, intervêm que (31) e
    37) que detectar lo menos respectivamente após cada intervald de emissão *** * as radiações gama de captura e de activaçao, uma fase de não emissão (B) que compreende pelo um intervalo prolongado de detecção (35) mente para depois pe menos mente as radiações gama radiações gama as , para detectar unicade activaçao, por se medirem separadadetectadas durante os intervalos perióe durante o intervalo prolongado, e por se combinarem em respectivas de maneira a fornecer uma dicos seguida estas medidas indicação do espectro das radiações gama de captura
    Processo de acordo com a reivindicação 4, carac59 terizado por cada ciclo ter uma duraçao inferior a 100 ms, tendo os intervalos de emissão e os intervalos periódicos de detecção durações respectivas inferiores a 0,2 ms.
    - 62 Processo de acordo com uma das reivindicações 4 ou 5, caracterizado por, em cada ciclo, o referido intervalo prolongado (35) ter uma duraçãio igual à soma das durações dos intervalos periódicos de detecção (31).
    - 12 Processo de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por os referidos ciclos compreenderem duas fases de emissão pulsada, por os intervalos periódicos de emissão e de detecção terem uma duração inferior a 0,05 ms na primeira fase (C) e compreendida entre 0,05 e 0,2 ms na segunda fase (A), e por se medirem separadamente as radiações gama detectadas durante a primeira fase de emissão pulsada (C), e por se combinarem os resultados das medidas resultantes da referida primeira fase com as medidas resultantes da segunda fase de emissão pulsada (A) e da fase de não emissão (0) para obter uma indicaçao de um espectro das radiações gama produzidas por choques inelásticos dos neutrões nos elementos referidos»
    - 08 Processo de acordo com a reivindicação 1, no qual se definem diferentes bandas de energia das radiações gama (42 a 46), as sociadas a nível de energia respectivos que são característicos dos elementos procurados e se medem em canais respectivos as radiações detectadas nestas bandas, caracterizado por se medirem ao mesmo tempo, num canal distinto, as radiações gama detectadas numa banda de raferência (47) englobando todas as energias superiores a um limiar determinado, sendo várias (44 a 46) das outras bandas englobadas nesta banda de referência nos materiais a granel por uma combinação linear das medidas obtidas respectivamente na banda de referência e nas outras bandas.
    - 95 Processo de acordo com a reivindicação B, caracterizado por uma (43) das bandas de energia ser a banda de 2 220 KeV e por o referido limiar ser superior a 2 400 KeV.
    - 10? Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o referido fluxo de materiais (1) ser contínuo numa zona na qual são efectuados o bombardeamento neutrónico e a detecção das radiações gama.
    Processo de acordo com a reivindicação 1, carac- terizado por o referido fluxo (1) s er um fluxo de materiais sólidos granulares. - 129 - Processo de acordo com a reivindicação 1, carac- terizado por o referido fluxo ser um fluxo de materiais sólidos
    dispersos num líquido, nomeadamente na forma de uma pasta ou uma massa.
    - 139 _
    Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por os referidos materiais compreenderem matérias primas para a fabricação do cimento.
    14§
    Processo de acordo racterizado por o ou os elementos menos um dos elementos seguintes: mínio, silício, enxofre, cálcio, com a reivindicação 13, caprocurados compreenderem pelo carbono, sódio, magnésio, alu ferro.
    155
    Processo de acordo terizado por o ou os elementos procurados menos um dos elementos seguintes: azoto, sio.
    com a reivindicação 1 compreenderem flóor, fósforo caracpelo potás- 165 neutróInstalaçao de análise por bombardeamento nico de um fluxo de materiais a granel, para a realização do processo de acordo com a reivindicação 1, que compreende uma passagem (4) para os materiais, pelo menos uma fonte de neutrões (7) colocada na proximidade desta passagem, pelo menos um detector de radiação gama (10) colocado igualmente na proximidade desta passagem e meios de medição (9,17) para medir de maneira selectiva radiações gama específicas emitidas por elementos destes materiais, caracterizada por a fonte de neutrões ser constineutroes (7), por a instalação come 9), para comandar de maneira cípor um lado, a emissão dos neutrões pelo tubo gerador e, os meios de 'medição das radiações gama e por os tuida por um tubo gerador de preender meios de comando (8 clica, por outro lado, meios de medxçao compreenderem peio menos uma via de medição (53 a 55) de radiações gama de captura e de activaçao, uma outra via de medição (53a a 55a) de radiações gama de activaçao unicamente e meios para combinar entre si as medidas respectivas obtidas pelas diferentes vias de medição.
    - 17§ Instalaçao de acordo com a reivindicação 16, caracterizada por compreender um só detector (10) de radiações gama, tendo uma saida ligada a meios de comutação (50) acciônados por meios de comando para fornecer os sinais de saida do detector selectivamente a uma via de medição, a uma outra via de medição ou a nenhuma delas, de uma maneira sequencial em função de um ciclo de emissão pulsada dos neutrões.
    - 188 _
    Instalação de acordo com a reivindicação 16, na qual a referida passagem dos materiais é definida por uma chaminé vertical, caracterizada por uma sonda (6) que inclui um tubo gerador de neutrões e pelo menos um detector de radiações gama estar colocada nUm tubo protector (5) disposto no interior desta chaminé (4).
    - 198 - racterizada
    Instalação de acordo por a parede da chaminé cacom a reivindicação 18, (4) ser revestida interior29 mente de uma camada de uma matéria rica em átomos de hidrogénio
    Instalação de acordo com a reivindicação 19 ou
    20, caracterizada por a referida matéria rica em átomos de hidrogénio ser polietileno.
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