RU2334974C2

RU2334974C2 - Detection of diamonds

Info

Publication number: RU2334974C2
Application number: RU2006135960/28A
Authority: RU
Inventors: Пьер Фридрих ЗЕЛЛЬШОП Жак (ZA); Пьер Фридрих ЗЕЛЛЬШОП Жак; Хенри КОННЕЛ Саймон (ZA); Хенри КОННЕЛ Саймон
Original assignee: Зелльшоп Сусан Мариетта; Юниверсити Оф Дзе Уитуотерсранд Йоханнесбург
Priority date: 2004-03-12
Filing date: 2005-03-14
Publication date: 2008-09-27
Also published as: CN1942759A; AP2006003753A0; CA2559516C; WO2005088283A1; CA2559516A1; AU2005220403B2; AU2005220403A1; CN1942759B; RU2006135960A; ZA200608025B; AP1986A

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: application: for diamonds detection. It consists in the fact that fragment of material is radiated with photons of preset energy, which provides origination of giant dipole resonance (GDR) for obtainment of nuclear reaction of photons with carbon, and on the basis of fragment substance interaction with falling photons, fragment is identified as potential diamond or fragment of rock, in which diamond availability is possible.

EFFECT: increase of probability of diamond crystals detection.

19 cl, 3 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Настоящее изобретение относится к обнаружению (распознаванию) алмазов и применимо к обнаружению алмазов, присутствующих как в виде отдельных свободных частиц, так и вкрапленных во фрагменты коренной породы, обычно кимберлита, или же в смеси с другими частицами.The present invention relates to the detection (recognition) of diamonds and is applicable to the detection of diamonds present both in the form of separate free particles and interspersed in fragments of bedrock, usually kimberlite, or in a mixture with other particles.

Уровень техникиState of the art

Что касается обнаружения алмазов во фрагментах кимберлитовой породы, то признано, что было бы крайне желательно при добыче алмазов располагать устройством, способным обнаруживать на самом раннем этапе добычи фрагменты кимберлита, в которых могут быть включения алмазов. В этом случае появилась бы возможность отбрасывать пустую кимберлитовую породу и продолжать переработку только тех фрагментов породы, которые указаны устройством как содержащие включения алмазов. Если фрагменты пустой породы отбрасываются на самом раннем этапе переработки, то к оборудованию, перерабатывающему дальше остающуюся породу, предъявляются пониженные требования по производительности.As regards the detection of diamonds in kimberlite rock fragments, it is recognized that it would be highly desirable to have a device capable of detecting kimberlite fragments, in which there may be inclusions of diamonds, at diamond mining. In this case, it would be possible to discard the empty kimberlite rock and continue processing only those rock fragments that are indicated by the device as containing diamond inclusions. If fragments of waste rock are discarded at the earliest stage of processing, then equipment that processes further the remaining rock is subject to reduced performance requirements.

Кроме того, было бы полезно иметь устройство, способное обнаруживать не только наличие включений алмазов, но также и размеры и расположение таких включений во фрагментах кимберлитовой породы, поскольку такая информация могла бы быть использована для управления последующими операциями по дроблению и измельчению породы, которые используются для высвобождения включений алмазов, с целью предотвращения их повреждения.In addition, it would be useful to have a device capable of detecting not only the presence of diamond inclusions, but also the size and location of such inclusions in fragments of kimberlite rock, since this information could be used to control subsequent crushing and grinding operations of the rock, which are used to the release of inclusions of diamonds, in order to prevent their damage.

Известные предложенные решения по обнаружению включений алмазов в коренной кимберлитовой породе предусматривают использование облучения фрагментов породы рентгеновскими лучами или нейтронами. В первом случае разница в поглощении рентгеновских лучей алмазами и кимберлитом позволяет обнаруживать наличие включений алмазов. Однако недостатком этого способа является малая разница коэффициентов ослабления рентгеновских лучей для алмазов и коренной кимберлитовой породы и поэтому получаемый контраст сравнительно невелик. Кроме того, существует серьезное ограничение на размеры кристаллов алмазов, анализ которых может осуществляться с применением этого способа, поскольку рентгеновские лучи существенно ослабляются кимберлитовой породой. Известный способ облучения нейтронами основывается на резонансном поглощении нейтронов, однако он также имеет ограничения, связанные с обнаруживаемой величиной контраста между алмазами и окружающей кимберлитовой породой, и, кроме того, этот способ достаточно сложен для практической реализации.Known proposed solutions for detecting diamond inclusions in a native kimberlite rock involve the use of irradiation of rock fragments with x-rays or neutrons. In the first case, the difference in the absorption of X-rays by diamonds and kimberlite makes it possible to detect the presence of inclusions of diamonds. However, the disadvantage of this method is the small difference in the attenuation coefficients of x-rays for diamonds and native kimberlite rock and therefore the resulting contrast is relatively small. In addition, there is a serious limitation on the size of diamond crystals, the analysis of which can be carried out using this method, since x-rays are significantly attenuated by kimberlite rock. The known method of irradiation with neutrons is based on the resonance absorption of neutrons, however, it also has limitations associated with the detectable contrast between diamonds and the surrounding kimberlite rock, and, in addition, this method is quite complicated for practical implementation.

Краткое изложение сущности изобретенияSummary of the invention

В настоящем изобретении предлагается способ обнаружения наличия алмазов во фрагменте материала, в котором фрагмент облучают фотонами заданной энергии, обеспечивающей возникновение гигантского дипольного резонанса (ГДР) для получения ядерной реакции фотонов с углеродом, и на основании взаимодействия вещества фрагмента с падающими фотонами осуществляют идентификацию фрагмента как потенциального алмаза или фрагмента породы, в котором возможно наличие алмазов. Фрагмент может облучаться тормозным излучением, энергетический диапазон которого включает характеристический уровень энергии резонанса ГДР, обычная величина которого для углерода равна 22 МэВ.The present invention proposes a method for detecting the presence of diamonds in a fragment of a material in which a fragment is irradiated with photons of a given energy, which provides the appearance of a giant dipole resonance (GDR) to obtain a nuclear reaction of photons with carbon, and based on the interaction of the fragment material with incident photons, the fragment is identified as potential a diamond or rock fragment in which the presence of diamonds is possible. A fragment can be irradiated with bremsstrahlung, the energy range of which includes the characteristic level of resonance energy of the GDR, the usual value of which for carbon is 22 MeV.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения фрагмент материала идентифицируют как потенциальный алмаз или фрагмент породы, в котором возможно наличие алмазов, по возникновению в результате ядерной реакции фотонов с углеродом изотопа ¹¹С с характерным временем полураспада примерно 20 минут и/или по излучению фрагментом синхронных коллинеарных фотонов гамма-излучения на характерном энергетическом уровне.In a preferred embodiment, a material fragment is identified as a potential diamond or rock fragment in which diamonds are possible due to the nuclear reaction of photons with carbon of the ¹¹ C isotope with a characteristic half-life of about 20 minutes and / or radiation from a fragment of synchronous gamma-collinear photons -radiation at a characteristic energy level.

В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения предлагается способ поточной сортировки фрагментов материала, содержащий следующие шаги: облучение поступающих фрагментов гамма-излучением с энергией, на которой возбуждается гигантский дипольный резонанс (ГДР) для получения ядерной реакции фотонов с углеродом, выполнение идентификации фрагментов как потенциальных алмазов или фрагментов породы, в которой возможно наличие алмазов, по возникновению в результате ядерной реакции фотонов с углеродом изотопа ¹¹С с характерным временем полураспада примерно 20 минут и по излучению фрагментами синхронных коллинеарных фотонов гамма-излучения на характерном энергетическом уровне и отделение фрагментов, идентифицированных как потенциальные алмазы или как фрагменты породы, в которых возможно наличие алмазов, от общей массы поступающих фрагментов.In accordance with another embodiment of the invention, there is provided a method for in-line sorting of material fragments, comprising the following steps: irradiating incoming fragments with gamma radiation with energy at which a giant dipole resonance (GDR) is excited to produce a nuclear reaction of photons with carbon, identifying fragments as potential diamonds or rock fragments, in which there may be diamonds, on occurrence of the nuclear reaction of the photons with carbon isotope ¹¹ C characteristic in TERM-life of approximately 20 minutes and fragments synchronous collinear radiation photons of gamma radiation at a characteristic energy level and separating the fragments identified as potential diamonds or fragments of rock, in which there may be diamonds, of the total weight of incoming fragments.

Кроме того, в изобретении предлагается устройство для обнаружения наличия алмазов во фрагменте материала, которое содержит средство облучения фрагмента гамма-излучением, имеющим заданную энергию, на которой возбуждается гигантский дипольный резонанс (ГДР) для получения ядерной реакции фотонов с углеродом, и средство идентификации фрагмента как потенциального алмаза или фрагмента породы, в котором возможно наличие алмазов, на основании взаимодействия фрагмента с падающими фотонами.In addition, the invention provides a device for detecting the presence of diamonds in a material fragment, which comprises means for irradiating the fragment with gamma radiation having a predetermined energy, on which a giant dipole resonance (GDR) is excited to obtain a nuclear reaction of photons with carbon, and means for identifying the fragment as potential diamond or rock fragment in which the presence of diamonds is possible, based on the interaction of the fragment with incident photons.

В изобретении также предлагается установка поточной сортировки фрагментов материала, содержащая средство облучения фрагментов, сортировку которых необходимо произвести, гамма-излучением с энергией, на которой возбуждается гигантский дипольный резонанс (ГДР) для получения ядерной реакции фотонов с углеродом, средство идентификации фрагментов как потенциальных алмазов или как фрагментов породы, в которых возможно наличие алмазов, по возникновению в результате ядерной реакции фотонов с углеродом изотопа ¹¹С с характерным временем полураспада примерно 20 минут и по излучению фрагментами синхронных коллинеарных фотонов гамма-излучения на характерном энергетическом уровне, и средство отделения фрагментов, идентифицированных как потенциальные алмазы или фрагменты породы, в которых возможно наличие алмазов, от других фрагментов.The invention also provides an apparatus for stream sorting fragments of a material containing a means for irradiating fragments that must be sorted with gamma radiation with energy at which a giant dipole resonance (GDR) is excited to produce a nuclear reaction of photons with carbon, a means of identifying fragments as potential diamonds or as fragments of rock in which diamonds may be present, as a result of the nuclear reaction of photons with carbon of the ¹¹ C isotope with a characteristic time of half decay time of approximately 20 minutes and by the emission of synchronous collinear photon fragments of gamma radiation at a characteristic energy level, and a means of separating fragments identified as potential diamonds or rock fragments in which diamonds may be present from other fragments.

Другие признаки изобретения раскрыты в нижеприведенном описании и прилагаемой формуле изобретения.Other features of the invention are disclosed in the following description and appended claims.

Описание вариантов конкретного осуществления изобретенияDescription of specific embodiments of the invention

В первом варианте осуществления изобретения, упомянутом выше, тормозное излучение испускается ускорителем частиц, придающим им энергию, достаточную для возбуждения резонанса ГДР в ядрах атомов углерода, которые могут присутствовать во фрагментах материалов, подвергнутых облучению.In the first embodiment of the invention mentioned above, bremsstrahlung is emitted by a particle accelerator, which gives them sufficient energy to excite GDR resonance in the nuclei of carbon atoms that may be present in fragments of materials subjected to irradiation.

Известно, что резонанс ГДР является основным режимом возбуждения всех ядер, в том числе ядер атомов углерода, который характеризуется высокой интенсивностью, широким энергетическим спектром и большой средней величиной энергии. Может использоваться полное непрерывное тормозное излучение, имеющее предельное значение энергии, которое превышает верхнее значение энергетического диапазона, охватывающего характеристическую величину резонанса ГДР для углерода, то есть примерно 22 МэВ. Тормозное излучение может быть монохроматизировано обычно путем коллимирования пучков, излучаемых под различными углами, для получения ширины энергетической зоны, достаточной для перекрытия характеристической ширины резонанса ГДР на выбранном среднем уровне.It is known that the resonance of the GDR is the main mode of excitation of all nuclei, including the nuclei of carbon atoms, which is characterized by a high intensity, wide energy spectrum and a large average energy value. Full continuous bremsstrahlung may be used, having a limiting energy value that exceeds the upper value of the energy range covering the characteristic value of the resonance of the GDR for carbon, that is, about 22 MeV. Bremsstrahlung can be monochromatized, usually by collimating the beams emitted at different angles to obtain an energy band width sufficient to overlap the characteristic resonance width of the GDR at a selected average level.

Фрагменты материала, обычно фрагменты кимберлитовой породы, которые подвергаются анализу на наличие алмазов, облучаются тормозным излучением раздельно. В случае, когда множество алмазосодержащих фрагментов кимберлитовой породы анализируется с целью их отделения от пустой породы, все фрагменты могут транспортироваться через средство облучения, например, один за другим или в один слой для обеспечения их раздельного облучения. Это может осуществляться с помощью конвейера, например подачей на конвейерной ленте, или при свободном падении фрагментов из выходного отверстия.Fragments of the material, usually fragments of kimberlite rock, which are analyzed for the presence of diamonds, are irradiated by bremsstrahlung separately. In the case when many diamond-containing fragments of kimberlite rock are analyzed to separate them from waste rock, all fragments can be transported through an irradiation means, for example, one after the other or in one layer to ensure their separate irradiation. This can be done using a conveyor, for example by feeding on a conveyor belt, or with free fall of fragments from the outlet.

Тормозное излучение характеристической энергии фотонов поглощается углеродом, например алмазом во фрагменте материала, в гораздо большей степени по сравнению с коренной породой, в которой могут иметься включения алмазов. Затем можно будет обнаружить наличие алмазов во фрагменте на обработанном изображении дифференциального поглощения. Изображения могут быть получены с помощью матрицы детекторов, имеющей простую геометрию, или с помощью более сложной томографической системы. В любом случае может быть использована известная технология обработки изображений для улучшения имеющегося на них контраста между алмазами и породой. Обычно углерод, однородно распределенный в породе, имеет низкую концентрацию и на его слабом фоне выделяются частицы алмазов, имеющих гораздо более высокую концентрацию углерода.The bremsstrahlung of the characteristic photon energy is absorbed by carbon, such as diamond in a fragment of the material, to a much greater extent than the bedrock in which there may be inclusions of diamonds. Then it will be possible to detect the presence of diamonds in the fragment in the processed differential absorption image. Images can be obtained using a matrix of detectors having a simple geometry, or using a more complex tomographic system. In any case, the well-known image processing technology can be used to improve the contrast between them and diamonds. Typically, carbon, uniformly distributed in the rock, has a low concentration and diamond particles having a much higher carbon concentration are released against its weak background.

В том случае, когда в результате вышеуказанного анализа определяется наличие алмазов во фрагменте материала, он отделяется от других фрагментов, содержащих только пустую породу, с помощью известных сортировальных устройств. Например, если фрагменты транспортируются и анализируются на конвейерной ленте и затем они падают вниз под действием силы тяжести в конце ленты, то выбранные фрагменты могут быть извлечены из падающего потока с помощью подходящих воздушных выбрасывателей, работой которых управляет компьютер, осуществляющий анализ.In the case when, as a result of the above analysis, the presence of diamonds in a fragment of a material is determined, it is separated from other fragments containing only waste rock using known sorting devices. For example, if fragments are transported and analyzed on a conveyor belt and then they fall down due to gravity at the end of the belt, then the selected fragments can be extracted from the incident stream using suitable air ejectors, which are controlled by the analysis computer.

Однако необходимо понимать, что любой другой тип сортировального устройства может использоваться для отделения фрагментов, идентифицированных как потенциально содержащие алмазы, от фрагментов пустой породы, анализ которых дал отрицательный результат.However, it must be understood that any other type of screening device can be used to separate fragments identified as potentially containing diamonds from gangue fragments that have been negatively analyzed.

В предпочтительном втором варианте осуществления изобретения, упомянутом выше, фрагменты, подвергающиеся анализу, снова облучают гамма-лучами тормозного излучения, имеющего заданное значение энергии. Падающие фотоны активируют углеродосодержащий материал фрагментов за счет осуществления ядерной реакции:In the preferred second embodiment of the invention mentioned above, the fragments to be analyzed are again irradiated with gamma rays of bremsstrahlung having a predetermined energy value. Incident photons activate the carbon-containing material of the fragments due to the implementation of a nuclear reaction:

¹²C(γ,n)→¹¹C с Q=-18,7215 МэВ ¹² C (γ, n) → ¹¹ C with Q = -18.7215 MeV

¹¹С β⁺+β^- с Q=+1,982 МэВ ¹¹ С β ⁺ + β ^- with Q = + 1,982 MeV

τ(¹¹С)=20 минτ ( ¹¹ C) = 20 min

Период полураспада 20 минут изотопа ¹¹С обеспечивает различение реакции и представляет удобный интервал времени для выполнения последующих операций идентификации, как описано ниже.The half-life of 20 minutes of the ¹¹ C isotope provides a distinction of reaction and provides a convenient time interval for subsequent identification operations, as described below.

Когда позитрон останавливается, он сразу же аннигилирует с электроном в соответствии с формулой:When the positron stops, it immediately annihilates with the electron in accordance with the formula:

β⁺+β^-=γ+γβ ⁺ + β ^- = γ + γ

Два гамма-фотона являются синхронными и коллинеарными и каждый имеет характерную энергию 0,511 МэВ, обеспечивающую их легкое обнаружение. Их уникальные признаки (противоположные направления, совмещение во времени, и возможность разрешения по энергии) могут быть использованы для обнаружения и получения изображения источника коллинеарной пары фотонов, каждый из которых имеет энергию 0,511 МэВ, как описано ниже.Two gamma photons are synchronous and collinear and each has a characteristic energy of 0.511 MeV, which ensures their easy detection. Their unique features (opposite directions, time alignment, and the possibility of energy resolution) can be used to detect and obtain an image of the source of a collinear pair of photons, each of which has an energy of 0.511 MeV, as described below.

Чувствительность описанного способа может быть улучшена тщательным подбором энергии падающих фотонов. Для величины Q, равной -18,7215 МэВ, пороговое значение энергии для возникновения реакции равно +18,7215 МэВ. Однако, как было указано выше, характеристическое значение для резонанса ГДР для углерода, то есть для алмазов, составляет примерно 22 МэВ. Поэтому считается, что энергия падающих фотонов оптимально должна быть повышена до величины не менее 30 МэВ. Это может быть обеспечено либо в виде непрерывного тормозного излучения с предельным значением энергии в указанном диапазоне, либо с использованием ширины спектра энергий фотонов, достаточной для того, чтобы охватить полный спектр резонанса ГДР, и подходящим средним значением энергии. За счет аккуратного подбора энергии падающих фотонов, как указано выше, можно снизить степень радиационного разрушения материала анализируемых объектов, однако без ухудшения характеристик обнаружения ответного сигнала.The sensitivity of the described method can be improved by careful selection of the energy of the incident photons. For a Q value of -18.7215 MeV, the threshold energy value for the occurrence of the reaction is +18.7215 MeV. However, as indicated above, the characteristic value for the resonance of the GDR for carbon, that is, for diamonds, is approximately 22 MeV. Therefore, it is believed that the energy of incident photons should optimally be increased to a value of at least 30 MeV. This can be achieved either in the form of continuous bremsstrahlung with a limiting value of energy in the specified range, or using the photon energy spectrum width sufficient to cover the full spectrum of the GDR resonance, and a suitable average energy value. Due to the careful selection of the energy of incident photons, as described above, it is possible to reduce the degree of radiation destruction of the material of the analyzed objects, but without compromising the detection characteristics of the response signal.

Так же, как и в способе по первому варианту осуществления изобретения, фрагменты, идентифицированные как имеющие включения алмазов, отделяются от других фрагментов пустой породы, для которых получен отрицательный результат идентификации. Различительные признаки в форме времени полураспада изотопа ¹¹С и двух синхронных и коллинеарных фотонов гамма-излучения, имеющих энергию 0,511 МэВ, а также формирование изображения источников этого излучения делают этот способ применимым для различения и отделения не только алмазов, которые полностью или частично включены во фрагменты коренной породы, но также и свободных алмазов, присутствующих в виде частиц отдельно от других частиц или в смеси с ними, например в контейнере, в гравийном концентрате или при транспортировке на ленте конвейера и т.п.As in the method according to the first embodiment of the invention, fragments identified as having inclusions of diamonds are separated from other fragments of waste rock, for which a negative identification result was obtained. Distinctive features in the form of the half-life of the ¹¹ C isotope and two synchronous and collinear gamma-ray photons having an energy of 0.511 MeV, as well as imaging of the sources of this radiation, make this method applicable to distinguish and separate not only diamonds that are fully or partially included in fragments bedrock, but also free diamonds present in the form of particles separately from other particles or in a mixture with them, for example in a container, in gravel concentrate or when transported on a conveyor belt Hyeres etc.

Важная особенность вышеописанного второго способа является следствием высокой проникающей способности падающих фотонов, имеющих заданную энергию, которая соответствует возбуждению эффекта резонанса ГДР в алмазе, а также высокой проникающей способности излучаемых фотонов гамма-излучения.An important feature of the above-described second method is a consequence of the high penetration of incident photons having a given energy, which corresponds to the excitation of the resonance effect of GDR in diamond, as well as the high penetration of emitted gamma-ray photons.

Это является важным как в отношении величины фрагментов, которые могут быть идентифицированы, так и в отношении однородности потока фотонов, которыми облучаются фрагменты. Что касается потока падающих фотонов, то теоретически можно показать, например, что для типичной кимберлитовой породы, имеющей плотность 2,8 г/см³, ослабление исходного потока фотонов, имеющих энергию 30 МэВ, составляет только 50% при прохождении сквозь образец кимберлита толщиной 13 см, а для образцов толщиной 10 см и 44 см соответствующее ослабление того же потока фотонов составляет 22% и 90% соответственно. Таким образом, для частиц кимберлитовой породы, имеющих размеры, например, 10 см, необходимая активация любого включения алмазов может быть легко получена при энергии фотонов, равной 30 МэВ. В любом случае можно внести соответствующие корректировки для того, чтобы учесть ожидаемое ослабление.This is important both in terms of the size of the fragments that can be identified and in terms of the uniformity of the photon flux by which the fragments are irradiated. As for the incident photon flux, it can theoretically be shown, for example, that for a typical kimberlite rock with a density of 2.8 g / cm ³ , the attenuation of the initial flux of photons with an energy of 30 MeV is only 50% when passing through a sample of kimberlite with a thickness of 13 cm, and for samples 10 cm and 44 cm thick, the corresponding attenuation of the same photon flux is 22% and 90%, respectively. Thus, for particles of kimberlite rock having dimensions, for example, 10 cm, the necessary activation of any inclusion of diamonds can be easily obtained at a photon energy of 30 MeV. In any case, appropriate adjustments can be made to take into account the expected attenuation.

Таким образом, должно быть понятно, что предложенный в изобретении способ дает возможность анализа фрагментов больших размеров и могут быть подобраны соответствующие характеристики начальных шагов дробления и измельчения породы. Также необходимо понимать, что термин "фрагмент", используемый в описании, подразумевает, что объем изобретения охватывает фрагменты минералов, которые могут иметь малые размеры, а могут быть и достаточно большими.Thus, it should be clear that the method proposed in the invention enables the analysis of large fragments and the corresponding characteristics of the initial steps of crushing and grinding the rock can be selected. It should also be understood that the term "fragment" as used in the description implies that the scope of the invention encompasses fragments of minerals that may be small in size, or may be large enough.

Что касается проникающей способности и, соответственно, возможности обнаружения характерных испускаемых фотонов гамма-излучения, то теоретически можно показать, что для алмаза, находящегося в центре фрагмента кимберлита диаметром 10 см, гамма-фотоны с энергией 0,511 МэВ, излучаемые алмазом и достигающие поверхности фрагмента, ослабляются на 70%, то есть в измерительное устройство может попасть не более 30% исходного потока. Тем не менее, принимая во внимание то, что анализируемые фрагменты, как правило, имеют неправильную форму и что включения алмазов редко располагаются точно в центре фрагмента, можно предположить, что целесообразно будет разместить детекторы со всех сторон вокруг фрагментов для повышения вероятности обнаружения алмазов.As for the penetrating ability and, accordingly, the possibility of detecting characteristic emitted photons of gamma radiation, it can theoretically be shown that for diamond located in the center of a kimberlite fragment with a diameter of 10 cm, gamma photons with an energy of 0.511 MeV emitted by the diamond and reaching the surface of the fragment attenuated by 70%, that is, no more than 30% of the initial flow can enter the measuring device. Nevertheless, taking into account that the analyzed fragments, as a rule, have an irregular shape and that diamond inclusions are rarely located exactly in the center of the fragment, it can be assumed that it would be advisable to place detectors on all sides around the fragments to increase the probability of detecting diamonds.

В практической реализации конструкции установки фрагменты, находящиеся на ленте конвейера, могут облучаться потоком падающих фотонов и детекторы для обнаружения гамма-излучения при этом располагается дальше, на некотором расстоянии от излучателя по ходу конвейера, причем это расстояние выбирается с учетом характеристического времени полураспада, равного 20 минутам. Детекторы могут использоваться в одиночном режиме, в режиме совпадения и в комбинациях этих режимов.In the practical implementation of the installation design, the fragments located on the conveyor belt can be irradiated with a stream of incident photons and the gamma-ray detectors are further located at a certain distance from the emitter along the conveyor, and this distance is selected taking into account the characteristic half-life of 20 minutes. The detectors can be used in single mode, in coincidence mode, and in combinations of these modes.

Еще одной особенностью способа второго варианта осуществления изобретения является возможность определения не только того факта, что во фрагменте имеется включение алмазов, но также расположения включения во фрагменте и его размера. Размер включения алмаза может определяться по абсолютной величине интенсивности гамма-излучения. Для определения расположения алмаза во фрагменте могут использоваться алгоритмы обработки и воссоздания изображения. Например, можно использовать два детектора гамма-излучения и вращать фрагмент между ними. В качестве альтернативы можно использовать систему позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) с использованием большого числа стационарных детекторов или меньшего числа подвижных детекторов для создания трехмерного изображения с соответствующим пространственным разрешением для точного определения расположения включения алмаза. Имеющиеся современные детекторы с достаточным пространственным разрешением и развитым программным обеспечением использовались для экспериментального подтверждения принципов изобретения. Ниже описывается более подробно предпочтительная в настоящее время схема размещения детекторов.Another feature of the method of the second embodiment of the invention is the ability to determine not only the fact that in the fragment there is an inclusion of diamonds, but also the location of the inclusion in the fragment and its size. The size of the inclusion of diamond can be determined by the absolute value of the intensity of gamma radiation. To determine the location of the diamond in the fragment, image processing and reconstruction algorithms can be used. For example, you can use two gamma-ray detectors and rotate a fragment between them. Alternatively, you can use a positron emission tomography (PET) system using a large number of stationary detectors or fewer movable detectors to create a three-dimensional image with the appropriate spatial resolution to accurately determine the location of the inclusion of diamond. Available modern detectors with sufficient spatial resolution and advanced software were used to experimentally confirm the principles of the invention. Below is described in more detail the currently preferred arrangement of the detectors.

Известно, что при взаимодействии фотонов с кимберлитом может возникать интерференция сигналов. Изотопы ⁵³Fe, ⁵²Mn и ⁸¹Sr имеют периоды полураспада, сравнимые с периодом полураспада изотопа ¹¹С, однако их концентрации в кимберлитовой породе достаточно невелики и они не оказывают заметного эффекта на обнаружение изотопа ¹¹С. Могла бы представлять проблему интерференция сигнала от изотопа ⁴⁴К, однако энергия фотонов, связанных с этим изотопом, равна 0,4 МэВ, и соответствующее выделение фотонов с энергией 0,511 МэВ может устранить возможность интерференции сигналов в этом случае.It is known that when photons interact with kimberlite, signal interference can occur. The ⁵³ Fe, ⁵² Mn, and ⁸¹ Sr isotopes have half-lives comparable to the half-lives of the ¹¹ C isotope, but their concentrations in the kimberlite rock are quite low and they do not have a noticeable effect on the detection of the ¹¹ C isotope. Could be a problem of signal interference from the isotope ⁴⁴ K, however, the energy of photons associated with this isotope is 0.4 MeV, and the corresponding emission of photons with an energy of 0.511 MeV can eliminate the possibility of signal interference in this case.

Самый обычный элемент в образцах кимберлитовой породы - это кислород, однако время его полураспада в результате соответствующей ядерной реакции составляет всего 2,03 минуты. Таким образом, проблема, которую могла бы представлять интерференция в этом случае, может быть существенно ослаблена за счет выполнения шагов обнаружения углерода только после нескольких периодов полураспада изотопа ¹⁶О, например по прошествии примерно десяти минут, когда активность кислорода существенно снизится. Через двадцать минут будет доминировать остающийся позитронный распад и, соответственно, он будет обеспечивать различение углерода.The most common element in kimberlite rock samples is oxygen, but its half-life as a result of the corresponding nuclear reaction is only 2.03 minutes. Thus, the problem that interference could pose in this case can be significantly reduced by performing carbon detection steps only after several half-lives of the ¹⁶ O isotope, for example, after about ten minutes, when oxygen activity has substantially decreased. After twenty minutes, the remaining positron decay will dominate and, accordingly, it will provide carbon discrimination.

Радиоактивность облученной кимберлитовой породы, после того как она транспортируется в отвалы, оказывается низкой. Большинство элементов, которые активируются излучением, имеют периоды полураспада от нескольких секунд до нескольких часов. Через день уровни радиации существенно снижаются. Что касается облученных алмазов, то экспериментально показано, что основным источником излучения в них является изотоп ¹¹С, который распадается в течение нескольких часов.The radioactivity of irradiated kimberlite rock, after it is transported to dumps, is low. Most elements that are activated by radiation have half-lives from a few seconds to several hours. After a day, radiation levels are significantly reduced. As for irradiated diamonds, it has been experimentally shown that the main source of radiation in them is the ¹¹ C isotope, which decays within a few hours.

Из вышесказанного понятно, что идентификация углерода с использованием способа, предложенного в данном варианте изобретения, основывается на обнаружении двух синхронных и коллинеарных фотонов, излученных из области атомов углерода как результат ряда вышеуказанных реакций.From the foregoing, it is understood that the identification of carbon using the method proposed in this embodiment of the invention is based on the detection of two synchronous and collinear photons emitted from the region of carbon atoms as a result of a number of the above reactions.

Углерод алмазов и источники углерода, не имеющие никакого отношения к алмазам, одинаковым образом излучают синхронные и коллинеарные фотоны. Формы углерода в кимберлитовой породе, не имеющего отношения к алмазам, имеют гораздо меньшие размеры и более однородно распределены в толще породы по сравнению с алмазами, имеющими размеры, представляющие практический интерес. Типичная концентрация углерода, не имеющего отношения к алмазам, составляет примерно 0,2%. Интенсивность сигнала, излучаемого только углеродом, недостаточна для того, чтобы сделать вывод о возможности присутствия алмазов в образце кимберлита, объем которого более чем в 500 раз превышает объем алмаза.Diamond carbon and carbon sources that have nothing to do with diamonds emit synchronous and collinear photons in the same way. The forms of carbon in a kimberlite rock, which is not related to diamonds, are much smaller and more uniformly distributed in the thickness of the rock compared to diamonds having dimensions of practical interest. A typical non-diamond related carbon concentration is about 0.2%. The intensity of the signal emitted only by carbon is insufficient to draw a conclusion about the possibility of the presence of diamonds in a kimberlite sample, the volume of which is more than 500 times the volume of diamond.

Данная проблема может быть решена путем использования технологии получения квазиизображений геометрической формы источников сигналов, излучаемых углеродом, обеспечивающих в основном идентификацию плотности углерода в области источника. Сигнал, излучаемый углеродом алмаза, не может быть выделен на фоне сигнала, излучаемого углеродом, распределенным во всем объеме фрагмента кимберлитовой породы, но может быть распознан на фоне сигнала, излучаемого углеродом меньшего объема породы, а именно минимального элемента объема, который может быть выделен с использованием указанной технологии. Эта технология может соответственно улучшить различение между углеродом алмаза и углеродом, не имеющим отношения к алмазам.This problem can be solved by using the technology for obtaining quasi-images of the geometric shape of the sources of signals emitted by carbon, providing mainly the identification of carbon density in the source region. The signal emitted by diamond carbon cannot be distinguished against the background of the signal emitted by carbon distributed throughout the volume of a kimberlite rock fragment, but it can be recognized against the background of the signal emitted by carbon from a smaller volume of rock, namely a minimal volume element that can be extracted with using the specified technology. This technology can accordingly improve the distinction between diamond carbon and non-diamond carbon.

Такая технология основывается на том обстоятельстве, что для большинства типов рассматриваемых кимберлитовых пород углерод алмазов является в высшей степени сосредоточенным источником излучения. Технология получения квазиизображений использует то обстоятельство, что фотоны являются синхронными и коллинеарными так, что может быть использован алгоритм типа применяемого в ПЭТ для воспроизведения распределения источников испускания двойных фотонов. Подходящим является алгоритм, используемый в ПЭТ, в котором используется двухмерная матрица детекторов, мимо которых движется материал, являющийся источником излучения, обычно - это матрица детекторов, используемых в ПЭТ, которые размещаются вдоль конвейера и окружают его.This technology is based on the fact that for most types of kimberlite rocks under consideration, carbon diamonds are a highly concentrated source of radiation. The technology for producing quasi-images takes advantage of the fact that photons are synchronous and collinear so that an algorithm of the type used in PET can be used to reproduce the distribution of sources of emission of double photons. A suitable algorithm is that used in PET, in which a two-dimensional array of detectors is used, past which material that is the source of radiation moves, usually a matrix of detectors used in PET, which are placed along the conveyor and surround it.

Вышеизложенное иллюстрируется прилагаемыми схематичными чертежами. Как можно видеть на фиг.1, кимберлит или другой исходный материал 10, подлежащий сортировке, перемещается с постоянной скоростью системой (механизмом) 12 транспортировки, например посредством показанной конвейерной ленты, через два устройства 14 и 16 получения изображений. Изображения, получаемые в первом устройстве 14 получения изображения фрагментов материала, позволяют произвести примерную оценку размеров фрагментов материала. Это может быть выполнено, например, с помощью матрицы фотодиодов, позволяющих получить двухмерную "теневую" картину фрагмента материала, которая с учетом временной координаты может быть преобразована подходящими программами обработки информации изображений для получения трехмерного представления перемещаемых фрагментов.The foregoing is illustrated by the accompanying schematic drawings. As can be seen in FIG. 1, the kimberlite or other source material 10 to be sorted is moved at a constant speed by the transportation system (mechanism) 12, for example by means of the conveyor belt shown, through two image acquisition devices 14 and 16. Images obtained in the first device 14 for obtaining images of fragments of material allow an approximate estimation of the sizes of fragments of material. This can be done, for example, using a matrix of photodiodes, which allows to obtain a two-dimensional "shadow" picture of a fragment of material, which, taking into account the time coordinate, can be transformed by suitable image information processing programs to obtain a three-dimensional representation of the fragments to be moved.

Во втором устройстве 16, представляющем собой устройство получения квазиизображений, используются упомянутые выше принципы работы установки ПЭТ. Синхронные и коллинеарные фотоны обнаруживаются матрицей позиционно-чувствительных детекторов 18 фотонов (фиг.2), которые измеряют положение обнаруженного фотона, время выполнения измерения и энергию фотона.In the second device 16, which is a device for obtaining quasi-images, the above-mentioned principles of operation of the PET installation are used. Synchronous and collinear photons are detected by a matrix of position-sensitive detectors 18 photons (figure 2), which measure the position of the detected photon, the measurement time and the photon energy.

Затем информация, полученная детекторами 18, может быть обработана соответствующей программой, которая объединяет в пары обнаруженные фотоны, которые возникли синхронно, и привязывает их к мгновенному положению исходного материала. Алгоритмы обработки, используемые в программном обеспечении, позволяют "остановить" движение исходного материала, а технология трассировки лучей, учитывающая коллинеарное излучение фотонов в противоположных направлениях, позволяет воссоздать карту интенсивности сигналов, излучаемых углеродом исходного материала. Окончательная реконструкция изображения учитывает позиционную чувствительность детекторов 18 фотонов, а также выявленные пары фотонов и их коллинеарность.Then, the information obtained by the detectors 18 can be processed by the corresponding program, which combines the detected photons in pairs, which occurred synchronously, and attaches them to the instantaneous position of the source material. The processing algorithms used in the software make it possible to “stop” the movement of the source material, and the ray tracing technology, which takes into account the collinear emission of photons in opposite directions, allows you to recreate the intensity map of the signals emitted by the carbon of the source material. The final image reconstruction takes into account the positional sensitivity of the 18 photon detectors, as well as the identified pairs of photons and their collinearity.

Высокое временное разрешение детекторов является существенным фактором для точного воссоздания изображения и правильной идентификации пар синхронных фотонов. Было установлено, что можно пренебречь показателем отношения случайных совпадений к реальным в том случае, когда используются детекторы с наносекундным временным разрешением.High temporal resolution of the detectors is an essential factor for accurate image reconstruction and the correct identification of pairs of synchronous photons. It was found that the ratio of random to real can be neglected when detectors with nanosecond time resolution are used.

Объединение воссозданного изображения с физическим изображением фрагмента исходного материала, которое получено с помощью устройства 14, позволяет сделать вывод о том, имеется или нет в анализируемом фрагменте локальная концентрация углерода, то есть локальная концентрация углерода, которая существенно выше, чем средняя концентрация углерода во фрагментах пустой кимберлитовой породы, и которая дает основание для вывода о наличии или отсутствии алмаза 22.The combination of the reconstructed image with the physical image of the source material fragment obtained using the device 14 allows us to conclude whether or not there is a local carbon concentration in the analyzed fragment, that is, a local carbon concentration that is significantly higher than the average carbon concentration in the fragments kimberlite rock, and which gives rise to the conclusion about the presence or absence of diamond 22.

После этого, как было указано выше, дробленый исходный материал поступает в сортировальное устройство 20 (фиг.1), в котором выделенные фрагменты отделяются от остальных фрагментов.After that, as indicated above, the crushed starting material enters the sorting device 20 (Fig. 1), in which the selected fragments are separated from the remaining fragments.

На фиг.3 схематично показаны компоненты перерабатывающей установки, в которой может быть реализован описанный способ. Ссылочное обозначение 30 относится к дробильному устройству, которое позволяет получить фрагменты породы размерами около 10 см или менее. По спуску 32 полученные фрагменты породы подаются на бесконечную конвейерную ленту 34, которая транспортирует их через облучающий аппарат (облучатель) 36 с энергией излучения 22 МэВ, который облучает фрагменты вышеупомянутым потоком гамма-излучения. Фрагменты доставляются конвейером в бункер 38, в котором их выдерживают не менее двадцати минут прежде, чем выгрузить на бесконечную конвейерную ленту 40. Далее фрагменты транспортируются конвейером через средство обнаружения, в котором матрица 42 детекторов 44 окружает ленту конвейера, как было указано выше. После средства обнаружения по ходу движения конвейера на фрагменты, идентифицированные как возможно содержащие алмазы, наносятся метки в устройстве 46 нанесения меток, после чего помеченные фрагменты извлекаются из общего потока фрагментов с помощью механического захватывающего устройства 48. Фрагменты 50 пустой породы сгружаются на следующий конвейер, который транспортирует их в отвалы, а выбранные фрагменты 52 подвергаются дроблению в дробильных устройствах 54 (грубое и тонкое измельчение) и далее перерабатываются в устройствах 56 обогащения в тяжелой среде (УОТС) с последующей сортировкой в традиционных рентгеновских сортировальных машинах 58 для получения обогащенного алмазоносного продукта 60.Figure 3 schematically shows the components of a processing plant in which the described method can be implemented. Reference numeral 30 refers to a crushing device that allows rock fragments of about 10 cm or less to be obtained. Downhill 32, the resulting rock fragments are fed to an endless conveyor belt 34, which transports them through an irradiating apparatus (irradiator) 36 with a radiation energy of 22 MeV, which irradiates the fragments with the aforementioned gamma radiation stream. The fragments are delivered by conveyor to the hopper 38, in which they are held for at least twenty minutes before being unloaded onto the endless conveyor belt 40. Next, the fragments are transported by the conveyor through the detection means, in which the array of 42 detectors 44 surrounds the conveyor belt, as described above. After the means of detecting along the conveyor, fragments identified as possibly containing diamonds are marked in the marking device 46, after which the marked fragments are extracted from the common stream of fragments using a mechanical gripping device 48. The waste fragments 50 are loaded onto the next conveyor, which transfers them to dumps, and selected fragments 52 are crushed in crushing devices 54 (coarse and fine grinding) and then processed in burner devices 56 eniya in heavy medium (Watts) with subsequent sorting in conventional X-ray sorting machine 58 for the diamond-rich product 60.

Следует иметь в виду, что при добыче алмазов под землей вышеописанный процесс может осуществляться в шахте, по меньшей мере, до шага сортировки. Фрагменты пустой породы могут при этом складироваться в подземных выработках без необходимости их транспортировки на поверхность. Только выбранные фрагменты поднимаются на поверхность для дальнейшей переработки.It should be borne in mind that when mining diamonds underground, the above process can be carried out in the mine, at least up to the sorting step. Fragments of waste rock can be stored in underground workings without the need to transport them to the surface. Only selected fragments rise to the surface for further processing.

Необходимо понимать, что вышеприведенное описание и прилагаемые чертежи иллюстрируют некоторые варианты осуществления изобретения и что возможны различные модификации в пределах объема заявляемых притязаний.You must understand that the above description and the accompanying drawings illustrate some embodiments of the invention and that various modifications are possible within the scope of the claimed claims.

Claims

1. A method for detecting the presence of diamonds in a fragment of a material in which a fragment is irradiated with photons of a given energy, which provides the appearance of a giant dipole resonance (GDR) to obtain a nuclear reaction of photons with carbon, and based on the interaction of the fragment material with incident photons, the fragment is identified as a potential diamond or a fragment of rock in which the presence of diamonds is possible.

2. The method according to claim 1, in which a fragment of the material is irradiated with bremsstrahlung from energies in the range including the characteristic level of resonance energy of the GDR for carbon.

3. The method according to claim 2, in which a fragment of the material is irradiated with bremsstrahlung with an energy in the range including the characteristic energy level of 22 MeV.

4. A process according to one of claims 1-3, comprising the steps of identifying the material fragment as a potential diamond or rock fragment, wherein the possible presence of diamonds is incurred as a result of the nuclear reaction of the photons with carbon isotope ¹¹ C with a half-life of about 20 minutes.

5. The method according to claim 4, including the step of identifying a material fragment as a potential diamond or rock fragment in which diamonds are possible, upon the radiation of a fragment of synchronous collinear photons of gamma radiation at a characteristic energy level.

6. The method according to claim 5, in which a material fragment is identified as a potential diamond or rock fragment in which diamonds are possible, upon the emission of a fragment of synchronous collinear photons of gamma radiation with an energy of 0.511 MeV.

7. The method according to claim 5, comprising the step of analyzing the detected synchronous and collinear photons of gamma radiation to provide an indication of the relative position of the inclusion of concentrated carbon, possibly diamond, in the fragment in which this inclusion is contained.

8. The method according to any one of claims 1 to 3, in which a fragment of the material is identified as a potential diamond or rock fragment, in which the presence of diamond is possible if the absorption of photon energy by the fragment indicates the presence of concentrated carbon inclusion.

9. The method according to claim 8, in which the fragment of the material is a fragment of kimberlite rock and at the same time the formation of a differential image of energy absorption for the fragment is carried out and it is determined whether or not the image indicates the presence of concentrated carbon in the fragment.

10. A method for stream sorting fragments of material in which fragments of a material are irradiated with gamma radiation with energy at the level of which a giant dipole resonance (GDR) is excited to obtain a nuclear reaction of photons with carbon, identify fragments as potential diamonds or rock fragments in which it is possible the presence of diamonds, upon the occurrence of photons with carbon of the ¹¹ C isotope as a result of a nuclear reaction with a characteristic half-life of approximately 20 minutes and upon the fact of emission by synchronous fragments collinear photons of gamma radiation at a characteristic energy level, and fragments identified as potential diamonds or rock fragments in which diamonds may be present are separated from other fragments.

11. The method according to claim 8, in which the fragments can withstand after irradiation for at least twenty minutes before they begin to perform the following steps for their analysis.

12. A device for detecting the presence of diamonds in a material fragment, comprising means for irradiating the fragment with gamma-ray photons having a predetermined energy, at the level of which a giant dipole resonance (GDR) is excited to produce a nuclear reaction of photons with carbon, and means for identifying the fragment as a potential diamond or fragment of the rock, in which the presence of diamonds is possible, based on the interaction of the fragment with incident photons.

13. The device according to item 12, in which the irradiation means provides irradiation of a material fragment with gamma radiation having an energy of 22 MeV.

14. The apparatus of claim 12 or 13, comprising means for determining the fact of occurrence of the nuclear reaction of the photons with carbon isotope ¹¹ C with a characteristic half-life of approximately 20 minutes and the fact that the radiation fragment synchronous collinear photons of gamma radiation at a characteristic energy level.

15. The device according to 14, containing means for determining the fact of emission by a fragment of the material of synchronous collinear photons of gamma radiation with an energy of 0.511 MeV.

16. The device according to clause 15, containing means for analyzing detected synchronous and collinear photons of gamma radiation to provide an indication of the relative position of the inclusion of concentrated carbon, possibly diamond, in the fragment in which this inclusion is contained.

17. Installation for in-line sorting of fragments of material, containing means for irradiating the fragments that must be sorted with gamma radiation with energy at the level of which a giant dipole resonance (GDR) is excited to obtain a nuclear reaction of photons with carbon, and means for identifying fragments as potential diamonds or rock fragments, wherein there may be diamonds, upon occurrence of the nuclear reaction of the photons with carbon isotope ¹¹ C with a characteristic half-life of approximately 20 m n and upon radiation fragments synchronous collinear photons of gamma radiation at a characteristic energy level, and means for separating fragments identified as potential diamonds or fragments of rock, in which there may be diamonds from other fragments.

18. The apparatus of claim 17, comprising temporary storage means for holding fragments for at least twenty minutes before using the identification means.

19. The apparatus of claim 18, wherein the storage means comprises a hopper for holding fragments after irradiation and feeding them to the identification means after aging for at least twenty minutes.