RU2685047C1 - Apparatus and method for determination of element composition of materials by layered neutrons - Google Patents

Apparatus and method for determination of element composition of materials by layered neutrons Download PDF

Info

Publication number
RU2685047C1
RU2685047C1 RU2018110356A RU2018110356A RU2685047C1 RU 2685047 C1 RU2685047 C1 RU 2685047C1 RU 2018110356 A RU2018110356 A RU 2018110356A RU 2018110356 A RU2018110356 A RU 2018110356A RU 2685047 C1 RU2685047 C1 RU 2685047C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
sample
gamma
neutron
alpha
spectrum
Prior art date
Application number
RU2018110356A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Михаил Григорьевич Сапожников
Юрий Геннадьевич Товстенко
Егор Александрович Разинков
Юрий Николаевич Рогов
Вадим Юрьевич Алексахин
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Диамант"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Диамант" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Диамант"
Priority to RU2018110356A priority Critical patent/RU2685047C1/en
Priority to EA202092221A priority patent/EA202092221A1/en
Priority to PCT/RU2019/050030 priority patent/WO2019182482A1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2685047C1 publication Critical patent/RU2685047C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N23/00Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00
    • G01N23/22Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by measuring secondary emission from the material
    • G01N23/221Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by measuring secondary emission from the material by activation analysis
    • G01N23/222Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by measuring secondary emission from the material by activation analysis using neutron activation analysis [NAA]
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/24Earth materials

Abstract

FIELD: physics.SUBSTANCE: use: to determine elemental composition of samples of solid or liquid materials. Summary of invention consists in the fact that device for determining elemental composition of samples of solid or liquid materials has a neutron block made with a receiving vessel for placing the analyzed sample of material and equipped with: (a) neutron generator for generating a stream of labeled neutrons and alpha particles, wherein the neutron generator has an alpha detector; (b) gamma-ray detectors for detecting spectra of characteristic gamma-radiation occurring when a sample of material is irradiated with a stream of labeled neutrons; (c) data analysis system for collecting and analyzing data obtained from alpha detector of neutron generator and gamma-ray detectors; and (d) biological protection of neutron block, providing safe operation of the working personnel, wherein data analysis system is configured to determine elemental composition of sample of material using only gamma-quanta falling in selected time interval of time spectrum of alpha-gamma match and corresponding to sample of material, and using the other portion of the alpha-gamma match time spectrum for energy calibration of the obtained gamma-ray spectra at each measurement of each sample. Also disclosed is a corresponding method implemented in the disclosed device.EFFECT: technical result is enabling determination of concentration of elements in samples of large mass and large size without any sample preparation.11 cl, 8 tbl, 43 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеThe technical field to which the invention relates.

[0001] Изобретение относится к области исследования или анализа материалов радиационными методами с измерением вторичной эмиссии характеристического ядерного гамма-излучения, возникающего под действием быстрых меченых нейтронов, для определения элементного состава материалов.[0001] The invention relates to the field of research or analysis of materials by radiation methods with the measurement of the secondary emission of characteristic nuclear gamma radiation arising under the action of fast labeled neutrons, to determine the elemental composition of materials.

Предпосылки изобретенияBackground of the invention

[0002] Детекторы на основе метода меченых нейтронов (ММН) нашли применение для обнаружения взрывчатых веществ, скрытых в различных объектах досмотра. Однако по своей физической сути с помощью таких детекторов взрывчатых веществ осуществляется определение лишь относительных концентраций углерода, кислорода и азота. [0002] Detectors based on the tagged neutron method (MCM) have been used to detect explosives hidden in various inspection sites. However, in terms of their physical nature, only such relative concentrations of carbon, oxygen and nitrogen are determined using such detectors of explosives.

[0003] Известны также способ и устройство для обнаружения алмазов в кимберлите с помощью метода меченых нейтронов (см. патент № RU 2521723 C1, опубликованный 10.07.2014 г.). Однако описанные в этом патенте способ и устройство позволяют определять только наличие в облучаемом образце превышения локальной концентрации углерода над его средним уровнем и не позволяют определять концентрацию углерода в образце.[0003] There is also known a method and device for the detection of diamonds in kimberlite using the method of labeled neutrons (see patent number RU 2521723 C1, published 07/10/2014). However, the method and device described in this patent allow only determining the presence in the irradiated sample of the excess of the local carbon concentration above its average level and do not allow determining the carbon concentration in the sample.

Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the invention

[0004] Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является определение концентраций различных химических элементов в образцах разных материалов и определение на основании результатов такого определения концентраций различных химических соединений (например, оксидов, минералов). [0004] The technical task to be solved by the invention is to determine the concentrations of various chemical elements in samples of different materials and to determine the concentrations of various chemical compounds (for example, oxides, minerals) based on the results of such determination.

[0005] Еще одной технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является обеспечение определения концентрации элементов в образцах большой массы и большой крупности (до 50 см в поперечнике), например, в образцах горной породы, взятых непосредственно из карьера, или из транспортных емкостей, или с ленты транспортера, причем без какой-либо пробоподготовки. [0005] Another technical problem to be solved by the present invention is to ensure the determination of the concentration of elements in samples of large mass and large size (up to 50 cm in diameter), for example, in rock samples taken directly from the quarry or from transport containers, or from the conveyor belt, and without any sample preparation.

[0006] Поставленные задачи решаются следующими средствами, изложенными в формуле изобретения.[0006] the task is solved by the following means set forth in the claims.

[0007] Пункт 1: Устройство для определения элементного состава образцов твердых или жидких материалов, содержащее нейтронный блок, выполненный с приемным сосудом для размещения в нем исследуемого образца материала и снабжённый: [0007] Item 1: A device for determining the elemental composition of samples of solid or liquid materials, containing a neutron unit, made with a receiving vessel to accommodate the sample of material under investigation and equipped with:

(a) нейтронным генератором, предназначенным для генерации потока меченых нейтронов и альфа-частиц, при этом в нейтронный генератор встроен альфа-детектор; (a) a neutron generator designed to generate a flux of labeled neutrons and alpha particles, with an alpha detector embedded in the neutron generator;

(b) детекторами гамма-излучения, предназначенными для регистрации спектров характеристического гамма-излучения, возникающего при облучении образца материала потоком меченых нейтронов; и(b) gamma-ray detectors designed to record the spectra of the characteristic gamma-rays that occur when a sample of a material is irradiated with a tagged neutron flux; and

(с) системой анализа данных, предназначенной для сбора и анализа данных, получаемых от альфа-детектора нейтронного генератора и детекторов гамма-излучения;(c) a data analysis system designed to collect and analyze data obtained from an alpha detector of a neutron generator and gamma-radiation detectors;

(d) биологической защитой нейтронного блока, обеспечивающей безопасную работу обсуживающего персонала,(d) biological protection of the neutron unit, ensuring the safe operation of the personnel discussing,

при этом система анализа данных выполнена с возможностью определения элементного состава образца материала с использованием только гамма-квантов, попадающих в выбранный временной интервал временного спектра альфа-гамма совпадений и соответствующих образцу материала, и с использованием другой части временного спектра альфа-гамма совпадений для энергетической калибровки полученных спектров гамма-излучения при каждом измерении каждого образца.the data analysis system is designed to determine the elemental composition of a sample of a material using only gamma quanta that fall within a selected time interval of the alpha gamma coincidence time spectrum and corresponding to the material sample, and using another part of the alpha gamma coincidence time spectrum for energy calibration gamma-ray spectra obtained with each measurement of each sample.

[0008] Пункт 2. Устройство по пункту 1, в котором нейтронный генератор в нейтронном блоке расположен под исследуемым образцом материала, а детекторы гамма-излучения расположены в нейтронном блоке над исследуемым образцом материала.[0008] Clause 2. The device of clause 1, wherein the neutron generator in the neutron unit is located under the sample of material under investigation, and the gamma-ray detectors are located in the neutron unit above the sample of material under investigation.

[0009] Пункт 3. Устройство по пункту 1, в котором нейтронный генератор в нейтронном блоке расположен над исследуемым образцом материала, а детекторы гамма-излучения расположены в нейтронном блоке под исследуемым образцом материала. [0009] Clause 3. The device according to claim 1, wherein the neutron generator in the neutron unit is located above the sample of material under investigation, and the gamma-radiation detectors are located in the neutron unit under the sample of material under investigation.

[0010] Пункт 4. Устройство по пункту 1, в котором нейтронный генератор расположен с первой боковой стороны от исследуемого образца материала, а детекторы гамма-излучения расположены со второй, противоположной первой боковой стороны от исследуемого образца материала.[0010] Clause 4. The device of clause 1, in which the neutron generator is located on the first side of the sample of material being investigated, and the gamma-ray detectors are located on the second, opposite to the first side of the sample of material being examined.

[0011] Пункт 5. Устройство по пункту 1, в котором поток меченых нейтронов в нейтронном блоке имеет форму усеченной пирамиды, и, соответственно, приемный сосуд для размещения исследуемого образца материала тоже имеет форму усеченной пирамиды.[0011] Clause 5. The device of clause 1, in which the flux of labeled neutrons in the neutron block has the shape of a truncated pyramid, and, accordingly, the receiving vessel for accommodating the sample of material under study also has the shape of a truncated pyramid.

[0012] Пункт 6. Устройство по пункту 1, которое дополнительно содержит систему подачи образца материала в приемный сосуд, например, конвейер для поочередной подачи исследуемых образцов материала.[0012] Clause 6. The device of clause 1, which further comprises a system for feeding a sample of material into a receiving vessel, for example, a conveyor for alternately feeding the test samples of material.

[0013] Пункт 7. Устройство по пункту 1, в котором нейтронный блок предназначен для генерации потока меченых нейтронов и альфа-частиц при ускорении дейтронов и взаимодействии их с тритиевой мишенью за счет осуществления следующей бинарной реакции: [0013] Item 7. The device according to claim 1, wherein the neutron unit is designed to generate a flux of labeled neutrons and alpha particles during acceleration of deuterons and their interaction with a tritium target due to the implementation of the following binary reaction:

d + t → α + n, d + t → α + n,

где d – дейтрон, t – тритон, α – альфа-частица, n – нейтрон.where d is a deuteron, t is a triton, α is an alpha particle, n is a neutron.

[0014] Пункт 8. Устройство по пункту 1, которое предназначено для определения элементного состава образцов годных пород, руд или рудных материалов.[0014] Clause 8. The device according to clause 1, which is intended to determine the elemental composition of samples of good rocks, ores or ore materials.

[0015] Пункт 9. Устройство по пункту 1, в котором выбранный временной интервал составляет порядка 1-100 наносекунд.[0015] Clause 9. The device of clause 1, wherein the selected time interval is of the order of 1-100 nanoseconds.

[0016] Пункт 10. Способ определения элементного состава образцов твердых или жидких материалов, осуществляемый с использованием устройства по любому из пунктов 1-9, включающий следующие этапы:[0016] Clause 10. A method for determining the elemental composition of samples of solid or liquid materials, carried out using the device according to any one of claims 1-9, comprising the following steps:

(a) помещение исследуемого образца материала в приемный сосуд;(a) placing the sample material in the receiving vessel;

(б) облучение образца материала потоком быстрых меченых нейтронов; (b) irradiating a sample of a material with a flux of fast tagged neutrons;

(в) регистрация спектров характеристического гамма-излучения, возникающего при облучении упомянутого образца потоком быстрых меченых нейтронов на этапе (б); (c) registration of the spectra of the characteristic gamma radiation arising from the irradiation of the above-mentioned sample with a stream of fast tagged neutrons in step (b);

(г) анализ спектров характеристического гамма-излучения, зарегистрированных от упомянутого образца на этапе (в), с определением элементного состава образца, (d) analyzing the spectra of the characteristic gamma radiation registered from the sample in step (c), with the determination of the elemental composition of the sample,

при этом для определения элементного состава образца используют только гамма-кванты, попадающие в выбранный временной интервал временного спектра альфа-гамма совпадений и соответствующие образцу материала, а другую часть временного спектра альфа-гамма совпадений используют для энергетической калибровки полученных спектров гамма-излучения при каждом измерении каждого образца. at the same time, to determine the elemental composition of the sample, only gamma rays are used that fall within the selected time interval of the alpha-gamma coincidence spectrum and correspond to the material sample, and the other part of the alpha-gamma coincidence spectrum is used for energy calibration of the obtained gamma-radiation spectra during each measurement each sample.

[0017] Пункт 11. Способ по пункту 10, дополнительно включающий этап предварительной настройки и градуировки устройства перед этапом (a).[0017] Clause 11. The method of clause 10, further comprising the step of pre-setting and calibrating the device before step (a).

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

[0018] Предлагаемое изобретение поясняется далее подробнее на примере неограничительных чертежей, на которых показано следующее. [0018] The present invention is explained further in more detail by the example of non-limiting drawings, which show the following.

[0019] Фиг. 1 – схематичное изображение общего принципа работы устройства по изобретению.[0019] FIG. 1 is a schematic representation of the general principle of operation of the device according to the invention.

[0020] Фиг. 2 – общий вид в перспективе одного конкретного варианта воплощения устройства по изобретению, расположенного в транспортном контейнере.[0020] FIG. 2 is a general perspective view of one specific embodiment of the device according to the invention, located in a transport container.

[0021] Фиг. 3 – общий вид в перспективе с местным разрезом нейтронного блока устройства по изобретению. [0021] FIG. 3 is a general perspective view with a local section of the neutron unit of the device according to the invention.

[0022] Фиг. 4 – общий вид одного конкретного варианта воплощения устройства по изобретению с конвейером для подачи образцов руды. [0022] FIG. 4 is a general view of one specific embodiment of the device according to the invention with a conveyor for feeding ore samples.

[0023] Фиг. 5 – энергетический спектр характеристического гамма-излучения углерода.[0023] FIG. 5 - the energy spectrum of the characteristic gamma radiation of carbon.

[0024] Фиг. 6 – энергетический спектр характеристического гамма-излучения жидкой воды.[0024] FIG. 6 - the energy spectrum of the characteristic gamma radiation of liquid water.

[0025] Фиг. 7 – энергетический спектр характеристического гамма-излучения кремния.[0025] FIG. 7 - the energy spectrum of the characteristic gamma radiation of silicon.

[0026] Фиг. 8 – энергетический спектр характеристического гамма-излучения магния.[0026] FIG. 8 - the energy spectrum of the characteristic gamma radiation of magnesium.

[0027] Фиг. 9 – энергетический спектр характеристического гамма-излучения оксида железа.[0027] FIG. 9 - the energy spectrum of the characteristic gamma radiation of iron oxide.

[0028] Фиг. 10 – энергетический спектр характеристического гамма-излучения титана.[0028] FIG. 10 - the energy spectrum of the characteristic gamma radiation of titanium.

[0029] Фиг. 11 – энергетический спектр характеристического гамма-излучения алюминия.[0029] FIG. 11 - the energy spectrum of the characteristic gamma radiation of aluminum.

[0030] Фиг. 12 – энергетический спектр характеристического гамма-излучения оксида кальция.[0030] FIG. 12 - the energy spectrum of the characteristic gamma radiation of calcium oxide.

[0031] Фиг. 13 – энергетический спектр характеристического гамма-излучения никеля.[0031] FIG. 13 - the energy spectrum of the characteristic gamma radiation of nickel.

[0032] Фиг. 14 – энергетический спектр характеристического гамма-излучения марганца.[0032] FIG. 14 - the energy spectrum of the characteristic gamma radiation of manganese.

[0033] Фиг. 15 – энергетический спектр характеристического гамма-излучения меди.[0033] FIG. 15 - the energy spectrum of the characteristic gamma radiation of copper.

[0034] Фиг. 16 – энергетический спектр характеристического гамма-излучения оксида циркония.[0034] FIG. 16 - the energy spectrum of the characteristic gamma radiation of zirconium oxide.

[0035] Фиг. 17 – энергетический спектр характеристического гамма-излучения оксида хрома.[0035] FIG. 17 - the energy spectrum of the characteristic gamma radiation of chromium oxide.

[0036] Фиг. 18 – энергетический спектр характеристического гамма-излучения серы.[0036] FIG. 18 - the energy spectrum of the characteristic gamma radiation of sulfur.

[0037] Фиг. 19 – энергетический спектр характеристического гамма-излучения висмута.[0037] FIG. 19 - the energy spectrum of the characteristic gamma radiation of bismuth.

[0038] Фиг. 20 – энергетический спектр характеристического гамма-излучения олова.[0038] FIG. 20 - the energy spectrum of the characteristic gamma radiation of tin.

[0039] Фиг. 21 – энергетический спектр характеристического гамма-излучения цинка.[0039] FIG. 21 - the energy spectrum of the characteristic gamma radiation of zinc.

[0040] Фиг. 22 – энергетический спектр характеристического гамма-излучения тетрафторметана.[0040] FIG. 22 - the energy spectrum of the characteristic gamma radiation of tetrafluoromethane.

[0041] Фиг. 23 – энергетический спектр характеристического гамма-излучения оксида фосфора.[0041] FIG. 23 - the energy spectrum of the characteristic gamma radiation of phosphorus oxide.

[0042] Фиг. 24 – энергетический спектр характеристического гамма-излучения свинца. [0042] FIG. 24 - the energy spectrum of the characteristic gamma radiation of lead.

[0043] Фиг. 25 – энергетический спектр характеристического гамма-излучения тетрахлорида углерода.[0043] FIG. 25 - the energy spectrum of the characteristic gamma radiation of carbon tetrachloride.

[0044] Фиг. 26 – энергетический спектр характеристического гамма-излучения карбоната калия.[0044] FIG. 26 - the energy spectrum of the characteristic gamma radiation of potassium carbonate.

[0045] Фиг. 27 – энергетический спектр характеристического гамма-излучения карбоната натрия.[0045] FIG. 27 is the energy spectrum of characteristic gamma radiation of sodium carbonate.

[0046] Фиг. 28 – энергетический спектр характеристического гамма-излучения меламина.[0046] FIG. 28 - the energy spectrum of the characteristic gamma radiation of melamine.

[0047] Фиг. 29 – результат фитирования энергетического спектра характеристического гамма-излучения алюминия линиями алюминия и функцией фона.[0047] FIG. 29 is the result of fitting the energy spectrum of the characteristic gamma radiation of aluminum with aluminum lines and the background function.

[0048] Фиг. 30 – результат фитирования энергетического спектра характеристического гамма-излучения алюминия линиями алюминия плюс континуум.[0048] FIG. 30 is the result of fitting the energy spectrum of the characteristic gamma radiation of aluminum with aluminum lines plus a continuum.

[0049] Фиг. 31 – энергетический спектр характеристического гамма-излучения образца кальцитового мрамора.[0049] FIG. 31 is the energy spectrum of the characteristic gamma radiation of a sample of calcite marble.

[0050] Фиг. 32 – энергетический спектр характеристического гамма-излучения образца доломитового мрамора.[0050] FIG. 32 - the energy spectrum of the characteristic gamma radiation sample of dolomite marble.

[0051] Фиг. 33 – энергетический спектр характеристического гамма-излучения образца кальцифира.[0051] FIG. 33 is the energy spectrum of the characteristic gamma radiation of a calcipir sample.

[0052] Фиг. 34 – энергетический спектр характеристического гамма-излучения образца гнейса.[0052] FIG. 34 - the energy spectrum of the characteristic gamma radiation of the sample gneiss.

[0053] Фиг. 35 – энергетический спектр характеристического гамма-излучения образца амфиболита.[0053] FIG. 35 - the energy spectrum of the characteristic gamma radiation of an amphibolite sample.

[0054] Фиг. 36 – энергетический спектр характеристического гамма-излучения образца апатит-нефелиновой руды.[0054] FIG. 36 - the energy spectrum of the characteristic gamma radiation sample apatite-nepheline ore.

[0055] Фиг. 37 – конкретные примеры временных спектров альфа-гамма совпадений.[0055] FIG. 37 are specific examples of alpha-gamma coincidence time spectra.

[0056] Фиг. 38 – график корреляционной связи при определении пентаоксида фосфора в апатит-нефелиновой руде.[0056] FIG. 38 is a graph of the correlation relationship in the determination of phosphorus pentoxide in apatite-nepheline ore.

[0057] Фиг. 39 – пример градуировочной зависимости при определении пентаоксида фосфора в апатит-нефелиновой руде.[0057] FIG. 39 is an example of a calibration dependence in the determination of phosphorus pentoxide in apatite-nepheline ore.

[0058] Фиг. 40 – энергетический спектр гамма-квантов от облучения образца оксида алюминия.[0058] FIG. 40 - the energy spectrum of gamma rays from the irradiation of the sample of aluminum oxide.

[0059] Фиг. 41 – энергетический спектр гамма-квантов от облучения образца карбоната кальция.[0059] FIG. 41 - the energy spectrum of gamma rays from irradiation of a sample of calcium carbonate.

[0060] Фиг. 42 – градуировочная зависимость, показывающая корреляцию между измеренной атомарной концентрацией кремния и массовой долей SiO2, определенной химическим анализом, т.е. связь значений аналитического сигнала устройства по изобретению для проб крупностью -100 мм и -3 мм, причем на оси Х отложены результаты аналитического сигнала для проб -100 мм, а по оси Y – для тех же проб, раздробленных до крупности -3 мм.[0060] FIG. 42 is a calibration dependence showing the correlation between the measured atomic concentration of silicon and the mass fraction of SiO 2 determined by chemical analysis, i.e. connection of the analytical signal values of the device according to the invention for samples of -100 mm and -3 mm size, with the results of the analytical signal for -100 mm samples on the X-axis, and for the same samples crushed to -3 mm along the Y axis.

[0061] Фиг. 43 – градуировочная зависимость, показывающая корреляцию между измеренной атомарной концентрацией магния и массовой долей MgO, определенной химическим анализом, где красная линия – аппроксимирующая прямая вида Y=a+b·X, а черная линия – диагональ.[0061] FIG. 43 is a calibration dependence showing the correlation between the measured atomic concentration of magnesium and the mass fraction of MgO determined by chemical analysis, where the red line is an approximating straight line of the form Y = a + b · X, and the black line is a diagonal.

Подробное описание вариантов воплощения изобретенияDetailed description of embodiments of the invention.

[0062] Предлагаемое изобретение направлено, в частности, на достижение хотя бы одного из следующих технических результатов: [0062] the Proposed invention is directed, in particular, to achieve at least one of the following technical results:

- определение элементного состава образца материала без какой-либо пробоподготовки позволяет значительно ускорить и упростить анализ на химические элементы, а также значительно снизить затраты на проведение этого анализа;- determination of the elemental composition of the sample material without any sample preparation allows you to significantly speed up and simplify the analysis of chemical elements, as well as significantly reduce the cost of carrying out this analysis;

- проведение определения элементного состава образца материала с использованием только гамма-квантов, попадающих в выбранный временной интервал временного спектра альфа-гамма совпадений и соответствующих самому образцу материала, при использовании другой части временного спектра альфа-гамма совпадений для энергетической калибровки полученных спектров гамма-излучения при каждом измерении каждого образца, позволяет существенно улучшить точность и воспроизводимость результатов измерений;- determination of the elemental composition of the sample material using only gamma rays that fall within the selected time interval of the alpha-gamma coincidence time spectrum and corresponding to the material sample itself, when using another part of the alpha-gamma coincidence time spectrum for energy calibration of the obtained gamma-radiation spectra each measurement of each sample can significantly improve the accuracy and reproducibility of measurement results;

- определение элементного состава образца материала без какой-либо пробоподготовки позволяет избежать загрязнения образца посторонними примесями, к примеру, в ходе операций измельчения, дробления, растворения, диспергирования и т.п., используемых в других известных методах;- determination of the elemental composition of the sample material without any sample preparation allows you to avoid contamination of the sample by impurities, for example, during grinding, crushing, dissolving, dispersing, etc., used in other known methods;

- высокая проникающая способность быстрых нейтронов позволяет проанализировать элементный состав всего объема материала в образце, причем либо усредненный общий элементный состав, либо распределение элементного состава по образцу;- the high penetrating power of fast neutrons makes it possible to analyze the elemental composition of the total volume of the material in the sample, and either the averaged total elemental composition or the distribution of the elemental composition over the sample;

- определение концентраций различных химических элементов в образцах большой массы и крупности, например, образцах горной породы, руды или рудного материала, обеспечивает возможность входного контроля за качеством поступающей на обогатительные фабрики материала, что необходимо для правильного выбора режима обогащения;- determination of the concentrations of various chemical elements in samples of large mass and size, for example, rock samples, ore or ore material, provides the possibility of input control over the quality of the material entering the processing plants, which is necessary for the correct choice of enrichment mode;

- определение концентраций различных химических элементов в образцах большой массы и крупности, которое может быть проведено в полевых условиях, например, на образцах горной породы, руды или рудного материала, обеспечивает возможность оперативного контроля за качеством руды, поступающей, например, из карьеров или горных выработок, или из геологических партий. - determination of the concentrations of various chemical elements in samples of large mass and fineness, which can be carried out in field conditions, for example, on rock, ore or ore material samples, provides the possibility of operational control over the quality of ore, for example, from quarries or mine workings or from geological batches.

[0063] При этом, в зависимости от обстоятельств, любой из этих технических результатов может рассматриваться как главный, а остальные – как вспомогательные. Вместе с тем, в более предпочтительных вариантах воплощения изобретения все эти результаты достигаются совместно друг с другом. [0063] In this case, depending on the circumstances, any of these technical results can be considered as the main one, and the rest - as auxiliary ones. However, in more preferred embodiments of the invention, all these results are achieved together with each other.

[0064] С целью достижения по меньшей мере одного из этих технических результатов в устройстве или способе по изобретению, предназначенных для определения элементного состава самых различных твердых и/или жидких материалов, а в частности – концентраций различных химических элементов в горных породах, рудах или рудных материалах, облучают образец материала потоком быстрых меченых нейтронов, в результате такого облучения получают спектр гамма-излучения от реакций неупругого рассеяния нейтронов на ядрах облучаемого образца, и, исходя из полученного спектра, определяют концентрации различных химических элементов.  [0064] In order to achieve at least one of these technical results in a device or method according to the invention, designed to determine the elemental composition of a wide variety of solid and / or liquid materials, and in particular, concentrations of various chemical elements in rocks, ores or ores materials, a sample of a material is irradiated with a flux of fast tagged neutrons; as a result of such irradiation, a gamma-ray spectrum is obtained from inelastic neutron scattering reactions on the nuclei of the irradiated sample, and, based on the field scientific spectrum, determine the concentration of various chemical elements.

[0065] Как показано на общей схеме устройства по изобретению, приведенной на фиг. 1, в качестве источника быстрых меченых нейтронов используется следующая бинарная ядерная реакция: [0065] As shown in the general scheme of the device of the invention shown in FIG. 1, the following binary nuclear reaction is used as a source of fast tagged neutrons:

d + t → α + n (1), d + t → α + n (1),

гдеWhere

d – дейтрон (т.е. ядро изотопа водорода дейтерия, 2H), d is the deuteron (i.e., the nucleus of the hydrogen isotope deuterium, 2 H),

t – тритон (т.е. ядро изотопа водорода трития, 3H), t is triton (i.e., tritium hydrogen isotope core, 3 H),

α – альфа-частица (т.е. ядро атома гелия, 4He), аα is the alpha particle (i.e., the nucleus of the helium atom, 4 He), and

n – нейтрон, n is a neutron,

причем энергия дейтронов, падающих на тритиевую мишень, составляет порядка 60-100 кэВ, а значения энергий согенерируемых альфа-частицы и быстрого нейтрона составляют около 3,5 МэВ и около 14,1 МэВ соответственно.moreover, the energy of deuterons incident on a tritium target is about 60–100 keV, and the values of the energies of the generated alpha particles and the fast neutron are about 3.5 MeV and about 14.1 MeV, respectively.

[0066] Таким образом, в качестве источника быстрых меченых нейтронов в устройстве по изобретению используется нейтронный генератор, в котором протекает вышеуказанная бинарная ядерная реакция (1). [0066] Thus, as a source of fast tagged neutrons in the device according to the invention, a neutron generator is used in which the above binary nuclear reaction (1) proceeds.

[0067] Нейтронный генератор служит в качестве источника быстрых меченых нейтронов в нейтронном блоке, который обязательно содержит: (а) нейтронный генератор и (b) детекторы гамма-излучения. Нейтронный генератор снабжен детектором альфа-частиц, который далее для краткости называется просто «альфа-детектором» и который может быть любого типа при условии, что он способен детектировать альфа-частицы. Альфа-детектор может быть подразделен на множество элементов (пикселей) и поэтому далее иногда называется «многоэлементным», при этом такое множество элементов (пикселей) означает «два или более», и их число может быть любым целым числом больше 2. Альфа-детектор размещен и выполнен с возможностью работы внутри нейтронного генератора и поэтому называется также «встроенным». К примеру, альфа-детектор может быть кремниевым или же выполненным на основе другого полупроводникового материала. Например, нейтронный генератор может быть оборудован встроенным альфа-детектором с 9-64 пикселями. Нейтронный генератор может быть выполнен портативным. В частности, в одном конкретном варианте воплощения нейтронный генератор может быть нейтронным генератором модели ИНГ-27, выпускаемым ФГУП ВНИИА им. Н.Л.Духова (Москва). [0067] The neutron generator serves as a source of fast tagged neutrons in the neutron unit, which necessarily contains: (a) a neutron generator and (b) gamma-radiation detectors. The neutron generator is equipped with an alpha particle detector, which is hereinafter simply referred to as an “alpha detector” and which can be of any type, provided that it is capable of detecting alpha particles. An alpha detector can be subdivided into a plurality of elements (pixels) and therefore is sometimes referred to as “multi-element”, with such a plurality of elements (pixels) meaning “two or more”, and their number can be any integer greater than 2. Alpha detector placed and configured to work inside the neutron generator and therefore also referred to as "built-in". For example, the alpha detector can be silicon or made on the basis of another semiconductor material. For example, a neutron generator can be equipped with a built-in alpha detector with 9-64 pixels. The neutron generator can be made portable. In particular, in one particular embodiment, the neutron generator may be a ING-27 model neutron generator manufactured by FSUE VNIIA. N.L. Duhova (Moscow).

[0068] Таким образом, с помощью нейтронного генератора образец материала облучают потоком быстрых нейтронов с энергией примерно 14,1 МэВ и с интенсивностью, например, от 1×107 до 4×108 нейтронов в секунду (н/с), предпочтительнее от 1×108 до 2×108 н/с. В результате неупругого рассеяния быстрых нейтронов на ядрах атомов, входящих в состав облучаемого образца, возникает характеристическое (т.е. характерное для каждого конкретного вида химического элемента) гамма-излучение с энергиями в диапазоне порядка 0,5-10 МэВ. Это характеристическое гамма-излучение регистрируют с помощью детекторов гамма-излучения, также входящих в состав нейтронного блока. Предпочтительно, детекторы гамма-излучения могут быть выполнены на основе кристаллов германата висмута (BGO) или ортосиликата иттрия-лютеция (LYSO), однако настоящее изобретение не ограничено конкретным типом и/или сцинтилляционным материалом детекторов гамма-излучения при условии, что они способны детектировать гамма-излучение в указанном диапазоне энергий. При этом с помощью многоэлементного альфа-детектора, встроенного в нейтронный генератор, регистрируют также направление вылета быстрых нейтронов из тритиевой мишени нейтронного генератора, приблизительно соответствующее направлению, противоположному направлению вылета альфа-частиц из тритиевой мишени (фактический угол разлета между согенерируемыми альфа-частицей и быстрым нейтроном составляет 171-175 градусов, для диапазона энергии дейтронов 50-150 кэВ), т.е. альфа-детектор производит так называемое «мечение» быстрых нейтронов (от англ. «tagging») по направлению их вылета в пространстве и по моменту их вылета во времени, поэтому в дальнейшем здесь в отношении таких быстрых нейтронов используется термин «меченые нейтроны». Здесь следует отметить, что быстрые нейтроны испускаются нейтронным генератором в полный телесный угол 4π, однако за счет такого «мечения» быстрых нейтронов альфа-детектором поток меченых нейтронов, принимаемых в расчет при последующем анализе характеристического гамма-излучения, имеет расходящуюся от мишени форму с намного меньшим телесным углом, определяемым размерами альфа-детектора и расстоянием между тритиевой мишенью и альфа-детектором. При этом число и положение в пространстве отдельных пучков меченых нейтронов в их общем потоке определяется числом и положением элементов (пикселей) альфа-детектора относительно тритиевой мишени нейтронного генератора. Характеристическое гамма-излучение, исходящее от исследуемого образца в виде спектров, регистрируют с помощью детекторов гамма-излучения (далее для краткости называемых гамма-детекторами). Зарегистрированные спектры характеристического гамма-излучения, поступающие с гамма-детекторов, анализируются системой анализа данных в совпадениях с сигналами с альфа-детектора, соответствующими каждому вокселю облучаемого образца. Здесь «вокселем» называется элемент объема облучаемого образца, причем в направлении потока меченых нейтронов размер вокселя определяется временным разрешением системы альфа-гамма-совпадений (α-γ совпадений), а в плоскости, перпендикулярной потоку меченых нейтронов, размеры вокселя определяются линейными размерами пикселя альфа-детектора и соотношением расстояния от тритиевой мишени до альфа-детектора в нейтронном генераторе и расстояния от тритиевой мишени до облучаемого материала, находящегося в объеме каждого вокселя образца (схематично обозначено как «s» на фиг. 1). [0068] Thus, using a neutron generator, a sample of the material is irradiated with a stream of fast neutrons with an energy of about 14.1 MeV and with an intensity of, for example, from 1 × 10 7 to 4 × 10 8 neutrons per second (n / s), preferably from 1 × 10 8 to 2 × 10 8 n / s. As a result of the inelastic scattering of fast neutrons by atomic nuclei that make up the irradiated sample, a characteristic (i.e., characteristic for each specific type of chemical element) gamma radiation with energies in the range of about 0.5-10 MeV arises. This characteristic gamma radiation is recorded using gamma radiation detectors, which are also part of the neutron unit. Preferably, gamma-ray detectors can be made on the basis of bismuth germanate crystals (BGO) or yttrium-lutetium orthosilicate (LYSO) crystals, however the present invention is not limited to a specific type and / or scintillation material of gamma-radiation detectors provided they are capable of detecting gamma -radiation in the specified energy range. In this case, using a multi-element alpha detector embedded in a neutron generator, the direction of emission of fast neutrons from a tritium target of a neutron generator is also recorded, approximately corresponding to the direction opposite to the direction of emission of alpha particles from a tritium target (the actual angle of spread between the generated alpha particle and the fast neutron is 171-175 degrees, for a deuteron energy range of 50-150 keV), i.e. The alpha detector produces the so-called “tagging” of fast neutrons (from the English “tagging”) in the direction of their departure in space and according to the moment of their departure in time, therefore, the term “labeled neutrons” is used hereafter in relation to such fast neutrons. It should be noted here that fast neutrons are emitted by a neutron generator at a full solid angle of 4π, but due to this “tagging” of fast neutrons with an alpha detector, the tagged neutron flux taken into account in the subsequent analysis of the characteristic gamma radiation has a shape diverging from the target smaller solid angle determined by the size of the alpha detector and the distance between the tritium target and the alpha detector. The number and position in space of individual beams of labeled neutrons in their common flow is determined by the number and position of the elements (pixels) of the alpha detector relative to the tritium target of the neutron generator. The characteristic gamma radiation emanating from the sample under study in the form of spectra is recorded using gamma radiation detectors (hereinafter referred to as gamma detectors for short). The recorded spectra of the characteristic gamma radiation coming from gamma detectors are analyzed by the data analysis system in coincidence with the signals from the alpha detector corresponding to each voxel of the irradiated sample. Here, the “voxel” is an element of the volume of the irradiated sample, with the size of the voxel in the direction of the flow of labeled neutrons is determined by the time resolution of the system of alpha-gamma coincidences (α-γ matches), and in a plane perpendicular to the flow of labeled neutrons, the dimensions of the voxel are determined by the linear dimensions of the pixel detector and the ratio of the distance from the tritium target to the alpha detector in the neutron generator and the distance from the tritium target to the irradiated material in the volume of each voxel of the sample (c It is schematically labeled as "s" in Fig. 1).

[0069] Кроме того, следует понимать, что употребляемый здесь термин «поток меченых нейтронов» означает по меньшей мере один пучок меченых нейтронов, необходимый для обеспечения принципиальной возможности реализации изобретения. Вместе с тем, в предпочтительных вариантах воплощения поток меченых нейтронов в целом может состоять из множества нейтронных пучков, число которых может быть равно числу нейтронных генераторов или числу пикселей в многоэлементном альфа-детекторе, например, 2, 3, 4, 5, 10, 16, 25, 36, 49, 64, 100, 192, 256, 500 и более пучков. Таким образом, употребляемые в отношении меченых нейтронов термины «поток» и «пучок» могут быть или не быть эквивалентными друг другу.[0069] In addition, it should be understood that the term "tagged neutron flux" as used herein means at least one beam of labeled neutrons necessary to ensure the fundamental possibility of realizing the invention. However, in preferred embodiments, the flux of labeled neutrons as a whole may consist of a set of neutron beams, the number of which may be equal to the number of neutron generators or the number of pixels in a multi-element alpha detector, for example, 2, 3, 4, 5, 10, 16 , 25, 36, 49, 64, 100, 192, 256, 500 and more bundles. Thus, the terms “flux” and “beam” used with reference to labeled neutrons may or may not be equivalent to each other.

[0070] Выходящие из нейтронного генератора меченые нейтроны n, попадая в исследуемый образец, индуцируют реакции неупругого рассеяния в ядрах атомов A образца:[0070] The labeled neutrons n emerging from the neutron generator, entering the sample under study, induce inelastic scattering reactions in the atomic nuclei A of the sample:

n+A → n'+A, A* → γ+A (2),n + A → n '+ A, A * → γ + A (2),

в результате которых возбуждение ядра снимается испусканием квантов гамма-излучения с энергетическим спектром, характерным для каждого конкретного химического элемента. Регистрация характеристического γ-излучения осуществляется гамма-детекторами в совпадениях с сигналом от альфа-детектора. Это дает возможность определить все три координаты той области образца, из которой были испущены кванты гамма-излучения. Две координаты определяются по тому пикселю, в который попала α-частица, а третья координата, характеризующая расстояние s от тритиевой мишени до точки испускания гамма-кванта, вычисляется с помощью время-пролетной методики. Действительно, зная расстояние от тритиевой мишени до альфа-детектора, расстояние s от тритиевой мишени до образца и расстояние от образца до гамма-детектора, а также зная, что скорость быстрого нейтрона с энергией 14,1 МэВ постоянна и составляет 5 см/нс, а скорость γ-кванта (т.е. скорость света c) приблизительно составляет 3·108 м/с, и измерив разность во времени между моментом времени регистрации α-частицы в альфа-детекторе (T1) и моментом времени регистрации γ-кванта в гамма-детекторе (T2), легко определить точку испускания γ-кванта в образце.as a result of which the excitation of the nucleus is removed by the emission of gamma-ray quanta with an energy spectrum characteristic of each specific chemical element. Characteristic γ-radiation is detected by gamma detectors in coincidence with the signal from the alpha detector. This makes it possible to determine all three coordinates of the sample area from which gamma-ray quanta were emitted. Two coordinates are determined by the pixel into which the α-particle hit, and the third coordinate characterizing the distance s from the tritium target to the point of emission of the gamma quantum, is calculated using the time-of-flight technique. Indeed, knowing the distance from the tritium target to the alpha detector, the distance s from the tritium target to the sample and the distance from the sample to the gamma detector, as well as knowing that the speed of a fast neutron with an energy of 14.1 MeV is constant and is 5 cm / ns, and the speed of the γ-quantum (ie, the speed of light c) is approximately 3 · 10 8 m / s, and measuring the time difference between the time of registration of the α-particle in the alpha detector (T 1 ) and the time of registration of γ- quantum in the gamma detector (T 2 ), it is easy to determine the point of emission of the γ-quantum in the sample.

[0071] Далее, измерив гамма-детектором суммарный γ-спектр образца, состоящего из нескольких химических элементов, можно разложить суммарный γ-спектр на составляющие и определить доли каждого химического элемента в образце.[0071] Further, by measuring the total γ-spectrum of a sample consisting of several chemical elements with a gamma detector, you can decompose the total γ-spectrum into components and determine the fractions of each chemical element in the sample.

[0072] Таким образом, отличие метода меченых нейтронов (ММН) от хорошо известных методов нейтронно-активационного анализа (НАА) состоит в том, что идентификация химического(их) элемента(ов) ведется по спектру прямых γ-квантов, испускаемых в реакциях неупругого рассеяния (n, n' γ), причем в расчет при анализе образца принимаются только γ-кванты, пришедшие в течение короткого временного интервала с момента прихода сигнала от α-частицы, в частности, временного интервала порядка 1-100 нс (в конкретном воплощении изобретения используется временной интервал 6 нс). Это дает возможность отобрать γ-кванты, испускаемые непосредственно из образца, а не от окружающей его среды, что существенно улучшает фоновые условия при измерении. Показано, что применение ММН позволяет увеличить отношение сигнал-фон в 200 и более раз.[0072] Thus, the difference between the tagged neutron method (MCM) and the well-known methods of neutron activation analysis (NAA) is that the chemical (their) element (s) are identified according to the spectrum of direct γ-quanta emitted in inelastic scattering (n, n 'γ), and in the analysis of the sample, only γ-quanta are taken into account, which came during a short time interval from the moment of arrival of the signal from the α-particle, in particular, the time interval of the order of 1-100 ns (in a specific embodiment the invention uses a time inte tore 6 ns). This makes it possible to select γ-quanta emitted directly from the sample, and not from its environment, which significantly improves the background conditions during the measurement. It is shown that the use of MCM allows you to increase the signal-to-background ratio by 200 times or more.

[0073] Другое важное отличие ММН состоит в использовании именно быстрых нейтронов с энергией 14,1 МэВ, которые позволяют хорошо определять концентрации легких элементов, таких как Li, Be, B, C, N, O, F, что является затруднительным как для метода НАА, так и для рентгено-флюоресцентного анализа (РФА), поскольку методом РФА сложно определять элементы с Z<11.[0073] Another important difference between the MCM is the use of fast neutrons with an energy of 14.1 MeV, which allow you to well determine the concentration of light elements such as Li, Be, B, C, N, O, F, which is difficult as for the method NAA, as well as for X-ray fluorescence analysis (XRF), since it is difficult to determine elements with Z <11 by X-ray fluorescence analysis.

[0074] Кроме того, по сравнению с другими методами экспресс-анализа элементного состава материалов, такими, например, как РФА, можно отметить следующие преимущества ММН: [0074] In addition, compared with other methods of rapid analysis of the elemental composition of materials, such as, for example, XRD, the following advantages of MCM can be noted:

(1) большая исследуемая зона, поскольку приборы РФА имеют исследуемую зону в несколько миллиметров, а исследуемая зона в случае детекторов ММН может составлять, например, 30×30 см при расстоянии 60 см; (1) a large test zone, since X-ray fluorescence sensors have a test zone of several millimeters, and the test zone in the case of MCM detectors can be, for example, 30 × 30 cm with a distance of 60 cm;

(2) возможно определять распределения концентрации элементов внутри образца;(2) it is possible to determine the distribution of the concentration of elements inside the sample;

(3) использование детекторов ММН не требует никакой пробоподготовки;(3) the use of MCM detectors does not require any sample preparation;

(4) использование детекторов ММН не требует использования дорогостоящих эталонных образцов.(4) The use of MCM detectors does not require the use of expensive reference samples.

[0075] Наконец, немаловажным является возможность применения ММН в полевых условиях. В отличии от метода НАА, в ММН не нужно облучать образцы в ядерном реакторе, а роль источника нейтронов выполняет портативный нейтронный генератор, габаритные размеры которого могут составлять лишь несколько десятков сантиметров (в частности, примерно 30 см) и масса которого может составлять лишь несколько килограмм (в частности, примерно 8 кг).[0075] Finally, the possibility of using MCM in field conditions is important. Unlike the NAA method, the MSM does not need to irradiate samples in a nuclear reactor, and the role of a neutron source is performed by a portable neutron generator, the overall dimensions of which can be only a few tens of centimeters (in particular, about 30 cm) and whose mass can be only a few kilograms (in particular, about 8 kg).

[0076] В настоящем изобретении в качестве тех материалов, в которых определяются концентрации химических элементов, могут быть использованы твердые и/или жидкие материалы самых разных составов (к примеру, неорганические, органические, металлические, оксидные, галогенидные или смешанные, и т.д. и т.п.) и разного происхождения (природные, искусственные или смешанные), в качестве предпочтительного варианта – образцы горных пород, руды или рудного материала, причем это могут быть любые горные породы, любые руды или любые рудные материалы. В частности, в настоящее время хорошо изучена и экспериментально подтверждена возможность применения изобретения для анализа 24 химических элементов: Na, Mg, C, N, O, F, Al, Si, P, S, Cl, K, Ca, Ti, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Zr, Pb, Sn и Bi, и на основе такого анализа – определение относительного атомного или массового содержания химических соединений и/или минералов (таких как, например, SiO2, CaO, MgO, Fe2O3, Al2O3, TiO2 и др.), например, в горных породах. Однако, в принципе, изобретение может быть использовано для определения концентрации практически любого химического элемента в практически любом образце. [0076] In the present invention, solid and / or liquid materials of various compositions (for example, inorganic, organic, metallic, oxide, halide or mixed, etc. can be used as materials in which the concentrations of chemical elements are determined. , etc.) and of different origin (natural, artificial or mixed), as a preferred option - samples of rocks, ores or ore material, and this can be any rocks, any ores or any ore materials. In particular, the possibility of applying the invention to the analysis of 24 chemical elements: Na, Mg, C, N, O, F, Al, Si, P, S, Cl, K, Ca, Ti, Cr, is now well studied and experimentally confirmed. Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Zr, Pb, Sn and Bi, and based on this analysis - determination of the relative atomic or mass content of chemical compounds and / or minerals (such as, for example, SiO 2 , CaO, MgO, Fe 2 O 3 , Al 2 O 3 , TiO 2 , etc.), for example, in rocks. However, in principle, the invention can be used to determine the concentration of almost any chemical element in almost any sample.

[0077] Вместе с тем, имеются определенные физические ограничения. Для эффективной работы метода меченых нейтронов требуется, чтобы в спектре элемента присутствовали одна или несколько узких гамма-линий с большим сечением возбуждения быстрыми нейтронами. Значение имеет также желательное отсутствие близколежащих по энергии гамма-линий от других элементов, которые могут мешать правильному распознаванию линий искомого элемента. И хотя дальнейшее описание приводится в основном применительно к рудам (в частности, минералам), изобретение не ограничено каким-то одним конкретным видом материала, или же конкретным видом руды или рудного материала. [0077] However, there are certain physical limitations. For efficient operation of the tagged neutron method, it is required that one or several narrow gamma lines with a large excitation cross section with fast neutrons be present in the spectrum of the element. Of importance is also the desirable absence of gamma lines close in energy from other elements that may interfere with the correct recognition of the lines of the desired element. And although the further description is mainly applied to ores (in particular, minerals), the invention is not limited to any one particular type of material, or to a specific type of ore or ore material.

[0078] Обращаясь теперь к конкретным и предпочтительным вариантам воплощения изобретения, устройство по изобретению может быть выполнено так, как изображено на любой из фигур 2-4. [0078] Turning now to the specific and preferred embodiments of the invention, the device according to the invention can be made as shown in any of figures 2-4.

[0079] Устройство по изобретению, показанное на фиг. 2, содержит нейтронный блок 1, блок гамма-детекторов 2, шкаф 3 для электроники системы анализа данных и для электропитания гамма-детекторов. Также имеется рабочее место 4 оператора. Устройство по изобретению может быть заключено внутри контейнера, при этом рабочее место 4 оператора может находиться как в том же контейнере, в котором размещено устройство по изобретению, так и вне этого контейнера. Таким образом, устройство по изобретению может быть установлено непосредственно в месте добычи руды.[0079] The device of the invention shown in FIG. 2, contains the neutron unit 1, the gamma detector unit 2, the cabinet 3 for the electronics of the data analysis system and for the power supply of the gamma detectors. There is also a workplace 4 operators. The device according to the invention can be enclosed inside the container, while the workplace 4 of the operator can be located both in the same container in which the device according to the invention is placed, and outside this container. Thus, the device according to the invention can be installed directly at the site of ore mining.

[0080] Как показано на фиг. 3, нейтронный блок 1 содержит нейтронный генератор 8, окруженный биологической защитой 6. Блок гамма-детекторов состоит из отдельных гамма-детекторов 5, окруженных кожухом и расположенных полностью или частично вокруг приемного сосуда (например, лотка) 7, в который помещается образец (например, образец руды или образец с помещенной в упаковку рудой). [0080] As shown in FIG. 3, the neutron unit 1 contains a neutron generator 8 surrounded by biological shielding 6. The gamma detector unit consists of separate gamma detectors 5 surrounded by a casing and located completely or partially around the receiving vessel (for example, a tray) 7 in which the sample is placed (for example , sample of ore or sample with ore placed in the package).

[0081] В одном из конкретных вариантов воплощения изобретения, показанном на фиг. 4, образцы руды могут подаваться на анализ в нейтронный блок 1 на конвейере 9, проходящем между расположенным под ним нейтронным блоком 1 и расположенным над ним блоком гамма-детекторов 2 с окруженными кожухом гамма-детекторами 5. [0081] In one particular embodiment of the invention shown in FIG. 4, ore samples can be submitted for analysis to the neutron unit 1 on the conveyor 9, passing between the neutron unit 1 located below it and the gamma detector unit 2 located above it with the gamma detector 5 surrounded by the casing.

[0082] Одним из признаков изобретения может быть то, что приемный сосуд (например, лоток) 7 имеет в своем сечении форму, соответствующую форме потока меченых нейтронов.  [0082] One of the features of the invention may be that the receiving vessel (for example, a tray) 7 has in its cross section a shape corresponding to the shape of the flux of labeled neutrons.

[0083] Способ работы устройства в предпочтительных вариантах воплощения изобретения может содержать один или более из следующих конкретных операций (этапов). [0083] The method of operation of the device in preferred embodiments of the invention may comprise one or more of the following specific operations (steps).

[0084] Непосредственно перед включением устройства следует подать на него напряжение, включить внутреннее освещение в контейнере, включить персональный компьютер (ПК) на рабочем месте 4 оператора и дождаться его полной загрузки. При этом автоматически откроется удаленный рабочий стол с программой управления нейтронным генератором 8.[0084] Immediately before turning on the device, it is necessary to energize it, turn on the interior lighting in the container, turn on the personal computer (PC) at the workplace 4 of the operator and wait until it is fully loaded. This will automatically open the remote desktop with the neutron generator control program 8.

[0085] Затем производят загрузку образца в приемный сосуд 7. Образцом может быть, например, одна проба или две или более пробы руды, к примеру с размером частиц (крупностью) до -100 мм, при этом весь образец может иметь массу 3-7 кг. Они могут быть помещены в приемный сосуд 7 в полотняных мешках, непосредственно в которые производился их отбор из карьера. Никакой предварительной пробоподготовки образца не требуется.  [0085] Then, the sample is loaded into the receiving vessel 7. The sample can be, for example, one sample or two or more ore samples, for example with a particle size (particle size) up to -100 mm, while the entire sample can have a mass of 3-7 kg They can be placed in the receiving vessel 7 in canvas bags, directly into which they were selected from the quarry. No preliminary sample preparation is required.

[0086] После этого, оператор через специальный интерфейс по линии связи с блоком управления нейтронным генератором 8 подает команду на включение нейтронного генератора 8 в режим испускания нейтронов. Начинается процесс измерения образца, при котором нейтронный генератор 8 испускает быстрые нейтроны, альфа-детектор, встроенный в нейтронный генератор 8, производит мечение этих быстрых нейтронов, регистрируя испущенные одновременно с ними альфа-частицы, а гамма-детекторы 5 регистрируют характеристическое гамма-излучение материала образца.[0086] After that, the operator through a special interface via the communication line with the control unit of the neutron generator 8 sends the command to turn on the neutron generator 8 into the neutron emission mode. The sample measurement process begins, in which the neutron generator 8 emits fast neutrons, an alpha detector embedded in the neutron generator 8, marks these fast neutrons, recording the alpha particles emitted simultaneously with them, and the gamma detectors 5 register the characteristic gamma radiation of the material sample.

[0087] В режиме on-line всю информацию, полученную с альфа-детектора нейтронного генератора 8 и с гамма-детекторов 5, подают в блок 3 регистрирующей электроники, являющийся частью системы анализа данных, с целью приема, сбора и обработки этих данных и предварительного отбора событий, зарегистрированных упомянутыми альфа- и гамма-детекторами. При этом с очень высокой точностью (такой как менее 1 наносекунды (нс), например, менее 0,1 нс или менее 0,01 нс) определяют время, истекшее с момента регистрации альфа-частиц альфа-детектором нейтронного генератора 8 до момента регистрации гамма-излучения в каждом из гамма-детекторов 5. После набора требуемой статистики событий, зарегистрированных альфа-детектором и гамма-детекторами 5, и предварительного анализа этих событий, информацию о предварительно проанализированных событиях (например, предварительно отобранных, в частности отфильтрованных событий) подают по линии связи (например, по линии Ethernet) из блока 3 регистрирующей электроники через интерфейс на пульт 4 оператора. Согласно программе, установленной в пульте 4 оператора, производят амплитудный и временной анализ событий, предварительно проанализированных (отобранных) блоком 3 регистрирующей электроники, с целью получения данных о концентрации химических элементов в образце.[0087] In the on-line mode, all information obtained from the alpha detector of the neutron generator 8 and from the gamma detectors 5 is fed to block 3 of the recording electronics, which is part of the data analysis system, with the aim of receiving, collecting and processing these data and preliminary selection of events recorded by the mentioned alpha and gamma detectors. With very high accuracy (such as less than 1 nanosecond (ns), for example, less than 0.1 ns or less than 0.01 ns) determine the time elapsed since the registration of alpha particles with an alpha detector of the neutron generator 8 until the registration of gamma -radiation in each of the gamma-detectors 5. After collecting the required statistics of events recorded by the alpha detector and gamma-detectors 5, and a preliminary analysis of these events, information about the previously analyzed events (for example, pre-selected, in particular, filters These events) are sent via a communication line (for example, via an Ethernet line) from block 3 of recording electronics through an interface to console 4 of an operator. According to the program installed in the console 4 operators, produce amplitude and temporal analysis of events previously analyzed (selected) by block 3 of recording electronics, in order to obtain data on the concentration of chemical elements in the sample.

[0088] Способ работы устройства по другому предпочтительному варианту воплощения изобретения, приведенному на фиг. 4, осуществляют следующим образом. Руда загружается в/на конвейер 9 (являющийся в данном случае приемным сосудом, например, в виде желоба), затем по команде от пульта 4 оператора осуществляется приведение в действие конвейера 9, который приходит в поступательное движение. Первая порция руды, расположенной на конвейере 9, перемещается в нейтронный блок 1 в область облучения руды потоком меченых нейтронов. Производится облучение содержимого первой порции руды потоком меченых нейтронов. В режиме on-line информация с альфа-детектора и гамма-детекторов 5 нейтронного блока 1 поступает в блок 3 регистрирующей электроники с целью приема и предварительного отбора событий, зарегистрированных альфа- и гамма-детекторами. После набора требуемой статистики зарегистрированных альфа-детектором и гамма-детекторами 5 событий и их предварительного анализа и отбора, информацию по линии Ethernet подают из блока 3 регистрирующей электроники через интерфейс на пульт 4 оператора. Согласно программе, установленной в пульте 4 оператора, производят амплитудный и временной анализ предварительно отобранных событий блоком 3 регистрирующей электроники с целью получения данных о концентрации химических элементов в первой порции руды. После чего поступает сигнал на продолжение движения конвейера 7 и подачи в область облучения следующей порции руды. [0088] The method of operation of the device according to another preferred embodiment of the invention, shown in FIG. 4, is as follows. The ore is loaded into / on the conveyor 9 (which is in this case the receiving vessel, for example, in the form of a gutter), then, at the command of the operator’s console 4, the conveyor 9, which comes in translational motion, is actuated. The first portion of the ore, located on the conveyor 9, is moved to the neutron unit 1 in the area of irradiation of the ore by the flow of labeled neutrons. The contents of the first ore portion are irradiated with a tagged neutron flux. In the on-line mode, information from the alpha detector and gamma detectors 5 of the neutron unit 1 enters unit 3 of the recording electronics in order to receive and pre-select events recorded by alpha and gamma detectors. After dialing the required statistics recorded by the alpha detector and gamma detectors 5 events and their preliminary analysis and selection, information on the Ethernet line is fed from block 3 of the recording electronics via the interface to the operator panel 4. According to the program installed in the console 4 operators, produce amplitude and temporal analysis of pre-selected events by block 3 of the recording electronics in order to obtain data on the concentration of chemical elements in the first ore portion. Then a signal is received to continue the movement of the conveyor 7 and feed the next portion of ore to the irradiation area.

[0089] Кроме того, в различных вариантах воплощения настоящего изобретения могут быть использованы следующие признаки и достигнуты следующие преимущества:[0089] Furthermore, in various embodiments of the present invention, the following features can be used and the following advantages achieved:

[0090] Устройство по изобретению для определения элементного состава образца использует метод меченых нейтронов, предполагающий анализ гамма-излучения только во временном окне, соответствующем сигналу от исследуемого образца. Использование α-γ-совпадений приводит к существенному подавлению фона. Так, например, для образца апатитовой руды с массой 500 г. было показано, что отношение сигнал/фон увеличивается в 176 раз по сравнению с обычным нейтронно-активационным анализом (НАА). [0090] The device according to the invention for determining the elemental composition of the sample uses the tagged neutron method, which involves analyzing gamma radiation only in the time window corresponding to the signal from the sample under study. The use of α-γ coincidences leads to a significant suppression of the background. So, for example, for a sample of apatite ore with a mass of 500 g, it was shown that the signal / background ratio increases 176 times as compared to conventional neutron activation analysis (NAA).

[0091] Поскольку меченые нейтроны с энергией порядка 14 МэВ относятся к категории быстрых нейтронов, они имеют малое сечение взаимодействия с веществом, что приводит к тому, что они практически не наводят радиоактивность в облучаемой руде, что делает предложенные устройство и способ безопасными для персонала, обслуживающего устройство или работающего впоследствии с проанализированной рудой. [0091] Since labeled neutrons with an energy of about 14 MeV belong to the category of fast neutrons, they have a small cross section of interaction with matter, which leads to the fact that they practically do not induce radioactivity in the irradiated ore, which makes the proposed device and method safe for personnel, serving device or working subsequently with the analyzed ore.

[0092] Выполнение приемного сосуда с формой, соответствующей форме потока меченых нейтронов, например, лотка с сечением в виде перевернутой усеченной пирамиды, позволяет облучать нейтронами содержимое сосуда в полном объеме. В случае же использования сосуда в виде прямоугольного параллелепипеда с размерами, равными линейным размерам потока меченых нейтронов в плоскости дна сосуда, будет наблюдаться неправильное определение элементной концентрации всего объема образца, поскольку часть потока меченых нейтронов будет взаимодействовать с материалом окружающих конструкций. В случае же использования сосуда в виде прямоугольного параллелепипеда с размерами, равным линейным размерам потока меченых нейтронов в самой верхней плоскости сосуда, потоком нейтронов будет облучаться только лишь часть руды, находящейся в сосуде в объеме, ограниченном внешним контуром потока меченых нейтронов. Остальная часть руды, находящейся в сосуде, окажется вне зоны облучения потоком меченых нейтронов, что приведет к неправильному определению концентрации химических элементов. [0092] The implementation of the receiving vessel with a shape corresponding to the shape of the flow of labeled neutrons, for example, a tray with a cross section in the form of an inverted truncated pyramid, allows you to irradiate the contents of the vessel with neutrons. In the case of using a vessel in the form of a rectangular parallelepiped with dimensions equal to the linear dimensions of the flux of labeled neutrons in the plane of the bottom of the vessel, an incorrect determination of the elemental concentration of the entire sample volume will be observed, since part of the flux of labeled neutrons will interact with the material of the surrounding structures. In the case of using a vessel in the form of a rectangular parallelepiped with dimensions equal to the linear dimensions of the flux of labeled neutrons in the uppermost plane of the vessel, only a fraction of the ore in the vessel in the volume bounded by the outer contour of the flux of neutrons will be irradiated. The rest of the ore in the vessel will be outside the zone of irradiation by the flow of labeled neutrons, which will lead to an incorrect determination of the concentration of chemical elements.

[0093] Вышеуказанные варианты воплощения устройства по изобретению могут быть использованы как в стационарном варианте, например, на борту горного карьера или на обогатительной фабрике, так и в мобильном варианте, когда нейтронный блок перемещается на самоходном шасси, или в прицепном варианте, когда нейтронный блок перемещается в прицепе автомобиля.[0093] The above embodiments of the device according to the invention can be used both in a stationary version, for example, aboard a mining pit or at a concentration plant, and in a mobile version when the neutron unit moves on a self-propelled chassis, or in a trailer version, when the neutron unit moves in a car trailer.

[0094] В основе способа определения концентраций химических элементов методом меченых нейтронов лежит идея о том, что, зная сечение σij определенной характеристической гамма-линии i элемента j, можно определить количество атомов этого элемента в образце. Для этого необходимо знать массу облучаемого образца, величину нейтронного потока, прошедшего через образец, и выполнить оценку эффективности и аксептанса устройства (т.е. телесного угла, охватываемого гамма-детекторами) с учетом различных эффектов перерассеяния и поглощения нейтронов и квантов гамма-излучения в образце.[0094] The method of determining the concentrations of chemical elements by the method of labeled neutrons is based on the idea that, knowing the cross section σ ij of a certain characteristic gamma line i of element j, it is possible to determine the number of atoms of this element in the sample. To do this, it is necessary to know the mass of the irradiated sample, the magnitude of the neutron flux passing through the sample, and to evaluate the efficiency and acceptance of the device (i.e., the solid angle covered by gamma detectors) taking into account the various effects of rescattering and absorption of neutrons and gamma radiation quanta sample

[0095] Для тонкого образца из одного единственного химического элемента число гамма-квантов Nf, попадающих в гамма-детектор в результате взаимодействия нейтронов с атомами этого элемента, можно вычислить по следующей формуле:[0095] For a thin sample from a single chemical element, the number of gamma quanta N f entering the gamma detector as a result of the interaction of neutrons with atoms of this element can be calculated by the following formula:

Figure 00000001
(3),
Figure 00000001
(3)

где Nin – число падающих на образец нейтронов, σ – полное сечение реакции (n,n' γ), NAv – число Авогадро, ρ – плотность образца, l – толщина образца, A – атомный вес элемента в образце, W – вероятность регистрации гамма-кванта гамма-детектором. where N in is the number of neutrons incident on the sample, σ is the total cross section of the reaction (n, n 'γ), N Av is the Avogadro number, ρ is the sample density, l is the sample thickness, A is the atomic weight of the element in the sample, W is the probability registration of gamma quantum gamma detector.

[0096] В случае образца, состоящего из j различных элементов, формула (2) преобразуется для суммирования по всем элементам j, принимая следующий вид:[0096] In the case of a sample consisting of j different elements, formula (2) is converted to sum over all elements j, taking the following form:

Figure 00000002
(4),
Figure 00000002
(four),

где Nin – число падающих на образец нейтронов, ρ – плотность образца, l – толщина образца, NAv – число Авогадро, σj – сечение взаимодействия для элемента j в образце, nj – количество ядер элемента j в образце, wj – вероятность регистрации гамма-спектра от элемента j в образце гамма-детектором, Aj – атомный номер элемента j в образце.where N in is the number of neutrons incident on the sample, ρ is the sample density, l is the sample thickness, N Av is the Avogadro number, σ j is the interaction cross section for element j in the sample, n j is the number of nuclei of element j in the sample, w j is probability of gamma-spectrum detection from element j in a sample with a gamma detector, A j is the atomic number of element j in a sample.

[0097] Энергетический спектр гамма-квантов от облучения образца быстрыми нейтронами с энергией примерно 14 МэВ представляется в виде суммы спектров отдельных гамма-линий, спектра континуума и спектра фона:[0097] The energy spectrum of gamma rays from irradiating a sample with fast neutrons with an energy of about 14 MeV is represented as the sum of the spectra of individual gamma lines, the continuum spectrum and the background spectrum:

Figure 00000003
(5),
Figure 00000003
(five),

где Nj – параметр, определяющий содержание элемента j в образце, причем данный параметр пропорционален числу атомов элемента в образце и является единым для всех гамма-линий i элемента j; where N j is the parameter that determines the content of the element j in the sample, and this parameter is proportional to the number of atoms of the element in the sample and is the same for all gamma lines i of the element j;

nj – количество гамма-линий i у элемента j;n j - the number of gamma lines i at the element j;

σij(E) – сечение рождения гамма-квантов с энергией E, соответствующей гамма-линии i, при взаимодействии нейтрона с элементом j; σ ij (E) is the cross section for the production of gamma quanta with energy E, corresponding to gamma line i, in the interaction of a neutron with an element j;

Pij – функция отклика гамма-детектора, соответствующая гамма-линии i элемента j; P ij is the response function of the gamma detector corresponding to the gamma line i of the element j;

FCont j(E) – амплитуда спектра континуума, который наблюдается при высоких энергиях возбуждения практически для всех ядер, кроме легчайших; F Cont j (E) is the amplitude of the continuum spectrum, which is observed at high excitation energies for practically all nuclei except the lightest;

RCont j – нормировочный коэффициент для спектра континуума; R Cont j is the normalization coefficient for the continuum spectrum;

BG(E)=A·exp-BE – функция фона, BG (E) = A · exp -BE - background function,

А и B – параметры подгонки (фита). A and B - fitting parameters (phi).

[0098] Функция Pij отклика гамма-детектора для одной гамма-линии i элемента j представляется в виде суммы трех гауссианов G(x,σ), соответствующих пику полного поглощения и пикам однократной и двукратной утечки гамма-квантов с энергией 0,511 МэВ из кристалла сцинтиллятора гамма-детектора при регистрации гамма-квантов с энергией Ei, а также функции C(Ei,E), которая описывает процесс комптоновского рассеяния с учетом возможных многократных взаимодействий гамма-кванта с кристаллом сцинтиллятора гамма-детектора: [0098] The function P ij of the response of the gamma detector for one gamma line i of element j is represented as the sum of three Gaussians G (x, σ) corresponding to the peak of the total absorption and peaks of single and double leakage of gamma quanta with energy of 0.511 MeV from the crystal gamma detector scintillator for detecting gamma-quanta with energy E i , as well as the function C (E i , E), which describes the Compton scattering process taking into account possible multiple interactions of the gamma-quantum with the scintillator crystal of the gamma detector:

Figure 00000004
Figure 00000004

Figure 00000005
(6),
Figure 00000005
(6),

где

Figure 00000006
– энергетическое разрешение гамма-детектора, соответствующее пику полного поглощения при энергии гамма-кванта Ei; Where
Figure 00000006
- energy resolution of the gamma detector, corresponding to the peak of the total absorption at the gamma quantum energy E i ;

Ae – параметр фита; A e - fit parameter;

ε – эффективность регистрации гамма-квантов c энергией, соответствующей пику полного поглощения, причем зависимость этого параметра от энергии гамма-кванта устанавливается в результате моделирования отклика гамма-детектора методом Монте-Карло;ε is the detection efficiency of gamma-quanta with the energy corresponding to the peak of the total absorption, and the dependence of this parameter on the energy of the gamma-quantum is established by simulating the response of the gamma detector by the Monte-Carlo method;

σes i, σes2 i – энергетические разрешения гамма-детектора, соответствующие пикам однократной и двукратной утечек гамма-квантов с энергией 0,511 МэВ из кристалла сцинтиллятора гамма-детектора;σes i, σes2 i - energy resolution of a gamma detector corresponding to peaks of single and double leakage of gamma rays with an energy of 0.511 MeV from a scintillator crystal of a gamma detector;

Nes i и Nes2 i – параметры, определяющие амплитуды пиков утечек;N es i and N es2 i are the parameters that determine the amplitudes of the leak peaks;

R – подстроечный коэффициент для амплитуды функции C(Ei,E).R is the trimming factor for the amplitude of the function C (E i , E).

[0099] Зависимость отношений Nes i/Nj и Nes2 i/Nes i от энергии гамма-квантов также устанавливается по результатам моделирования, однако для подстройки используется параметр Res. [0099] The dependence of the relations N es i / N j and N es2 i / N es i on the energy of gamma rays is also determined from the simulation results, however, the parameter R es is used for adjustment.

[0100] Вклад от комптоновского рассеяния и многократных взаимодействий гамма-квантов с кристаллом сцинтиллятора гамма-детектора определяется путем аппроксимации его функцией C(Ei,E):[0100] The contribution from Compton scattering and multiple gamma-ray interactions with a scintillator crystal of a gamma detector is determined by approximating it with the function C (E i , E):

C(Ei,E) = F1(E) + F2(E) (7),C (E i , E) = F 1 (E) + F 2 (E) (7),

где F1(E) – функция, описывающая однократное комптоновское рассеяние:where F 1 (E) is a function describing a single Compton scattering:

F1(E) = F1v(E) х F1t(E) (8), F 1 (E) = F 1v (E) x F 1t (E) (8),

где Where

Figure 00000007
(9),
Figure 00000007
(9),

Figure 00000008
(10),
Figure 00000008
(ten),

Figure 00000009
(11),
Figure 00000009
(eleven),

F2(E) – функция, описывающая комптоновское рассеяние аннигиляционного фотона:F 2 (E) - the function describing the Compton scattering of the annihilation photon:

Figure 00000010
(12),
Figure 00000010
(12),

гдеWhere

Figure 00000011
(13),
Figure 00000011
(13),

Figure 00000012
(14),
Figure 00000012
(14),

Figure 00000013
(15),
Figure 00000013
(15),

здесь here

Figure 00000014
(16),
Figure 00000014
(sixteen),

Figure 00000015
(17),
Figure 00000015
(17),

где m0 – масса электрона, where m 0 is the electron mass,

Ei – энергия падающего фотона, E i - the energy of the incident photon,

Е – наблюдаемая энергия фотона, E - the observed energy of the photon,

Ep = Ei – E.E p = E i - E.

[0101] Параметры P0-P6 зависят от энергии фотона и определяются по результатам моделирования.[0101] The parameters P 0 -P 6 depend on the photon energy and are determined from the simulation results.

[0102] Оценив относительные доли элементов в образце по формуле: [0102] Evaluating the relative shares of elements in a sample using the formula:

Figure 00000016
(18),
Figure 00000016
(18),

и предполагая соблюдение соотношения: and assuming compliance with the ratio:

Figure 00000017
(19),
Figure 00000017
(nineteen),

можно вычислить массовые доли элементов в образце как:You can calculate the mass fractions of elements in the sample as:

Figure 00000018
(20),
Figure 00000018
(20),

где mj – атомный вес элемента j.where m j is the atomic weight of the element j.

[0103] Для вычисления массовых долей оксидов элементов Wj определим массовую долю rj элемента j в оксиде, формула которого в общем виде может быть представлена как JxOy:[0103] To calculate the mass fractions of oxides of the elements W j, we define the mass fraction r j of the element j in the oxide, the formula of which in general form can be represented as J x O y :

Figure 00000019
(21).
Figure 00000019
(21).

[0104] Тогда Wj есть:[0104] Then W j is:

Figure 00000020
(22).
Figure 00000020
(22).

[0105] Практически для ядер всех элементов, кроме легчайших, известно существование непрерывного спектра гамма-квантов, так называемого континуума, при энергиях возбуждения выше типичной энергии отделения нейтрона (≈8 МэВ). Для определения спектра континуума для каждого чистого химического элемента экспериментальный спектр фитируется набором спектров дискретных линий и экспоненциальной подложкой BG(E). Затем отклик от дискретных линий для каждого чистого химического элемента фиксируется и определяется спектр континуума как разность между экспериментально измеренным спектром и суммой вкладов от дискретных линий. [0105] Practically for the nuclei of all elements except the lightest, the existence of a continuous spectrum of gamma rays, the so-called continuum, with excitation energies above the typical neutron separation energy (≈8 MeV) is known. To determine the continuum spectrum for each pure chemical element, the experimental spectrum is fitted with a set of discrete line spectra and an exponential substrate BG (E). Then the response from the discrete lines for each pure chemical element is fixed and the spectrum of the continuum is determined as the difference between the experimentally measured spectrum and the sum of the contributions from the discrete lines.

[0106] В результате, фитирующая функция для отдельного химического элемента представляет собой сумму, состоящую из откликов для всех заданных дискретных гамма-линий, комптоновского вклада и гистограммы континуума FCont j(E), с определенной по эталонному спектру данного элемента нормировкой. [0106] As a result, the fit function for an individual chemical element is the sum consisting of responses for all given discrete gamma lines, Compton contribution, and histogram of the continuum F Cont j (E), with normalization determined from the reference spectrum.

[0107] Таким образом, для определения элементного состава исследуемого образца фитируется 6 общих параметров спектра A, B, Ae, Res, R, RCont и несколько параметров Nj, непосредственно связанных с концентрациями отдельных химических элементов.[0107] Thus, to determine the elemental composition of the sample under study, 6 common spectral parameters A, B, A e , R es , R, R Cont and several N j parameters directly related to the concentrations of individual chemical elements are fitted.

[0108] Правильное описание так называемой «подложки» под пиками полного поглощения и пиками утечек принципиально важно для правильного определения относительных концентраций различных химических элементов в образце. Обычная параметризация фона в виде полинома или экспоненциальной функции может дать хорошее общее описание спектра, но принципиально неверное разложение спектра по элементному составу. Например, использование экспоненциального фона для описания спектра воды может симулировать появление сигнала азота, который возникает за счет линии кислорода на 5108 кэВ.[0108] The correct description of the so-called "substrate" under the peaks of total absorption and peaks of leaks is crucially important for the correct determination of the relative concentrations of various chemical elements in the sample. The usual parametrization of a background in the form of a polynomial or an exponential function can give a good general description of the spectrum, but a fundamentally wrong decomposition of the spectrum in elemental composition. For example, the use of an exponential background to describe the spectrum of water can simulate the appearance of a nitrogen signal, which occurs due to the 5108 keV oxygen line.

[0109] Таким образом, параметры аппроксимирующей функции определяются для всех элементов и всех возможных значений энергии гамма-квантов, участвующих в процедуре фитирования экспериментально измеренных спектров характеристического излучения образца материала. [0109] Thus, the parameters of the approximating function are determined for all elements and all possible values of the energy of gamma quanta involved in the fitting procedure of the experimentally measured spectra of the characteristic radiation of a sample of a material.

[0110] Далее будут приведены некоторые экспериментальные результаты, подтверждающие практическую применимость изобретения с достижением указанных технических результатов.[0110] Next will be given some experimental results confirming the practical applicability of the invention with the achievement of these technical results.

Экспериментальная часть АExperimental Part A

1. Спектры чистых элементов1. Spectra of pure elements

[0111] Для определения опорных энергетических спектров чистых элементов методом меченых нейтронов были измерены спектры некоторых чистых химических элементов и относительно простых неорганических и органических соединений. Число характеристических гамма-линий, их энергии и сечения рождения для конкретного элемента являются предметом настройки на основе имеющихся таблиц и библиотек сечений, а также полученных авторами экспериментальных спектров.[0111] To determine the reference energy spectra of pure elements by the method of labeled neutrons, we measured the spectra of some pure chemical elements and relatively simple inorganic and organic compounds. The number of characteristic gamma lines, their energy and the birth cross section for a particular element are subject to customization based on the available tables and cross section libraries, as well as the experimental spectra obtained by the authors.

1.1. Углерод1.1. Carbon

[0112] Измеренный энергетический спектр углерода (по ГОСТ 7885-86, масса образца 1,8 кг) показан на Фиг. 5, где экспериментальные данные показаны крестиками, а сплошной линией показаны результаты фита. Он наиболее простой по сравнению со спектрами других элементов. Виден четкий сигнал от линии 4439 кэВ (т.е. 4,439 МэВ). Ее сечение было определено нами в 209,7 мб.[0112] The measured energy spectrum of carbon (according to GOST 7885-86, sample weight 1.8 kg) is shown in FIG. 5, where the experimental data are shown with crosses, and the solid line shows the fit results. It is the simplest compared to the spectra of other elements. A clear signal is visible from the 4439 keV line (i.e., 4.439 MeV). Its cross section was determined by us at 209.7 mb.

1.2. Кислород1.2. Oxygen

[0113] Энергетический спектр кислорода был извлечен из измеренного спектра воды (по ТУ 0131-005-51909887-12, объем образца 0,5 л), который приведен на Фиг. 6, где экспериментальные данные показаны крестиками, а сплошной линией показаны результаты фита. Доминирующими линиями в спектре являются линии на 6130 кэВ и 3684 кэВ. [0113] The energy spectrum of oxygen was extracted from the measured water spectrum (TU 0131-005-51909887-12, sample volume 0.5 l), which is shown in FIG. 6, where the experimental data are shown with crosses, and the solid line shows the fit results. The dominant lines in the spectrum are the lines at 6130 keV and 3684 keV.

1.3. Кремний1.3. Silicon

[0114] Для измерения спектра кремния был использован образец химически чистого кремния (по ТУ 48-0513/91-8-7, масса образца 0,5 кг). Полученный энергетический спектр кремния приведен на Фиг. 7, где экспериментальные данные показаны крестиками, а сплошной линией показаны результаты фита. В нем выделяется пик от линии 1779 кэВ, сечение которого составляет 400 мб. То есть сигнал от этой линии кремния почти в два раза сильнее, чем сигнал от линии углерода 4439 кэВ.[0114] To measure the spectrum of silicon, a sample of chemically pure silicon was used (according to TU 48-0513 / 91-8-7, sample weight 0.5 kg). The resulting silicon energy spectrum is shown in FIG. 7, where the experimental data are shown with crosses, and the solid line shows the fit results. It highlights the peak from the 1779 keV line, the cross section of which is 400 mb. That is, the signal from this silicon line is almost twice as strong as the signal from the 4439 keV carbon line.

1.4. Магний1.4. Magnesium

[0115] Измеренный энергетический спектр магния (по ТУ 3-303-10, масса образца 0,5 кг) приведен на Фиг. 8, где экспериментальные данные показаны крестиками, а сплошной линией показаны результаты фита. Характерная линия Mg при 1369 кэВ тоже имеет большое сечение – 425 мб. Это обстоятельство облегчает выделение магния.[0115] The measured energy spectrum of magnesium (TU 3-303-10, sample weight 0.5 kg) is shown in FIG. 8, where the experimental data are shown with crosses, and the solid line shows the fit results. The characteristic line Mg at 1369 keV also has a large cross section - 425 mb. This circumstance facilitates the release of magnesium.

1.5. Железо1.5. Iron

[0116] Измеренный энергетический спектр оксида железа Fe2O3 (по ТУ 1526-12, масса образца 0,5 кг) приведен на Фиг. 9, где экспериментальные данные показаны крестиками, а сплошной линией показаны результаты фита. Доминирующая линия Fe находится при 1238 кэВ и тоже имеет большое сечение – 393 мб.[0116] The measured energy spectrum of iron oxide Fe 2 O 3 (according to specification 1526-12; sample weight 0.5 kg) is shown in FIG. 9, where the experimental data are shown with crosses, and the solid line shows the fit results. The dominant Fe line is at 1238 keV and also has a large cross section - 393 mb.

1.6. Титан1.6. Titanium

[0117] Измеренный энергетический спектр титана Ti (масса образца 0,4 кг) приведен на Фиг. 10, где экспериментальные данные показаны крестиками, а сплошной линией показаны результаты фита. В нем доминирует линия 984 кэВ с сечением в 470 мб.[0117] The measured energy spectrum of titanium Ti (sample weight 0.4 kg) is shown in FIG. 10, where the experimental data are shown with crosses, and the solid line shows the fit results. It is dominated by the line 984 keV with a cross section of 470 mb.

1.7. Алюминий1.7. Aluminum

[0118] Измеренный энергетический спектр алюминия (по ТУ 6-09-02-529-92, масса образца 0,5 кг) приведен на Фиг. 11, где экспериментальные данные показаны крестиками, а сплошной линией показаны результаты фита. Он характеризуется тремя линиями при 1809, 2211 и 3004 кэВ.[0118] The measured energy spectrum of aluminum (TU 6-09-02-529-92, sample weight 0.5 kg) is shown in FIG. 11, where the experimental data are shown with crosses, and the solid line shows the fit results. It is characterized by three lines at 1809, 2211 and 3004 keV.

1.8. Кальций1.8. Calcium

[0119] Для определения кальция измеряли оксид кальция СаО (по ГОСТ 4530-76, масса образца 0,5 кг). Его энергетический спектр приведен на Фиг. 12, где экспериментальные данные показаны крестиками, а сплошной линией показаны результаты фита, и характеризуется тремя линиями при 1809, 2211 и 3004 кэВ.[0119] For the determination of calcium, calcium oxide CaO was measured (according to GOST 4530-76, sample weight 0.5 kg). Its energy spectrum is shown in FIG. 12, where the experimental data are shown by crosses, and the solid line shows the results of the fit, and is characterized by three lines at 1809, 2211 and 3004 keV.

1.9. Никель1.9. Nickel

[0120] Измеренный энергетический спектр никеля Ni (по ГОСТ 4341-78, масса образца ТУ 3-272-10) показан на фиг. 13, где экспериментальные данные показаны крестиками, а сплошной линией показаны результаты фита. Он характеризуется двумя линиями при 1334 и 1454 кэВ.[0120] The measured energy spectrum of nickel Ni (according to GOST 4341-78, the mass of the sample TU 3-272-10) is shown in FIG. 13, where the experimental data are shown with crosses, and the solid line shows the fit results. It is characterized by two lines at 1334 and 1454 keV.

1.10. Марганец1.10. Manganese

[0121] Измеренный энергетический спектр марганца Mn (по ТУ 2-26810, масса образца 0,5 кг) показан на фиг. 14, где экспериментальные данные показаны крестиками, а сплошной линией показаны результаты фита. Он характеризуется двумя линиями при 858 и 1164 кэВ.[0121] The measured energy spectrum of manganese Mn (TU 2-26810, sample weight 0.5 kg) is shown in FIG. 14, where the experimental data are shown by crosses, and the solid line shows the fit results. It is characterized by two lines at 858 and 1164 keV.

1.11. Медь1.11. Copper

[0122] Измеренный энергетический спектр меди Cu (по ТУ 3-270-10, масса образца 0,5 кг) показан на фиг. 15, где экспериментальные данные показаны крестиками, а сплошной линией показаны результаты фита. Он характеризуется двумя линиями при 962 и 1179 кэВ.[0122] The measured energy spectrum of copper Cu (TU 3-270-10, sample weight 0.5 kg) is shown in FIG. 15, where the experimental data are shown with crosses, and the solid line shows the fit results. It is characterized by two lines at 962 and 1179 keV.

1.12. Цирконий1.12. Zirconium

[0123] Для определения циркония измеряли оксид циркония ZrO2 (по ТУ 6-09-2486-77, масса образца 0,5 кг), энергетический спектр которого приведен на Фиг. 16, где экспериментальные данные показаны крестиками, а сплошной линией показаны результаты фита.[0123] To determine zirconium, zirconium oxide ZrO 2 was measured (according to TU 6-09-2486-77, sample weight 0.5 kg), the energy spectrum of which is shown in FIG. 16, where the experimental data are shown with crosses, and the solid line shows the fit results.

1.13. Хром1.13. Chromium

[0124] Для определения хрома измеряли оксид хрома Cr2O3 (по ТУ 6-09-4272-84, масса образца 0,5 кг), энергетический спектр которого приведен на фиг. 17, где экспериментальные данные показаны крестиками, а сплошной линией показаны результаты фита.[0124] For the determination of chromium, chromium oxide Cr 2 O 3 was measured (according to TU 6-09-4272-84, sample weight 0.5 kg), the energy spectrum of which is shown in FIG. 17, where the experimental data are shown with crosses, and the solid line shows the fit results.

1.14. Сера1.14. Sulfur

[0125] Измеренный энергетический спектр серы S (по ТУ 6-09-2546-77, масса образца 0,5 кг) приведен на фиг. 18, где экспериментальные данные показаны крестиками, а сплошной линией показаны результаты фита.[0125] The measured energy spectrum of sulfur S (according to TU 6-09-2546-77, sample weight 0.5 kg) is shown in FIG. 18, where the experimental data are shown with crosses, and the solid line shows the fit results.

1.15. Висмут1.15. Bismuth

[0126] Измеренный энергетический спектр висмута Bi (по ТУ 6-09-3616-82, масса образца 0,5 кг) приведен на фиг. 19, где экспериментальные данные показаны крестиками, а сплошной линией показаны результаты фита.[0126] The measured energy spectrum of Bi bismuth (TU 6-09-3616-82, sample weight 0.5 kg) is shown in FIG. 19, where the experimental data are shown with crosses, and the solid line shows the fit results.

1.16. Олово1.16. Tin

[0127] Измеренный энергетический спектр олова Sn (по ТУ 3-291-10, масса образца 0,5 кг) приведен на фиг. 20, где экспериментальные данные показаны крестиками, а сплошной линией показаны результаты фита.[0127] The measured energy spectrum of Sn tin (according to TU 3-291-10, sample weight 0.5 kg) is shown in FIG. 20, where the experimental data are shown with crosses, and the solid line shows the fit results.

1.17. Цинк1.17. Zinc

[0128] Измеренный энергетический спектр цинка Zn (по ТУ 6-09-5294-86, масса образца 0,5 кг) приведен на фиг. 21, где экспериментальные данные показаны крестиками, а сплошной линией показаны результаты фита.[0128] The measured energy spectrum of zinc Zn (according to TU 6-09-5294-86, sample weight 0.5 kg) is shown in FIG. 21, where the experimental data are shown with crosses, and the solid line shows the fit results.

1.18. Фтор1.18. Fluorine

[0129] Для определения спектра фтора измеряли тетрафторид углерода CF4 (4,4 кг), энергетический спектр которого приведен на фиг. 22, где экспериментальные данные показаны крестиками, а сплошной линией показаны результаты фита.[0129] To determine the fluorine spectrum, carbon tetrafluoride CF 4 (4.4 kg) was measured, the energy spectrum of which is shown in FIG. 22, where the experimental data are shown with crosses, and the solid line shows the fit results.

1.19. Фосфор1.19. Phosphorus

[0130] Для определения спектра фосфора измеряли оксид фосфора P2O5 (по ТУ 1-250-10, масса образца 0,5 кг), энергетический спектр которого приведен на фиг. 23, где экспериментальные данные показаны крестиками, а сплошной линией показаны результаты фита.[0130] To determine the phosphorus spectrum, phosphorus oxide was measured as P 2 O 5 (according to specification 1-250-10, sample weight 0.5 kg), the energy spectrum of which is shown in FIG. 23, where the experimental data are shown with crosses, and the solid line shows the fit results.

1.20. Свинец1.20. Lead

[0131] Измеренный энергетический спектр свинца Pb (по ТУ 6-09-02-987-95, масса образца 0,5 кг) приведен на фиг. 24, где экспериментальные данные показаны крестиками, а сплошной линией показаны результаты фита.[0131] The measured energy spectrum of lead Pb (according to TU 6-09-02-987-95, sample weight 0.5 kg) is shown in FIG. 24, where the experimental data are shown with crosses, and the solid line shows the fit results.

1.21. Хлор1.21. Chlorine

[0132] Для определения хлора измеряли тетрахлорметан CCl4 (по ГОСТ 20288-74, масса образца 1,6 кг), энергетический спектр которого приведен на фиг. 25, где экспериментальные данные показаны крестиками, а сплошной линией показаны результаты фита.[0132] For the determination of chlorine, carbon tetrachloride CCl 4 (according to GOST 20288-74, sample weight 1.6 kg) was measured, the energy spectrum of which is shown in FIG. 25, where the experimental data are shown with crosses, and the solid line shows the fit results.

1.22. Калий1.22. Potassium

[0133] Для определения калия измеряли карбонат калия K2CO3 (по ГОСТ 422-76, масса образца 0,5 кг), энергетический спектр приведен на фиг. 26, где экспериментальные данные показаны крестиками, а сплошной линией показаны результаты фита.[0133] For potassium determination, potassium carbonate was measured as K 2 CO 3 (GOST 422-76, sample weight 0.5 kg), the energy spectrum is shown in FIG. 26, where the experimental data are shown with crosses, and the solid line shows the fit results.

1.23. Натрий1.23. Sodium

[0134] Для определения натрия измеряли карбонат натрия Na2CO3 (по ГОСТ 83-79, масса образца 1 кг), энергетический спектр которого приведен на фиг. 27, где экспериментальные данные показаны крестиками, а сплошной линией показаны результаты фита.[0134] For the determination of sodium, sodium carbonate Na 2 CO 3 (GOST 83-79, sample weight 1 kg) was measured, the energy spectrum of which is shown in FIG. 27, where the experimental data are shown with crosses, and the solid line shows the fit results.

1.24. Азот1.24. Nitrogen

[0135] Для определения азота измеряли меламин C3H6N6 (по ГОСТ 7579-76, масса образца 0,7 кг). Энергетический спектр C3H6N6 приведен на фиг. 28, где экспериментальные данные показаны крестиками, а сплошной линией показаны результаты фита.[0135] For the determination of nitrogen, melamine C 3 H 6 N 6 was measured (GOST 7579-76, sample weight 0.7 kg). The energy spectrum of C 3 H 6 N 6 is shown in FIG. 28, where the experimental data are shown with crosses, and the solid line shows the fit results.

1.25. Учет спектра континуума1.25. Accounting for the continuum spectrum

[0136] Практически для ядер всех атомов, кроме легчайших, известно существование непрерывного спектра гамма-квантов, так называемого континуума, при энергиях возбуждения выше типичной энергии отделения нейтрона (~8 МэВ). Это объясняется тем, что плотность ядерных уровней обычно невысока при небольших энергиях возбуждения Eex (расстояние между уровнями ΔE порядка 1 МэВ) и резко возрастает при увеличении Eex (ΔE уменьшается до десятков кэВ). Например, у ядра 28Si число уровней с Eex < 8 МэВ составляет порядка 10, а число уровней с 8 < Eex < 14 МэВ – уже порядка 70. С учетом того, что снятие возбуждений обычно происходит через каскады, множественность гамма-квантов при высоких Eex значительна, и в совокупности с близостью различных уровней эти факторы приводят к наблюдению практически непрерывных спектров континуума.[0136] Practically for the nuclei of all atoms, except the lightest, the existence of a continuous gamma-ray spectrum, the so-called continuum, is known at excitation energies above the typical neutron separation energy (~ 8 MeV). This is explained by the fact that the density of nuclear levels is usually low at low excitation energies E ex (the distance between ΔE levels is about 1 MeV) and increases sharply with increasing E ex (ΔE decreases to tens of keV). For example, in the 28 Si core, the number of levels with E ex <8 MeV is about 10, and the number of levels with 8 <E ex <14 MeV is already about 70. Considering the fact that the excitation removal usually occurs through cascades, the multiplicity of gamma quanta at high E ex is significant, and together with the proximity of various levels, these factors lead to the observation of almost continuous continuum spectra.

[0137] На фиг. 29 приведен результата фитирования энергетического спектра алюминия. Экспериментальный спектр показан черными точками, результат фита линиями алюминия и функцией фона BG(E) показан сплошной линией, сумма отклика от всех дискретных линий алюминия показана штрихпунктирной линией с тремя точками, а разность между экспериментальными точками и суммой дискретных линий алюминия показана треугольниками, а в квадрате справа сверху приведены параметры фитирования. Эта гистограмма, нормированная на сумму сечений дискретных линий, и использовалась в качества спектра континуума алюминия. В итоге фитирующая функция для отдельного элемента алюминия является суммой вышеуказанных функций (6) для всех заданных дискретных линий и гистограммой континуума, с определенной по эталонному спектру элемента нормировкой. Учет континуума существенно улучшает точность описания экспериментальных данных подгоночными кривыми. На фиг. 30 приведен пример результата фитирования энергетического спектра алюминия с учетом спектра континуума, где черные точки – экспериментальный спектр, а сплошная линия – результат фита линиями алюминия плюс континуум. видно, что в фите на фиг. 30 по сравнению с фитом на фиг. 29 χ2 уменьшился с 1,118·104 до 7,267·10-6, причем нормировка функции фона А уменьшилась на два порядка, что свидетельствует о существенном уменьшении плохо контролируемых факторов.[0137] FIG. 29 shows the result of fitting the energy spectrum of aluminum. The experimental spectrum is shown with black dots, the result of the fit with aluminum lines and the BG (E) background function is shown with a solid line, the sum of the response of all discrete aluminum lines is shown with a three-dot dash line, and the difference between the experimental points and the sum of discrete aluminum lines is shown with triangles, and in The box on the top right shows the fitting parameters. This histogram, normalized to the sum of the cross sections of discrete lines, was used as the spectrum of the aluminum continuum. As a result, the fitting function for an individual aluminum element is the sum of the above functions (6) for all given discrete lines and a continuum histogram, with normalization determined from the reference spectrum of the element. Accounting for the continuum significantly improves the accuracy of the experimental data description by fitting curves. FIG. Figure 30 shows an example of the result of fitting the energy spectrum of aluminum, taking into account the spectrum of the continuum, where the black dots are the experimental spectrum, and the solid line is the result of the fit with the aluminum lines plus the continuum. it is seen that in the fit in FIG. 30 compared with the fit in FIG. 29 χ 2 decreased from 1.118 · 10 4 to 7.267 · 10 -6 , and the normalization of the background function A decreased by two orders of magnitude, which indicates a significant decrease in poorly controlled factors.

Экспериментальная часть БExperimental part B

1. Образцы и постановка опытов1. Samples and experiments

[0138] В качестве еще одного примера далее приведены результаты применения ММН для определения элементного состава горных пород в полевых условиях. Для исследований были использованы выборки из силикатных пород основного состава и карбонатных пород, отобранных на Ольхонском геодинамическом полигоне. Измерения проводили на геологической базе Черноруд (ИрГТУ). Основная цель этих измерений состояла в проверке возможности ММН осуществлять правильный экспресс-анализ элементного состава пород из относительно однородных групп по индикаторным элементам. Так, для карбонатных пород важным является разделение на кальцитовые мраморы (без магния), доломитовые и доломит-кальцитовые мраморы (с существенной долей магния) и кальцифиры (породы с существенной примесью силикатов и варьирующими соотношениями кальция и магния). Было интересно проверить, насколько правильно результаты ММН соотносятся с результатами петрографического анализа, выполненного в полевых условиях, и насколько хорошо они коррелируют с контрольными результатами химического анализа, проведенного в лаборатории.[0138] As another example, the results of applying the MCM to determine the elemental composition of rocks in the field are given below. For the research, samples from the silicate rocks of the basic composition and carbonate rocks selected at the Olkhonsky geodynamic polygon were used. The measurements were carried out on the geological base Chernorud (ISTU). The main objective of these measurements was to test the ability of the MCM to carry out the correct rapid analysis of the elemental composition of rocks from relatively homogeneous groups of indicator elements. So, for carbonate rocks, it is important to divide into calcite marbles (without magnesium), dolomite and dolomite-calcite marbles (with a significant proportion of magnesium) and calciphyres (rocks with a significant admixture of silicates and varying ratios of calcium and magnesium). It was interesting to check how correctly the results of the MCM correlate with the results of the petrographic analysis performed in the field, and how well they correlate with the control results of the chemical analysis carried out in the laboratory.

[0139] Измерения проводили c помощью портативного детектора ДВИН-1. Детектор ДВИН-1 состоит из измерительного модуля, который соединен кабелем с компьютером оператора. Измерительный модуль имеет размеры 740×510×410 мм и массу 40 кг. Внутри измерительного модуля размещены источник нейтронов, гамма-детектор и электроника системы анализа данных. Питание измерительного модуля осуществляется от сети 220 В или от автономного аккумулятора. Потребляемая мощность составляет примерно 300 Вт. Источником нейтронов является портативный нейтронный генератор ИНГ-27 производства ФГУП «ВНИИА им. Н.Л.Духова» со встроенным 9-пиксельным кремниевым α-детектором. Интенсивность потока нейтронов, создаваемого нейтронным генератором (НГ), была I = 5·107 н/с. Встроенный в НГ кремниевый α-детектор представляет собой матрицу пикселей 3×3 с размером каждого пикселя 10×10 мм. Кремниевый α-детектор расположен на расстоянии 62 мм от тритиевой мишени. Предусилители сигналов α-детектора смонтированы на фланце, состыкованным с корпусом НГ.[0139] Measurements were performed using a DVIN-1 portable detector. The DVIN-1 detector consists of a measuring module, which is connected by cable to the operator’s computer. The measuring module has dimensions of 740 × 510 × 410 mm and a weight of 40 kg. A neutron source, a gamma detector and electronics of the data analysis system are located inside the measuring module. The power of the measuring module is carried out from a network of 220 V or from an autonomous battery. Power consumption is about 300 watts. The source of neutrons is the ING-27 portable neutron generator manufactured by the FSUE “VNIIA im. NL Dukhova ”with integrated 9-pixel silicon α-detector. The intensity of the neutron flux generated by the neutron generator (NG) was I = 5 · 10 7 n / s. The silicon α-detector built into the NG is a 3 × 3 matrix of pixels with a pixel size of 10 × 10 mm. The silicon α-detector is located at a distance of 62 mm from the tritium target. The α-detector signal preamplifiers are mounted on a flange coupled to an NG package.

[0140] Детектирование γ-квантов осуществлялось одним гамма-детектором на основе кристалла BGO диаметром 76 мм и толщиной 65 мм. Гамма-детекторы на основе кристаллов BGO обладают достаточно хорошим энергетическим разрешением порядка (8-2,5%) в диапазоне энергий характеристического излучения 1-12 МэВ. На γ-линии углерода (Eγ = 4,439 МэВ) энергетическое разрешение гамма-детектора на основе BGO в среднем составляло 4,4%. Гамма-детекторы на основе BGO отличаются также высокой эффективностью регистрации γ-квантов в указанном интервале энергий и низкой чувствительностью по отношению к регистрации фоновых нейтронов. Временное разрешение α-γ совпадений составляет 3,3 нс.[0140] The detection of γ-quanta was carried out by a single gamma detector based on a BGO crystal with a diameter of 76 mm and a thickness of 65 mm. GGO-based detectors based on BGO crystals have a fairly good energy resolution of the order of (8–2.5%) in the characteristic radiation energy range of 1–12 MeV. On the carbon γ-line (Eγ = 4.439 MeV), the energy resolution of the BGO-based gamma detector averaged 4.4%. BGO-based gamma detectors are also distinguished by high efficiency of γ-quanta detection in the specified energy range and low sensitivity with respect to background neutron detection. The time resolution of α-γ coincidences is 3.3 ns.

[0141] Регистрирующая электроника системы сбора и анализа данных с альфа- и гамма-детекторов выполнена в виде 16-канальной платы, которая имеет размер стандартной PCI-карты с возможностью установки в PCI-Е слот персонального компьютера (ПК). Обмен информацией с ПК осуществляется через PCI-E шину. В основу системы регистрации сигналов с альфа- и гамма-детекторов положен принцип их оцифровки с последующим восстановлением временных и амплитудных характеристик импульсов. Для обеспечения требуемой скорости передачи данных по PCI шине интерфейс работает в режиме прямого доступа к памяти ПК.[0141] The recording electronics of the system for collecting and analyzing data from alpha and gamma detectors are made in the form of a 16-channel card, which has the size of a standard PCI card with the ability to install a personal computer (PC) slot in the PCI-E. Information is exchanged with a PC via a PCI-E bus. The system of recording signals from alpha and gamma detectors is based on the principle of their digitization with the subsequent restoration of the time and amplitude characteristics of pulses. To ensure the required data transfer rate over the PCI bus, the interface operates in the direct memory access mode of the PC.

[0142] При измерениях на Ольхонском геодинамическом полигоне с базированием в стационаре Черноруд (ИрГТУ) детектор ДВИН-1 был установлен в помещении геологической базы, в котором осуществлялся экспресс-анализ образцов горных пород из ближайших районов. Правила радиационной безопасности при эксплуатации детектора ДВИН-1 требуют соблюдение оператором радиуса безопасности в 8,5 м, а для населения радиус безопасности составляет 10 м.[0142] In measurements at the Olkhonsky geodynamic test site based at the Chernorud hospital (ISTU), the DVIN-1 detector was installed in the geological base, where rapid analysis of rock samples from nearby areas was carried out. The radiation safety rules for operating the DVIN-1 detector require the operator to observe a safety radius of 8.5 m, and for the public, the safety radius is 10 m.

[0143] Размер образцов варьировался от 20 до 50 см, а их масса – от 2 до 6 кг. Никакой пробоподготовки не проводилось. Для анализа были представлены образцы нерегулярной формы из трех групп горных пород: карбонатные породы (доломитовые, кальцитовые мраморы и кальцифиры, всего 17 образцов), гнейсы (всего 23 образца) и амфиболиты (всего 7 образцов).[0143] Sample size ranged from 20 to 50 cm, and their weight ranged from 2 to 6 kg. No sample preparation was carried out. For the analysis, irregularly shaped samples from three groups of rocks were presented: carbonate rocks (dolomite, calcite marbles and calciphyres, 17 samples in total), gneisses (23 samples in total) and amphibolites (7 samples in total).

2. Контрольные измерения химическими методами2. Control measurements by chemical methods

[0144] С целью сравнения с предложенным способом химический состав образцов определяли также контрольным химическим методом силикатного анализа в Аналитическом центре Института земной коры СО РАН по стандартным методикам. Для разложения образцов применялось сплавление со смесью соды и буры в муфельной печи при t = 940°C и кислотное вскрытие смесью хлорной и плавиковой кислот. Химический метод определения кремния, алюминия и общего железа основан на способности этих элементов к образованию окрашенных комплексов. Определение элементов из растворов их окрашенных комплексов проводилось на спекрофотометрическом комплексе GENESYS 10S, Thermo Fisher Scientific, США. Для контрольного определения содержания кальция и магния использовался метод атомно-абсорбционной спектрометрии с распылением исследуемого раствора в пламени (ацетилен-воздух) в виде аэрозоля и измерением степени ослабления излучения стандартного источника света (лампы с полым катодом) вследствие поглощения этого излучения атомами анализируемого элемента. Определение проводилось на спектрофотометре SOLAAR M6, Thermo Elemental, INTERTECH Corporation, США. Для устранения мешающего влияния посторонних элементов при определении CaO и MgO в качестве спектрофотометрического буфера в исследуемые растворы вводился хлорид лантана(III). Для контрольного определения содержания двуокиси углерода (CO2) применялся метод объемного титрования с разложением пробы соляной кислотой и выделением углекислоты. Гигроскопическая вода определялась высушиванием навески породы в тигле до постоянного веса при 10°C. Потери при прокаливании определялись прокаливанием навески при температуре 1000°C до постоянного веса. Силикатный анализ завершался подсчетом суммы всех определяемых компонентов, которая должна быть близкой к 100%. В большинстве случаев это является хорошим ориентиром для контроля качества сравнительного анализа. Точность определения компонентов в пробах контролировалась многократным измерением стандартных образцов с известными аттестованными концентрациями элементов.[0144] In order to compare with the proposed method, the chemical composition of the samples was also determined by the chemical control method of silicate analysis at the Analytical Center of the Institute of the Earth's Crust of the SB RAS using standard methods. For the decomposition of the samples, fusion with a mixture of soda and borax in a muffle furnace at t = 940 ° C and acid opening with a mixture of perchloric and hydrofluoric acids was used. The chemical method for the determination of silicon, aluminum and total iron is based on the ability of these elements to form colored complexes. The determination of elements from solutions of their colored complexes was carried out on the spectrophotometric complex GENESYS 10S, Thermo Fisher Scientific, USA. For the control determination of calcium and magnesium, we used the method of atomic absorption spectrometry with spraying the test solution in a flame (acetylene-air) in the form of an aerosol and measuring the degree of attenuation of radiation of a standard light source (a hollow cathode lamp) due to absorption of this radiation by atoms of the element being analyzed. The determination was carried out on a spectrophotometer SOLAAR M6, Thermo Elemental, INTERTECH Corporation, USA. To eliminate the interfering influence of extraneous elements in the determination of CaO and MgO as a spectrophotometric buffer, lanthanum (III) chloride was introduced into the studied solutions. For the control determination of carbon dioxide (CO 2 ), the method of volumetric titration with the decomposition of the sample with hydrochloric acid and the release of carbon dioxide was used. Hygroscopic water was determined by drying the sample of the rock in a crucible to constant weight at 10 ° C. Loss on ignition was determined by calcining the sample at a temperature of 1000 ° C to a constant weight. The silicate analysis was completed by counting the sum of all detectable components, which should be close to 100%. In most cases, this is a good benchmark for quality control benchmarking. The accuracy of component determination in samples was monitored by repeated measurement of standard samples with known certified element concentrations.

3. Результаты измерений и обработки спектров3. Results of measurements and spectra processing

3.1 Кальцитовые мрамора3.1 Calcite Marbles

[0145] На фиг. 31 показан энергетический спектр от облучения образца кальцитового мрамора с элементным составом CaCO3 (проба SE2869), где экспериментальные данные показаны крестиками, вклады элементов Ca, C, O показаны соответствующими линиями, а сплошной линией показан результат подгонки всех параметров. Хорошо видны характеристические линии кислорода, показанные на фиг. 31 штриховыми линиями. Три кислородных пика видны при Е = 2742, 3089 и 3854 кэВ. В характеристическом спектра кальция выделяется пик при энергии Е = 3737 кэВ. Наложение этой линии на пик, соответствующий каскадному переходу при девозбуждении ядра кислорода (энергия перехода Е = 3854 кэВ), создает некоторую размытую структуру негауссовой формы. Характеристический спектр углерода наиболее прост – в нем четко выделяется только одна линия при Е = 4439 кэВ и пик утечки одного гамма-кванта, сдвинутый на 500 кэВ от основной линии. Эти качественные особенности кальцитов подтверждаются и количественными результатами определения элементного состава с помощью процедуры подгонки параметров. В Таблице 1 приведены значения массовых долей различных элементов для некоторых проб кальцитовых мраморов, полученные в центральном меченом пучке, который на образце покрывал зону размером 3×3 см.[0145] FIG. 31 shows the energy spectrum from the irradiation of a calcite marble sample with an elemental composition of CaCO 3 (sample SE2869), where the experimental data are shown with crosses, the contributions of the elements Ca, C, O are shown by the corresponding lines, and the solid line shows the result of fitting all the parameters. The characteristic oxygen lines shown in FIG. 31 dashed lines. Three oxygen peaks are visible at E = 2742, 3089 and 3854 keV. In the characteristic spectrum of calcium, a peak is released at an energy of E = 3737 keV. The imposition of this line on the peak corresponding to the cascade transition during the de-excitation of the oxygen nucleus (the transition energy is E = 3854 keV) creates a diffuse structure of a non-Gaussian shape. The characteristic carbon spectrum is the simplest: it only clearly distinguishes one line at E = 4439 keV and a peak of leakage of one gamma quantum shifted 500 keV from the main line. These qualitative features of calcites are confirmed by the quantitative results of the determination of the elemental composition using the parameter fitting procedure. Table 1 shows the mass fractions of various elements for some samples of calcite marbles obtained in the central labeled beam, which covered a 3 × 3 cm area on the sample.

Таблица 1. Массовые доли элементов в пробах кальцитовых мраморов, полученные в результате измерений детектором ДВИН-1. Погрешности результатов измерений приведены на уровне 1σ. Table 1 . Mass fractions of elements in samples of calcite marbles obtained as a result of measurements with the DVIN-1 detector. The errors of the measurement results are given at the 1σ level.

ОбразецSample Si, %Si,% Mg, %Mg,% Fe, %Fe,% Al, %Al,% Ca, %Ca,% C, %C,% O, %O% SE2869SE2869 -- -- -- 2,6±1,02.6 ± 1.0 34,9±1,834.9 ± 1.8 13,3±0,613.3 ± 0.6 48,8±1,448.8 ± 1.4 SE2801SE2801 -- -- -- -- 42,3±1,342.3 ± 1.3 16,1±0,716.1 ± 0.7 41,6±1,241.6 ± 1.2 SE2766SE2766 1,0±0,41.0 ± 0.4 -- -- -- 43,6±1,743.6 ± 1.7 13,2±0,613.2 ± 0.6 42,1±1,142.1 ± 1.1

3.2 Доломитовые мрамора3.2 Dolomite Marbles

[0146] На Фиг. 32 показан спектр образца доломитового мрамора с элементным составом CaCO3×MgCO3 (проба SE2789), где экспериментальные данные показаны крестиками, вклады элементов Mg, Ca, C, O показаны соответствующими линиями, а сплошной линией показан результат подгонки всех параметров. В спектре на фиг. 32, помимо характеристических линий Ca, С и О, присутствовавших и на фиг. 31, хорошо виден сигнал от линии магния при 1369 кэВ. Это отражается и в результатах определения концентраций элементов, приведенных в Таблице 2. Они правильно показывают четыре основных элемента, присутствующих в доломитовых мраморах. Массовая доля магния достигает 7-10%.[0146] FIG. 32 shows the spectrum of a sample of dolomite marble with the elemental composition CaCO 3 × MgCO 3 (sample SE2789), where the experimental data are shown with crosses, the contributions of the elements Mg, Ca, C, O are shown by the corresponding lines, and the solid line shows the result of fitting all the parameters. In the spectrum in FIG. 32, in addition to the characteristic lines Ca, C and O present in FIG. 31, the signal from the magnesium line at 1369 keV is clearly visible. This is also reflected in the results of the determination of the concentrations of the elements in Table 2. They correctly show the four main elements present in the dolomite marbles. Mass fraction of magnesium reaches 7-10%.

Таблица 2. Массовые доли элементов в пробах доломитовых мраморов, полученные в результате измерений детектором ДВИН-1. Погрешности результатов измерений приведены на уровне 1σ. Table 2 . Mass fractions of elements in samples of dolomite marbles, obtained as a result of measurements with a DVIN-1 detector. The errors of the measurement results are given at the 1σ level.

ОбразецSample Si, %Si,% Mg, %Mg,% Fe, %Fe,% Al, %Al,% Ca, %Ca,% C, %C,% O, %O% SE2789SE2789 0,2±0,80.2 ± 0.8 9,6±0,69.6 ± 0.6 -- 2,5±1,02.5 ± 1.0 27,5±2,227.5 ± 2.2 14,4±0,714.4 ± 0.7 45,3±1,945.3 ± 1.9 SE2871SE2871 0,5±0,80.5 ± 0.8 7,7±0,67.7 ± 0.6 2,1±1,12.1 ± 1.1 -- 25,3±2,025.3 ± 2.0 15,0±0,715.0 ± 0.7 48,8±1,748.8 ± 1.7 SE2842SE2842 -- 8,9±0,68.9 ± 0.6 -- 2,0±0,82.0 ± 0.8 28,3±2,128.3 ± 2.1 15,9±0,815.9 ± 0.8 44,6±1,744.6 ± 1.7

3.3 Кальцифиры3.3 Calcifires

[0147] Фиг. 33 приведен энергетический спектр гамма-квантов от облучения образца кальцифира (проба SE2803). Экспериментальные данные показаны крестиками, вклады элементов Si, Ca, C, O показаны соответствующими линиями, а сплошной линией показан результат подгонки всех параметров. Кальцифиры состоят из кальцита или доломита с примесью силикатных материалов. И действительно, в показанном на фиг. 33 спектре образца кальцифира появляется характерный пик кремния при Е = 1779 кэВ. Величина этого пика невелика, поскольку примесь кремния составляет 3-4% (см. Таблицу 3). [0147] FIG. 33 shows the energy spectrum of gamma rays from the irradiation of a calciphir sample (sample SE2803). The experimental data are shown with crosses, the contributions of the elements Si, Ca, C, O are shown by the corresponding lines, and the solid line shows the result of fitting all the parameters. Calcifires consist of calcite or dolomite mixed with silicate materials. Indeed, in the manner shown in FIG. In the spectrum of the calcifira sample, a characteristic silicon peak appears at E = 1779 keV. The magnitude of this peak is small, since the silicon impurity is 3-4% (see Table 3).

Таблица 3. Массовые доли элементов в пробах кальцифиров, полученные в результате измерений детектором ДВИН-1. Погрешности результатов измерений приведены на уровне 1σ. Table 3 . Mass fractions of elements in calcipir samples taken as a result of measurements with the DVIN-1 detector. The errors of the measurement results are given at the 1σ level.

ОбразецSample Si, %Si,% Mg, %Mg,% Fe, %Fe,% Al, %Al,% Ca, %Ca,% C, %C,% O, %O% SE2841SE2841 3,9±0,93.9 ± 0.9 -- -- -- 40,2±2,740.2 ± 2.7 14,0±0,814.0 ± 0.8 39,9±2,039.9 ± 2.0 SE2803SE2803 2,9±1,02.9 ± 1.0 -- -- 2,2±1,42.2 ± 1.4 39,6±2,539.6 ± 2.5 13,9±0,813.9 ± 0.8 41,4±2,041.4 ± 2.0 SE2794SE2794 3,0±0,73.0 ± 0.7 -- -- -- 43,7±1,243.7 ± 1.2 14,2±0,614.2 ± 0.6 38,5±0,938.5 ± 0.9

3.4 Гнейсы3.4 Gneisses

[0148] На Фиг. 34 показан спектр от типичного образца гнейса (проба SE2840), где экспериментальные данные показаны крестиками, вклады элементов Si, Fe, Al, O показаны соответствующими линиями, а сплошной линией показан результат подгонки всех параметров. В спектре отсутствует углеродный пик при 4,439 МэВ. Нет также вклада от кальция. Это соответствует элементному составу гнейсов, в который главный вклад вносит кремнезем SiO2 и глинозем Al2O3. Результаты определения массовых долей этих элементов, приведенных в Таблице 4, полностью соответствует этой закономерности.[0148] FIG. 34 shows the spectrum from a typical gneiss sample (sample SE2840), where the experimental data are shown with crosses, the contributions of the elements Si, Fe, Al, O are shown by the corresponding lines, and the solid line shows the result of fitting all the parameters. The spectrum does not contain a carbon peak at 4.439 MeV. There is also no contribution from calcium. This corresponds to the elemental composition of gneisses, in which the main contribution is made by silica SiO 2 and alumina Al 2 O 3 . The results of determining the mass fractions of these elements, shown in Table 4, fully correspond to this pattern.

Таблица 4. Массовые доли элементов в пробах образцов гнейсов, полученные в результате измерений детектором ДВИН-1. Погрешности результатов измерений приведены на уровне 1σ. Table 4 . Mass fractions of elements in samples of samples of gneisses, obtained as a result of measurements with a DVIN-1 detector. The errors of the measurement results are given at the 1σ level.

ОбразецSample Si, %Si,% Mg, %Mg,% Fe, %Fe,% Al, %Al,% Ca, %Ca,% C, %C,% O, %O% SE2840SE2840 26,9±1,526.9 ± 1.5 6,7±0,76.7 ± 0.7 0,9±1,30.9 ± 1.3 16,4±1,716.4 ± 1.7 6,8±2,46.8 ± 2.4 -- 42,4±1,942.4 ± 1.9 SE2870SE2870 33,1±2,333.1 ± 2.3 2,8±0,82.8 ± 0.8 -- 13,4±2,213.4 ± 2.2 0,8±3,30.8 ± 3.3 1,2±0,81.2 ± 0.8 47,1±3,047.1 ± 3.0 SE2786SE2786 32,1±1,832.1 ± 1.8 1,5±0,61.5 ± 0.6 4,7±1,44.7 ± 1.4 11,5±1,611.5 ± 1.6 6,5±2,26.5 ± 2.2 -- 43,3±1,943.3 ± 1.9

3.5 Амфиболиты3.5 Amphibolites

[0149] На фиг. 35 показан энергетический спектр гамма-квантов от облучения образца амфиболита (проба SE2843), где экспериментальные данные показаны крестиками, вклады элементов Si, Fe, Al, O показаны соответствующими линиями, а сплошной линией показан результат подгонки всех параметров. В этом спектре отсутствует линия углерода, виден яркий сигнал от кремния и пики от алюминия и магния. Это согласуется с элементным составом амфиболитов, главным образом состоящих из силикатов и алюмосиликатов магния, железа и кальция. Данные по элементному составу некоторых образцов амфиболитов, полученные в результате измерений детектором ДВИН-1, приведены в Таблице 5.[0149] FIG. 35 shows the energy spectrum of gamma rays from the irradiation of an amphibolite sample (sample SE2843), where the experimental data are shown with crosses, the contributions of the elements Si, Fe, Al, O are shown by the corresponding lines, and the solid line shows the result of fitting all the parameters. There is no carbon line in this spectrum, a bright signal from silicon and peaks from aluminum and magnesium are visible. This is consistent with the elemental composition of amphibolites, mainly consisting of silicates and aluminosilicates of magnesium, iron and calcium. The data on the elemental composition of some amphibolite samples obtained as a result of measurements with the DVIN-1 detector are shown in Table 5.

Таблица 5. Массовые доли элементов в пробах образцов амфиболитов, полученные в результате измерений детектором ДВИН-1. Погрешности результатов измерений приведены на уровне 1σ. Table 5 . Mass fractions of elements in samples of amphibolite samples, obtained as a result of measurements with the DVIN-1 detector. The errors of the measurement results are given at the 1σ level.

ОбразецSample Si, %Si,% Mg, %Mg,% Fe, %Fe,% Al, %Al,% Ca, %Ca,% C, %C,% O, %O% SE2843SE2843 22,9±1,922.9 ± 1.9 6,0±0,96.0 ± 0.9 10,3±2,110.3 ± 2.1 7,8±2,07.8 ± 2.0 9,8±4,79.8 ± 4.7 -- 42,6±3,042.6 ± 3.0 SE2850SE2850 17,6±1,617.6 ± 1.6 4,1±0,74.1 ± 0.7 9,9±1,69.9 ± 1.6 11,5±1,711.5 ± 1.7 15,3±2,815.3 ± 2.8 -- 41,6±2,741.6 ± 2.7 SE2816SE2816 21,4±1,621.4 ± 1.6 4,7±0,74.7 ± 0.7 11, 1±1,711, 1 ± 1.7 10,7±1,710.7 ± 1.7 12,3±2,712.3 ± 2.7 0,8±0,60.8 ± 0.6 39,0±2,339.0 ± 2.3

4. Обсуждение результатов анализа горных пород4. Discussion of the results of the analysis of rocks

[0150] Спектры, приведенные на фиг. 31-35, наглядно показывают возможности ММН по определению ключевых породообразующих элементов – С, О, Si, Mg, Al, Fe, Ca. Ранее применение ММН ограничивалось определением концентраций углерода, азота и кислорода.[0150] The spectra shown in FIG. 31-35, clearly show the ability of the MCM to identify key rock-forming elements - C, O, Si, Mg, Al, Fe, Ca. Earlier, the use of MCM was limited to determining concentrations of carbon, nitrogen, and oxygen.

[0151] У этих элементов самое большое сечение возбуждения под действием нейтронов 14,1 МэВ имеет линия углерода 4439 кэВ, сечение возбуждения которой составляет 210 мб. Для сравнения, сечение линии кремния 1779 кэВ составляет 400 мб, а линия магния 1369 кэВ имеет сечение 425 мб. Отдельные линии железа, кальция и алюминия также обладают значительными сечениями возбуждения, что делает перспективным определение их концентраций.[0151] For these elements, the largest excitation cross section under the action of neutrons of 14.1 MeV has a carbon line of 4439 keV, the excitation cross section of which is 210 mb. For comparison, the cross section of the 1779 keV silicon line is 400 mb, and the magnesium line of 1369 keV has a cross section of 425 mb. Separate lines of iron, calcium, and aluminum also have significant excitation cross sections, which makes the determination of their concentrations promising.

[0152] Данные, приведенные в Таблицах 1-5, показывают, что ММН в целом правильно воспроизводит соотношение массовых долей различных элементов в исследуемых образцах.[0152] The data in Tables 1-5 show that the MCM in general correctly reproduces the ratio of the mass fractions of the various elements in the samples under study.

[0153] Зная значения массовых долей элементов, можно по формулам (20)-(22) рассчитать концентрации соответствующих оксидов. В Таблице 6 приведены концентрации оксидов Si, Al, Fe, Mg, Ca и С, полученные для различных проб с использованием ДВИН-1, а также контрольные результаты силикатного анализа.[0153] Knowing the values of the mass fractions of elements, it is possible by formulas (20) - (22) to calculate the concentration of the corresponding oxides. Table 6 shows the concentrations of oxides Si, Al, Fe, Mg, Ca and C, obtained for various samples using DVIN-1, as well as the control results of silicate analysis.

Таблица 6. Концентрации оксидов в различных пробах, полученные в результате измерений детектором ДВИН-1 (обозначаются ММН) и в результате выполнения силикатного анализа (СА). Погрешности результатов измерений приведены на уровне 1σ. FeOобщ представляет собой сумму вкладов оксидов железа FeO и 0,9Fe2O3. Table 6 . Concentrations of oxides in various samples, obtained as a result of measurements with a DVIN-1 detector (designated by the MCM) and as a result of performing silicate analysis (CA). The errors of the measurement results are given at the 1σ level. FeO total is the sum of the contributions of iron oxides FeO and 0.9 Fe 2 O 3 .

ОбразецSample SiO2, %SiO 2 ,% Al2O3, %Al 2 O 3 ,% FeOобщ, %FeO total ,% MgO, %MgO,% CaO, %CaO,% CO2, %CO 2 % SE2843, САSE2843, SA 47,16±0,147.16 ± 0.1 15,67±0,1415.67 ± 0.14 11,69±0,0611.69 ± 0.06 6,66±0,086.66 ± 0.08 10,97±0,1110.97 ± 0.11 0,44±0,070,44 ± 0,07 SE2843, ММНSE2843, MMD 47,8±5,047.8 ± 5.0 14,3±3,814.3 ± 3.8 12,9±2,812.9 ± 2.8 9,7±1,59.7 ± 1.5 13,3±6,413.3 ± 6.4 -- SE2850, САSE2850, CA 44,28±0,144.28 ± 0.1 14,96±0,1414.96 ± 0.14 13,62±0,0613.62 ± 0.06 6,84±0,086.84 ± 0.08 17,18±0,1117.18 ± 0.11 -- SE2850, ММНSE2850, MMD 39,9±3,739.9 ± 3.7 18,7±3,218.7 ± 3.2 13,9±2,113.9 ± 2.1 5,2± 1,15.2 ± 1.1 21,8±3,921.8 ± 3.9 0,5±2,50.5 ± 2.5 SE2869, САSE2869, CA 2,29±0,12.29 ± 0.1 -- -- 0,68±0,080.68 ± 0.08 53,35±0,1153.35 ± 0.11 42,3±0,0742.3 ± 0.07 SE2869,ММНSE2869, MMD -- 4,8±1,84.8 ± 1.8 -- -- 47,4±2,847.4 ± 2.8 47,2±2,547.2 ± 2.5 SE2801, САSE2801, CA 1,1±0,11.1 ± 0.1 -- 0,12±0,060.12 ± 0.06 0,65±0,080.65 ± 0.08 54,4±0,1154.4 ± 0.11 42,98±0,0742.98 ± 0.07 SE2801, ММНSE2801, MMD -- -- -- -- 50,1±1,850.1 ± 1.8 50,0±2,350.0 ± 2.3 SE2841, САSE2841, CA 4,95±0,14.95 ± 0.1 0,5±0,140.5 ± 0.14 0,51±0,060.51 ± 0.06 0,31±0,080.31 ± 0.08 51,8±0,1151.8 ± 0.11 40,18±0,0740.18 ± 0.07 SE2841, ММНSE2841, MMD 7,0±1,77.0 ± 1.7 -- -- -- 47,3±3,547.3 ± 3.5 43,2±2,943.2 ± 2.9 SE2840, САSE2840, CA 66,2±0,166.2 ± 0.1 16,25±0,1416.25 ± 0.14 4,65±0,064.65 ± 0.06 1,87±0,081.87 ± 0.08 3,02±0,113.02 ± 0.11 -- SE2840, ММНSE2840, MMN 52,2±3,452.2 ± 3.4 28,1±3,028.1 ± 3.0 -- 2,8±1,32.8 ± 1.3 8,6±3,08.6 ± 3.0 -- SE2870, САSE2870, CA 73,16±0,173.16 ± 0.1 13,34±0,1413.34 ± 0.14 2,79±0,062.79 ± 0.06 0,81±0,080.81 ± 0.08 2,38±0,112.38 ± 0.11 -- SE2870, ММНSE2870, MMD 65,4±5,865.4 ± 5.8 23,4±4,023.4 ± 4.0 -- 4,2±1,34.2 ± 1.3 -- 4,0±2,84.0 ± 2.8 SE2786, САSE2786 SA 73,13±0,173.13 ± 0.1 14,06±0,1414.06 ± 0.14 2,36±0,062.36 ± 0.06 0,53±0,080.53 ± 0.08 3,58±0,113.58 ± 0.11 0,51±0,070.51 ± 0.07 SE2786, ММНSE2786, MMD 62,7±4,362.7 ± 4.3 19,8±2,919.8 ± 2.9 5,5±1,75.5 ± 1.7 2,3±0,92.3 ± 0.9 8,3±2,98.3 ± 2.9 -- SE2800, САSE2800, CA 62,31±0,162.31 ± 0.1 17,05±0,1417.05 ± 0.14 6,54±0,066.54 ± 0.06 2,34±0,082.34 ± 0.08 3,72±0,113.72 ± 0.11 -- SE2800, ММНSE2800, MMD 54,5±3,954.5 ± 3.9 21,0±2,821.0 ± 2.8 5,7±1,95.7 ± 1.9 5,4±0,45.4 ± 0.4 12,6±3,212.6 ± 3.2 --

[0154] Сравнение данных по измерениям проб с использованием ДВИН-1 с контрольными результатами силикатного анализа показало в целом хорошую сопоставимость результатов. Для некоторых проб значения концентраций оксидов, полученных двумя методами ММН и СА, совпадали в пределах 3σ. В ряде проб отличия в концентрациях оксидов, полученных двумя методами ММН и СА, были более значимы. Это неудивительно, поскольку никакой пробоподготовки для измерений с ДВИН-1 не проводилось, в отличие от приготовления проб для силикатного анализа. Тем не менее, вопрос о величине систематических ошибок метода ММН потребовал отдельного изучения. Необходимо было выполнить многократные измерения сертифицированных образцов.[0154] Comparison of sample measurement data using DVIN-1 with the control results of silicate analysis showed a generally good comparability of the results. For some samples, the concentrations of oxides obtained by the two methods of the MCM and SA coincided within 3σ. In a number of samples, the differences in the concentrations of oxides obtained by the two methods of the MCM and SA were more significant. This is not surprising, since no sample preparation for measurements with DVIN-1 was carried out, in contrast to the preparation of samples for silicate analysis. Nevertheless, the question of the magnitude of the systematic errors of the method of the MCM required a separate study. It was necessary to perform multiple measurements of certified samples.

[0155] Результаты, приведенные в Таблицах 2-6, дают представление о точности измерений. Хотелось бы отметить, что для настоящего анализа использовались данные только для центрального меченого пучка. Если же брать результаты по всем 9 пучкам, то ошибка определения концентрации уменьшается, в среднем, в два раза.[0155] The results in Tables 2-6 give an indication of the accuracy of the measurements. It should be noted that for the present analysis only data for the central tagged beam were used. If we take the results for all 9 beams, then the error in determining the concentration decreases, on average, twice.

[0156] Основной результат проведенных испытаний состоит в том, что измерения по методу меченых нейтронов правильно воспроизвели все основные характеристики исследуемых пород. Так, измерения по ММН правильно воспроизвели элементный состав кальцитовых, доломитовых мраморов и кальцифиров (мраморов с примесью силикатных минералов): в кальцитовых мраморах фиксируются незначительные содержания Mg и Si, в доломитовых мраморах значительно снижается количество Ca и появляются значимые концентрации Mg, в кальцифирах наблюдается повышенное содержание Si (см. Таблицы 1-3). В амфиболитах содержание Si составляет 18-20%, фиксируются повышенные концентрации Fe, Mg, Ca, что характерно для пород основного состава (Таблица 5). В гнейсах содержание кремния выше, чем в амфиболитах (25-30% Si) при весьма низких концентрациях Ca и Mg (Таблица 4). Результаты ММН правильно показали отсутствие углерода в обеих группах силикатных пород.[0156] The main result of the tests is that measurements using the tagged neutron method correctly reproduced all the main characteristics of the studied rocks. For example, measurements by the MCM correctly reproduced the elemental composition of calcite, dolomite marbles and calciphyres (marbles with admixture of silicate minerals): in calcite marbles insignificant contents of Mg and Si are recorded, in dolomite marbles the amount of Ca is significantly reduced and significant concentrations of Mg appear, in calcipher there is an increased Si content (see Tables 1-3). In amphibolites, the Si content is 18–20%, and elevated concentrations of Fe, Mg, Ca are recorded, which is typical of basic composition rocks (Table 5). Silicon content in gneisses is higher than in amphibolites (25-30% Si) with very low concentrations of Ca and Mg (Table 4). The results of the MCM correctly showed the absence of carbon in both groups of silicate rocks.

[0157] Таким образом, результаты измерений в полевых условиях показали, что детекторы на основе ММН могут быть успешно использованы для определения Si, Al, Fe, Mg, Ca, C и их окислов в горных породах. Однако следует подчеркнуть, что метод ММН не обязательно служит альтернативой традиционным методам анализа, а может эффективно использоваться при необходимости оперативного определения элементного состава горных пород. Использование детекторов ММН позволяет в полевых условиях получить относительно точный результат после 15-20 минут облучения. Для повышения точности измерений методом ММН следует повысить длительность времени набора статистики событий, например, до 30-60 минут (1 часа) или более.[0157] Thus, the results of measurements in the field have shown that detectors based on MCM can be successfully used to determine Si, Al, Fe, Mg, Ca, C and their oxides in rocks. However, it should be emphasized that the method of MCM does not necessarily serve as an alternative to traditional methods of analysis, but can be effectively used when it is necessary to determine the elemental composition of rocks promptly. The use of detectors MCM allows in the field to get a relatively accurate result after 15-20 minutes of irradiation. To improve the accuracy of measurements using the MCM method, one should increase the duration of the collection of event statistics, for example, to 30-60 minutes (1 hour) or more.

[0158] Востребованность экспресс-анализа состава горных пород наиболее вероятна при определении положения горных выработок (карьеры, шахты, штольни) на действующих и разведываемых месторождениях и рудопроявлениях. [0158] The demand for express analysis of the composition of rocks is most likely when determining the position of mine workings (quarries, mines, tunnels) in existing and explored deposits and ore occurrences.

[0159] Полученные методом ММН результаты по элементному составу различных групп горных пород полностью согласуются с выявленными минералого-петрографическими признаками.[0159] The results obtained by the MCM method for the elemental composition of various groups of rocks are fully consistent with the identified mineralogical and petrographic features.

[0160] Поскольку определение элементного состава горных пород с помощью ММН в полевых условиях проводилось впервые в мировой практике, несомненно, будут проведены дальнейшие исследования по отработке методики на эталонных образцах с известным содержанием компонентов. Целесообразно обратить особое внимание на определение содержаний рудных компонентов (S, Ni, Pb, Cu, Zn, Zr) для использования прибора в геолого-разведочных работах.[0160] Since the determination of the elemental composition of rocks with the help of the MCM in field conditions was carried out for the first time in world practice, further research will undoubtedly be carried out on the development of methods on reference samples with a known content of components. It is advisable to pay special attention to the determination of the contents of ore components (S, Ni, Pb, Cu, Zn, Zr) for use of the device in geological exploration.

[0161] Метод меченых нейтронов имеет хорошие перспективы для использования в геологической практике при анализе образцов пород. Преимуществом метода является его экспрессность, отсутствие требований для пробоподготовки, возможность определения элементного состава внутри породы на значительной толщине, возможность определения вариаций компонентов в объеме породы непосредственно на объектах разведки или добычи полезных ископаемых.[0161] The tagged neutron method has good prospects for use in geological practice in analyzing rock samples. The advantage of the method is its rapidity, the absence of requirements for sample preparation, the possibility of determining the elemental composition within the rock at a considerable thickness, the ability to determine the variations of components in the volume of the rock directly at the sites of exploration or mining.

Экспериментальная часть ВExperimental Part B

[0162] На фиг. 36 приведен еще один экспериментальный пример энергетического спектра образца апатит-нефелиновой руды и результата его аппроксимации, где также показаны вклады от спектров различных химических элементов.[0162] FIG. 36 shows another experimental example of the energy spectrum of an apatite-nepheline ore sample and the result of its approximation, which also shows the contributions from the spectra of various chemical elements.

[0163] Важным отличием предлагаемых в изобретении устройства и способа определения элементного состава образца, т.е. конкретных концентраций входящих в состав образца химических элементов, является особый отбор событий, использующий информацию о временном распределении событий альфа-гамма совпадений. [0163] An important difference of the device and method for determining the elemental composition of the sample, i.e. specific concentrations of the constituent chemical elements, is a special selection of events, using information about the temporal distribution of events alpha-gamma coincidences.

[0164] На фиг. 37 показаны примеры временных спектров альфа-гамма совпадений, получающихся при облучении образца апатит-нефелиновой руды. Они состоят из плато случайных совпадений и пика от гамма-квантов, возникающих при облучении образца мечеными нейтронами. В обычном методе нейтронно-активационного анализа (НАА) нет возможности разделить события от образца и от внешнего фона, поскольку информация о временном распределении событий отсутствует. В методе меченых нейтронов (ММН) можно выделить гамма-излучение только от ядер элементов самого образца. Поэтому для определения концентрации элементов в образце отбираются только события внутри интервала времени (временного окна), показанного на фиг. 37 двумя сплошными вертикальными линиями. В данном случае этот интервал составляет 6 нс. Этот прием особого отбора событий позволяет резко снизить уровень фона и лучше выделить полезный сигнал именно от исследуемого образца. Применение данного приема для апатит-нефелиновой руды позволило увеличить отношение сигнал/фон в 176 раз.[0164] FIG. 37 shows examples of temporal spectra of alpha-gamma coincidences, obtained by irradiating a sample of apatite-nepheline ore. They consist of a plateau of random coincidences and a peak from gamma-quanta arising when the sample is irradiated with labeled neutrons. In the usual method of neutron activation analysis (NAA) there is no possibility to separate events from the sample and from the external background, since there is no information on the temporal distribution of events. In the method of tagged neutrons (MCM), gamma radiation can only be isolated from the nuclei of the elements of the sample itself. Therefore, to determine the concentration of elements in a sample, only events within the time interval (time window) shown in FIG. 37 two solid vertical lines. In this case, this interval is 6 ns. This method of special selection of events makes it possible to sharply reduce the background level and to better isolate the useful signal from the sample under study. The use of this technique for apatite-nepheline ore made it possible to increase the signal-to-background ratio by a factor of 176.

[0165] Помимо фона случайных совпадений имеется и так называемый корреляционный фон, который непосредственно связан с измеряемым объектом и обусловлен рассеянием нейтронов на веществе образца. Поскольку скорость полета нейтрона меньше скорости гамма-кванта, то во временном распределении пик от таких событий появляется при более поздних временах, чем пик от гамма-квантов характеристического излучения. Двугорбая структура временного спектра хорошо видна на фиг. 37. Поэтому важной особенностью предлагаемого изобретения является алгоритм определения временного окна, внутри которого производится анализ энергетического спектра образца. [0165] In addition to the background of random coincidences, there is a so-called correlation background, which is directly related to the object being measured and is due to neutron scattering on the sample material. Since the neutron flight speed is lower than the gamma quantum speed, then in the time distribution the peak from such events appears at later times than the peak from the gamma quanta of characteristic radiation. The two-humped time spectrum structure is clearly visible in FIG. 37. Therefore, an important feature of the present invention is the algorithm for determining the time window within which the energy spectrum of the sample is analyzed.

[0166] Другим важным отличием метода, как уже упоминалось выше, является использование быстрых нейтронов с энергией порядка 14 МэВ. Это дает возможность корректного определения массовой концентрации химических элементов в образцах большой крупности (например, 100-300 мм) и большой массы (например, несколько кг) без какой-либо пробоподготовки. С физической точки зрения этот результат закономерен: энергия нейтронов 14 МэВ вполне достаточна для того, чтобы возбудить ядра вещества толщиной 100-300 мм. Энергия гамма-квантов характеристического излучения также высока и составляет 0,5-7 МэВ. Это позволяет гамма-квантам достаточно свободно выходить из вещества образца и попадать в детектор гамма-излучения.[0166] Another important difference of the method, as mentioned above, is the use of fast neutrons with an energy of about 14 MeV. This makes it possible to correctly determine the mass concentration of chemical elements in samples of large size (for example, 100-300 mm) and large mass (for example, several kg) without any sample preparation. From a physical point of view, this result is logical: a 14 MeV neutron energy is quite sufficient to excite the nuclei of a substance 100-300 mm thick. The energy of the gamma-quanta of characteristic radiation is also high and amounts to 0.5–7 MeV. This allows gamma-quanta to leave the sample substance freely enough to enter the gamma-ray detector.

[0167] Более того, в предлагаемых изобретением устройстве и способе определения элементного состава образцов важную роль представляется калибровка спектров по энергиям. Она позволяет в автоматическом режиме вносить коррекцию в измеренные спектры зарегистрированного характеристического гамма-излучения при каждом измерении каждого образца. То есть, для каждого измерения амплитудные распределения приводятся к распределениям, полученным при некоторых фиксированных условиях. Тем самым существенно снижается систематическая ошибка и повышается стабильность измерений во времени. [0167] Moreover, in the device according to the invention and in the method for determining the elemental composition of samples, the calibration of spectra by energy is important. It allows you to automatically make a correction to the measured spectra of the registered characteristic gamma radiation with each measurement of each sample. That is, for each measurement, the amplitude distributions are reduced to distributions obtained under certain fixed conditions. This significantly reduces the systematic error and increases the stability of measurements over time.

[0168] Энергетическая калибровка проводится для каждого измерения. Для нее используются данные о положении 6 линий элементов, которые извлекаются из показанного на фиг. 37 временного окна спектра альфа-гамма совпадений. Для энергетической калибровки отбираются события, находящиеся вне показанного и выделенного вертикальными линиями на фиг. 37 пика от гамма-квантов от образца. По своей физической природе эти события чаще всего возникают при облучении нейтронами материала биологической защиты 6 нейтронного блока 1 (см. фиг. 3). Поскольку биологическая защита 6 всегда присутствует в процессе измерений, наличие 6 реперных линий всегда гарантировано.[0168] Energy calibration is performed for each measurement. It uses data on the position of 6 lines of elements, which are extracted from the one shown in FIG. 37 time window spectrum alpha-gamma coincidence. For energy calibration, events are selected that are outside of the shown and highlighted vertical lines in FIG. 37 peaks from gamma rays from the sample. By their physical nature, these events most often occur during neutron irradiation of the material of biological protection 6 of the neutron unit 1 (see Fig. 3). Since biological protection 6 is always present in the measurement process, the presence of 6 reference lines is always guaranteed.

[0169] Для получения значения массовой концентрации химического элемента в образце большой массы и большой крупности (до размера 300 мм) проводится двойное преобразование полученного значения аналитического сигнала устройства по изобретению. Рассмотрим это на примере определения пятиокиси фосфора в апатит-нефелиновой руде. Соответствующий график корреляционной связи показан на фиг. 38.[0169] To obtain the value of the mass concentration of a chemical element in a sample of large mass and large size (up to a size of 300 mm), a double conversion of the obtained value of the analytical signal of the device according to the invention is carried out. Consider this on the example of the determination of phosphorus pentoxide in apatite-nepheline ore. The corresponding correlation plot is shown in FIG. 38

[0170] Пробу весом 5 кг и крупностью -100 мм, непосредственно взятая из карьера, без какой-либо пробоподготовки, измеряли на устройстве по изобретению. Затем пробу дробили до крупности -3 мм и их сигналы сравнивали. На основе этих данных была получена зависимость №1:[0170] A sample weighing 5 kg and a particle size of -100 mm, taken directly from the quarry, without any sample preparation, was measured on the device according to the invention. Then the sample was crushed to a particle size of -3 mm and their signals were compared. Based on these data, the dependence №1 was obtained:

Y-3mm = a1 + b1·X-100mm (23).Y -3mm = a 1 + b 1 · X -100mm (23).

[0171] Аналитический сигнал от образцов малой крупности (-3 мм), измеренных на устройстве по изобретению, сравнивали с контрольными результатами химического анализа данных образцов. На основе этих данных была построена градуировочная зависимость №2:[0171] The analytical signal from samples of small size (-3 mm), measured on the device according to the invention, was compared with the control results of chemical analysis of these samples. Based on these data, the calibration dependence No. 2 was constructed:

YХА = a2 + b2·X-3mm (24). Y HA = a 2 + b 2 · X -3mm (24).

[0172] Пример такой градуировочной зависимости показан на фиг. 39.[0172] An example of such a calibration dependence is shown in FIG. 39

[0173] Зная коэффициенты в уравнениях типа (23) и (24), можно провести определение концентрации химических элементов в любом образце руды необходимой массы и крупности. [0173] Knowing the coefficients in equations of type (23) and (24), it is possible to determine the concentration of chemical elements in any sample of ore of the required mass and fineness.

[0174] В этом конкретном варианте воплощения изобретения относительная точность определения концентрации пятиокиси фосфора в апатит-нефелиновой руде была меньше 5% на уровне достоверности Р=0,95. При этом следует отметить, что точность определения можно при необходимости повысить путем увеличения времени измерений (длительности набора статистики событий), числа гамма-детекторов и повышения интенсивности нейтронного генератора. [0174] In this particular embodiment of the invention, the relative accuracy of determining the concentration of phosphorus pentoxide in apatite-nepheline ore was less than 5% at a confidence level of P = 0.95. It should be noted that, if necessary, the accuracy of the determination can be improved by increasing the measurement time (the duration of the collection of event statistics), the number of gamma detectors and increasing the intensity of the neutron generator.

Экспериментальная часть ГExperimental part G

1. Разложение спектров оксидов на элементы1. The decomposition of the spectra of oxides into elements

[0175] На фиг. 40 приведен спектр гамма-квантов от облучения образца Al2O3 быстрыми мечеными нейтронами, где экспериментальные данные показаны крестиками, а сплошной линией показан результат фита. Штриховая линия отражает вклад спектра кислорода, штрихпунктирная линия с двумя точками – вклад спектра алюминия. Фит определил долю атомов алюминия nAl = 0,4 ± 0,002 и долю атомов кислорода nO = 0,6 ± 0,003. Это хорошо согласуется с химической формулой оксида алюминия.[0175] FIG. 40 shows the spectrum of gamma rays from the irradiation of an Al 2 O 3 sample with fast labeled neutrons, where the experimental data are shown with crosses, and the solid line shows the result of the fit. The dashed line reflects the contribution of the spectrum of oxygen, the dash-dotted line with two points represents the contribution of the spectrum of aluminum. Fit determined the fraction of aluminum atoms n Al = 0.4 ± 0.002 and the fraction of oxygen atoms n O = 0.6 ± 0.003. This agrees well with the chemical formula of alumina.

[0176] Стоит отметить, что настройка сечений алюминия выполнялась по образцу из химически чистого алюминия, поэтому правильное разложение спектра оксида алюминия на элементы является проверкой метода в целом.[0176] It is worth noting that the adjustment of the cross sections of aluminum was performed on a sample of chemically pure aluminum, so correct decomposition of the spectrum of aluminum oxide into elements is a test of the method as a whole.

[0177] На фиг. 41 приведен спектр гамма-квантов от облучения образца CaCO3 быстрыми нейтронами, где экспериментальные данные показаны крестиками, сплошной линией показан результат фита, штриховая линия показывает вклад кислорода, пунктирная линия – вклад углерода, штрихпунктирная линия с двумя точками – вклад кальция. Фит определил долю атомов кальция пCa = 0,206 ± 0,001, долю атомов углерода пC = 0,196 ± 0,002 и долю атомов кислорода nO = 0,597 ± 0,003. Видно, что соотношения между атомами Ca и C воспроизводятся очень хорошо, тогда как вклад атомов кислорода несколько недооценен, на величину меньше двух статистических ошибок.[0177] FIG. 41 shows the spectrum of gamma rays from the irradiation of CaCO 3 with fast neutrons, where experimental data are shown with crosses, the full line shows the fit result, the dashed line shows the oxygen contribution, the dotted line shows carbon, the dash-dotted line with two points shows calcium. Fit determined the proportion of calcium atoms n Ca = 0.206 ± 0.001, the proportion of carbon atoms n C = 0.196 ± 0.002 and the proportion of oxygen atoms n O = 0.597 ± 0.003. It can be seen that the ratios between the atoms of Ca and C are reproduced very well, whereas the contribution of oxygen atoms is somewhat underestimated, by an amount less than two statistical errors.

[0178] Аналогичное разложения спектра ацетона C3H6O привело к следующему соотношению между атомами C и O: доля атомов углерода nC = 0,732 ± 0,005 и доля атомов кислорода nO = 0,237 ± 0,002.[0178] A similar decomposition of the spectrum of acetone C 3 H 6 O resulted in the following ratio between C and O atoms: the proportion of carbon atoms n C = 0.732 ± 0.005 and the proportion of oxygen atoms n O = 0.237 ± 0.002.

2. Определение элементного состава горных пород2. Determination of the elemental composition of rocks

[0179] Для определения элементного состава веществ, состоящих из нескольких элементов, были изучены 8 геологических проб с известным элементным составом, взятых в ходе работ на Ольхонском геодинамическом полигоне. Пробы представляли собой порошок в картонных конвертах. Масса отдельной пробы составляла от 300 до 600 г. Время измерения проб составляло 30 мин. Специфика контрольного химического анализа в данном случае состояла в том, что определялись относительные концентрации оксидов, а не первичных элементов. Поэтому мы использовали два способа представления результатов: сравнение концентраций элементов и сравнение концентраций оксидов.[0179] To determine the elemental composition of substances consisting of several elements, 8 geological samples with a known elemental composition, taken during work at the Olkhonsky geodynamic test site, were studied. Samples consisted of powder in cardboard envelopes. The mass of a single sample ranged from 300 to 600 g. The sample measurement time was 30 minutes. The specificity of the control chemical analysis in this case was that the relative concentrations of oxides, and not the primary elements, were determined. Therefore, we used two methods of presenting the results: comparing the concentrations of elements and comparing the concentrations of oxides.

2.1. Сравнение концентраций оксидов2.1. Comparison of oxide concentrations

[0180] Для сравнения с данными контрольного химического анализа проб, которые были представлены в виде процентного содержания различных оксидов, был применен метод построения калибровочных кривых. Пример таких кривых приведен на фиг. 42 и фиг. 43.[0180] For comparison with the data of the control chemical analysis of samples that were presented as the percentage of various oxides, the method of constructing calibration curves was applied. An example of such curves is shown in FIG. 42 and FIG. 43.

[0181] Каждое из 8 измерений на этих графиках представлено в виде точки, абсцисса которой соответствует значению параметра фита (атомарной концентрации элемента), а ордината – значению массовой концентрации оксидов, определенному с помощью контрольного химического анализа. Видно, что результаты всех измерений с хорошей точностью ложатся на прямые линии. Отклонения отдельных измерений от прямой линии не превышают 1-2%. Это указывает на то, что процедура фитирования правильно определяет иерархию содержания данного элемента в исследуемом образце.[0181] Each of the 8 measurements on these graphs is represented as a point, the abscissa of which corresponds to the value of the fit parameter (atomic concentration of the element), and the ordinate to the value of the mass concentration of oxides, determined using the control chemical analysis. It is seen that the results of all measurements with good accuracy fall on straight lines. Deviations of individual measurements from a straight line do not exceed 1-2%. This indicates that the fitting procedure correctly defines the hierarchy of the content of a given element in the sample under study.

[0182] Величины относительных концентраций различных оксидов, пересчитанные с помощью калибровочных кривых, приведены в Таблице 7.[0182] The magnitudes of the relative concentrations of the various oxides, calculated using the calibration curves, are shown in Table 7.

[0183] Здесь для каждого образца приведено два значения. Первое значение, считающееся без экспериментальных ошибок, соответствует контрольному результату химического анализа. Второе значение, помеченное ММН, соответствует результату измерений способом по изобретению. Видно, что по всем элементам имеется хорошее согласие, результаты измерений методом ММН отличаются от контрольных результатов химического анализа не более, чем на 1-2%.[0183] Here, two values are given for each sample. The first value, which is considered without experimental errors, corresponds to the control result of chemical analysis. The second value, labeled with MCM, corresponds to the measurement result by the method of the invention. It can be seen that there is good agreement on all elements, the results of measurements by the method of MCM differ from the control results of chemical analysis by no more than 1-2%.

2.2. Сравнение концентраций различных элементов2.2. Comparison of concentrations of various elements

[0184] Исходными величинами, определяемыми в результате фитирования, являются относительные атомные концентрации отдельных элементов. Их величины приведены в Таблице 8. В первой строке этой таблицы приведены контрольные результаты химического анализа, пересчитанные в концентрации элементов, во второй строке – результаты, полученные способом по изобретению с помощью ММН без учета калибровки, а в третьей строке – результаты, полученные способом по изобретению с помощью ММН с учетом калибровки.[0184] The initial values determined by fitting are the relative atomic concentrations of the individual elements. Their values are given in Table 8. The first line of this table shows the control results of chemical analysis, recalculated in the concentration of elements, in the second line - the results obtained by the method according to the invention using the MCM without calibration, and in the third line - the results obtained by the method invention using MCM with regard to calibration.

[0185] Видно, что результаты, полученные способом по изобретению методом ММН с калибровкой, находятся ближе к контрольным результатам химического анализа. Однако данные, полученные при непосредственном фитировании, вполне удовлетворительно описывают общее соотношение между элементами в образцах.[0185] It can be seen that the results obtained by the method of the invention using the MCM calibration method are closer to the control results of chemical analysis. However, the data obtained by direct fitting quite satisfactorily describe the overall ratio between the elements in the samples.

[0186] Точность определения элементного состава находится на уровне 1-1,5% для концентраций элементов на уровне 0,2-0,5.[0186] The accuracy of the elemental composition determination is 1–1.5% for element concentrations of 0.2–0.5.

Таблица 7: Массовые доли оксидов согласно химическому анализу и определенные по изобретению в результате фитирования. Для каждого образца в первой строке приведены результаты химического анализа, во второй строке – результаты, полученные способом по изобретению с помощью ММН. В качестве кальцифира был форстерит-шпинелевый кальцифир с тажеранитом. Кальцитовый мрамор-1 – образец кальцитового мрамора с форстеритом и графитом. Кальцитовый мрамор-2 – образец кальцитового мрамора с графитом. Table 7 : Mass fraction of oxides according to chemical analysis and determined according to the invention as a result of fitting. For each sample, the first line shows the results of chemical analysis, the second line shows the results obtained by the method according to the invention using the MCM. As calciphyr was forsterite-spinel calcipher with tazheranit. Calcite marble-1 - a sample of calcite marble with forsterite and graphite. Calcite marble-2 - a sample of calcite marble with graphite.

SiO2 SiO 2 MgOMgO FeOFeo Al2O3 Al 2 O 3 СаОCao СО2 CO 2 13А142 габбро флогопитовое13А142 gabbro phlogopite 0,54310.5431 0,05360.0536 0,078510.07851 0,1670.167 0,09840.0984 0,00060.0006 ММНMMN 0,527 ± 0,0070.527 ± 0.007 0,046 ± 0,0040.046 ± 0.004 0,071 ± 0,0060.071 ± 0.006 0,186 ± 0,0060.186 ± 0.006 0,065 ± 0,0080.065 ± 0.008 0,005 ± 0,0050,005 ± 0,005 13А243 габбро метасоматизированное13A243 gabbro metasomatized 0,46980.4698 0,06570.0657 0,068470.06847 0,18520.1852 0,17340.1734 0,00070.0007 ММНMMN 0,471 ± 0,0070.471 ± 0.007 0,077 ± 0,0040.077 ± 0.004 0,058 ± 0,0060.058 ± 0.006 0,171 ± 0,0070.171 ± 0.007 0,169 ± 0,0090.169 ± 0.009 0,013 ± 0,0060.013 ± 0.006 13А254 габбро метасоматизированное13A254 gabbro metasomatized 0,46780.4678 0,05480.0548 0,042180.04218 0,21420.2142 0,18820.1882 0,00680,0068 ММНMMN 0,466 ± 0,0050.466 ± 0.005 0,068 ± 0,0030.068 ± 0.003 0,039 ± 0,0040.039 ± 0.004 0,191 ± 0,0050.191 ± 0.005 0,200 ± 0,0070,200 ± 0,007 0,000 ± 0,0040,000 ± 0,004 AS229C трахидолеритAS229C trachydolerite 0,47780.4778 0,05370.0537 0,133520.13352 0,14440.1444 0,09650.0965 0,00110,0011 ММНMMN 0,483 ± 0,0060.483 ± 0.006 0,037 ± 0,0030.037 ± 0.003 0,139 ± 0,0050.139 ± 0.005 0,155 ± 0,0050.155 ± 0.005 0,103 ± 0,0070.103 ± 0.007 0,017 ± 0,0040.017 ± 0.004 SE2536A метапорфиритSE2536A metaphoritis 0,50460.5046 0,03830.0383 0,125860.12586 0,14350.1435 0,07930.0793 0,00130,0013 ММНMMN 0,530 ± 0,0050.530 ± 0.005 0,051 ± 0,0030.051 ± 0.003 0,128 ± 0,0040.128 ± 0.004 0,163 ± 0,0050.163 ± 0.005 0,075 ± 0,0070.075 ± 0.007 0,000 ± 0,0040,000 ± 0,004 SE2699C кальцифирSE2699C Calcifer 0,1380.138 0,21470.2147 0,008850,00885 0,04640.0464 0,31110.3111 0,22910,2291 ММНMMN 0,127 ± 0,0030.127 ± 0.003 0,214 ± 0,0020,214 ± 0,002 0,022 ± 0,0030.022 ± 0.003 0,037 ± 0,0030.037 ± 0.003 0,326 ± 0,0050.326 ± 0.005 0,214 ± 0,0030,214 ± 0,003 SE2357-6 кальцитовый мрамор-1SE2357-6 calcite marble-1 0,04670.0467 0,02650.0265 0,003620.00362 0,00150,0015 0,51380.5138 0,33790.3379 ММНMMN 0,050 ± 0,0030.050 ± 0.003 0,022 ± 0,0030.022 ± 0.003 0,011 ± 0,0040.011 ± 0.004 0,001 ± 0,0230,001 ± 0,023 0,514 ± 0,0080.514 ± 0.008 0,338 ± 0,0060.338 ± 0.006 SE2365A кальцитовый мрамор-2SE2365A calcite marble-2 0,0090,009 0,00160,0016 0,00380,0038 0,00250,0025 0,55020.5502 0,33790.3379 ММНMMN 0,010 ± 0,0020.010 ± 0.002 0,000 ± 0,0030,000 ± 0,003 0,000 ± 0,0050,000 ± 0,005 0,006 ± 0,0040,006 ± 0,004 0,530 ± 0,0080.530 ± 0.008 0,361 ± 0,0050.361 ± 0.005

Таблица 8: Относительные атомные концентрации согласно химическому анализу и полученные способом по изобретению методом ММН в результате фитирования. Для каждого образца в первой строке приведены контрольные результаты химического анализа, во второй строке – результаты, полученные способом по изобретению с помощью ММН без учета калибровки (обозначены «raw»), в третьей строке – результаты, полученные способом по изобретению с помощью ММН с учетом калибровки (обозначены «calib»). Table 8 : Relative atomic concentrations according to chemical analysis and obtained by the method of the invention using the MCM method as a result of fitting. For each sample, the first line shows the control results of chemical analysis, the second line shows the results obtained by the method according to the invention using the MCM without calibration (marked “raw”), the third line shows the results obtained by the method according to the invention using the MCM taking into account calibration (labeled "calib").

SiSi MgMg FeFe AlAl CaCa TiTi СWITH OO 13A14213A142 0,2660.266 0,0340.034 0,0640.064 0,0930.093 0,0740.074 0,0060,006 0,0000,000 0,4590.459 rawraw 0,236±0,0030,236 ± 0,003 0,020±0,0010.020 ± 0.001 0,059±0,0030.059 ± 0.003 0,093±0,0030.093 ± 0.003 0,042±0,0060.042 ± 0.006 0,034±0,0050.034 ± 0.005 0,011±0,0020.011 ± 0.002 0,505±0,0050,505 ± 0,005 calibcalib 0,258±0,0040,258 ± 0,004 0,028±0,0020.028 ± 0.002 0,058±0,0050.058 ± 0.005 0,103±0,0040.103 ± 0.004 0,045±0,0070.045 ± 0.007 0,026±0,0090.026 ± 0.009 0,001±0,0020,001 ± 0,002 0,476±0,0050.476 ± 0.005 13A24313A243 0,2260,226 0,04070.0407 0,0550.055 0,1010.101 0,1270.127 0,0040,004 0,0000,000 0,4430.443 rawraw 0,208±0,0030,208 ± 0,003 0,031±0,0010.031 ± 0.001 0,050±0,0030.050 ± 0.003 0,085±0,0040.085 ± 0.004 0,112±0,0060.112 ± 0.006 0,011±0,0070.011 ± 0.007 0,013±0,0020.013 ± 0.002 0,489±0,0050.489 ± 0.005 calibcalib 0,230±0,0030,230 ± 0,003 0,048±0,0030.048 ± 0.003 0,047±0,0050,047 ± 0,005 0,095±0,0050.095 ± 0.005 0,126±0,0080.126 ± 0.008 0,002±0,0080,002 ± 0,008 0,003±0,0020,003 ± 0,002 0,466±0,0050.466 ± 0.005 13A25413A254 0,2230,223 0,0340.034 0,0330.033 0,1160.116 0,1370.137 0,0020,002 0,0020,002 0,4490.449 rawraw 0,206±0,0030.206 ± 0.003 0,028±0,0010.028 ± 0.001 0,040±0,0030.040 ± 0.003 0,093±0,0030.093 ± 0.003 0,133±0,0040.133 ± 0.004 0,002±0,0050,002 ± 0,005 0,009±0,0010,009 ± 0,001 0,489±0,0040.489 ± 0.004 calibcalib 0,229±0,0030,229 ± 0,003 0,042±0,0020.042 ± 0.002 0,032±0,0050.032 ± 0.005 0,104±0,0040.104 ± 0.004 0,150±0,0060.150 ± 0.006 0,000±0,0060,000 ± 0,006 0,000±0,0010.000 ± 0.001 0,466±0,0040.466 ± 0.004 AS229CAS229C 0,2360.236 0,0340.034 0,1100.110 0,0810.081 0,0730.073 0,0260.026 0,0000,000 0,4350.435 rawraw 0,209±0,0030,209 ± 0,003 0,016±0,0010.016 ± 0.001 0,096±0,0030.096 ± 0.003 0,075±0,0030.075 ± 0.003 0,067±0,0060.067 ± 0.006 0,040±0,0040.040 ± 0.004 0,014±0,0010.014 ± 0.001 0,483±0,0040.483 ± 0.004 calibcalib 0,236±0,0030,236 ± 0,003 0,022±0,0020.022 ± 0.002 0,115±0,0060.115 ± 0.006 0,086±0,0030.086 ± 0.003 0,076±0,0070.076 ± 0.007 0,034±0,0090.034 ± 0.009 0,005±0,0010,005 ± 0,001 0,469±0,0040.469 ± 0.004 SE2536ASE2536A 0,2550.255 0,0250.025 0,1060.106 0,0820.082 0,0610.061 0,0210.021 0,0000,000 0,4450.445 rawraw 0,233±0,0030.233 ± 0.003 0,022±0,0010.022 ± 0.001 0,092±0,0030.092 ± 0.003 0,080±0,0030.080 ± 0.003 0,049±0,0040.049 ± 0.004 0,016±0,0050.016 ± 0.005 0,007±0,0010,007 ± 0,001 0,501±0,0040.501 ± 0.004 calibcalib 0,259±0,0040,259 ± 0,004 0,032±0,0020.032 ± 0.002 0,107±0,0060.107 ± 0.006 0,090±0,0040.090 ± 0.004 0,054±0,0060.054 ± 0.006 0,007±0,0070,007 ± 0,007 0,000±0,0010.000 ± 0.001 0,479±0,0040.479 ± 0.004 SE2699CSE2699C 0,0670.067 0,1360.136 0,0070,007 0,0260.026 0,2330.233 0,0000,000 0,0660.066 0,4600.460 rawraw 0,056±0,0010.056 ± 0.001 0,085±0,0010.085 ± 0.001 0,031±0,0030.031 ± 0.003 0,019±0,0010.019 ± 0.001 0,231±0,0040,231 ± 0,004 0,012±0,0020.012 ± 0.002 0,079±0,0010.079 ± 0.001 0,487±0,0050.487 ± 0.005 calibcalib 0,063±0,0020.063 ± 0.002 0,135±0,0030.135 ± 0.003 0,017±0,0050.017 ± 0.005 0,021±0,0020.021 ± 0.002 0,250±0,0070,250 ± 0,007 0,002±0,0040,002 ± 0,004 0,063±0,0010.063 ± 0.001 0,443±0,0050.443 ± 0.005 SE23576SE23576 0,0230.023 0,0170,017 0,0030,003 0,0010.001 0,3930.393 0,0000,000 0,0990.099 0,4590.459 rawraw 0,019±0,0010.019 ± 0.001 0,012±0,0010.012 ± 0.001 0,025±0,0030.025 ± 0.003 0,001±0,0120,001 ± 0,012 0,361±0,0060.361 ± 0.006 0,002±0,0050,002 ± 0,005 0,118±0,0020.118 ± 0.002 0,460±0,0060.460 ± 0.006 calibcalib 0,025±0,0020.025 ± 0.002 0,014±0,0020.014 ± 0.002 0,009±0,0050,009 ± 0,005 0,002±0,0130,002 ± 0,013 0,396±0,0100.396 ± 0.010 0,000±0,0060,000 ± 0,006 0,099±0,0020.099 ± 0.002 0,422±0,0050.422 ± 0.005 SE2365ASE2365A 0,0050,005 0,0010.001 0,0030,003 0,0010.001 0,4320.432 0,0000,000 0,1010.101 0,4510,451 rawraw 0,001±0,0010,001 ± 0,001 0,002±0,0010,002 ± 0,001 0,014±0,0030.014 ± 0.003 0,003±0,0010,003 ± 0,001 0,377±0,0060.377 ± 0.006 0,010±0,0050.010 ± 0.005 0,127±0,0020.127 ± 0.002 0,466±0,0050.466 ± 0.005 calibcalib 0,006±0,0020,006 ± 0,002 0,000±0,0020,000 ± 0,002 0,000±0,0050,000 ± 0,005 0,004±0,0020,004 ± 0,002 0,409±0,0100.409 ± 0.010 0,000±0,0060,000 ± 0,006 0,105±0,0020.105 ± 0.002 0,423±0,0050.423 ± 0.005

[0187] Следовательно, предложенные в изобретении устройство и способ определения элементного состава образцов самых различных материалов методом меченых нейтронов были успешно опробованы на практике. В частности, сравнение полученных методом ММН результатов определения элементного состава горных пород с контрольными значениями согласно данным химического анализа показывает, что эти значения находятся в хорошем согласии с учетом статистических погрешностей.[0187] Therefore, the proposed in the invention, the device and method for determining the elemental composition of samples of various materials by the method of labeled neutrons were successfully tested in practice. In particular, a comparison of the results of the determination of the elemental composition of rocks with the control values obtained by the MCMN method according to chemical analysis data shows that these values are in good agreement, taking into account statistical errors.

[0188] Таким образом, этап предварительной настройки и градуировки устройства по изобретению в способе по изобретению может предпочтительно включать в себя следующие стадии: [0188] Thus, the presetting and calibration step of the device according to the invention in the method according to the invention may preferably include the following steps:

(0-1) измеряют энергетические спектры отдельных химических элементов, которые предположительно присутствуют в образце и массовые концентрации которых предполагается оценить, с целью экспериментального определения парциальных сечений образования гамма-квантов с набором определенных энергий для каждого отдельного химического элемента;(0-1) measure the energy spectra of individual chemical elements that are presumably present in the sample and whose mass concentrations are supposed to be estimated in order to experimentally determine the partial cross sections for the formation of gamma quanta with a set of specific energies for each individual chemical element;

(0-2) описывают энергетический спектр гамма-квантов, полученный в результате облучения образца быстрыми нейтронами, в виде функционала, представляющего собой сумму трех слагаемых: функции, описывающей набор химических элементов, входящих в состав образца и соответствующих их спектрам отдельных гамма-линий; функции, описывающей континуум гамма-спектра; и функции, описывающей фоновый спектр событий, зарегистрированных гамма-детекторами;(0-2) describe the energy spectrum of gamma quanta obtained by irradiating a sample with fast neutrons, in the form of a functional that is the sum of three components: functions describing the set of chemical elements that make up the sample and the corresponding gamma lines for their spectra; functions describing the gamma spectrum continuum; and functions describing the background spectrum of events detected by gamma detectors;

(0-3) параметризуют энергетическую зависимость отклика гамма-детектора в соответствии с результатами моделирования методом Монте-Карло; (0-3) parameterize the energy dependence of the response of the gamma detector in accordance with the results of Monte-Carlo simulation;

(0-4) определяют континуум в непрерывном спектре гамма-квантов от каждого отдельного химического элемента как разность между измеренным экспериментальным спектром и суммой вкладов от спектров дискретных линий;(0-4) determine the continuum in the continuous spectrum of gamma rays from each individual chemical element as the difference between the measured experimental spectrum and the sum of the contributions from the spectra of discrete lines;

(0-5) проводят двойное преобразование полученного значения аналитического сигнала устройства для данного химического элемента (или его оксида) с получением значения массовой концентрации химического элемента в образце большой массы и большой крупности (до размера 300 мм);(0-5) conduct a double conversion of the obtained value of the analytical signal of the device for a given chemical element (or its oxide) with obtaining the value of the mass concentration of the chemical element in the sample of large mass and large size (up to the size of 300 mm);

(0-6) сравнивают аналитический сигнал устройства от образца большой массы и большой крупности с аналитическим сигналом устройства от того же образца, раздробленного до малой крупности, в результате чего получают зависимость №1 корреляционной связи этих сигналов;(0-6) compare the analytical signal of the device from the sample of large mass and large size with the analytical signal of the device from the same sample, crushed to small size, resulting in the dependence of the correlation connection of these signals No. 1;

(0-7) сравнивают аналитический сигнал от образца малой крупности с контрольными результатами химического анализа, в результате чего получают градуировочную зависимость №2 для образца малой крупности; и(0-7) compare the analytical signal from the sample of small size with the control results of chemical analysis, as a result of which get the calibration dependence No. 2 for the sample of small size; and

(0-8) получают в результате преобразования зависимостей №1 и №2 градуировочную зависимость для образца большой крупности.(0-8) receive as a result of transformation of dependences No. 1 and No. 2 calibration dependence for a sample of large size.

[0189] Предшествующее описание было приведено в виде различных вариантов воплощения или реализации настоящего изобретения. При этом следует понимать, что в такие варианты специалистом могут быть внесены многочисленные и различные модификации и изменения без отклонения от сущности настоящего изобретения, которая определяется исключительно прилагаемой формулой изобретения.[0189] The preceding description has been given in the form of various embodiments or implementations of the present invention. It should be understood that in such options specialist can be made numerous and various modifications and changes without deviating from the essence of the present invention, which is determined solely by the attached claims.

[0190] Так, например, конструктивный элемент устройства или этап способа, упомянутый здесь в единственном числе, следует понимать как не исключающий возможности наличия множественных элементов или этапов, если такое исключение не указано в явном виде или не следует из контекста. Кроме того, ссылки на «вариант воплощения» или «вариант реализации» не должны интерпретироваться как исключающие существование других вариантов, которые также включают в себя указанные признаки. Кроме того, если явно не указано иное, варианты, «включающие в себя», «содержащие» или «имеющие» некий элемент или множество элементов с неким конкретным свойством или признаком, могут включать в себя дополнительные элементы независимо от того, обладают ли они этим свойством или признаком.[0190] Thus, for example, a structural element of a device or a method step, mentioned here in the singular, should be understood as not excluding the possibility of the presence of multiple elements or steps, if such an exception is not explicitly indicated or follows from the context. In addition, references to an “embodiment of” or “an embodiment of” should not be interpreted as excluding the existence of other variants that also include the indicated features. In addition, unless explicitly stated otherwise, options “including”, “containing” or “having” some element or a plurality of elements with some specific property or attribute may include additional elements regardless of whether they have property or attribute.

[0191] Следует также отметить, что конкретная компоновка конструктивных элементов устройства по изобретению (например, их число, типы, размещение и т.п.) или конкретная последовательность этапов способа в проиллюстрированных вариантах воплощения может быть изменена на другие в различных альтернативных вариантах воплощения. В различных вариантах воплощения могут использоваться разные количества некоего данного модуля или блока, может использоваться другой тип или типы некоего данного модуля или блока, некий данный модуль или блок может быть добавлен, или же некий данный модуль или блок может быть исключен.[0191] It should also be noted that the specific arrangement of the structural elements of the device according to the invention (for example, their number, types, placement, etc.) or the specific sequence of steps of the method in the illustrated embodiments may be changed to others in various alternative embodiments. In various embodiments, different amounts of a given module or block may be used, another type or types of a given module or block may be used, a given module or block may be added, or a certain module or block may be excluded.

[0192] Следует четко понимать, что вышеприведенное описание предназначено для иллюстрации настоящего изобретения, а не для ограничения объема его охраны. Например, вышеописанные варианты воплощения (и/или их признаки) могут использоваться в любой комбинации друг с другом. В дополнение к этому, могут быть проделаны многочисленные модификации для адаптации одного конкретного варианта воплощения к сведениям из различных других вариантов воплощения без отступления от объема охраны изобретения. Размеры, типы, ориентации, число и положения различных описанных здесь конструктивных элементов предназначены характеризовать параметры считающихся предпочтительными в настоящее время вариантов воплощения и являются ни в коем случае не ограничивающими, а просто примерными вариантами. После рассмотрения вышеприведенного описания специалисту в данной области техники станут очевидными многочисленные другие варианты и модификации изобретения в рамках сущности и объема охраны изобретения. Следовательно, объем охраны должен определяться с учетом лишь формулы изобретения, наряду с полным объемом эквивалентов, на которые эта формула изобретения дает право.[0192] It should be clearly understood that the above description is intended to illustrate the present invention, and not to limit the scope of its protection. For example, the above described embodiments (and / or their features) can be used in any combination with each other. In addition to this, numerous modifications can be made to adapt one particular embodiment to information from various other embodiments without departing from the scope of protection of the invention. The sizes, types, orientations, number and positions of the various structural elements described here are intended to characterize the parameters that are currently considered to be preferred embodiments and are by no means limiting, but merely exemplary. After considering the above description, numerous other variations and modifications of the invention will become apparent to those skilled in the art within the spirit and scope of the invention. Therefore, the scope of protection should be determined taking into account only the claims, along with the full scope of equivalents to which this claim gives the right.

[0193] В настоящем описании и формуле изобретения термины «включающий», «включающий в себя», «содержащий», «имеющий», «снабженный» и другие их грамматические формы не предназначены для истолкования в исключительном смысле, а, напротив, используются в неисключительном смысле (т.е. в смысле «имеющий в своем составе»). В качестве исчерпывающего перечня следует рассматривать только выражения типа «состоящий из». Кроме того, термины «первый», «второй» и «третий» и т.д. используются просто как условные маркеры, не накладывая каких-либо численных или иных ограничений на перечисляемые объекты. [0193] In the present description and the claims, the terms "including", "including", "containing", "having", "equipped" and their other grammatical forms are not intended to be interpreted in an exceptional sense, but, on the contrary, are used in non-exclusive sense (i.e. in the sense of "having in its composition"). As an exhaustive list should be considered only expressions such as "consisting of". In addition, the terms "first", "second" and "third", etc. they are used simply as conditional markers, without imposing any numerical or other restrictions on the enumerated objects.

[0194] Перечень ссылочных обозначений на чертежах:[0194] List of reference symbols in the drawings:

1 – нейтронный блок1 - neutron unit

2 – блок гамма-детекторов2 - gamma detector unit

3 – система анализа данных3 - data analysis system

4 – рабочее место оператора4 - operator's workplace

5 – гамма-детекторы5 - gamma detectors

6 – биологическая защита 6 - biological protection

7 – приемный сосуд7 - receiving vessel

8 – нейтронный генератор со встроенным альфа-детектором 8 - neutron generator with built-in alpha detector

9 – конвейер подачи образцов.9 - sample conveyor.

Claims (23)

1. Устройство для определения элементного состава образцов твердых или жидких материалов, содержащее нейтронный блок, выполненный с приемным сосудом для размещения в нем исследуемого образца материала и снабжённый:1. A device for determining the elemental composition of samples of solid or liquid materials containing a neutron unit, made with a receiving vessel to accommodate the sample of material under investigation and equipped with: (a) нейтронным генератором, предназначенным для генерации потока меченых нейтронов и альфа-частиц, при этом в нейтронный генератор встроен альфа-детектор; (a) a neutron generator designed to generate a flux of labeled neutrons and alpha particles, with an alpha detector embedded in the neutron generator; (b) детекторами гамма-излучения, предназначенными для регистрации спектров характеристического гамма-излучения, возникающего при облучении образца материала потоком меченых нейтронов; и(b) gamma-ray detectors designed to record the spectra of the characteristic gamma-rays that occur when a sample of a material is irradiated with a tagged neutron flux; and (с) системой анализа данных, предназначенной для сбора и анализа данных, получаемых от альфа-детектора нейтронного генератора и детекторов гамма-излучения;(c) a data analysis system designed to collect and analyze data obtained from an alpha detector of a neutron generator and gamma-radiation detectors; (d) биологической защитой нейтронного блока, обеспечивающей безопасную работу обсуживающего персонала,(d) biological protection of the neutron unit, ensuring the safe operation of the personnel discussing, при этом система анализа данных выполнена с возможностью определения элементного состава образца материала с использованием только гамма-квантов, попадающих в выбранный временной интервал временного спектра альфа-гамма совпадений и соответствующих образцу материала, и с использованием другой части временного спектра альфа-гамма совпадений для энергетической калибровки полученных спектров гамма-излучения при каждом измерении каждого образца.the data analysis system is designed to determine the elemental composition of a sample of a material using only gamma quanta that fall within a selected time interval of the alpha gamma coincidence time spectrum and corresponding to the material sample, and using another part of the alpha gamma coincidence time spectrum for energy calibration gamma-ray spectra obtained with each measurement of each sample. 2. Устройство по п. 1, в котором нейтронный генератор в нейтронном блоке расположен под исследуемым образцом материала, а детекторы гамма-излучения расположены в нейтронном блоке над исследуемым образцом материала.2. The device according to claim 1, in which the neutron generator in the neutron unit is located under the sample of the material under study, and the detectors of gamma radiation are located in the neutron unit above the sample of material under study. 3. Устройство по п. 1, в котором нейтронный генератор в нейтронном блоке расположен над исследуемым образцом материала, а детекторы гамма-излучения расположены в нейтронном блоке под исследуемым образцом материала. 3. The device according to claim 1, wherein the neutron generator in the neutron unit is located above the sample of material under study, and the gamma-ray detectors are located in the neutron unit under the sample of material under study. 4. Устройство по п. 1, в котором нейтронный генератор расположен с первой боковой стороны от исследуемого образца материала, а детекторы гамма-излучения расположены со второй, противоположной первой боковой стороны от исследуемого образца материала.4. The device according to claim 1, wherein the neutron generator is located on the first side of the material sample under investigation, and the gamma-radiation detectors are located on the second, opposite to the first side side of the material sample under study. 5. Устройство по п.1, в котором поток меченых нейтронов в нейтронном блоке имеет форму усеченной пирамиды, и, соответственно, приемный сосуд для размещения исследуемого образца материала тоже имеет форму усеченной пирамиды.5. The device according to claim 1, in which the flow of labeled neutrons in the neutron unit has the shape of a truncated pyramid, and, accordingly, the receiving vessel to accommodate the sample of material under study also has the shape of a truncated pyramid. 6. Устройство по п. 1, которое дополнительно содержит систему подачи образца материала в приемный сосуд, например, конвейер для поочередной подачи исследуемых образцов материала.6. The device according to claim 1, which further comprises a system for feeding a sample of the material into a receiving vessel, for example, a conveyor for alternately feeding the test material samples. 7. Устройство по п. 1, в котором нейтронный блок предназначен для генерации потока меченых нейтронов и альфа-частиц при ускорении дейтронов и взаимодействии их с тритиевой мишенью за счет осуществления следующей бинарной реакции: 7. The device according to claim 1, wherein the neutron unit is designed to generate a flux of labeled neutrons and alpha particles when accelerating deuterons and interacting with a tritium target due to the implementation of the following binary reaction: d + t → α + n, d + t → α + n, d – дейтрон, t – тритон, α – альфа-частица, n – нейтрон.d is a deuteron, t is a triton, α is an alpha particle, n is a neutron. 8. Устройство по п. 1, которое предназначено для определения элементного состава образцов годных пород, руд или рудных материалов.8. The device according to claim 1, which is intended to determine the elemental composition of samples of suitable rocks, ores or ore materials. 9. Устройство по п. 1, в котором выбранный временной интервал составляет порядка 1-100 наносекунд.9. The device according to claim 1, in which the selected time interval is about 1-100 nanoseconds. 10. Способ определения элементного состава образцов твердых или жидких материалов, осуществляемый с использованием устройства по любому из пп. 1-9, включающий следующие этапы:10. The method of determining the elemental composition of samples of solid or liquid materials, carried out using the device according to any one of paragraphs. 1-9, comprising the following steps: (a) помещение исследуемого образца материала в приемный сосуд;(a) placing the sample material in the receiving vessel; (б) облучение образца материала потоком быстрых меченых нейтронов; (b) irradiating a sample of a material with a flux of fast tagged neutrons; (в) регистрация спектров характеристического гамма-излучения, возникающего при облучении упомянутого образца потоком быстрых меченых нейтронов на этапе (б); (c) registration of the spectra of the characteristic gamma radiation arising from the irradiation of the above-mentioned sample with a stream of fast tagged neutrons in step (b); (г) анализ спектров характеристического гамма-излучения, зарегистрированных от упомянутого образца на этапе (в), с определением элементного состава образца, (d) analyzing the spectra of the characteristic gamma radiation registered from the sample in step (c), with the determination of the elemental composition of the sample, при этом для определения элементного состава образца используют только гамма-кванты, попадающие в выбранный временной интервал временного спектра альфа-гамма совпадений и соответствующие образцу материала, а другую часть временного спектра альфа-гамма совпадений используют для энергетической калибровки полученных спектров гамма-излучения при каждом измерении каждого образца. at the same time, to determine the elemental composition of the sample, only gamma rays are used that fall within the selected time interval of the alpha-gamma coincidence spectrum and correspond to the material sample, and the other part of the alpha-gamma coincidence spectrum is used for energy calibration of the obtained gamma-radiation spectra during each measurement each sample. 11. Способ по п. 10, дополнительно включающий этап предварительной настройки и градуировки устройства перед этапом (a). 11. A method according to claim 10, further comprising the step of pre-setting and calibrating the device before step (a).
RU2018110356A 2018-03-23 2018-03-23 Apparatus and method for determination of element composition of materials by layered neutrons RU2685047C1 (en)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018110356A RU2685047C1 (en) 2018-03-23 2018-03-23 Apparatus and method for determination of element composition of materials by layered neutrons
EA202092221A EA202092221A1 (en) 2018-03-23 2019-03-22 DEVICE AND METHOD FOR DETERMINING THE ELEMENTAL COMPOSITION OF MATERIALS BY THE METHOD OF LABELED NEUTRONS
PCT/RU2019/050030 WO2019182482A1 (en) 2018-03-23 2019-03-22 Device and method for determining the elemental composition of materials by the labelled neutron method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018110356A RU2685047C1 (en) 2018-03-23 2018-03-23 Apparatus and method for determination of element composition of materials by layered neutrons

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2685047C1 true RU2685047C1 (en) 2019-04-16

Family

ID=66168334

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018110356A RU2685047C1 (en) 2018-03-23 2018-03-23 Apparatus and method for determination of element composition of materials by layered neutrons

Country Status (3)

Country Link
EA (1) EA202092221A1 (en)
RU (1) RU2685047C1 (en)
WO (1) WO2019182482A1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU210383U1 (en) * 2021-12-23 2022-04-14 Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Автоматики Им.Н.Л.Духова" (Фгуп "Внииа") Neutron block separator of diamond-bearing ore
RU215240U1 (en) * 2022-07-15 2022-12-05 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") SENSITIVE ELEMENT OF THE MECHANICAL CALIBRATION UNIT

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114894829B (en) * 2022-07-13 2022-10-14 中国科学院地质与地球物理研究所 Electronic probe analysis method for testing F and Cl of olivine trace elements
CN117686307A (en) * 2024-02-04 2024-03-12 中国矿业大学(北京) Control method for different water contents in uniaxial compression mechanical test of solid potassium salt ore

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100282976A1 (en) * 2009-05-06 2010-11-11 Soc. Anonyme D'etudes Et Realisations Nucleaires Sealed tube neutron generator equipped with alpha particle detectors and associated particle measurement system which uses the generator
RU123957U1 (en) * 2012-08-27 2013-01-10 Общество с ограниченной ответственностью "Детекторы взрывчатки и наркотиков" DEVICE FOR DETECTION AND IDENTIFICATION OF HIDDEN HAZARDOUS SUBSTANCES UNDER WATER (OPTIONS)
US20130264486A1 (en) * 2010-07-23 2013-10-10 Ut-Battelle, Llc Multi-particle inspection using associated particle sources
RU137122U1 (en) * 2013-11-12 2014-01-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" DEVICE FOR ANALYSIS OF MATERIALS BY MEANS OF LABELED NEUTRONS
RU2521723C1 (en) * 2013-03-01 2014-07-10 Общество с ограниченной ответственностью "Нейтронные технологии" Method and apparatus for detecting diamonds in kimberlite
RU2612734C2 (en) * 2015-08-18 2017-03-13 Общество с ограниченной ответственностью "Диамант" Installation for dry enrichment of kimberlite ore by method of labelled neutrons

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100282976A1 (en) * 2009-05-06 2010-11-11 Soc. Anonyme D'etudes Et Realisations Nucleaires Sealed tube neutron generator equipped with alpha particle detectors and associated particle measurement system which uses the generator
US20130264486A1 (en) * 2010-07-23 2013-10-10 Ut-Battelle, Llc Multi-particle inspection using associated particle sources
RU123957U1 (en) * 2012-08-27 2013-01-10 Общество с ограниченной ответственностью "Детекторы взрывчатки и наркотиков" DEVICE FOR DETECTION AND IDENTIFICATION OF HIDDEN HAZARDOUS SUBSTANCES UNDER WATER (OPTIONS)
RU2521723C1 (en) * 2013-03-01 2014-07-10 Общество с ограниченной ответственностью "Нейтронные технологии" Method and apparatus for detecting diamonds in kimberlite
RU137122U1 (en) * 2013-11-12 2014-01-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" DEVICE FOR ANALYSIS OF MATERIALS BY MEANS OF LABELED NEUTRONS
RU2612734C2 (en) * 2015-08-18 2017-03-13 Общество с ограниченной ответственностью "Диамант" Installation for dry enrichment of kimberlite ore by method of labelled neutrons

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU210383U1 (en) * 2021-12-23 2022-04-14 Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Автоматики Им.Н.Л.Духова" (Фгуп "Внииа") Neutron block separator of diamond-bearing ore
RU2810688C2 (en) * 2022-02-21 2023-12-28 Общество с ограниченной ответственностью "Диамант" Flow conveyor analyser operating by tag neutron method
RU215240U1 (en) * 2022-07-15 2022-12-05 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") SENSITIVE ELEMENT OF THE MECHANICAL CALIBRATION UNIT

Also Published As

Publication number Publication date
EA202092221A1 (en) 2021-02-04
WO2019182482A1 (en) 2019-09-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10401311B2 (en) Method and device for measuring formation elemental capture gamma ray spectra
US20200025955A1 (en) Integrated Primary and Special Nuclear Material Alarm Resolution
US9268043B2 (en) Radiation-monitoring system with correlated hodoscopes
CN103837558B (en) Multielement composition and content detection device and detection method in a kind of aqueous solution based on PGNAA technology
US20120046867A1 (en) Portable System for Analyzing and Determining Elemental Composition of Rock Samples
RU2685047C1 (en) Apparatus and method for determination of element composition of materials by layered neutrons
US20130208843A1 (en) Neutron activation analysis using a standardized sample container for determining the neutron flux
US20020106047A1 (en) Pulsed neutron elemental on-line material analyzer
US20130204578A1 (en) Method for Obtaining Information about a Radiation Source or a Material Interacting with a Radiation Source and a Measurement Setup for Performing the Method
Wu et al. Standard spectrum measurement and simulation of elemental capture spectroscopy log
CN108490479A (en) A method of test radionuclide
EA040161B1 (en) DEVICE AND METHOD FOR DETERMINING THE ELEMENTAL COMPOSITION OF MATERIALS BY THE Tagged Neutron Method
El Kanawati et al. Gamma-ray signatures improvement of the EURITRACK tagged neutron inspection system database
Cho et al. Study on prompt gamma-ray spectrometer using Compton suppression system
RU2810688C2 (en) Flow conveyor analyser operating by tag neutron method
Weizhi et al. Suitability of NAA for certification of reference materials for multielements
CA3102623A1 (en) System and method for moisture measurement
WO2015020710A2 (en) Integrated primary and special nuclear material alarm resolution
CN109100379A (en) One kind detecting explosive method based on pulse fast neutron
Cunningham et al. Bulk analysis of sulphur, lead, zinc and iron in lead sinter feed using neutron inelastic scatter γ-rays
Vo Design and experimental testing of components for the replacement of dangerous radiological sources in geological studies
Csikai Neutron-based techniques for the detection of concealed objects
CN114460105A (en) Gadolinium concentration online monitoring method and device
Simpson et al. Fast enrichment screening for safeguards applications
Kopach et al. Applications of the Tagged Neutron Method for Fundamental and Applied Research