RU2772789C1 - Способ сепарации алмазов и устройство для его осуществления - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к способам сепарации алмазов, в частности к способам автоматической сортировки руд и извлечения алмазов из алмазосодержащих материалов, а также к устройствам, реализующим такие способы. Предложены способ и устройство сепарации алмазов. В заявленном способе транспортируют анализируемый материал на ленте транспортера, облучают анализируемый материал пучком первичного рентгеновского излучения, поперечное сечение которого меньше размера частиц полезного материала, регистрируют прошедшее рентгеновское излучение позиционно-чувствительным детектором после его прохождения через коллиматор прошедшего излучения, сравнивают интенсивность прошедшего излучения с пороговым значением и выделяют частицы полезного материала по результатам сравнения. В отличие от прототипа в качестве источника первичного рентгеновского излучения используют точечный источник с щелевым коллиматором первичного излучения, обеспечивающий узкий пучок первичного рентгеновского излучения с малой угловой расходимостью, в качестве коллиматора прошедшего излучения используют многоканальный коллиматор прошедшего излучения, ячейки которого расположены радиально по отношению к точечному источнику первичного излучения, а ширина ячеек согласована с минимальными размерами частиц полезного материала, причем количество ячеек в коллиматоре прошедшего излучения равняется ширине ленты транспортера, деленной на ширину ячейки коллиматора прошедшего излучения, при этом передняя часть коллиматора прошедшего излучения выполнена плоской и расположена вблизи ленты транспортера, а задняя часть выполнена изогнутой по радиусу, равному расстоянию от точечного источника первичного излучения до позиционно-чувствительного детектора, при этом ортогональность входа прошедшего излучения в позиционно-чувствительный детектор обеспечивают выполнением поверхности позиционно-чувствительного детектора с изогнутой по радиусу, равному радиусу задней части коллиматора прошедшего излучения. Достигается технический результат, заключающийся в упрощении конструкции при одновременном сохранении аналитических характеристик, а также в обеспечении возможности обрабатывать сигнал по большему количеству алгоритмов. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 7 ил.

Description

Изобретение относится к способам сепарации алмазов, в частности к способам автоматической сортировки руд и извлечения алмазов из алмазосодержащих материалов, а также к устройствам, реализующим такие способы. Способ также может быть использован для сепарации частиц полезного материала, включающего золото, драгоценные и редкоземельные металлы.

Известны различные способы и устройства для рентгенографической сепарации материалов.

Известно устройство для сепарации алмазов RU 2670677, опубл. 24.10.2018, состоящее из транспортирующего механизма, источника рентгеновского излучения, детекторных средств на основе линейных рентгеночувствительных детекторов (один с возможностью регистрации высокой энергии, другой с возможностью регистрации низкой энергии), расположенного между ними фильтрующего средства, компьютерных средств оценки и исполнительного механизма сброса. Вертикальные оси источника рентгеновского излучения, фильтра и детекторных средств совмещены. В данном устройстве получают последовательно в разные моменты времени одномерные кортежи измерений и из них формируют двухканальное и двумерное изображение. Недостатком является разновременность получения результатов и совмещение двух картин в пространстве, что неизбежно вносит погрешности в измерения.

Известен способ сепарации алмазов RU 2470714, опубл. 27.12.2012, в котором облучение породы осуществляют двумя узкими последовательно расположенными моноэнергетичными пучками. В известном способе предлагается два источника первичного излучения с различными материалами анодов и с разной энергией возбуждения характеристического излучения анода с прохождением частицы последовательно под одним источником первичного излучения, а потом перед другим с последующим компьютерным совмещением изображений анализируемой части транспортера.

Необходимая точность вычисления используемой в способе характеристики требует высокой точности сопоставления измерений двух последовательно расположенных линейных детекторов. Такое сопоставление существенно затруднено невозможностью точного контроля скорости транспортирующего механизма и возможными смещениями частиц породы в процессе транспортировки от одного детектора к другому.

Общим недостатком вышеперечисленных технических решений является то, что не принимается никаких мер по повышению контрастности аналитического сигнала, а именно интенсивности прошедшего излучения при регистрации изображений с разными энергиями первичных излучателей первичного излучения. Результатом является недостаточная контрастность при анализе мелких алмазов, как указано в работе «Новые подходы к созданию рентгеновских сепараторов алмазов», Романовская Т.Е. и др. (материалы III Всероссийской научно-практической конференции производителей рентгеновской техники, СПб, 25.11.2016, с. 83-88) «Испытания подтвердили выявленную … при оценке на имитаторах проблему с извлечением мелких объектов, которые не имеют достаточной контрастности между имитаторами алмаза и вмещающей породы».

Этот недостаток устраняется в способе и устройстве сепарации частиц полезного материала RU 2517148, опубл. 27.05.2014, применением коллиматора прошедшего излучения, размещенного между лентой транспортера и позиционно-чувствительным детектором.

В данном техническом решении, принятом в качестве прототипа, коллиматор первичного излучения выполнен в виде гребенки из материала, сильнопоглощающего первичное рентгеновское излучение. Источником первичного излучения является источник нерасходящегося рентгеновского пучка с расходимостью не более 0,1°. В этой схеме источником первичного излучения является протяженный источник, например, волновод-резонатор. Для того, чтобы создать набор источников, работающих связанно рентгенооптически с ячейками коллиматора прошедшего излучения, приходится делить протяженный источник первичного излучения коллиматором типа гребенки с ячейками, размер которых соответствует размеру чувствительных элементов позиционно-чувствительного детектора. Это решение оказывается достаточно сложным. Рентгенооптическая схема включает протяженный источник первичного излучения, а также использование сложного в производстве волновода-резонатора и возможность использования только одного алгоритма обработки результатов измерений.

Технической проблемой, присущей уровню техники, является использование сложной рентгенооптической схемы, а также возможность использования только одного алгоритма обработки результатов измерений.

Техническим результатом заявленной группы изобретений является упрощение конструкции при сохранении высоких аналитических характеристик и обеспечение возможности обрабатывать сигнал по большему количеству алгоритмов обработки результатов измерений, в частности использовать моноэнергетическую и двухэнергетическую схему сепарации.

Для решения указанной технической проблемы предложены способ сепарации алмазов и устройство для его осуществления. В заявленном способе транспортируют анализируемый материал на ленте транспортера, облучают анализируемый материал пучком первичного рентгеновского излучения, поперечное сечение которого меньше размера частиц полезного материала, регистрируют прошедшее рентгеновское излучение позиционно-чувствительным детектором после его прохождения через коллиматор прошедшего излучения, сравнивают интенсивность прошедшего излучения с пороговым значением и выделяют частицы полезного материала по результатам сравнения.

В отличие от прототипа в качестве источника первичного рентгеновского излучения используют точечный источник с щелевым коллиматором первичного излучения, обеспечивающий узкий пучок первичного рентгеновского излучения с малой угловой расходимостью, в качестве коллиматора прошедшего излучения используют многоканальный коллиматор прошедшего излучения, ячейки которого расположены радиально по отношению к точечному источнику первичного излучения, а ширина ячеек согласована с минимальными размерами частиц полезного материала, причем количество ячеек в коллиматоре прошедшего излучения равняется ширине ленты транспортера, деленной на ширину ячейки коллиматора прошедшего излучения, при этом передняя часть коллиматора прошедшего излучения выполнена плоской и расположена вблизи ленты транспортера, а задняя часть выполнена изогнутой по радиусу, равному расстоянию от точечного источника первичного излучения до позиционно-чувствительного детектора, при этом ортогональность входа прошедшего излучения в позиционно-чувствительный детектор обеспечивают выполнением поверхности позиционно-чувствительного детектора с изогнутой по радиусу, равному радиусу задней части коллиматора прошедшего излучения.

В предпочтительном варианте анализируемый материал облучают на ленте движущегося транспортера, при этом координату Х положения частицы определяют позиционно-чувствительным детектором, а координату Y определяют, исходя из скорости ленты транспортера.

Первичное рентгеновское излучение от точечного источника рентгеновского излучения коллимируют плоским щелевым коллиматором первичного излучения, создающим узкий плоский поток первичного рентгеновского излучения с малой угловой расходимостью во фронтальном направлении порядка 0,2-5 град., по ширине равный ширине ленты транспортера, с усиленными монохроматическими линиями рентгеновского спектра посредством нанесения на стенки плоского щелевого коллиматора слоя материалов, характеристическое излучение которых вносит дополнительный вклад в спектр первичного излучения анода рентгеновской трубки, проходящего через плоский щелевой коллиматор первичного излучения, при этом материалы слоев выбирают из условия максимального соотношения поглощающих свойств материала вмещающей породы и материала анализируемой частицы в соответствии с соотношением максимальной контрастности

К_спектр ~ (µρ)_част./(µρ)_пор. ,

где

µ - массовый коэффициент поглощения первичного излучения в материале частицы или вмещающей породы, при этом µ = f(E, z), где

Е- энергия монохроматической линии,

z- атомный номер поглощающего материала,

ρ – плотность материала частицы или вмещающей породы,

при этом один из материалов покрытия стенок щелевого коллиматора соответствует материалу анода рентгеновской трубки.

В одном из вариантов используют плоский щелевой коллиматор первичного излучения, на обе стенки которого нанесен слой одного материала.

В другом варианте используют плоский щелевой коллиматор первичного излучения, на разные стенки которого нанесены слои разных материалов.

Для получения максимального геометрического контраста частицы полезного материала на фоне слоя анализируемого материала размер ячеек многоканального коллиматора прошедшего излучения, выбирают таким, чтобы он в 2-10 раз превосходил минимальный размер анализируемой частицы, в зависимости от размера частицы, при этом первоначальный геометрический контраст частицы К_{геометр} = ω₁/ω₀ увеличивается в n раз до значения К_{геометр} = ω₁/ω_n,

n = (ω₁/ω_n)/ (ω₁/ω₀) = ω₀/ω_n,

где:

ω₁ – угловой размер частицы из точки регистрации частицы на позиционно-чувствительном детекторе,

ω₀ - угловой размер линии облучения материала из точки регистрации частицы на позиционно-чувствительном детекторе,

ω_n - угловой размер ячейки многоканального коллиматора прошедшего излучения из точки регистрации частицы на позиционно-чувствительном детекторе.

Контрастность K аналитического сигнала, определяемая по формуле

,

где I_расс. – суммарная интенсивность рассеянного излучения в точке регистрации излучения от анализируемой частицы на позиционно-чувствительном детекторе,

I_пр. – интенсивность излучения, прошедшего через слой материала и ленту транспортера,

σ_кг (ω), σ_нкг(ω) – дифференциальные коэффициенты когерентного и некогерентного рассеяния,

I_{пр.част.} – интенсивность излучения, прошедшего через анализируемую частицу,

увеличивается в n = ω₀ /ω_n раз, которое соответствует соотношению угловых размеров линии облучения и угловому размеру ячейки коллиматора за счет уменьшения суммарного фона когерентно и некогерентно рассеянного прошедшего излучения в пространстве между лентой транспортера и позиционно-чувствительным детектором, так как это излучение экранируется стенками ячеек многоканального коллиматора прошедшего излучения.

В зоне регистрации прошедшего излучения рядом с основным позиционно-чувствительным детектором размещают дополнительный позиционно-чувствительный детектор в пределах площади H_дет., определяемой угловой расходимостью первичного излучения и расстоянием позиционно-чувствительного детектора от точки S размещения источника первичного рентгеновского изучения:

H_дет. = SO₁⋅α,

где:

α – угловая расходимость первичного излучения,

SO₁ - расстояние между позиционно-чувствительным детектором и точки S размещения источника первичного излучения.

Позиционно-чувствительные детекторы развернуты друг относительно друга на величину угла α расходимости первичного пучка излучения.

В предпочтительном варианте регистрируют энергии различных монохроматических линий двумя позиционно-чувствительными детекторами и измеряют интенсивность прошедшего излучения в двух энергетических диапазонах методом двухэнергетической абсорбциометрии.

В другом аспекте предложено устройство сепарации алмазов, содержащее ленту транспортера со слоем анализируемого материала, движущуюся с постоянной скоростью, рентгенооптически связанные источник первичного излучения, коллиматор первичного излучения, коллиматор прошедшего рентгеновского излучения и позиционно-чувствительный детектор. В отличие от прототипа источником первичного излучения является точечный источник излучения, коллиматор первичного излучения является щелевым коллиматором, а коллиматором прошедшего рентгеновского излучения является многоканальный коллиматор, ширина ячеек которого согласована с минимальными размерами частиц полезного материала, а количество ячеек в коллиматоре прошедшего излучения равняется ширине ленты транспортера, деленной на ширину ячейки коллиматора прошедшего излучения, при этом передняя часть коллиматора прошедшего излучения выполнена плоской и расположена вблизи ленты транспортера, а задняя часть выполнена изогнутой по радиусу, равному расстоянию от точечного источника первичного излучения до позиционно-чувствительного детектора, позиционно-чувствительный детектор выполнен с изогнутой поверхностью по радиусу для обеспечения ортогональности входа прошедшего излучения в позиционно-чувствительный детектор, что обеспечивает более высокое пространственное разрешение ПЧД при регистрации прошедшего излучения.

Стенки коллиматора первичного излучения могут быть покрыты материалами, соответствующими материалу анода рентгеновской трубки или материалом с характеристическим излучением, из условия максимального соотношения поглощающих свойств материала вмещающей породы и материала анализируемой частицы, в соответствии с соотношением максимальной контрастности

К_спектр ~ (µρ)_{частицы}/(µρ)_породы,

где

µ - массовый коэффициент поглощения первичного излучения в материале частицы или вмещающей породы, при этом µ = f(E, z), где

Е - энергия монохроматической линии,

Z - атомный номер поглощающего материала,

ρ – плотность материала частицы или вмещающей породы,

при этом один из материалов покрытия стенок щелевого коллиматора соответствует материалу анода рентгеновской трубки.

В одном из вариантов выполнения устройства на обе стенки плоского щелевого коллиматора первичного излучения нанесен слой одного материала.

В другом варианте на разные стенки плоского щелевого коллиматора первичного излучения нанесены слои разных материалов.

Устройство может содержать дополнительный позиционно-чувствительный детектор, расположенный в зоне регистрации прошедшего излучения рядом с основным ПЧД, при этом ширина щелевого коллиматора и угловая расходимость щелевого коллиматора выбрана таким образом, чтобы в зоне регистрации прошедшего излучения разместить по ширине два позиционно- чувствительных детектора в пределах площади, определяемой угловой расходимостью первичного излучения и расстоянием позиционно-чувствительного детектора от точки S размещения источника первичного рентгеновского изучения, т.е. расстоянием SO₁, а именно

H_дет = SO₁⋅α,

где

α – угловая расходимость первичного излучения,

SO₁ – расстояние от источника первичного излучения до позиционно- чувствительного детектора.

Перед каждым позиционно-чувствительным детектором может быть установлен селективный фильтр, пропускающий прошедшее излучение с энергией материала анода рентгеновской трубки и материалов щелевого коллиматора, характеристическое излучение которых вносит дополнительный вклад в спектр первичного излучения, проходящего через плоский щелевой коллиматор первичного излучения, и на которую настроен позиционно-чувствительный детектор для повышения спектральной контрастности регистрируемого прошедшего излучения.

Устройство также может дополнительно содержать заслонку, выполненную с возможностью перекрытия пучка прошедшего излучения в случае, когда лента транспортера свободна от анализируемого материала.

Суть предложенного способа состоит в том, что слой материала, находящийся на ленте транспортера проходит под «рентгеновским ножом» - узким пучком рентгеновского излучения, сформированным из точечного источника первичного рентгеновского излучения (рентгеновской трубки или изотопа) щелевым коллиматором с малым регулируемым углом расходимости первичного пучка порядка 0,2-5 град. На слое материала, находящегося на ленте транспортера образуется тонкий «срез». Рентгеновское излучение, прошедшее через слой материала в месте «среза» регистрируется позиционно-чувствительным детектором, перед которым располагается многоканальный коллиматор прошедшего рентгеновского излучения. Между многоканальным коллиматором прошедшего рентгеновского излучения и позиционно-чувствительным детектором располагаются фильтры прошедшего излучения, которые селективно поглощают флуоресцентное излучение материала прошедшего рентгеновского излучения и срезают часть спектра прошедшего излучения в соответствии со спектральной чувствительностью детектора.

Использование точечного источника излучения со щелевым коллиматором первичного излучения позволяет упростить схему источника первичного излучения и конструкцию устройства в целом при сохранении аналитических характеристик.

Для повышения контрастности аналитического сигнала предлагается рубрикация пространства за лентой транспортера путем введения многоканального коллиматора прошедшего излучения. Это повышает геометрическую контрастность частицы в анализируемом пространстве и расширяет класс анализируемых частиц, а также повышает контрастность аналитического сигнала - интенсивности прошедшего через частицу излучения - за счет снижения фона рассеянного вмещающей массой, лентой транспортера, воздухом и пылью излучения в пространстве между лентой транспортера или зоной падения материала и позиционно-чувствительным детектором.

Построение рентгенооптической схемы сепаратора осуществляют на основании критерия, совмещающего геометрический и спектральный контраст согласно формуле

К_рез= К_{геометр}(1-1/К_спектр),

где

К_рез - результирующая контрастность частицы полезного материала на фоне анализируемого материала,

К_{геометр} - геометрическая контрастность частицы полезного материала,

К_спектр - спектральная контрастность частицы полезного материала.

Для сепарации частиц полезного материала в качестве аналитического сигнала можно использовать изменение интенсивности прошедшего через анализируемый материал излучения при наличии частиц полезного материала и применять критерий, связывающий изменения в уровне аналитического сигнала прошедшего излучения со статистической погрешностью регистрации сигнала от анализируемого материала

К_д=К_рез/β,

где

К_д - коэффициент достоверности сепарации,

К_рез- результирующий коэффициент контрастности,

β - относительная статистическая погрешность измерения скорости счета фонового сигнала от анализируемого материала на ленте транспортера.

Когда атомный номер частиц полезного материала больше атомного номера анализируемого материала, пороговое значение интенсивности прошедшего излучения, регистрируемого в ячейке позиционно-чувствительного детектора, предпочтительно устанавливают как минимум на величину меньше среднеквадратичного отклонения интенсивности сигнала от интенсивности слоя анализируемого материала. Когда атомный номер частиц полезного материала меньше атомного номера анализируемого материала, пороговое значение интенсивности прошедшего излучения, регистрируемого в ячейке позиционно-чувствительного детектора, устанавливают как минимум на величину больше среднеквадратичного отклонения интенсивности сигнала от интенсивности слоя анализируемого материала.

Физически смысл предлагаемого изобретения заключается в очищении процесса поглощения рентгеновского излучения от мешающих факторов, в первую очередь, от рассеянного когерентного и некогерентного излучения от рентгеновской трубки на большой площади анализируемого материла на ленте транспортера и попадания этого излучения на позиционно-чувствительный детектор в зоне регистрации частицы полезного материала, и, во-вторых, обеспечение максимального контраста между поглощающими свойствами вмещающей породы и частицы алмаза (далее так же упоминается как анализируемая частица) путем создания оригинальной рентгенооптической схемы, создания определенного спектрального состава первичного излучения и фильтрации прошедшего излучения и алгоритма обработки зарегистрированного сигнала. Ограничение расходимости первичного пучка рентгеновского излучения достигается использованием в качестве источника первичного излучения точечного фокуса рентгеновской трубки и щелевого коллиматора первичного излучения, дающего широкий, равный ширине транспортера, но очень узкий с малой угловой расходимостью пучок в другой фронтальной плоскости. Увеличение контрастности прошедшего рентгеновского излучения достигается использованием многоканального коллиматора прошедшего излучения, ограничивающим попадание на позиционно-чувствительный детектор в зоне регистрации частицы алмаза, рассеянного излучения на всех других зонах транспортера, слоя падающего материала, ленты транспортера, воздуха и пыли в пространстве между лентой транспортера и позиционно-чувствительным детектором. Это дает возможность практически в чистом виде сравнивать физические эффекты ослабления первичного излучения во вмещающей породе и в анализируемой частице. Введение в алгоритме обработки информации понятия геометрической и спектральной контрастности позволяет количественно оценить влияние размера анализируемой частицы и фактора ослабления (поглощения) спектрального состава излучения во вмещающей породе и в анализируемой частице на результирующий сигнал (интенсивность) регистрируемого ПЧД излучения.

Отношение поглощающих свойств анализируемой частицы полезного материала и анализируемого материала определяет спектральный контраст отображения частицы на ПЧД. Спектральный контраст определяется отношением интенсивности первичного излучения, прошедшего через анализируемый материал и через частицу полезного материала, и равен

где

I_1част. - интенсивность излучения, прошедшего через полезный материал с анализируемой частицей,

I_1пор. - интенсивность излучения, прошедшего через вмещающую породу.

Спектральный контраст при прохождении излучения через вещество определяется отношением интенсивности первичного излучения, прошедшего через вмещающую породу и через анализируемую частицу алмаза.

Тогда для спектральной контрастности частицы в породе в общем виде можно записать:

,

где μ - коэффициенты ослабления излучения с энергией 20 кэВ в породе и в материале частицы соответственно,

ρ - плотности породы и частицы соответственно

x - толщина слоя породы и частицы соответственно.

Результирующая контрастность будет определяться формулой, объединяющей геометрический и спектральный контрасты:

К_рез. = К_{геометр}(1- 1/К_спектр)

Величина 1/К_спектр меньше единицы, когда μρx (коэффициент ослабления) анализируемой частицы больше μρx вмещающей породы. В случае золота в песке величина 1/К_спектр практически равна нулю, и вся результирующая контрастность определяется геометрической контрастностью. При повышении поглощающих свойств вмещающей породы величина 1/К_спектр будет увеличиваться и достигнет единицы, когда поглощающие свойства вмещающей породы станут равны поглощающим свойствам частицы. Тогда выражение в скобках станет равно нулю и К_рез= 0, т.е. контраста не будет.

Дальнейшее увеличение поглощающих свойств вмещающей породы приведет к тому, что член 1/К_спектр станет больше единицы и спектральная контрастность будет инвертироваться и К_рез поменяет знак на противоположный. Физически это будет означать, что поглощение в анализируемой частице станет меньше, чем во вмещающей породе, и интенсивность излучения, прошедшего через частицу полезного материала, будет больше, чем интенсивность излучения, прошедшего через вмещающую породу. Это соответствует случаю, когда анализируемая частица легче вмещающей породы, например, алмаз в горной породе. Этот случай намного проще для работы анализатора, чем тяжелая частица, например, золото в горной породе, т.к. меньше прошедшего излучения от вмещающей породы и рассеянного излучения от прошедшего излучения.

Заявленное изобретение проиллюстрировано на чертежах.

На Фиг. 1 представлена рентгенооптическая схема устройства сепарации (фронтальный вид).

На Фиг. 2 представлена рентгенооптическая схема устройства сепарации (вид сбоку).

На Фиг. 3 представлен график распределения интенсивности по линии позиционно-чувствительного детектора (с длиной чувствительной зоны 100 мм) при регистрации излучения, прошедшего через слой породы на ленте транспортера в случае легкой породы (например, песка) и тяжелого анализируемого объекта (например, золото).

На Фиг. 4 представлен график распределения интенсивности по линии позиционно-чувствительного детектора (с длиной чувствительной зоны 100 мм) при регистрации излучения, прошедшего через слой породы на ленте транспортера в случае легкого анализируемого полезного материала (например, алмаза) и более тяжелого анализируемого материала (например, глина).

На Фиг. 5 представлена схема расчета геометрического контраста между анализируемым объектом (частицей полезного материала) и вмещающей породой на ленте транспортера.

На Фиг. 6 приведена схема расчета фона, создаваемого когерентно и некогерентно рассеянным прошедшим излучением в точке регистрации частицы на позиционно-чувствительном детекторе.

На Фиг. 7 представлена схема расчета увеличения геометрической контрастности анализируемой частицы путем введения многоканального коллиматора.

На Фиг. 1-2 показано устройство сепарации алмазов, которое включает в себя рентгенооптически связанные источник 1 первичного рентгеновского излучения, которое может представлять собой рентгеновскую трубку с точечным фокусом, щелевой коллиматор 2 первичного излучения. Слой 3 вмещающей породы с анализируемыми частицами 4 алмазов размещен на ленте 5 транспортера. По ходу луча после ленты 5 транспортера на максимально приближенном к ней расстоянии размещен многоканальный коллиматор 6 прошедшего излучения. После многоканального коллиматора 6 может располагаться селективный фильтр 7, селективно поглощающий флуоресцентное излучение материала многоканального коллиматора 6, а также фильтры 8 прошедшего излучения, которые располагаются перед позиционно-чувствительным детектором 9, и заслонка 10, выполненная с возможностью перекрытия пучка прошедшего излучения в случае, когда лента 5 транспортера свободна от анализируемого материала.

На стенки щелевого коллиматора 2 первичного излучения могут быть нанесены покрытия 11 из материалов, характеристическое излучение которых вносит дополнительный вклад в спектр первичного излучения, проходящего через плоский щелевой коллиматор первичного излучения.

Устройство сепарации алмазов на Фиг. 1-2 работает следующим образом. Материал, насыпанный ровным слоем, движется равномерно под источником 1 первичного излучения с щелевым коллиматором 2 первичного излучения, создающим узкий плоский веерообразный поток рентгеновского излучения с малой угловой расходимостью во фронтальном направлении порядка 0,2-5 град. с усиленными монохроматическими линиями рентгеновского спектра, для чего на стенки плоского щелевого коллиматора 2 первичного излучения наносятся покрытия 11 из материалов, дающие своим характеристическим излучением дополнительный вклад в спектр первичного излучения, проходящего через плоский щелевой коллиматор 2. Первичное излучение просвечивает слой материала 3 с находящимся в нем анализируемой частицей 4. Излучение, проходя через слой материала 3, анализируемую частицу 4 и ленту 5 транспортера, проходит через многоканальный коллиматор 6 прошедшего излучения и регистрируется позиционно-чувствительным детектором 9. В результате просвечивания на позиционно-чувствительном детекторе 9 в размере ячейки многоканального коллиматора 6 прошедшего излучения возникает сигнал, соответствующий интенсивности прошедшего через многоканальный коллиматор 6 излучения, зарегистрированного позиционно-чувствительным детектором 9. За многоканальным коллиматором 6 прошедшего излучения располагается селективный фильтр 7, селективно поглощающий флуоресцентное излучение материала многоканального коллиматора 6 для повышения контрастности аналитического сигнала. Там же располагаются фильтры 8, вырезающие в спектре прошедшего излучения части спектра соответствующие чувствительности позиционно-чувствительного детектора 9 (одного или двух). Устройство может дополнительно содержать заслонку 10, перекрывающую пучок первичного излучения, когда лента 5 транспортера свободны от слоя породы для защиты позиционно-чувствительного детектора 9 от перегрузки.

При просвечивании слоя материала, не содержащего анализируемого объекта, например, слой песка (Z=14) интенсивность прошедшего излучения будет большой, а при наличии в слое материала золота или драгоценных металлов, которые значительно тяжелее песка (Z_Аu=79), интенсивность зарегистрированного излучения в размере ячейки коллиматора уменьшится на величину, пропорциональную размеру анализируемого объекта. Картина, которую будет регистрировать позиционно-чувствительный детектор в различных зонах, выделенных многоканальным коллиматором прошедшего излучения с наличием анализируемого объекта, представлена на Фиг. 3. В случае вмещающего материала большей плотности, чем анализируемый объект, т.е. в случае алмаза (Z=6) во вмещающей породе (Z=16), картина будет иметь инверсный вид, как показано на Фиг. 4.

Нас интересует аналитический сигнал в виде интенсивности излучения, прошедшего через частицу О или через пустую породу и зарегистрированного в точке О₁ на позиционно-чувствительном детекторе 9 (Фиг. 5). Контрастность этого сигнала, зарегистрированного позиционно-чувствительным детектором 9, и будет определять аналитические характеристики устройства: надежность регистрации алмаза и частиц и те предельно малые размеры алмаза и частиц, которые могут быть выявлены устройством. Контрастность прошедшего излучения будет определяться интенсивностью излучения, прошедшего через частицу (алмаз) и фоном всего рассеянного на ленте 5 транспортера прошедшего первичного излучения, и прошедшего излучения, рассеянного на воздухе между лентой 5 транспортера и позиционно-чувствительным детектором 9. Контрастность аналитического сигнала, в первую очередь, определяется геометрической контрастностью, которая представляет собой (Фиг. 5) отношение углового размера частицы из точки регистрации на ПЧД позиционно-чувствительном детекторе 9 ω₁ к угловому размеру ленты 5 транспортера ω₀:

К= ω₁/ω₀,

где

ω₁ – угловой размер частицы из точки регистрации частицы на позиционно-чувствительном детекторе,

ω₀ - угловой размер линии облучения материала ленты транспортера или лотка устройства при падении материала из точки регистрации частицы на позиционно-чувствительном детекторе.

Угол ω₁ определяет полезный сигнал на ПЧД, а угол ω₀ определяет пространство, с которого на ПЧД идет фоновый сигнал, который представляет собой прошедшее излучение, рассеянное на массе основной породы, на ленте транспортера, а также излучение, рассеянное на воздухе и частицах пыли в пространстве между лентой транспортера и позиционно-чувствительным детектором.

Рассмотрим еще раз схему сепаратора с точки зрения массива рассеянного прошедшего излучения (Фиг. 6). Каждая точка на нижней части ленты транспортера, а в свободном падении на нижнем слое массы пустой породы дает когерентно и некогерентно рассеянное прошедшее излучение (показано на Фиг. 6 σ_кг (ω ), σ _нкг(ω )), и все это рассеянное излучение в угловом растворе ω₀ или в телесном угле в случае, когда используется рентгенографический метод регистрации с получением пространственной картины, создает фон в точке О_1,, где располагается изображение полезной частицы, находящейся на ленте транспортера или в свободном падении. Совокупная интенсивность рассеянного излучения представляет собой сумму интегралов дифференциальных коэффициентов когерентно и некогерентно рассеянного прошедшего излучения в диапазоне углов от - ω₀/2 до + ω₀/2:

,

где:

I_расс. – суммарная интенсивность рассеянного излучения в точке регистрации излучения от анализируемой частицы на позиционно-чувствительном детекторе,

I_пр. – интенсивность излучения, прошедшего через слой материала и ленту транспортера,

σ_кг (ω), σ_нкг(ω) – дифференциальные коэффициенты когерентного и некогерентного рассеяния.

Контрастность аналитического сигнала составит:

,

где I_{пр.част.} – интенсивность излучения, прошедшего через анализируемую частицу.

В случае, когда мы анализируем частицу с повышенным поглощением и на позиционно-чувствительном детекторе образуется светлое изображение частицы, это изображение будет затемняться рассеянным излучением - контрастность аналитического сигнала будет невысокой. В случае, когда мы имеем частицу с малой поглощающей способностью и изображение будет черным, рассеянное излучение будет добавлять черноты изображению и казалось бы будет играть положительную роль, но на самом деле будет создавать вокруг изображения частицы темный ореол, который при невысокой контрастности прошедшего через частицу излучения и при высокой интенсивности рассеянного излучения сольется с изображением частицы, особенно при малых геометрических размерах частицы, т.е. при малом коэффициенте геометрической контрастности.

Из этих рассуждений следует, что для повышения контрастности аналитического сигнала и для повышения коэффициента геометрической контрастности нужно ограничить пространство, на котором мы ведем поиск частицы с заведомо малыми размерами по сравнению с шириной ленты транспортера или лотка в случае анализа при падении породы. Эту задачу решает рубрикация пространства регистрации частицы, а именно, создание многоканального коллиматора прошедшего излучения.

Для этого ставится многоканальный коллиматор прошедшего излучения и прошедшее рентгеновское излучение коллимируется многоканальным коллиматором прошедшего излучения, размер ячеек которого согласован с минимальными размерами частиц полезного материала, при этом ширину ячеек коллиматора выбирают исходя из условия получения максимального геометрического контраста частицы полезного материала на фоне слоя вмещающей породы, причем передняя часть коллиматора сделана плоской и максимально приближена к ленте транспортера или к зоне пролета материала, а задняя часть коллиматора изогнута по радиусу, равному расстоянию от точечного источника первичного излучения до позиционно-чувствительного детектора SO₁ для обеспечения ортогональности входа прошедшего излучения в позиционно-чувствительный детектор, который тоже изогнут по радиусу SO₁. За многоканальным коллиматором располагается селективный фильтр, селективно поглощающий флуоресцентное излучение материала многоканального коллиматора для повышения контрастности аналитического сигнала.

При этом первоначальный геометрический контраст частицы ω₁/ω₀ увеличивается в n раз (Фиг. 7) до значения ω₁/ω_n, а именно

n = (ω₁/ω_n)/ (ω₁/ ω₀) = ω₀/ ω_n,

где

ω₁ – угловой размер частицы из точки регистрации частицы на позиционно-чувствительном детекторе,

ω₀ - угловой размер линии облучения материала из точки регистрации частицы на позиционно-чувствительном детекторе,

ω_n - угловой размер ячейки многоканального коллиматора прошедшего излучения из точки регистрации частицы на позиционно-чувствительном детекторе.

Увеличение контрастности аналитического сигнала (интенсивность прошедшего через частицу первичного рентгеновского излучения) происходит за счет уменьшения вклада рассеянного прошедшего излучения в интенсивность аналитического сигнала (Фиг. 7). Каждая ячейка многоканального коллиматора прошедшего излучения отрезает все рассеянное прошедшее излучение, идущее от всей линии облучения материала в точку регистрации частицы на позиционно-чувствительном детекторе. Контрастность сигнала увеличивается в n раз.

Размер ячеек многоканального коллиматора (Фиг. 7) для получения максимального геометрического контраста частицы полезного материала на фоне слоя анализируемого материала, выбирают таким, чтобы он в 2-10 раз превосходил минимальный размер анализируемой частицы, в зависимости от размера частицы.

Контрастность аналитического сигнала увеличивается в число раз, которое соответствует отношению угловых размеров линии облучения и угловому размеру ячейки многоканального коллиматора, а именно:

n = ω₀/ω_n.

Количество ячеек в многоканальном коллиматоре прошедшего излучения равняется ширине ленты транспортера, деленной на ширину ячейки коллиматора прошедшего излучения.

В предлагаемом способе возможно выбрать ширину щелевого коллиматора первичного излучения и его угловую расходимость таким образом (см. Фиг. 2), что в зоне регистрации прошедшего излучения могут разместиться по ширине два позиционно-чувствительных детектора и интенсивность прошедшего рентгеновского излучения можно регистрировать двумя позиционно-чувствительными детекторами, расположенными рядом друг с другом в пределах площади H_дет., определяемой угловой расходимостью первичного излучения и расстоянием позиционно-чувствительного детектора от точки S размещения источника первичного излучения, т.е. расстоянием SO₁, а именно:

H_дет. = SO₁⋅α,

где

α – угловая расходимость первичного излучения,

SO₁ – расстояние от источника первичного излучения до позиционно-чувствительного детектора.

Это дает возможность реализовать метод двухэнергетической схемы сепарации с одним источником первичного излучения. Эту возможность предоставляет щелевой коллиматор первичного излучения со стенками, покрытыми различными материалами с различными атомными номерами, дающими в первичном спектре две монохроматические линии, наиболее подходящие для двухэнергетической сепарации того или иного материала различной крупности. Причем один из материалов соответствует материалу анода рентгеновской трубки.

Таким образом, как показано в описании, предложенные способ и устройство сепарации алмазов позволяют упростить конструкцию прототипа при одновременном сохранении аналитических характеристик и обеспечить возможность обрабатывать сигнал по большему количеству алгоритмов в частности использовать моноэнергетическую и двухэнергетическую схему сепарации.

Claims (56)

1. Способ сепарации алмазов, в котором

- транспортируют анализируемый материал на ленте транспортера,

- облучают анализируемый материал пучком первичного рентгеновского излучения, поперечное сечение которого меньше размера частиц полезного материала,

- регистрируют прошедшее рентгеновское излучение позиционно-чувствительным детектором после его прохождения через коллиматор прошедшего излучения,

- сравнивают интенсивность прошедшего излучения с пороговым значением и выделяют частицы полезного материала по результатам сравнения, отличающийся тем, что

- в качестве источника первичного рентгеновского излучения используют точечный источник с щелевым коллиматором первичного излучения, обеспечивающий узкий пучок первичного рентгеновского излучения с малой угловой расходимостью,

- в качестве коллиматора прошедшего излучения используют многоканальный коллиматор прошедшего излучения, ячейки которого расположены радиально по отношению к точечному источнику первичного излучения, а ширина ячеек согласована с минимальными размерами частиц полезного материала, причем количество ячеек в коллиматоре прошедшего излучения равняется ширине ленты транспортера, деленной на ширину ячейки коллиматора прошедшего излучения, при этом передняя часть коллиматора прошедшего излучения выполнена плоской и расположена вблизи ленты транспортера, а задняя часть выполнена изогнутой по радиусу, равному расстоянию от точечного источника первичного излучения до позиционно-чувствительного детектора, при этом ортогональность входа прошедшего излучения в позиционно-чувствительный детектор обеспечивают выполнением поверхности позиционно-чувствительного детектора с изогнутой по радиусу, равному радиусу задней части коллиматора прошедшего излучения.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что анализируемый материал облучают на ленте движущегося транспортера, при этом координату Х положения частицы определяют позиционно-чувствительным детектором, а координату Y определяют, исходя из скорости ленты транспортера.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что первичное рентгеновское излучение от точечного источника рентгеновского излучения коллимируют плоским щелевым коллиматором первичного излучения, создающим узкий плоский поток первичного рентгеновского излучения с малой угловой расходимостью во фронтальном направлении порядка 0,2-5 град., по ширине, равной ширине ленты транспортера, с усиленными монохроматическими линиями рентгеновского спектра посредством нанесения на стенки плоского щелевого коллиматора слоя материалов, характеристическое излучение которых вносит дополнительный вклад в спектр первичного излучения анода рентгеновской трубки, проходящего через плоский щелевой коллиматор первичного излучения, при этом материалы слоев выбирают из условия максимального соотношения поглощающих свойств материала вмещающей породы и материала анализируемой частицы в соответствии с соотношением максимальной контрастности

К_спектр ~ (µρ)_част./(µρ)_пор. ,

где

µ - массовый коэффициент поглощения первичного излучения в материале частицы или вмещающей породы, при этом µ = f(E, z), где

Е- энергия монохроматической линии,

z- атомный номер поглощающего материала,

ρ – плотность материала частицы или вмещающей породы,

при этом один из материалов покрытия стенок щелевого коллиматора соответствует материалу анода рентгеновской трубки.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что используют плоский щелевой коллиматор первичного излучения, на обе стенки которого нанесен слой одного материала.

5. Способ по п. 3, отличающийся тем, что используют плоский щелевой коллиматор первичного излучения, на разные стенки которого нанесены слои разных материалов.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для получения максимального геометрического контраста частицы полезного материала на фоне слоя анализируемого материала размер ячеек многоканального коллиматора прошедшего излучения, выбирают таким, чтобы он в 2-10 раз превосходил минимальный размер анализируемой частицы, в зависимости от размера частицы, при этом первоначальный геометрический контраст частицы К_{геометр} = ω₁/ω₀ увеличивается в n раз до значения К_{геометр} = ω₁/ω_n,

n = (ω₁/ω_n)/ (ω₁/ω₀) = ω₀/ω_n,

где:

ω₁ – угловой размер частицы из точки регистрации частицы на позиционно-чувствительном детекторе,

ω₀ - угловой размер линии облучения материала из точки регистрации частицы на позиционно-чувствительном детекторе,

ω_n - угловой размер ячейки многоканального коллиматора прошедшего излучения из точки регистрации частицы на позиционно-чувствительном детекторе.

7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что контрастность K аналитического сигнала, определяемая по формуле

,

где I_расс. – суммарная интенсивность рассеянного излучения в точке регистрации излучения от анализируемой частицы на позиционно-чувствительном детекторе,

I_пр. – интенсивность излучения, прошедшего через слой материала и ленту транспортера,

σ_кг (ω), σ_нкг(ω) – дифференциальные коэффициенты когерентного и некогерентного рассеяния,

I_{пр.част.} – интенсивность излучения, прошедшего через анализируемую частицу, увеличивается в n = ω₀ /ω_n раз, которое соответствует соотношению угловых размеров линии облучения и угловому размеру ячейки коллиматора.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в зоне регистрации прошедшего излучения рядом с основным позиционно-чувствительным детектором размещают дополнительный позиционно-чувствительный детектор в пределах площади H_дет., определяемой угловой расходимостью первичного излучения и расстоянием позиционно-чувствительного детектора от точки S размещения источника первичного рентгеновского изучения:

H_дет. = SO₁⋅α,

где:

α – угловая расходимость первичного излучения,

SO₁ - расстояние между позиционно-чувствительным детектором и точкой S размещения источника первичного излучения.

9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что позиционно-чувствительные детекторы развернуты друг относительно друга на величину угла α расходимости первичного пучка излучения.

10. Способ по п. 8, отличающийся тем, что регистрируют энергии различных монохроматических линий двумя позиционно-чувствительными детекторами и измеряют интенсивность прошедшего излучения в двух энергетических диапазонах методом двухэнергетической абсорбциометрии.

11. Устройство сепарации алмазов, содержащее ленту транспортера со слоем анализируемого материала, движущуюся с постоянной скоростью, рентгенооптически связанные источник первичного излучения, коллиматор первичного излучения, коллиматор прошедшего рентгеновского излучения и позиционно-чувствительный детектор, отличающийся тем, что источником первичного излучения является точечный источник излучения, коллиматор первичного излучения является щелевым коллиматором, а коллиматором прошедшего рентгеновского излучения является многоканальный коллиматор, ширина ячеек которого согласована с минимальными размерами частиц полезного материала, а количество ячеек в коллиматоре прошедшего излучения равняется ширине ленты транспортера, деленной на ширину ячейки коллиматора прошедшего излучения, при этом передняя часть коллиматора прошедшего излучения выполнена плоской и расположена вблизи ленты транспортера, а задняя часть выполнена изогнутой по радиусу, равному расстоянию от точечного источника первичного излучения до позиционно-чувствительного детектора, позиционно-чувствительный детектор выполнен с изогнутой поверхностью по радиусу для обеспечения ортогональности входа прошедшего излучения в позиционно-чувствительный детектор.

12. Устройство по п. 11, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит селективный фильтр, селективно поглощающий флуоресцентное излучение материала многоканального коллиматора прошедшего излучения, расположенный по ходу луча после коллиматора прошедшего излучения.

13. Устройство по п. 11, отличающееся тем, что стенки коллиматора первичного излучения покрыты материалами, соответствующими материалу анода рентгеновской трубки или материалом с характеристическим излучением, из условия максимального соотношения поглощающих свойств материала вмещающей породы и материала анализируемой частицы, в соответствии с соотношением максимальной контрастности

К_спектр ~ (µρ)_{частицы}/(µρ)_породы ,

где

µ - массовый коэффициент поглощения первичного излучения в материале частицы или вмещающей породы, при этом µ = f(E, z), где

Е- энергия монохроматической линии,

Z - атомный номер поглощающего материала,

ρ – плотность материала частицы или вмещающей породы,

при этом один из материалов покрытия стенок щелевого коллиматора соответствует материалу анода рентгеновской трубки.

14. Устройство по п. 13, отличающееся тем, что на обе стенки плоского щелевого коллиматора первичного излучения нанесен слой одного материала.

15. Устройство по п. 13, отличающееся тем, что на разные стенки плоского щелевого коллиматора первичного излучения нанесены слои разных материалов.

16. Устройство по п. 11, отличающееся тем, что оно содержит дополнительный позиционно-чувствительный детектор, расположенный в зоне регистрации прошедшего излучения рядом с основным ПЧД, при этом ширина щелевого коллиматора и угловая расходимость щелевого коллиматора выбрана таким образом, чтобы в зоне регистрации прошедшего излучения разместить по ширине два позиционно-чувствительных детектора в пределах площади, определяемой угловой расходимостью первичного излучения и расстоянием позиционно-чувствительного детектора от точки S размещения источника первичного рентгеновского изучения, т.е. расстоянием SO₁, а именно

H_дет = SO₁⋅α,

где

α – угловая расходимость первичного излучения,

SO₁ – расстояние от источника первичного излучения до позиционно-чувствительного детектора.

17. Устройство по п. 16, отличающееся тем, что перед каждым позиционно-чувствительным детектором установлен селективный фильтр, пропускающий прошедшее излучение с энергией материала анода рентгеновской трубки и материалов щелевого коллиматора, характеристическое излучение которых вносит дополнительный вклад в спектр первичного излучения, проходящего через плоский щелевой коллиматор первичного излучения, и на которую настроен позиционно-чувствительный детектор для повышения спектральной контрастности регистрируемого прошедшего излучения.

18. Устройство по любому из пп. 11-17, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит заслонку, выполненную с возможностью перекрытия пучка прошедшего излучения в случае, когда лента транспортера свободна от анализируемого материала.

Images