DEVICE FOR ANALYZING MINERAL SUBSTANCES USING THE METHOD OF NEUTRON ACTIVATION ANALYSIS

Abstract: 1. Geophysical nuclear analytical device particularly for the analysis of mineral substances, including an activation unit (1) which irradiates the one part of the sample taken from the material to be tested with fast neutrons and the other part with slow neutrons, and a pneumatic sample transport device (4) connecting this activation unit (1) with a sample delivery unit (2) and with a high energy measuring station (3), characterized in that at least two low energy measuring stations (7a, 7b) are provided, each of which consists of an excitation radiation unit (5a or 5b respectively) for generating soft gamma radiation each with a differing energy spectrum and which are associated with the other samples taken from the material to be tested, and a detector unit (6a or 6b, respectively) as well as a sample store (8a or 8b) which is associated with these units (5, 6), the detector outputs of the high energy measuring station and those of the low energy measuring station (7a, 7b) as well as the control inputs of the pneumatic sample transport device (4) and the sample store (8) being connected to a central control and data storing and evaluating unit (9).

Description: GEOPHYSIKALISCHE NUKLEARE ANALYTISCHE VORRICHTUNG, INSBE SONDERE ZUR ANALYSE VON MINERALSUBSTANZEN Die Erfindung betrifft eine geophysikalische analytische Vorrichtung, insbesondere zur Analyse von Mineralsubstanzen zur Bestimmung der Komponenten der Zwischen- und Endprodukte A1, Si, Ca, Ti, Fe in erster Linie auf dem Gebiet der Rohstofferkundung und -gewinnung bzw. der industriellen Verarbeitung. Zur Bestimmung der einzelnen Komponenten der Mineralsubstanzen sind mehrere nukleare analytische Vorrichtungen bekannt, von denen die der vorliegenden Erfindung am nächsten kommende Lösung der HU-PS 154 359 zu entnehmen ist. Ein Mangel der in dieser Patentschrift angeführten Vorrichtung besteht darin, dass sie im Prinzip und so auch in der Realität nur die Bestimmung des A1- und Si-Gehalts ermöglicht. Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, den obigen Mangel durch die Schaffung einer solchen geophysikalischen nuklearen analytischen Vorrichtung zu beseitigen, welche die gleichzeitige Bestimmung mehrerer Komponenten ermöglicht und sowohl in Schiffen für Meererkundung und in Bergwerken, als auch in Industriegewinnungsbetrieben angebracht werden kann, inbegriffen die stetige Regelung und Steuerung der Gewinnung und der Verarbeitung. Die Erfindung beruht auf dem Erkennen von drei kombinatorischen Wirkungen. Nämlich können mit dem an Probenpaaren durchgeführten Neutronenaktivationsverfahren zur Bestimmung von Al und Si gleichzeitig in einer gemeinsamem symmetrischen zyklischen Ordnung - durch Abnahme einer oder mehrerer Proben des zu prüfen den Materials, diese - durch Bestrahlung mit voneinander abweichende Energie spektren aufweisenden, zweckmässig weichen Gamma-Strah lungsquellenpaaren - durch Erfassung der zustandekommenden charakteristischen Röntgenstrahlung mit Detektorpaaren weitere Komponenten, besonders Ca, Ti, Fe bestimmt werden, wobei der weiche Garma-Strahl im Rahmen der vorliegenden Erfindung zur Bezeichnung einer sich bis zu einer Energie von 200 keV verbreitenden Strahlung dient und das Energiespektrum der beiden Strahlungsquellen nur dann abweichend ist, wenn sie wenigstens je eine abweichende dominant Energie aufweisende Spektrallinie haben. Solch eine geophysikalische nukleare analytische Vorrichtung wird durch die Erfindung verwirklicht, welche eine den einen Teil der aus dem zu prüfenden Material entnommenen Proben schnellen, den anderen Teil mit langsamen Neutronen bestrahlende Aktivierungseinheit und eine mit der Aktivierungseinheit durch einen Probenspeicher und eine Hochenergie-Messstelle verbundene pneumatische musterliefernde Einheit, weiter eine aus einerweicheneamma-Strah- len erzeugenden Erregerstrahlungseinheit und aus einer Detektoreinheit, bzw. aus einer sich an diese anschliessenden probe liefernden Einheit bestehende und eine einen aus dem zu prüfenden Material entnommenen anderen Teil messende Niederenergie-Messstelle aufweist, wobei die Ausgänge des Detektors der Niederenergie- und der Hochenergie-Messstelle und die Steuereingänge der pneumatischen musterliefernden Einheit und der musterspeichernden Einheit mit einer zentralen Steuer-, Datenspeicher- und Auswerteeinheit verbunden sind. Zur Vermeidung der Fehler, die durch die anwesenden ungeprüften Elemente und wegen der Rückstrahlung entstehen, ist es vorteilhaft, wenn die Vorrichtung wenigstens zwei Niederenergie-Messstellen hat, wodurch das Energiespektrum der Erregerstrahlungseinheit bei einer der Niederenergie Messstellen eine dominant niedrigere Energiekomponente als die der charakteristischen Energie des zu prüfenden Elements aufweist, das Energiespektrum der Erregereinheit der anderen Niederenergie-Messstelle jedoch auch eine höhere Energiekomponente aufweist, und/oder die Detektoreinheit wenigstens einen vor dem Detektor angebrachten mechanischen Filter enthält. Zur Verbesserung der geometrischen Fehler ist es zweckmässig, dass die sich in der Niederenergie-Messstelle der Vorrichtung befindende Achsenlinie der Erregereinheit Strahlungsquelle in der Normalen zur Oberfläche der zu prüfenden Probe liegt, die Mittellinie der Erfassungsrichtung des Detektors der Detektoreinheit hingegen eine Kegelfläche bildet, wobei die Achsenlinie der Kegelfläche mit der Achsenlinie der Strahlungsquelle übereinstimmt. Die Fehler, die durch den Zerfall der in den Energieeinheiten der Niederenergie-Messstellen vorhandenen Strahlungsquellen wverursacht sind, können beseitigt werden, wenn ein mit seinem Eingang an den Basisdetektor der Detektoreinheit angeschlossener voreingestellter Datenspeicher die Messzeit zu der (den) anderen Probe(n) bestimmt. Zur Mehrzweckverwendung ist es vorteilhaft, wenn die zentrale Steuer-, Datenspeicher- und Auswerteeinheit der Vorrichtung eine Rechemaschine ist. Die erfindungsgemässe Vorrichtung löst die gestellte Aufgabe innerhalb der Zykluszeit der neutronenaktivierenden Bestim mung von Al und Si; damit wird gleichzeitig die fehlerlose Bestimmung weiterer Komponentenelemente, zweckmässig Ca, Ti, Fe, die Strahlung der ungeprüften Komponentenelemente und die durch Fehler entstehende Rückstrahlung ermöglicht. Aufgrund der Kombination entsteht als unerwarteter Effekt, dass das Messergebnis einerseits vom geometrischen Fehler des Probenstandes, andererseits von dem sich durch den Zerfall der angewendeten weichen Gamma-Strahlungsquellen ergebenden Intensitätsverminderung entstehenden Fehler unabhängig wird, wodurch sich ein direktes Ergebnis - z.B. Gewichtsprozent - ergibt, was unmittelbar zur Steuerung der Prozesse der Erkundung und der Förderung bzw. Verarbeitung angewendet werden kann. Gleichzeitig kann die Vorrichtung in kleinem Ausmasse und in solcher Form verwirklicht werden, dass sie bei ihrer Inbetriebhaltung keine strahlengefährliche Vorrichtung ist. Im folgenden ist die Erfindung aufgrund des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiel-s näher erläutert. In der Zeichnung zeigen Fig. 1 das Blockschema einer vorteilhaften Ausführungs form der erfindungsgemässen Vorrichtung, und Fig. 2 den geometrischen Aufbau der Niederenergie Messstelle. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, werden durch eine Probetransporteinrichtung 4 an eine Aktivierungseinheit 1 eine Probenzuführeinheit 2 und eine Hochenergie-Mustermessstelle 3 angeschlossen. Die Detektorausgänge der Hochenergie-Messstelle 3 sind mit Messeingängen 12.1 einer in einer zentralen Steuer-, Datenspeicher- und Auswerte-Einheit 9 angeordneten gesteuerten und/oder geregelten Datenspeichereinheit 12 verbunden. Der Steuereingang der Probetransport einrichtung 4 ist an den einen Ausgang eines an der zentralen Steuer-, Datenspeicher- und Auswerte-Einheit 9 angeordneten Probenbewegungsmechanismus 10 angeschlossen. Die Vorrichtung hat zwei Niederenergie-Messstellen 7a, 7b. In den Niederenergie-Messstellen 7a, 7b befinden sich je eine Erregerstrahlungseinheit 5.a, 5.b, je ein Probenspeicher 8a, 8b und je eine Detektoreinheit 6.a, 6.b, wobei das Energiespektrum der Erregerstrahlungseinheit 5.a Komponenten mit dominant niedrigeren Energien als die Energie der charakteristischen Röntgenstrahlung des zu prüfenden Elements aufweist, das Energiespektrum der Erregereinheit 5.b jedoch auch Komponenten von höheren Energien enthält. Die Eingänge der Probenspeicher 8.a, 8.b sind an den anderen Ausgang des Probenbewegungsmechanismus 10 angeschlossen. Unter in den Detektoreinheiten 6.a, enthaltenen Detektoren 14.1, 14.b sind die Ausgänge der Messdetektoren 14.a 1, 14.b 2 an Messeingänge 121 der gesteuerten und/oder geregelten Datenspeichereinheit, die Ausgänge von Basisdetektoren 14.a 2, 14.b 2 an die Eingänge 122 der gesteuerten und/oder geregelten Einheit angeschlossen. In der zentralen Steuer-, Datenspeicher- und Auswerte-Einheit 9 sind ein Zeitregler 13 und eine Gewichtsprozente bestimmende Einheit 11 vorhanden, wobei die letztere mit ihrem Eingang mit dem Ausgang der gesteuerten und/oder geregelten datenspeichernden Einheit 12 verbunden ist. In der Detektoreinheit 6 der Niederenergie-Messstelle 7 von in Fig. 2 beispielsweise dargestelltem geometrischen Aufbau sind Detektoren 14, zweckmässig Zählrohrfenster (GM-Zahler) angeordnet. Die Mittellinien der Erfassungsrichtung der Detektoren 14 bilden solch eine Kegelfäche, deren Spitze sich auf der Oberfläche der Probe befindet und deren Achsenlinie senkrecht zur Probenoberfläche liegt. In der Achsenlinie dieses Kegels ist die Erregerstrahlungseinheit 5 und auch deren Strahlungsquellenhalter 5.1 untergebracht, wodurch die Achsenlinie der Strahlungsquelle mit der Achsenlinie der Kegelfläche übereinstimmt. Gegenüber der Detektoreinheit 6 ist der Probenspeicher 8 so angeordnet, dass die zu messende. Musteroberfläche auf dem Gipfelpunkt der Kegelfläche zu: dessen Achsenlinie senkrecht angeordnet ist. Unter den symmetrisch angeordneten Detektoren 14 bildet einer einen MeBdetektor 14.1, während der andere einen Basisdetektor 14.2 bildet. Die Vorrichtung arbeitet zyklisch. Die Zyklen werden von dem Zeitregler 13 gesteuert. Der Betrieb - den Weg der zu messenden Muster verfolgenden - ist wie folgt: Unter den aus dem zu prüfenden Material entnommenen zwei Probenpaaren kommmen die zwei Teile des einen Probenpaars aus der Probenzuführungseinheit 2 unter Einwirkung eines Befehlssignals des Probenbewegungsmechanismus 50 durch die Probentransporteinrichtung 4 in die Aktivierungseinheit 1. Hier wird durch Einwirkung des Flusses der langsamen Neutronen der eine Teil und des Flusses der schnellen Neutronen der andere Teil des Probenpaares aktiviert. In dem darauffolgenden Takt des Probenbewegungsmechanismus 10 kommt das Probenpaar aus der Aktivierungseinheit 1 durch die Probentransporteinrichtung 4 in die Hochenergie-Messstelle 3. Auf gleiche Weise und zur selben Zeit kommt ein aus zwei Probenpaaren entstehenden neues Probenpaar aus der Probenzuführeinheit 1 in die Aktivierungseinheit 1. Die sich von den in der Hochenergie-Messstelle 3 befindenden aktivierten Proben, durch die nuklearen Detektoren der Hochenergie-Messstelle 3 beobachteten Strahlenwirkung entstehenden Impulse betreiben die gesteuerte und/oder geregelte Datenspeichereinheit 12. Der Zeitregler 13 bestimmt auch die Messzeit. Am Ende des Messzyklus entfernt sich das Probenpaar aus der Hochenergie-Messstelle, und der Zyklus wiederholt sich wie oben beschrieben mit einem neuen Probenpaar. Gleichzeitig mit der Weiterleitung des einen Paars unter den aus dem zu prüfenden Material entnommenen zwei Probenpaaren in die Hochenergie-Messstelle 3 werden die in den musterliefernden Einheiten 8.a, 8.b lagernden Teile des anderen Paares in Niederenergie-Messstellen 7.a, 7.b gemessen. Das gleichzeitige Messen weder der Probenpaare zwischeneinander, noch zwischen den Teilen der einzelnen Paare bildet keine Voraussetzung der Verwirklichung der Erfindung, das dargestellte Beispiel verhilft nur zu einer einfacheren Ubersicht. Während der Messung in den Niederenergie-Messstellen 7.a, 7.b wird der eine Teil des Probenpaares von der Erregerstrahlungseinheit 5.a mit solch einer weichen Gamma-Strahlung bestrahlt, deren Spektrum dominantere, niedrigere Komponenten aufweist als die der charakteristischen Strahlenenergie der geprüften Komponente; so erregt sie die zuprüfenden Komponenten nicht oder nur in kleinem Masse. Der andere Teil des Musterpaares wird durch die Erregerstrahlungseinheit 5.b solch einer weichen Gamma-Strahlung ausgesetzt, deren Spektrum auch höhere, zweckmässig nahestehende Energiekomponenten aufweist, als bei der charakteristischen Strahlenenergie der geprüften Komponente. Unter den in den Detektoreinheiten 6.a, 6.b an den Niederenergie Messstellen 7.a, 7.b angeordneten Detektoren 14.a, 14.b erfassen die Messdetektoren 14.a 1, 14.b 1 die aus den Mustern unter Einwirkung der Erregung austretende Strahlung. Die Atome der Proben erzeugen diese Strahlung deshalb, weil unter Einwirkung der Erregung die aus den K-Schalen ausgestossenen Elektronen aus den L-Schalen ersetzt werden. Die erfasste Strahlung wird in Form von Impulsen durch die Mess- eingänge 121 in dem gesteuerten und/oder geregelten Datenspeicher 12 gespeichert. Der Zeitregler 13 setzt die Mes sung in Gang, ihre Beendigung jedoch regeln bzw. steuern - von dem steuernden und/oder regelnden Eingang 122 der gesteuerten und/oder geregelten Datenspeichereinheit 12 die sich in den Detektoreinheiten 6.a, 6.b befindenden, durch die Basisdetektoren 14.1.2, 14.b.2 erfassten Impulse. Nach Beendigung der Messung gelangen die aus den in der gesteuerten und/oder geregelten Datenspeichereinheit 12 gespeicherten und aus den Hochenergie-Messstellen 3 und Niederenergie-Messstellen 7 stammenden Messdaten in die Gewichtsprozente bestimmende Einheit 11, wo das erwünschte Ergebnis aufgrund der bekannten mathematischen Zusammenhänge mit arithmetischen Schritten bestimmt, ausgeschrieben und eventuell gespeichert wird. Es ist ersichtlich, dass die als Beispiel angeführte Ausführung die Zielsetzung der Erfindung mit sehr einfachen Mitteln und auf einfache Art verwirklicht, keine hohen Ansprüche im Betrieb stellt, so dass sie bei den bezeichneten industriellen Aufgaben vorteilhaft angewendet werden kann.

Claims: PATENTANSPRUCHE: 1. Geophysikalische nukleare analytische Vorrichtung, insbesondere zur Analyse von Mineralsubstanzen, die eine den einen Teil der aus dem zu prüfenden Material entnommenen Probe mit schnellen, den anderen Teil mit langsamen Neutronen bestrahlende Aktivierungseinheit (1) und eine die Aktivierungseinheit (1) mit einer Probenzuführeinheit (2) und mit einer Hochenergie Messstelle (3) verbindende pneumatische Probentrans porteinrichtung (4) aufweist, dadurch g e k e n n z e i c hn e t , dass eine Nie derenergie-Messstelle (7) aus einer an den aus dem zu prüfenden Material entnommenen anderen Proben angeord neten, weiche Gamma-Strahlung erzeugenden Erreger strahlungseinheit (5) und aus einer Detektoreinheit (6) sowie aus einem an diesen angeordneten Probenspei cher (8) besteht, wobei die Detektorausgänge der Hoch energie-Messstelle (3) und der Niederenergie-Messstelle (7) und die Steuereingänge der pneumatischen Proben transporteinrichtung (4) und der Probenspeicher (8) an eine zentrale Steuer-, Datenspeicher- und Auswerte einheit (9) angeschlossen sind. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass sie mehrere Niederenergie-Messstellen (7a, 7b, 7c ...) aufweist, wobei wenigstens eine von diesen eine dominantere nie drigere Energie enthaltende Erregerstrahlungseinheit (5a) hat als die charakteristische Strahlenenergie des zu prüfenden Elements und wenigstens eine weitere Mess stelle,die mit einer Erregerstrahlungseinheit (5b) versehen ist, deren Energie höhere Komponenten enthält als die charakteristische Energie der Strahlung des zu prüfenden Elements. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die Achsen linien der Strahlungsquellen der Erregerstrahlungs einheit (5) in der Normalen zur Oberfläche der zu prü fenden Proben liegen, die Mittellinie der Erfassung von Detektoren (14), die in einer zu je einer Erreger strahlungseinheit (5) gehörenden Detektoreinheit (6) enthalten sind, eine Kegelfläche bildet, wobei die Achse der Kegelfläche mit der Achsenlinie der Strah lungsquelle der zur Detektoreinheit (6) gehörenden Erregerstrahlungseinheit (5) übereinstimmt. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass sie we nigstens eine, ein vor dem Detektor (14) angeordnetes mechanisches Filter enthaltende Detektoreinheit (6) hat. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass sie eine mit einem Messdetektor (14.1), mit einer einen Basis detektor (14.2) enthaltenden Detektoreinheit (6) und mit einer Strahlunsquelle enthaltenden Erregerstrah lungseinheit (5) ausgerüstete Niederenergie-Messstelle (7) aufweist. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass in der zen tralen Steuer-, Datenspeicher- und Auswerteeinheit (9) eine mit den Ausgängen an eine Gewichtsprozente be stimmende Einheit (11), mit Messeingängen (121) an die Detektorausgänge der Hochenergie-Messstelle (3) und der Niederenergie-Messstelle (7) angeschlossene gesteuerte und/oder geregelte Datenspeichereinheit (12), einen Zeitregler (13) und einen mit den Ausgängen an die an die Steuereingänge der pneumatischen Probentrans porteinrichtung (4) und des Probenspeichers (8) ange schlossenen Probenbewegungsmechanismus (10) aufweist. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass sie einen in der Detektoreinheit (6), wenigstens einen, mit sei nem Ausgang an den steuernden und/oder regelnden Ein gang (122) des geregelten und/oder gesteuerten Daten speichers (12) angeschlossenen Basisdetektor (14.2) aufweist. 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch g e k e n n z ei c h n e t , dass die zen trale Steuer-, Datenspeicher- und Auswerteeinheit (9) eine Rechenmaschine ist.

Inventors: RENNER, JANOS, DIPL.-PHYS., SIKLOS, ALBERT, Renner, János, Dipl.-Phys.
Applicants: MAGYAR ALLAMI EOTVOS LORAND GEOFIZIKAI INTEZET
Application year: 1982
Main classification: G01N23
IPC codes: G01N23