Исследование влияния особенностей облучения алмазосодержащего сырья на регистрацию алмаза

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОСОБЕННОСТЕЙ ОБЛУЧЕНИЯ АЛМАЗОСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ НА РЕГИСТРАЦИЮ АЛМАЗА

А.Н. Чертов

Рассматриваются особенности облучения алмазосодержащего сырья в рентгенолюминесцентных сепараторах и их влияние на процесс регистрации алмаза в потоке руды.

В отечественной технологии обогащения алмазосодержащего сырья наиболее распространенным методом извлечения алмазов является метод рентгенолюминес-центной сепарации (РЛС). Однако, несмотря на то, что за время существования метода РЛС накоплен большой опыт его практического использования, теоретические основы и закономерности проектирования отдельных систем и РЛ-сепараторов в целом до настоящего времени разработаны недостаточно, что является причиной методических ошибок при проектировании и заведомого снижения технико-эксплуатационных характеристик оборудования.

Работы по изучению закономерностей рентгенолюминесценции и ее регистрации являются основой для модернизации обогатительного оборудования и создания улучшенных его моделей, а значит, способствуют повышению экономической эффективности алмазодобывающей отрасли и имеют важнейшее народнохозяйственное значение. Поэтому они должны входить в состав приоритетных направлений отечественной науки.

Настоящая работа посвящена исследованию особенностей облучения потока материала и, в конечном итоге, параметров рентгенооптических схем (РОС) сепараторов - взаимного расположения узлов и зон облучения и обнаружения, которые определяют весь последующий алгоритм формирования признаков разделения алмазов и сопутствующих минералов.

Известно, что обнаружение алмазов в потоке руды в РЛ-сепараторах базируется на анализе следующих признаков рентгенолюминесценции:

• спектров люминесценции;

• различной прозрачности алмазов и минералов-спутников к рентгеновскому излучению;

• различной длительности свечения алмазов и сопутствующих минералов;

• амплитуде сигналов люминесценции различных компонент свечения, а также их соотношения.

Два первых разделительных признака определяются только физическими свойствами компонентов алмазосодержащей руды, тогда как степень информативности двух последних зависит, в том числе, и от параметров РОС.

В общем случае процесс анализа материала, включающий возбуждение люминесценции и регистрацию свечения, можно описать следующим образом.

В плоскости движения образцов руды в сепараторе создается зона анализа А (см. рис.), которая состоит из зон возбуждения В и регистрации Р люминесценции. Рентгеновская трубка (РТ) создает локализованную в плоскости движения руды Д зону В, ширина которой равна Фотоприемное устройство (ФПУ) регистрирует излучение Ф(1;) образцов, находящихся в зоне Р, ширина которой равна ёР. Образцы руды размером с1 движутся в плоскости Д с постоянной скоростью V.

Зона возбуждения В и регистрации Р люминесценции могут совпадать, частично совпадать либо быть разнесены в плоскости Д так, что начало зоны Р отнесено по направлению движения материала на расстояние А от конца зоны В.

РТ

ФПУ

Рис. Обобщенная рентгенооптическая схема сепаратора

Возбуждение люминесценции может производиться как непрерывным излучением Я^) = Я0, так и периодической последовательностью импульсов длительностью т и периодом следования ТИ, а регистрация излучения всегда осуществляется непрерывно.

Люминесценция минералов содержит, в общем случае, две составляющих: коротко-живущую, так называемую быструю, и долгоживущую или медленную компоненты - БК и МК. Первая разгорается практически мгновенно (через несколько мкс) вслед за возбуждением и также быстро гаснет после его окончания, вторая разгорается и гаснет в течение более длительного времени - нескольких мс. Спектр люминесценции образца руды, в общем случае, содержит несколько полос свечения, каждая из которых обладает своими БК и МК.

Помимо минералов, под действием рентгеновского излучения светиться и воздух. Воздух обладает только БК люминесценции.

Выбором ёВ, А, т, ТИ можно влиять на соотношение интенсивностей свечения различных компонент в наблюдаемом потоке излучения Ф(1;).

Рассмотрим особенности непрерывного и импульсного режимов люминесценции.

1. Непрерывный режим возбуждения

Возбуждение люминесценции образца начинается при его входе в зону В, и в это же время на выходе ФПУ появляется сигнал.

На интервале времени А^ = с1 / V изменение величины потока на входе ФПУ и сигнала 2 (¿) на его выходе определяются следующими факторами: функциями входа площади поверхности образца в зону анализа, количеством и значениями постоянных времени образца, участвующих в свечении. Полосы свечения с постоянными времени люминесценции Т << с1 / V создадут потоки Фг(0, повторяющие изменение во времени функции £(^), а полосы с постоянными времени Т1 >> с1 / V практически не разгорятся и не дадут существенного вклада в свечение Ф(0. При полном входе образца в зону анализа полосы с быстрой кинетикой разгорятся до максимального значения, а изменение во времени величины потока от полос с медленной кинетикой будет определяться зависимостью

V

У

где Фю - величина потока 1-й полосы при стационарном возбуждении.

Изменение во времени суммарного потока на входе ФПУ можно представить как

( (»Л

) = Е ФБ + Е ФММ

=к+1

1 - е

где Фщ и Ф;м - величины потоков при стационарном возбуждении полос с быстрой и медленной кинетикой; к и п - количество полос с быстрой кинетикой и общее количество полос свечения.

Выход образца из зоны анализа практически так же влияет на изменение величины потока Ф(0, как и его вход, однако потоки от полос и с быстрой, и с медленной кинетикой будут изменяться одинаково в зависимости от изменения функции выхода.

Сигнал г(1) будет повторять изменение Ф(0, однако слагаемые, входящие в (2), будут давать вклад в г(1) в зависимости от взаимного положения спектра люминесценции и спектральной чувствительности ФПУ.

Максимальная величина потока Ф(1;) равна при с1 < dВ

(

ФМАХ =Ё Фб + Ё ФМ

=к+1

1 - е

V т

Л

В случае разнесенных зон В и Р возбуждение люминесценции будет протекать так же, как и в предыдущем случае. Каждая точка образца, вышедшая из зоны В, входит в

зону Р через интервал времени 9 = Д. За это время полосы свечения с постоянной времени Т, << 0, в том числе и воздуха, практически полностью высветятся, а с постоянными времени Т, >> 0 практически не изменят своей интенсивности. Для полос с Т, >> 0 амплитуда сигнала в зоне регистрации с учетом времени Д^ входа образца в зону равна

(

Ф МР = Ф М

1 - е

V т

е

&+d V Т,

V у

Изменение сигнала во времени после его входа в зону регистрации определяется соотношением

(

Фр (()=Е Ф,

,=к+1

М

1 - е

dБ-d V Т,

л

Д+d V Т,

«0 Т

где 10 - время входа зерна в зону регистрации. Как и в предыдущем случае, сигнал г(() на выходе фотоприемника повторяет (5) с учетом спектров люминесценции полос. Разнесение зон позволяет наблюдать свечение полос только с медленной кинетикой.

Более строгое описание процессов существенно усложняет аналитический вид выражений, что затрудняет их анализ. Рассмотренный упрощенный подход и полученные зависимости полно отражают основные соотношения между параметрами люминесценции и параметрами зоны анализа.

Непрерывный режим характеризуется более высоким уровнем возбуждения люминесценции различных компонент свечения и позволяет достигнуть большей чувствительности. Однако сигнал люминесценции воздуха при совмещении зон возбуждения и наблюдения регистрируется фотоприемником как высокочастотный и постоянный, является фоновым сигналом и затрудняет или препятствует надежному обнаружению свечения алмазов, интенсивность которых сравнима или меньше люминесценции воздуха.

Т

,=1

,=1

dв-d Л \

е

е

Снижение фонового сигнала может быть достигнуто за счет сужения зоны возбуждения и/или локализации зоны регистрации.

Постоянное возбуждение и регистрация в непересекающихся полях позволяет получить различные уровни возбуждения длительного компонента путем изменения ширины полосы возбуждения, но обладает меньшей селективностью. Это связано с тем, что среди полезного продукта присутствуют алмазы с пониженной интенсивностью люминесценции и малым вкладом длительного компонента свечения. Обнаружение люминесценции таких алмазов будет затруднено или невозможно.

Вместе с тем фоновый сигнал люминесценции воздуха, который быстро затухает за пределами зоны возбуждения, в этом случае значительно меньше (при частично разнесенных зонах) или отсутствует.

2. Импульсный режим возбуждения

Импульсный режим, по сравнению с постоянным, характеризуется меньшим уровнем возбуждения компонент люминесценции с медленной кинетикой и используется только при совмещенных зонах.

При импульсном облучении зоны возбуждение люминесценции происходит только во время действия импульса рентгеновского излучения той части образца, которая в это время находится в зоне. На интервале времени (ТИ - т) происходит высвечивание возбужденных центров. В этом случае функции входа и выхода образца из зоны анализа также оказывают влияние на характеристики наблюдаемого свечения, однако при значениях тИ << с1 / V это проявляется только в амплитуде сигнала на каждом такте возбуждения.

Амплитуда потока в конце импульса на 1-м такте возбуждения после входа образца в зону равна

ФМАХ =Е Ф1Б + £(м - ФМ •(( - 1))-

/ _ г б / 1 \ - гм ¿=1 г=к+\

1 - е 1Т

где Фм  (( -1) - амплитуда г-ой компоненты свечения на 1-ом такте.

При наблюдении сигнала через интервал времени 0 после окончания импульса возбуждения

Фм И=! (Фм - ФМ-(I -1))-

=к+1

1 - е ^Т

Л

Т \ I Ти-т \ ( в

Т ' Тг'

Сравнивая (3), (5), (6), (7) видно, что они различаются только способом формирования длительности возбуждения т и времени задержки наблюдения 0.

Импульсный режим позволяет обеспечить более высокий уровень селективности за счет возможности анализа быстрых и медленных компонент свечения и их соотношения для алмазов и сопутствующих минералов, однако характеризуется некоторым снижением чувствительности. Кроме того, при импульсном режиме и совмещенных зонах на быстрые компоненты свечения минералов накладывается быстрая составляющая свечения воздуха и вносит существенную погрешность в анализ полных сигналов люминесценции.

Таким образом, по результатам анализа особенностей формирования зоны анализа можно сделать следующие выводы.

1. Использование непрерывного режима возбуждения и метода регистрации по амплитуде сигналов люминесценции при совмещенных зонах облучения и регистрации позволяет отделять алмазы от сопутствующих минералов в основном по спектральному признаку и, теоретически, может применяться только для предварительного обогащения алмазосодержащей руды по критерию «люминесцирует - не люминесцирует». При этом чувст-

Т„-т

и

Т

вительность СР ограничивается, в том числе, и амплитудой люминесценции сигнала воздуха.

Снижение порога разделения с целью улавливания алмазов со слабой люминесценцией приводит к росту извлечения минералов-спутников и, как следствие, к значительному снижению селективности сепарации.

2. Эффективность использования непрерывного режима возбуждения и амплитудно-кинетического метода регистрации с учетом только длительности свечения, без дополнительного анализа составляющих кривой послесвечения минералов, ограничивается степенью перекрытия постоянных времени послесвечения люминесценции минералов в миллисекундном диапазоне. Поскольку существуют алмазы с аномальной кинетикой люминесценции (короткая медленная компонента послесвечения или ее отсутствие), этот метод не позволяет их обнаруживать.

Для уверенного обнаружения таких алмазов необходимо увеличивать степень перекрытия зон облучения и регистрации или, в общем случае, уменьшать промежуток между ними, что, в свою очередь, приводит к увеличению числа мешающих минералов, попадающих в концентрат вместе с алмазами, т.е. к снижению показателя сокращения. Вместе с тем влияние люминесценции воздуха на итоговый сигнал либо отсутствует (при разнесенных зонах), либо существенно меньше (при частично совмещенных зонах).

3. Эффективность использования импульсного режима возбуждения и амплитудно-кинетического метода с учетом длительности люминесценции, а также анализа соотношения различных компонент свечения позволяет увеличить эффективность регистрации. Однако в этом случае анализ материала, для увеличения чувствительности, осуществляется при совмещенных зонах облучения и обнаружения, и на итоговый сигнал и расчет соотношения компонент существенное влияние оказывает амплитуда БК люминесценции воздуха, которая может меняться в широких пределах в процессе работы.

4. Свечение воздуха является источником шума и причиной снижения чувствительности. В любом случае, независимо от режима возбуждения, для обеспечения нормальной работы усилителя тракта регистрации необходимо отделить сигнал люминесценции воздуха от сигналов люминесценции алмазов и сопутствующих минералов или скомпенсировать его. Операция отделения или компенсации составляющей сигнала люминесценции воздуха должна выполняться автоматически, так как при воздействии дестабилизирующих факторов (колебание параметров питания РТ и ФЭУ, загрязнение защитных окон фотоприемников, старение оборудования) происходит постоянное изменение во времени сигнала люминесценции воздуха, что нарушает нормальную работу тракта регистрации.

В данной статье рассмотрены основные теоретические принципы и закономерности формирования сигнала на выходе ФПУ в системах регистрации сепараторов в зависимости от выбранного режима возбуждения и параметров РОС. Несмотря на то, что на практике сигналы люминесценции алмазов и минералов-спутников подвергается большому количеству влияющих факторов, описанные модели можно использовать для приблизительных, оценочных расчетов РОС и приемно-усилительных трактов сепараторов.

Литература

1. Гомон Г. О. Алмазы. М.: Машиностроение, 1966.

2. Каган В.С., Левитин А.И., Панова С.Н., Шестакова Т.В. Спектральный способ повышения селективности рентгенолюминесцентной сепарации алмазосодержащего сырья // Цветные металлы. 1980. № 6. С. 97-99.

3. Многопараметровая система регистрации сепаратора ЛС-ОД-50 и аппаратура признаков разделения для рентгенолюминесцентного обогащения. / Отчет, тема 47-38, научный рук. к.т.н. В.И. Калинчук, ЛНПО «Буревестник», Ленинград, 1990.