УСТРОЙСТВО ГАММА-АКТИВАЦИОННОГО АНАЛИЗА

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ПОЛЕЗНАЯ МОДЕЛЬ
Полезная модель относится к устройствам для осуществления ядерно-физических методов определения содержания элементов в различных природных и техногенных материалах и объектах окружающей среды, в частности, к устройству гамма-активационного анализа образцов, например, для определения содержания золота.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Активационный анализ представляет собой метод определения состава вещества, основанный на активации атомных ядер и исследовании радиоактивного излучения, возникающего вследствие изменения нуклонного состава или энергетического состояния ядер. В ходе анализа образец облучается потоком нейтронов, гамма-квантов, протонов или других частиц (осуществляется активация образца). В результате ядерных реакций часть ядер в образце превращается в радиоактивные или возбужденные. Идентификация элементов и количественный анализ состава образца производятся путем измерения интенсивности и энергии излучений возбужденных ядер, а также по периоду полураспада радиоактивных ядер.
В качестве наиболее близкого аналога (прототипа) настоящей полезной модели рассматривается известная из SU 533260 А1 установка для активационного анализа, содержащая источник активации, кассетное устройство для контейнеров с анализируемыми образцами, блок облучения, блок мониторирования, систему транспортировки образцов, регистрирующее устройство, устройство обработки информации и блок управления. Кассетное устройство выполнено в виде размещенных по высоте на разных уровнях двух сменных кассет - выдающей и приемной, выполненных в виде поворотных цилиндрических барабанов с вертикальными каналами, в которых в определенной последовательности расположены контейнеры с анализируемыми образцами и эталонами. Выдающая кассета, расположенная в верхней части установки, соединена наклонным желобом для транспортировки контейнеров с платформой автоматического весового устройства, выход которого соединен с устройством обработки информации, указанная платформа соединена наклонным или вертикальным каналом с системой транспортировки в блок облучения, измерительное устройство и в приемную кассету, с возможностью заполнения контейнерами по мере проведения анализа в том порядке, в котором они находятся в выдающей кассете. Данная установка позволяет повысить производительность анализа образцов.
Вышеуказанная известная установка содержит систему транспортировки, имеющую вертикальный канал для транспортировки контейнеров в блок облучения, измерительное устройство и в приемную кассету. Указанный канал содержит длинную прямую часть канала. По расчетам автора настоящей полезной модели, для обеспечения надлежащей защиты от излучения прямая часть канала, по которому происходит транспортировка контейнеров, должна иметь длину около 5 метров. Как следствие, установка должна иметь большую высоту. Кроме того, высота установки дополнительно увеличивается из-за того, что ее конструкция подразумевает использование двух сменных кассет, выдающей и приемной, размещенных по высоте на разных уровнях над и под системой транспортировки, а также источника активации, расположенного в защитном корпусе между кассетами. Такая установка может занимать три этажа здания. Необходимость использования большого количества материала для изготовления защитного корпуса, через который проходит прямая часть канала для транспортировки, и необходимость наличия большого количества свободного пространства для размещения сменных кассет и источника активации в защитном корпусе приводит к большим расходам на изготовление и использование установки.
Техническая проблема, на решение которой направлена настоящая полезная модель, заключается в создании более компактного устройства гамма-активационного анализа, имеющего уменьшенные габариты по сравнению с известной установкой, что позволит снизить расходы на изготовление и использование устройства.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Для решения вышеуказанной проблемы согласно настоящей полезной модели предлагается устройство гамма-активационного анализа, содержащее радиационную защиту, ускоритель электронов с мишенью ускорителя, установленный внутри радиационной защиты, и спектрометр гамма излучения, прикрепленный снаружи к радиационной защите, отличающееся тем, что содержит изогнутые каналы для подачи подлежащего анализу образца под действием силы тяжести к мишени ускорителя и от мишени ускорителя к спектрометру, причем указанные каналы имеют два изгиба и снабжены заслонками, открывающимися только при выключенном ускорителе.
Отличием заявляемого устройства от известной установки является наличие изогнутых каналов, по которым образцы перемещаются к мишени ускорителя и от мишени к спектрометру и которые имеют два изгиба и снабжены заслонками, открывающимися только при выключенном ускорителе. При обеспечении надлежащей защиты от излучения указанные каналы имеют длину не более чем 1,5 метра, что позволяет значительно уменьшить размеры устройства.
Технический результат, достигаемый полезной моделью, заключается в уменьшении габаритов устройства и снижении стоимости его изготовления и использования.
Устройство согласно полезной модели может содержать механизм подачи и извлечения образца, прикрепленный снаружи к радиационной защите.
Механизм подачи и извлечения образца позволяет дополнительно уменьшить высоту устройства. В отличие от известной установки, содержащей две сменные кассеты, выдающую и приемную, размещенные по высоте на разных уровнях над и под системой транспортировки, механизм подачи и извлечения образца может быть расположен на одном уровне с изогнутыми каналами, так что устройство может полностью размещаться на одном этаже здания.
Устройство согласно полезной модели может содержать подъемный механизм для подъема образца от спектрометра к механизму подачи и извлечения образца для повторного облучения и анализа или для извлечения образца из устройства.
Подъемный механизм позволяет дополнительно уменьшить высоту устройства, поскольку при его использовании механизм подачи и извлечения образца может быть выполнен более компактным. А именно, часть механизма подачи и извлечения образца, отвечающая за извлечение образца, то есть его перемещение из устройства к участку выгрузки измеренных образцов, может быть расположена ближе по высоте к части механизма подачи и извлечения образца, отвечающей за подачу образца, то есть его перемещение от участка загрузки подлежащих измерению образцов в устройство.
Устройство согласно полезной модели может содержать средство вращения образца при нахождении образца в зоне облучения.
Устройство согласно полезной модели может содержать второй спектрометр.
Далее признаки и преимущества предлагаемого устройства гамма-активационного анализа описаны более подробно на примере вариантов осуществления полезной модели, раскрытых со ссылками на прилагаемые чертежи.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг.1 показан общий вид устройства согласно полезной модели.
На фиг.2 показан вид в разрезе части устройства, иллюстрирующий выполнение изогнутых каналов.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
На фиг.1 показан частный вариант осуществления устройства гамма-активационного анализа согласно полезной модели. Аналогично решениям предшествующего уровня техники, устройство гамма-активационного анализа содержит радиационную защиту 1 (показана ее часть, в которой выполнены изогнутые каналы), ускоритель 2 электронов с мишенью 3 ускорителя и спектрометр 4 гамма излучения.
Радиационная защита 1 является компонентом, с которым посредством сборочных операций с использованием известных средств крепления соединены остальные части устройства гамма-активационного анализа согласно полезной модели. Радиационная защита выполнена разборной, благодаря чему обеспечивается простота перемещения и установки устройства, так как оно может быть перемещено при помощи нескольких грузовых автомобилей и установлено на временном незаглубленном фундаменте. Внутри радиационной защиты 1 установлен ускоритель 2 электронов с мишенью 3 ускорителя, предназначенный для облучения анализируемого образца. Соответственно, радиационная защита 1 обеспечивает защиту людей от гамма-излучения, генерируемого ускорителем 2 для облучения анализируемого образца, путем экранирования ускорителя 2, установленного внутри радиационной защиты 1. Для изготовления радиационной защиты 1 могут быть использованы материалы, обеспечивающие при выбранной толщине радиационной защиты 1 эффективное поглощение гамма-излучения. Например, в качестве таких материалов применимы тяжелые металлы типа вольфрама, свинца, стали, чугуна и т.д. Радиационная защита 1 может быть выполнена в виде однослойного или многослойного экрана из одного или различных подходящих материалов. В частности, в настоящей полезной модели для обеспечения надлежащей защиты от рассеянного излучения достаточно обеспечить толщину радиационной защиты 1 в направлении пучка электронов 1000 мм.
Ускоритель 2 представляет собой линейный ускоритель электронов, оснащенный соответствующей мишенью 3 (мишень-конвертор), позволяющий генерировать направленное тормозное гамма излучение. В качестве ускорителя 2 может быть использован, например, линейный ускоритель электронов с энергией 6-10 МэВ и мощностью пучка до 10 кВт или другой известный линейный ускоритель электронов, имеющий подходящие габариты и мощность.
Снаружи радиационной защиты 1 расположен детектор, прикрепленный к радиационной защите, в частности, спектрометр 4 гамма излучения, предназначенный для измерения активности облученного образца. Спектрометр 4 может представлять собой, например, спектрометр на основе ОЧГ, сцинтилляционный спектрометр и т.п. Для анализа полученных спектров и обработки результатов измерений могут применяться многоканальные анализаторы, микропроцессоры, ЭВМ или другие подходящие вычислительные средства.
В радиационной защите 1 выполнены изогнутые каналы 5, снабженные заслонками 6. Каналы могут представлять собой, например, прямоугольные каналы, имеющие толщину 60 на 110 мм. Канал, ведущий к мишени 3 ускорителя 2, может иметь длину 1100 мм до первого изгиба, 500 мм до второго изгиба и 200 мм после второго изгиба. Канал, ведущий от мишени 3 ускорителя 2, может иметь длину 100 мм до первого изгиба, 200 мм до второго изгиба и 1200 мм от второго изгиба. В любом случае, высота каналов должна не менее чем на 10% превышать диаметр контейнеров с образцами, а ширина на не менее чем на 10% превышать толщину контейнеров с образцами. В проиллюстрированном варианте осуществления полезной модели каналы имеют два изгиба, однако в других вариантах осуществления каналы могут иметь более двух изгибов. Для уменьшения толщины заслонок 6 каналы 5 изогнуты таким образом, что перед выходом за пределы радиационной защиты 1 рассеянное тормозное излучение должно не менее двух раз отразиться от стенок каналов 5. Угол α изгиба каналов (показан на фиг. 2) составляет в данном варианте осуществления 110°. Однако каналы могут быть выполнены с другими углами изгиба, позволяющими обеспечить отражение не менее двух раз тормозного излучения от стенок каналов 5.
Заслонки 6 установлены вблизи наружной поверхности радиационной защиты 1 и ослабляют рассеянное излучение после двух отражений от стенок каналов. Заслонки могут быть выполнены из тяжелых металлов типа вольфрама, свинца, стали, чугуна и т.д.
Устройство гамма-активационного анализа согласно полезной модели содержит механизм 7 подачи и извлечения образца, прикрепленный снаружи к радиационной защите 1. В данном варианте осуществления полезной модели механизм 7 подачи и извлечения образца представляет собой ленточный транспортер, однако он также может представлять собой любой другой подходящий механизм, позволяющий обеспечить перемещение образца между участком загрузки образцов, изогнутыми каналами 5, детектором спектрометра 4 и участком выгрузки измеренных образцов. В проиллюстрированном варианте осуществления механизм 7 подачи и извлечения образца представляет собой механизм, состоящий из двух ленточных транспортеров, транспортера 8 подачи образца и транспортера 9 извлечения образца. Транспортер 8 подачи образца предназначен для подачи образцов из участка загрузки образцов (не показан) к верхнему изогнутому каналу. Транспортер 9 извлечения образца предназначен для возврата проанализированных образцов из устройства на участок выгрузки измеренных образцов (не показан).
Устройство гамма-активационного анализа согласно полезной модели содержит подъемный механизм 10 для подъема образца после анализа от спектрометра 4 к механизму 7 подачи и извлечения образца для повторного облучения и анализа или к транспортеру 9 извлечения образца для извлечения образца из устройства.
Устройство гамма-активационного анализа согласно полезной модели содержит средство 11 вращения образца при нахождении образца в зоне облучения напротив мишени 3 ускорителя. Средство 11 вращения образца обеспечивает вращение образца в одной или нескольких плоскостях так, чтобы при многократном прохождении образца через зону облучения гамма излучение проникало в образец с разных сторон образца. Средство 11 вращения образца может представлять собой, например, смонтированный внутри или снаружи радиационной защиты электромотор с механизмом передачи вращения образцу, когда образец находится в зоне облучения, например с помощью электромагнита.
Устройство гамма-активационного анализа согласно полезной модели дополнительно содержит второй спектрометр 4 (не показан), расположенный вблизи первого спектрометра, например расположенный напротив первого спектрометра с другой стороны измеряемого образца.
Далее со ссылкой на фиг.1 описан принцип функционирования устройства гамма-активационного анализа согласно полезной модели.
Физической основой метода определения содержания золота в руде является применение ядерной реакции активации ядер золота фотонами тормозного излучения ускорителя электронов, например линейного ускорителя электронов с энергией 8 МэВ:
Au-197+ g=Au-197m
Регистрация излучения с энергией 279 кэВ изомера Au-197m, имеющего период полураспада 7,5 секунд, позволяет определить содержание золота в руде. Количественный анализ осуществляется путем сравнения уровня излучения изомера Au-197m в эталонном образце с известным содержанием золота и излучения изомера Au-197m в анализируемом образце. Зависимость излучения Au-197m от содержания золота - линейная.
Для проведения анализа образец анализируемой руды, представляющий собой, например, измельченную до 2-3 мм золотосодержащую руду, подлежащую анализу на выявление содержания золота и сопутствующих элементов, укладывается в полиэтиленовый контейнер диаметром 100 мм и высотой 45 мм. Перед проведением анализа контейнер с образцом взвешивается на весах и на него наклеивается штрих-код с информацией о номере образца и его весе. Эта информация нужна для автоматической обработки результатов анализа. После этого контейнер с образцом подается по транспортеру 8 подачи из участка загрузки образцов к верхнему изогнутому каналу 5 и после открытия заслонки 6 скатывается по верхнему изогнутому каналу 5 под действием силы тяжести в зону облучения напротив мишени 3 ускорителя. Для облучения контейнер с образцом останавливается напротив мишени 3 ускорителя и вращается средством 11 вращения образца для обеспечения однородности распределения дозы в объеме контейнера. После облучения пучком электронов, исходящим от мишени 3 ускорителя, контейнер скатывается по нижнему изогнутому каналу 5 к спектрометру 4 для считывания наведенной активности, то есть для измерения спектра энергий облученного образца. Для защиты от рассеянного излучения на выходе верхнего и нижнего канала 5, вблизи наружной поверхности радиационной защиты 1, установлены заслонки 6, которые открываются при выключении ускорителя 2 электронов, причем ускоритель 2 электронов нельзя включить, если хотя бы одна из заслонок 6 открыта. После выполнения анализа контейнер с образцом поднимается от спектрометров 4 посредством подъемного механизма 10 либо к транспортеру 9 извлечения образца механизма 7 подачи и извлечения образца для его транспортировки в участок выгрузки измеренных образцов, либо обратно к верхнему изогнутому каналу 5 для повторного облучения и анализа. Решение о повторном облучении принимает компьютерная система управления, например при низком уровне сигнала в районе изомера золота. Контейнеры с образцами, анализируемыми повторно, чередуются в верхнем изогнутом канале 5 с контейнерами с образцами, анализируемыми первый раз, а система считывания штрих-кода контейнера, установленная на входе в изогнутый канал 5, информирует компьютерную систему управления о том, какой контейнер подается на облучение и анализ.
Время перемещения контейнера с образцом в зону облучения после считывания штрих-кода составляет 2 секунды, время облучения - 6-12 секунд, перемещения контейнера с образцом к спектрометру после облучения - 2 секунды, проведения анализа - 14-15 секунд, принятия решения о повторном облучении - 0,5 секунд. Таким образом, общее время одного анализа составляет около 30 секунд.
Калибровка измерений осуществляется подачей в устройство эталонного образца с большим содержанием золота после каждых 10 контейнеров с образцами анализируемой руды.
На фиг.2 проиллюстрировано выполнение изогнутых каналов 5 в радиационной защите 1 устройства гамма-активационного анализа согласно полезной модели, причем изогнутые каналы 5 имеют угол α изгиба. Как показано на фиг.2, контейнер 12 с образцом зафиксирован фиксатором 13 в зоне облучения напротив мишени 3 ускорителя (показана на фиг. 1) так, что он может вращаться средством 11 вращения образца, верхняя заслонка 6 закрыта, а нижняя заслонка 6 открыта.
Раскрытые в данной заявке частные примеры осуществления полезной модели не являются ограничительными и допускают различные модификации, которые специалист в данной области техники сможет выполнить без выхода за рамки объема правовой охраны, определяемого формулой полезной модели.