ЦИЛИНДРИЧЕСКИЙ ЩЕЛЕВОЙ ЭКРАН ДЛЯ ГАММА-ОПРОБОВАНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ РУД
CYLINDRICAL SLIT-TYPE SCREEN FOR GAMMA-RAY PROBING RADIOACTIVE ORE

Изобретение относится к устройствам, регистрирующим гамма-излучение радиоактивных руд. Основное применение оно может найти в рудничной радиометрии для контроля и управления горной добычи, урановых руд.
Контроль качества добычи урановых руд осуществляется путем измерения интенсивности гамма-излучения или в очистном забое, или на стенках и кровле горных выработок. В первом случае стараются выделить руду в забое и избирательно ее извлечь, в другом контролировать полноту выемки руды из недр, чтобы она не оставалась там. При регистрации интенсивности гамма-излучения руды в подземных условиях результаты могут существенно искажаться присутствием мешающего излучения. Для исключения его влияния применяют или приборы с автоматической компенсацией мешающего излучения, или специальные экраны, с помощью которых учитывают его влияние путем измерения «с экраном» и «без экрана», и по разности результатов оценивают содержание урана. На практике используется первый и второй методы.
Измерения «с экраном» и «без экрана» позволяют определять пороговые значения содержания урана с высокой точностью при увеличенном времени регистрации (за счет снижения статистической погрешности).
На практике существует много конструкций экранов для гамма-опробования, которые различаются между собой. Они обычно изготовляются с применением свинца (высокое значение Z), количество которого ограничивается весом экрана. Экраны, используемые часто на практике, приводятся в работе Г.Ф.Новиков и Ю.Н.Капков «Радиоактивные методы разведки». Л., Недра, 1965 г., 678-681 с. Здесь же дана конструкция и щелевого экрана, где одна его часть охватывает в основном детектор гамма-излучения, оставляя щель для поступления и регистрации излучения от опробуемой среды, которая при повторном измерении перекрывается с помощью вкладыша.
Недостатком существующих экранов является возможность смещения точек измерения при регистрации интенсивности гамма-излучения с вкладышем и без вкладыша («с экраном» и «без экрана»), так как для съема вкладыша или его установки возможно смещение экрана вместе с детектором. Такие смещения чаще всего могут проявляться при опробовании кровли горных выработок или на ее стенке при расположении профиля опробования на высоте выше человеческого роста. Такая манипуляция может внести существенные погрешности, особенно, при опробовании высоко контрастных (сильно дифференцированных) руд. Большие неудобства для обслуживающего персонала вызывает необходимость выполнения процесса опробования стенки с использованием двух рук, то есть одной рукой экран с детектором удерживается прижатым к стене, а другая рука вставляет или вынимает из щели вкладыш, что приводит к снижению производительности опробования.
В качестве прототипа предлагаемого изобретения использованы конструкции экранов, приведенные в работе (Инструкция по гамма-опробованию при поисках, разведке и эксплуатации урановых месторождений. Л., 1989. Утверждена Министерством геологии СССР 17 декабря 1988 г., 43-44 с.).
Здесь представлены два варианта конструкции экранов для опробования только стенок горных выработок: конический экран и цилиндрический с продольной щелью. Подчеркиваем, что они в основном предназначены для опробования стенок, кровли и подошвы горных выработок не выше человеческого роста, в противном случае необходимо ставить специальные подставки, стремянки. Конический экран имеет хотя и меньшую статистическую погрешность регистрации (за счет большей толщины свинца), но он по весу существенно больше, что при работе в подземных условиях вызывает неудобства. Вкладыш конического экрана тоже неудобен в работе, при его съеме и установке требуется использование двух рук оператора-радиометриста.
Цилиндрический экран с продольной щелью содержит ручку с эбонитовыми накладками, крепящуюся к стальной трубке, залитой свинцом. В стальной трубке имеются пазы, в которые вставляются направляющие, закрепленные на свинцовом вкладыше. В трубке устанавливается детектор гамма-излучения. На внешнем окончании вкладыша закреплено кольцо, для удобства удаления или установки вкладыша в трубку. Конструкция цилиндрического экрана с продольной щелью характеризуется своей простотой, но при этом имеет и существенные недостатки, так, например, в процессе опробования оператор-радиометрист будет использовать обе руки, что может снижать производительность измерений; кроме того, невозможно опробовать кровлю горной выработки; для установки вкладыша в трубку потребуется снять блок детектирования с точки опробования и вставить вкладыш в пазы, которые достаточно узки и в них не так просто будет попасть, что тоже снижает производительность. При возврате на точку опробования возможны несовпадения с предыдущим положением экрана, что способствует появлению дополнительной погрешности.
Таким образом, цель предлагаемого изобретения заключается в устранении отмеченных выше недостатков, то есть стоит задача создания экрана, позволяющего вести гамма-опробование стенок и кровли горных выработок без смещения положения экрана на точке измерения, и чтобы при этом выполнялись все операции процесса опробования с использованием одной руки.
Отмеченная цель в предлагаемом изобретении достигается тем, что экранирующая трубка, заполненная свинцом, полностью охватывающая цилиндрический блок детектирования гамма-излучения, разделена на две равные части, шарнирно сочлененные на оси, крепящейся на двух несущих стойках, а с противоположной стороны от оси части экранирующей трубки при их смыкании выполнены так, что фигурный выступ входит в фигурную выемку. Несущие стойки, кроме того, скрепляются защитной пластиной, расположенной над щелью, образующейся при вращении частей экранирующей трубки, и обеспечивают перекрытие щели между вращающимися частями. На частях экранирующей трубки жестко закреплены проушины, шарнирно связанные с помощью тяг с нижним окончанием подпружиненных штоков, проходящих через втулки с выходом в полую рукоять. Штоки могут фиксироваться на подпружиненных вилках, шарнирно связанных с планкой на внешней стороне рукояти. Штоки достигают верхнего положения, когда тяговую планку пальцами одной руки перемещают в направлении вверх к полой рукояти, и тогда части экранирующей трубки размыкаются, и детектор начнет регистрировать гамма-излучение «без экрана». Прижатие планки к полой рукояти отклонит фиксирующие вилки, и штоки под действием пружин опустятся, и части экранирующей трубки сомкнутся, и можно будет регистрировать гамма-излучение «с экраном». Для опробования кровли на несущих стойках с двух сторон в проушины вставляется и крепится вилка, соединенная с телескопической штангой, имеющая поворотный шарнир с зажимом.
На другом окончании телескопическая штанга имеет шаровую опору, устанавливаемую на площадку. Телескопическая штанга содержит скобу, соединенную гибким тросиком с тяговой планкой, позволяющей ее перемещать (подтягивать) к полой рукояти. Скоба в сжатом состоянии удерживается фиксатором, пока продолжается регистрация гамма-излучения «без экрана», после устранения фиксации тяговая планка за счет подпружиненных штоков опускается. Тяги раздвигаются, и части экранирующей трубки поворачиваются на оси и смыкаются, и можно регистрировать гамма-излучение «с экраном». Надежный контакт (прижим к кровле) щелевого экрана обеспечивается рычажным механизмом, установленным на телескопической штанге.
На фигурах 1, 2 и 3 приведены конструктивные схемы цилиндрического щелевого экрана в условиях опробования стенок и кровли горных выработок. На фигуре 4 приведена круговая диаграмма для щелевого экрана такой конструкции.
На фигурах 1 и 2 показаны конструктивные схемы цилиндрического щелевого экрана;
вид сбоку и вид с торца экрана.
В щелевой цилиндрический экран вставляется блок детектирования гамма-излучения 1, который охватывается двумя частями трубки (створками) 2, заполненными свинцом и шарнирно закрепленными на оси 3. Ось 3 своими окончаниями через фторопластовые втулки с двух сторон крепится на несущих стойках 4, в верхней части которых установлена полая внутри рукоять 5. Сбоку нее закреплены накладки (не показанные на фигуре 1). На каждой части экранирующей трубки 2 жестко закреплены проушины 6, скрепленные шарнирно с тягами 7. Другие окончания тяг шарнирно по две соединены вместе с нижними окончаниями двух штоков 8. В нижней части на штоках 8 надеты пружины сжатия 9 и здесь же на концах штоков 8 закреплена тяговая планка 10 с выемками для пальцев руки оператора-радиометриста. Пружины 9 и нижняя часть штоков 8 закрываются гофрированным чехлом, для исключения загрязнения (на фигуре не показаны). Верхняя часть штока 8 имеет конусное окончание и проходит через антифрикционную втулку 11, закрепленную на дне пустой полости рукояти 5. Блок детектирования 1 фиксируется в цилиндрическом щелевом экране с помощью цанговых зажимов 12 так, чтобы сцинтилляционный кристалл NaJ (TI) располагался в центре экрана. Полая рукоять 5 закрывается крышкой 13. Несущие стойки 4 соединены внизу с опорной рамкой 14, снизу которой крепятся четыре ножки 15 с небольшим наклоном вниз. К рамке 14 сбоку крепятся планки 16, в которые ввинчиваются регулировочные винты 17, ограничивающие угол раскрытия частей 2, то есть с их помощью регулируется ширина зоны чувствительности блока детектирования или угол направленности щелевого экрана α.
Внутри полой рукояти 5 расположены плоские пружины 18, шарнирно закрепленные на оси 19 с винтовой пружиной кручения (на фигуре не показана), и имеют жесткую связь с планкой 20. Плоская пружина 18 на своем окончании имеет вырез в форме вилки, и при подъеме штока 8 отклоняет, садится на вилку и стопорится. На несущих стойках 4 установлены проушины 21, через которые с двух сторон может вдеваться вилка 22 для выполнения гамма-опробования кровли горной выработки с помощью щелевого экрана. Вторая часть вилки на фигуре 1 не изображена. Здесь показан случай, когда в одной из проушин можно устанавливать сменное крепление для телескопической подпорной штанги при опробовании стенки, если щелевой экран будет неудобно удерживать на весу или прижимать его к опробуемой стенке. Узел крепления подпорной штанги состоит из корпуса 23, шарового наконечника 24, к которому привинчивается телескопическая штанга, и стопорной гайки 25. На тяговой планке 10 установлен винт 26, закрепляющий конец внутреннего стального тросика, а на крышке рукояти 13 гайка 27, фиксирующая внешнюю оплетку тросика. Для исключения попадания мешающего излучения через щель, образующуюся при развороте частей 2, между несущими стойками 4 устанавливается защита 28. Для включения начала регистрации интенсивности гамма-излучения «без экрана» введена кнопка 29. При выполнении гамма-опробования кровли горной выработки действие стопора 18 временно исключается путем прижатия планки 20 к рукояти 5 с помощью винта через прорезь и резьбовое отверстие 30.
На фигуре 3 приведена конструктивная схема дополнительного устройства для опробования кровли горной выработки и стенок, когда поверхность опробования располагается высоко. Устройство состоит из опорной подставки 31, крепления 32 шаровой оконечности нижней части телескопической штанги 33, длина этой штанги не меняется, и по длине она не превосходит среднего роста оператора-радиометриста (1.5-1.8 м), в нее через цанговый зажим 34 входит верхняя штанга 35, имеющая длину, позволяющую достигать кровли щелевому экрану. В зависимости от высоты до опробуемой поверхности длина этой штанги может быть составной и части ее соединяются муфтами 36. На верхней оконечности штанги 35 крепится вилка 22, имеющая поворотное устройство 37, с последующей фиксацией вилки в соответствующем положении при опробовании на верху стенки или на кровле. Вилка 22 с патрубком входит внутрь верхней оконечности штанги 35. На патрубке жестко закреплена небольшая реечка 38, шарнирно связанная через тягу 39 с рычагом 40, который позволяет прижимать щелевой экран ножками 15 к кровле и фиксировать его с помощью храпового механизма 41. Регистрация интенсивности гамма-излучения «с экраном» и «без экрана» выполняется путем передачи с помощью гибкого тросика 42 и скобы 43. Стабильное положение щелевого экрана осуществляется фиксатором 44, удерживающим скобу 43 в сжатом положении.
На фигуре 4 приведены круговые диаграммы макетного образца цилиндрического щелевого экрана. Приведенные кривые относятся к двум случаям раскрытия щели на угол α=35° и α=55°. Исходя из приведенных кривых, зона чувствительности для щели с углом α=35° охватывает угол 90°, а с углом α=55° охватывает угол 130°. Различие углов обусловлено разным положением углового отсчета: угол α на оси вращения 3 частей трубки 2, угол зоны чувствительности на продольной оси блока детектирования 1 или кристалла NaJ(TI).
Работа с предлагаемой конструкцией цилиндрического щелевого экрана осуществляется в следующей последовательности. В случае выполнения гамма-опробования стенок горных выработок на высоте человеческого роста сначала ослабляют гайки 12 цангового зажима, вставляют блок детектирования 1 и закрепляют его так, чтобы центр кристалла NaJ(TI) располагался по центру раскрывающихся частей 2. Для уменьшения усталости пружин 9 они должны находиться в нейтральном состоянии и штоки 8 находятся в нижнем положении, перемещаясь через втулки 11, тяговая планка 10 - опущена. Тяги 7, воздействуя через шарниры на проушины 6, вращением через ось 3 сомкнут части 2, которые сойдутся и перекроют в основном доступ гамма-излучения к детектору 1. Мешающее излучение, приходящее со стороны рукояти 5, будет частично поглощаться в защите 28, которая закреплена с двух сторон на двух несущих стойках 4.
Опробование стенки выработки осуществляется путем приставки экрана к ней так, чтобы ножки 15, приваренные к опорной рамке 14, соприкасались с выровненной поверхностью стенки горной выработки. Предварительно, вращением винтов 17, в планках 16 устанавливают (регулируют) величину угла α, определяющую ширину зоны чувствительности метода гамма-опробования, которая остается постоянной в последующей работе. Когда необходимо щелевой экран удерживать на определенной высоте у стенки, можно использовать дополнительно небольшую телескопическую штангу, которую прикручивают к выходу шаровой опоры 24, вставленную в шаровой подпятник 23. Подпятник 23 через скобу 21 крепится к любой из двух несущих стоек 4, фиксируют телескопическую штангу гайкой 25. Первое измерение «с экраном» выполняется кнопкой, расположенной на пульте управления. Затем оператор-радиометрист по истечении заданного времени (таймирования) пальцами одной руки, которая удерживает экран у опробуемой поверхности, приближает тяговую планку 10 к рукояти 5. Шток 8 перемещается во втулке 11 вверх, через тяги 7 и проушины 6 вращает части 2 на оси 3 и раскрывает щель между частями (створками) 2, которая достигнет величины угла α, когда верхние оконечности штоков 8 пройдут через подпружиненные вилки 18 и зафиксируются на них. Планка 10, достигнув рукояти 5, замыкает контакт 29 и начинается регистрация гамма-излучения «без экрана», завершающаяся по окончании заданного времени.
После этого переходят на следующую точку измерения. Здесь сначала приводят экран в исходное состояние, то есть, сдавливают планку 20, на шарнире 19 планка 18 с удерживающей шток 8 вилкой повернется к низу и шток 8 под действием пружины 9 опустится вниз, оказывая воздействие на все тяги 7. Тяги 7 через шарниры воздействуют на проушины 6, жестко закрепленные на частях трубки 2, будут их поворачивать в обратную сторону на оси 3, и они сомкнутся так, чтобы фигурный выступ зашел в фигурную выемку (на фигуре 2 штрихами показан их контур смыкания). Регистрация на этой точке выполняется в такой же последовательности, как и на предыдущей.
U
Результатом работы является оценка содержания урана в каждой i-й точке q(i) опробования по формуле:
U
pp
без экр.
с экр
q(i)=K[N(i)-N(i)]/К,
pp
где K - коэффициент радиоактивного равновесия, отн. ед.;
без экр.
N(i) - скорость счета, регистрируемая «без экрана» (щель в экране открыта), имп./с;
с экр.
N(i) - скорость счета, регистрируемая «с экраном» (щель в экране перекрыта) имп./с;
К - коэффициент щелевого экрана или пересчетный коэффициент, (имп./с)/1% U.
Здесь мы не будем останавливаться на вопросах методики опробования и выше только показали, как получаем конечный результат.
На практике может возникать необходимость гамма-опробование горных выработок с высоким расположением профиля на стенке или на кровле. Для такого случая предусматривается дополнительное приспособление, показанное на фигуре 3. Опробование с его помощью может выполняться в следующей последовательности. Предварительно уточняется по плану работ приблизительная высота опробуемой поверхности. Исходя из этого, выбирается длина верхней штанги 35; или она будет не превышать 1.5-1.8 м (чтобы входила в нижнюю штангу 33), или она будет составной и формироваться на месте опробования с использованием муфт 36. Также будет формироваться длина толкающей штанги 39. На подошве горной выработки в точке опробования устанавливают опорную площадку 31 и в подпятник ставят шаровой опорой штангу 33, гайкой 32 стабилизируют ее положение. Через цанговый зажим 34 выдвигают частично верхнюю штангу 35. В вилке 22 закрепляют щелевой экран в собранном виде так, чтобы вилка попала в проушины 21, и винтами экран фиксируется. Для установки гибкого тросика 42 заделывают сначала конец его внешней оболочки в крышке 13, где с помощью гайки 27 зажимают его, а центральную стальную жилу пропускают через полую рукоять 5 и в отверстии на тяговой планке 10 фиксируют с помощью винта 26. В зависимости от места опробования (кровля или стенка) вилку 22 на шарнире 37 разворачивают перпендикулярно поверхности и фиксируют. К рукояти 5 прижимают планку 20 винтом 30 и, тем самым, снимают фиксацию штоков 8 с помощью планки 18. Управление щелевым экраном будет осуществляться гибким тросиком 42, скобой 43 и фиксатором 44, удерживающим скобу 43 в сжатом состоянии. Сжатое состояние скобы 43 соответствует тому, что тяговая планка 10 будет притянута центральной стальной жилой тросика 42 к рукояти 5, при этом части 2 разомкнутся, и нажатая при этом кнопка 29 начнет регистрацию интенсивности гамма-излучения «без экрана». Сняв фиксацию скобы 43, тяговая планка 10 опустится, части 2 сомкнутся и с пульта кнопкой начнется регистрация «с экраном». В собранном виде верхняя штанга 35 вытягивается из нижней приблизительно на высоту кровли. Для обеспечения постоянного положения несущей рамки 14 и щелевого экрана на кровле, с помощью рейки 38, толкающей штанги 39 и рычага 40, вилку 22 поднимают вверх до упора и фиксируют на храповике 41.
Применение шаровых опор 32 и 24 позволяет выполнять опробование в нескольких точках без перестановки телескопической штанги.
Экономический эффект от применения на практике цилиндрического щелевого экрана предлагаемой конструкции будет обеспечиваться увеличением производительности измерений, повышением точности опробования и расширением области применения гамма-опробования.