УСТРОЙСТВО ГАММА-АКТИВАЦИОННОГО АНАЛИЗА

Полезная модель относится к области устройств 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.
Из патента РФ на изобретение № 2045046, опубл.27.09.1995 [1] известно устройство, использующее нейтронно-активационный анализ для определения массовой доли золота и серебра, преимущественно, при проведении геологоразведочных работ и эксплуатации месторождений.
На протяжении нескольких десятилетий делались попытки применения методов гамма-активационного анализа (ГАА) для решения проблемы увеличения производительности анализов на золото и серебро, снижения стоимости таких анализов, повышения оперативности и точности получения данных. Специалистам, например, из источника Мошков В. А., АО «Атомредметзолото» Тямисов Н. Э., ОАО «Янгеология» Золотодобыча, №225, Август, 2017 [2] известны следующие основные достоинства метода ГАА:
- возможность определения содержания в представительных аналитических навесках массой 400–700 г (на пробирный анализ идет обычно всего 50 г);
- возможность ограничения подготовки материала проб дроблением пробы до 1–3 мм (для пробирного анализа пробы истираются до 0,074 мм);
- высокая производительность, составляющая 500 и более анализов на золото за 6-часовую рабочую смену и до 300 анализов на серебро за ту же смену;
- метод не деструктивный, материал проб не уничтожается, что позволяет при необходимости анализировать его неограниченное число раз;
- процесс анализа может быть полностью автоматизирован; аналитическая навеска направляется на анализ в механическую транспортную систему и возвращается из нее в том же виде; наведенная активность материала проб по окончании измерения отсутствует.
- результаты анализа могут быть сохранены в электронном виде, в том числе и спектры активированных проб, что позволяет визуально контролировать каждую аналитическую пробу, а результаты анализа оперативно отправлять заказчикам (например, по электронной почте).
Успешным примером применения методики ГАА на практике является гамма-активационный комплекс «Аура», построенный на Навоийском горно-металлургическом комбинате (Узбекистан) для планирования горных работ по извлечению золота месторождений Мурунтау и для анализа геологических проб. Данный комплекс, устройство которого раскрыто, например, в монографии Бурмистенко Ю.Н. «Фотоядерный анализ состава вещества», М.: Энергоатомиздат, 1986 [3] рассматривается в качестве наиболее близкого аналога (прототипа) настоящей полезной модели.
Основными компонентами прототипа являются источник излучения (например, линейный ускоритель электронов типа ЛУЭ-8) с необходимым для его работы оборудованием; механическая транспортная система для автоматизированного перемещения контейнеров с анализируемым веществом; гамма-спектрометры, регистрирующие гамма-излучения активированных ядер и система управлением работой комплекса на базе персонального компьютера (ПК). Прототип позволяет осуществлять гамма-активационный анализ золотосодержащих руд в предварительно подготовленных навесках с использованием тормозного излучения линейного ускорителя с пределом определения золота 0,6г/т. Производительность ГАА прототипа позволяет не только полностью удовлетворить потребности всех золоторудных горнодобывающих объектов комбината в количественном экспрессном определении содержания золота в пробах эксплуатационной разведки и добычи, но и проводить анализы проб, образующихся в процессе опытно-методических и научно-исследовательских работ по выбору оптимальных технологических схем обогащения и переработке золотосодержащих руд. Прототип позволяет осуществлять определение содержания в пробе не только золота, но и других элементов, например, серебра, свинца, цинка, олова, меди, а также элементов платиновой группы.
При всех перечисленных достоинствах, обусловленных использованием метода ГАА, прототип представляет собой достаточно громоздкую промышленную установку, предназначенную для использования в стационарной лаборатории. Между тем, в данной области техники назрела необходимость в появлении относительно компактного устройства ГАА мобильного типа.
Настоящая полезная модель направлена на создание устройства для гамма-активационного анализа, сочетающего в себе возможность использования достоинств метода ГАА с относительной компактностью конструкции и мобильностью.
Раскрытие сущности полезной модели
Для решения вышеуказанной проблемы в настоящей полезной модели предлагается устройство гамма-активационного анализа, содержащее защитный корпус, ускоритель электронов с мишенью ускорителя, установленный внутри защитного корпуса, и спектрометр гамма-излучения, установленный снаружи защитного корпуса, отличающееся тем, что в защитный корпус встроено кольцо с гнездом для вмещения подлежащего анализу образца, выполненное с возможностью поворота в вертикальной плоскости для расположения указанного образца напротив мишени ускорителя внутри защитного корпуса и напротив спектрометра гамма-излучения снаружи защитного корпуса, и тем, что содержит механизм подачи и извлечения образцов, выполненный с возможностью подачи образца в гнездо поворотного кольца и извлечения образца из указанного гнезда под действием силы тяжести.
Посредством встроенного в защитный корпус поворотного кольца обеспечивается возможность многократного прохождения образца между мишенью ускорителя и спектрометром гамма-излучения, соответственно с многократным облучением образца и многократным измерением активности частиц с помощью спектрометра гамма-излучения. Таким образом, для достижения одинакового или даже лучшего отношения сигнал/шум, характеризующего точность измерения, может использоваться менее мощный ускоритель электронов, что, в свою очередь, позволяет уменьшить габариты и создать относительно компактное устройство гамма-активационного анализа. При этом использование силы тяжести для подачи и извлечения образца позволяет обойтись без сложных громоздких транспортных систем подачи и извлечения образцов, с существенным дополнительным снижением габаритов устройства. В результате может быть создано устройство гамма-активационного анализа, габариты которого позволяют устанавливать его на транспортное средство, например, в кузов грузового автомобиля для мобильного перемещения между объектами, где требуется проведение анализа.
Как вариант, согласно полезной модели предусмотрена возможность облучения образца с разных сторон как при однократном, так и при многократном прохождении образцом зоны облучения напротив мишени ускорителя. Это позволяет уменьшить требования по глубине проникновения гамма-излучения в образец при каждом прохождении перед мишенью и, соответственно, дополнительно снизить требуемую мощность ускорителя.
Согласно полезной модели часть поворотного кольца расположена внутри защитного корпуса, а часть – снаружи защитного корпуса. Приведение поворотного кольца во вращение предпочтительно осуществляется посредством привода, расположенного между защитным корпусом и поворотным кольцом. Это позволяет эффективно использовать пространство внутри поворотного кольца снаружи защитного корпуса, с дополнительным улучшением компактности устройства гамма-активационного анализа.
Вариантами осуществления полезной модели предусмотрено, что механизм подачи и извлечения образцов может содержать кассету для вмещения подлежащих анализу образцов, расположенную над поворотным кольцом и наклоненную вниз по направлению к поворотному кольцу, и заслонку, при открывании которой подлежащий анализу образец под действием силы тяжести выпадает из кассеты для вмещения подлежащих анализу образцов и попадает в гнездо поворотного кольца. При этом механизм подачи и извлечения образцов может также содержать кассету для извлечения подвергшихся анализу образцов, расположенную под поворотным кольцом и наклоненную вверх по направлению к поворотному кольцу, и заслонку, при открывании которой подвергшийся анализу образец под действием силы тяжести выпадает из гнезда поворотного кольца и попадает в кассету для извлечения подвергшихся анализу образцов. Данные варианты осуществления полезной модели позволяют простыми средствами изготовить компактный механизм подачи и извлечения образцов, который может быть расположен по существу в той же вертикальной плоскости, где происходит вращение поворотного кольца
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
Фиг.1 представляет собой схематический вид сбоку устройства гамма-активационного анализа согласно полезной модели.
Фиг.2 представляет собой схематический вид сверху устройства с фиг.1 при осуществлении с использованием средства вращения образца.
Фиг.3 представляет собой изображение выносного элемента А с фиг.2, иллюстрирующее пример осуществления средства вращения образца.
Осуществление полезной модели
На фиг.1 приведен схематический вид сбоку частного варианта осуществления устройства гамма-активационного анализа согласно полезной модели. Аналогично решениям предшествующего уровня техники, устройство гамма-активационного анализа содержит защитный корпус 1, ускоритель 2 электронов с мишенью 3 ускорителя и спектрометр 4 гамма-излучения.
Защитный корпус 1 является компонентом, с которым посредством сборочных операций с использованием известных средств крепления соединены остальные части устройства гамма-активационного анализа согласно полезной модели. Внутри защитного корпуса 1 установлен ускоритель 2 электронов с мишенью 3 ускорителя, предназначенный для облучения анализируемого образца. Соответственно, защитный корпус 1 обеспечивает защиту ускорителя 2 от механических повреждений и защиту людей от гамма-излучения, генерируемого ускорителем 2 для облучения анализируемого образца, путем экранирования ускорителя 2, установленного внутри защитного корпуса 1. Для изготовления защитного корпуса 1 могут быть использованы материалы, обеспечивающие при выбранной толщине защитного корпуса 1 эффективное поглощение гамма-излучения. Например, в качестве таких материалов применимы тяжелые металлы типа вольфрама, свинца, стали, чугуна и т.д. Защитный корпус 1 может быть выполнен в виде однослойного или многослойного экрана из одного или различных подходящих материалов.
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 8-10 МэВ и мощностью несколько киловатт или другой известный линейный ускоритель электронов, имеющий подходящие габариты и мощность.
С наружной стороны защитного корпуса 1 установлен детектор, в частности, спектрометр 4 гамма-излучения, предназначенный для измерения активности облученного образца. Для анализа полученных спектров и обработки результатов измерений могут применяться применяются многоканальные анализаторы, микропроцессоры, ЭВМ или другие подходящие вычислительные средства.
Согласно полезной модели образец, подлежащий анализу, перемещается между ускорителем 2 и спектрометром 4 гамма-излучения в вертикальной плоскости посредством поворотного кольца 5, которое содержит гнездо 6 для вмещения образца или, предпочтительно, множество гнезд для вмещения множества образцов.
Поворотное кольцо 5 установлено в канале, проходящем сквозь толщу стенки защитного корпуса 1, так что одна часть поворотного кольца 5 находится внутри защитного корпуса 1 напротив мишени 3 ускорителя, а другая часть поворотного кольца 5 находится снаружи защитного корпуса 1 напротив спектрометра 4 гамма-излучения. Таким образом, для осуществления гамма-активационного анализа гнездо 6 с образцом может быть сначала позиционировано напротив мишени 3 ускорителя для облучения образца, затем напротив спектрометра 4 гамма-излучения для измерения спектров  энергий гамма излучающих радионуклидов от облученного образца. В изображенных на чертежах вариантах осуществления полезной модели спектрометр 4 гамма-излучения расположен по горизонтали с двух сторон поворотного кольца 5, однако возможно и другое расположение спектрометра 4 гамма-излучения в зависимости от конкретной модели, выбранной для использования в устройстве гамма-активационного анализа.
Толщина защитного корпуса 1 увеличена в месте выполнения канала под установку поворотного кольца 5, для обеспечения надлежащего экранирования гамма-излучения.
Над поворотным кольцом 5 устройства гамма-активационного анализа согласно полезной модели установлен механизм подачи образцов, который выполнен с возможностью подачи образца под действием силы тяжести в гнездо 6 поворотного кольца 5. На прилагаемом чертеже в качестве примера проиллюстрирован механизм подачи образцов, содержащий кассету 7 и заслонку 8. Кассета 7 наклонена вниз по направлению к поворотному кольцу 5, при открывании заслонки 8 подлежащие анализу образцы 9 выпадают из кассеты 7 под действием силы тяжести и попадают в гнездо 6 поворотного кольца 5.
Под поворотным кольцом 5 устройства гамма-активационного анализа согласно полезной модели установлен механизм извлечения образцов, который выполнен с возможностью извлечения образца под действием силы тяжести в гнездо 6 поворотного кольца 5. На прилагаемом чертеже в качестве примера проиллюстрирован механизм извлечения, содержащий кассету 10 и заслонку 11. Кассета 10 наклонена вниз по направлению от поворотного кольца 5, при открывании заслонки 11 подвергшиеся анализу образцы выпадают из гнезда 6 поворотного кольца 5 под действием силы тяжести и попадают в кассету 10.
Кассеты 7 и 10 могут быть выполнены в виде сменных картриджей, содержащих определенное количество откалиброванных образцов. Как вариант, при осуществлении гамма-активационного анализа образцы могут подаваться в кассету 7 и/или извлекаться из кассеты 10 в автоматическом режиме.
Согласно полезной модели, вращение поворотного кольца может осуществляться посредством привода, расположенного между защитным корпусом 1 и поворотным кольцом 5. На прилагаемом чертеже в качестве примера проиллюстрирован привод, содержащий вращающееся в вертикальной оси колесо 12, взаимодействующее с внутренней окружностью поворотного кольца 5. Взаимодействие колеса 12 с внутренней окружностью поворотного колеса 5 может быть реализовано известным образом посредством зубчатой передачи. В качестве источника механической энергии привода может быть использован, например, реверсивный электродвигатель (на чертеже не показан), позволяющий обеспечить вращение поворотного кольца 12 в двух противоположных направлениях.
На фиг.2 приведен схематический вид сбоку варианта осуществления устройства гамма-активационного анализа согласно полезной модели, в котором обеспечено 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. Выносной элемент А с фиг.2, приведенный на фиг.3 в масштабе примерно 6:1, иллюстрирует пример осуществления средства вращения образца, представляющего собой смонтированный внутри защитного корпуса 1 электромотор 13 с механизмом 14 передачи вращения образцу, когда образец находится в зоне облучения,  например с помощью электромагнита.
Устройство гамма-активационного анализа согласно полезной модели, например, изготовленное в соответствии с одним из описанных выше вариантов осуществления полезной модели, может быть установлено на транспортное средство, например, смонтировано на грузовике, в том числе, с возможностью осуществления гамма-активационного анализа в смонтированном на грузовике состоянии.
Далее со ссылкой на фиг.1 описан принцип функционирования устройства гамма-активационного анализа согласно полезной модели. Образцы 9, например, образцы золотосодержащей руды, подлежащие анализу на выявление содержания золота и сопутствующих элементов, загружаются в кассету 7 механизма подачи образцов, затем открывается заслонка 8 и под действием силы тяжести образцы поочередное подаются в гнездо 6 поворотного кольца 5. Поворотное кольцо 5, приводимое во вращение колесом 12, позиционирует гнездо 6 напротив мишени 3 ускорителя, где образец облучается пучком электронов, исходящим от мишени 3, затем напротив спектрометра 4 гамма-излучения, где осуществляется измерение спектра энергий облученного образца.  Согласно одному из вариантов осуществления полезной модели, при попадании образца в зону облучения образец вращают так, чтобы облучение попадало на разные стороны образца – см. фиг.2 и приведенное выше описание средства вращения образца. После того, как подлежащий анализу образец совершил необходимое количество перемещений между мишенью 3 ускорителя и спектрометром 4 гамма-излучения, открывается заслонка 11, и образец под действием силы тяжести перемещается из гнезда 6 в кассету 7 механизма извлечения образцов.
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.