Исследование четырехкомпонентной оптической системы в фотометрическом канале рентгенолюминесцентного сепаратора алмазного сырья лс-20-07

ИССЛЕДОВАНИЕ ЧЕТЫРЕХКОМПОНЕНТНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ В ФОТОМЕТРИЧЕСКОМ КАНАЛЕ РЕНТГЕНОЛЮМИНЕСЦЕНТНОГО СЕПАРАТОРА АЛМАЗНОГО СЫРЬЯ ЛС-20-07 Ю.Н. Калиниченко, А.Н. Чертов Научный руководитель - кандидат технических наук, старший научный сотрудник А.Н. Тимофеев

Рассматриваются четырехкомпонентная оптическая система для фотометрического канала рентгенолю-минесцеитиого сепаратора алмазного сырья ЛС-20-07 и практические результаты ее лабораторных испытаний.

Введение

На алмазных обогатительных фабриках России, а с конца 90-х годов прошлого века - и за рубежом (Ангола) широко применяются автоматизированные комплексы рентгенолюминесцентных сепараторов (РЛС), производимые на Санкт-Петербургском научно-производственном предприятии «Буревестник». В отечественной технологии алмазодобычи РЛС доминируют на всех стадиях процесса - от головного обогащения сырья до окончательной доводки концентрата.

Сигналы, возникающие в сепараторе, в потоке кускового материала, под действием рентгеновского излучения люминесценции, фиксируются фотоэлектронными умножителями (ФЭУ), усиливаются и анализируются на принадлежность к искомому минералу в устройстве регистрации. В случае, когда зарегистрированный сигнал принадлежит алмазу, соответствующая часть материала отделяется («отсекается») от потока в концентрат с помощью электропневматических устройств. Остальной материал уходит в «хвосты» (в отвал или на дополнительную переработку).

Специфически решена подача материала в РЛС головной стадии: руда движется единым потоком (шириной до 250-300 мм), без разделения на отдельные «ручьи». Задача состоит в том, чтобы не только обнаружить алмазы, но и по возможности уменьшить объем материала, отсекаемый вместе с ним в концентрат. Очевидно, для этого необходимы локализация зон регистрации и соответствующая локализация зон отсечки. Использование фотометрических каналов (ФК), сочетающих ФЭУ только с диафрагмой, не позволяет сформировать четко разграниченные зоны регистрации отдельных ФК. Такое построение приводит к регистрации сигнала от одного и того же алмаза в смежных ФК, к неопределенности решения о месте нахождения объекта и, таким образом, к соответствующему увеличению объема отсекаемой части руды. Кроме того, вследствие непостоянства угловой характеристики чувствительности ФЭУ чувствительность ФК значительно уменьшается от центра зоны к ее краям.

Избежать описанных проблем удается введением в схему ФК оптических фокусирующих элементов, обеспечивающих формирование зоны регистрации заданных размеров с приемлемым перепадом чувствительности ФК в пределах зоны.

В настоящей статье представлены результаты расчета четырехкомпонентной оптической системы для четырехканального фотометрического блока (ФБ) РЛС модели ЛС-20-07 и материалы ее лабораторных испытаний по исследованию распределения чувствительности ФК сепаратора в зоне анализа руды.

1. Расчет оптической системы фотометрического канала

В работах НПП «Буревестник» и СПбГУ ИТМО, проведенных в 2003-2005 гг., показано, что вариант с применением объектива, проецирующего зону контроля (с уве-

личением от -1/2х до -1/5х) на фотокатод ФЭУ, позволяет повысить эффективность использования оптического излучения контролируемого объекта (уменьшить взаимную засветку зон и неравномерность энергетической чувствительности по длине контролируемой зоны).

Неравномерность чувствительности по площади фотокатода ФЭУ, подробно изученная в [1], нарушает идентичность характеристики полей чувствительности в соседних каналах ФБ. Чтобы исключить указанное явление, было принято решение применить в схеме ФК конденсор, проецирующий выходной зрачок объектива на фотокатод ФЭУ.

1.1. Постановка задачи

Конструкция сортировочной машины сепаратора ЛС-20-07, в которую встраивается модернизированный четырехканальный ФБ, накладывает на него определенные ограничения, а именно: ФБ конструктивно не должен вызывать изменения блоков и узлов, к нему не относящихся. Соответственно, все требования к оптической системе каждого ФК были продиктованы конкретными условиями работы РЛС.

Рис. 1. Вариант рентгенооптической схемы сепаратора с расположением рентгеновской трубки «снизу», а фотометрического блока с фотоприемным устройством (ФПУ) «сверху»

Рис. 2. Взаимное расположение ФНЛ, зоны возбуждения, плоскости предметов и плоскости защитного стекла ФБ

ФБ должен располагаться над потоком материала (рис. 1), на месте верхнего узла рентгеновской трубки (РТ) таким образом, чтобы оптическая ось ФК была направлена перпендикулярно плоскости формирующего наклонного лотка (ФНЛ) сепаратора и проходила через центр зоны возбуждения. Зона возбуждения имеет форму прямоугольника с размерами (30±5) ммх(300±5) мм, лежащего в плоскости ФНЛ на расстоянии 3±2 мм от кромки ФНЛ.

Базовая плоскость предметов (рис. 2) должна быть параллельна плоскости ФНЛ и проходить выше плоскости ФНЛ на 20-25 мм.

Зона регистрации ФК в базовой плоскости предметов должна иметь размеры 40±2 мм на 85±2 мм. При этом общая ширина взаимного перекрытия зон регистрации должна составлять 10±2 мм. Ширина зон регистрации без учета взаимного перекрытия ФК должна составлять 75±1 мм (рис. 3).

Плоскость предметов

Расположение зоны возбуждения РЛС в плоскости предметов

40±2 мм

Ширина зоны " регистрации ФК1 85+2 мм

Ширина лотка (потока материалов) = 300+2 мм

Рис. 3. Взаимное расположение зон регистрации ФК1-ФК4 и зоны возбуждения в плоскости предметов

Локальное пространство предметов должно представлять собой параллелепипед со сторонами 40±2 мм (ширина), 85±2 мм (длина), 50±5 мм (высота), располагающийся выше плоскости ФНЛ по направлению к ФБ (рис. 2).

1.2. Расчет узлов и исследование характеристик фотометрического канала

В соответствии с конструктивными требованиями оптическая схема ФБ должна состоять из четырех ФК. Каждый ФК предложено реализовывать по схеме, в которой базовая плоскость 1 (рис. 4) зоны регистрации проецируется объективом 2 в плоскость размещения полевой диафрагмы 4, ограничивающей требуемый размер зоны регистрации. Чтобы исключить неравномерность чувствительности ФЭУ по площади фотокатода 6, в схему предложено ввести конденсор 5, который проецирует выходной зрачок 3 объектива 2 на фотокатод 6 ФЭУ.

Энергетические расчеты, проведенные по методике, представленной в [2], показали, что на расстоянии 240 мм от базовой плоскости предметов требуемый размер входного зрачка объектива должен быть не менее 45 мм, и при этом для заданного ФЭУ (Hamamatsu R6094 с фотокатодом диаметром 25 мм) увеличение конденсора не может быть менее -0,5х.

1.2.1. Результаты расчета основных параметров объектива

Расчет объектива ФК проводился исходя из размера входного зрачка и требований минимума сферической аберрации на краях зон регистрации при их формировании оптической системой ФК и равномерности поля чувствительности сепаратора ЛС-20-07.

Рис. 4. Схема фотометрического канала ФБ

Для получения требуемых характеристик был проведен компьютерный расчет параметров двухлинзового объектива с помощью программы расчета оптических систем «OPAL», исходя из требования минимума сферической аберрации [3] и необходимости расположения базовой плоскости предметов на расстоянии 240 мм от объектива.

Полученные после оптимизации на минимум полевых аберраций на краю зоны чувствительности параметры объектива являются практически реализуемыми. Рассчитанный объектив состоит из двояковыпуклой линзы и линзы в виде положительного мениска и имеет фокусное расстояние 46,7 мм. В табл. 1 приведены параксиальные характеристики объектива, которые удовлетворяют указанным требованиям.

f, мм f ', мм Sf, мм Sf , мм S, мм S \ мм b

-49,9 49,9 -46,74 40,29 -240,0 46,4 -0,24

Таблица 1. Параксиальные параметры двухлинзового объектива

Рис. 5. График значений поперечной аберрации объектива в плоскости диафрагмы

Требуемая зона чувствительности в пространстве предметов 85x40 мм обеспечивается диафрагмой размером 20,8x11 мм.

Для предложенного объектива проведен расчет поперечной сферической аберрации в плоскости диафрагмы при оптимальной фокусировке ее на базовую плоскость предметов. На рис. 5 приводится график зависимости значений поперечной аберрации от координат точки в плоскости диафрагмы. За начало отсчета принята точка пересечения оптической оси канала с плоскостью диафрагмы.

1.2.2. Результаты расчета основных параметров конденсора

Основная задача конденсора - спроецировать выходной зрачок объектива на фотокатод ФЭУ, пропустив при этом все лучи от предмета, прошедшие через диафрагму объектива размером 20,8x11 мм. Последнее условие накладывает ограничение на минимальный размер входного зрачка конденсора. На основании параметров, полученных в п. 1.2.1, линейное увеличение конденсора Ь должно быть не менее -0,5 х при переднем отрезке конденсора, равном расстоянию от выходного зрачка объектива до диафрагмы, не менее 59,4 мм.

Для получения параметров линз конденсора был проведен расчет двухлинзового конденсора, аналогичный расчету объектива, исходя из требования минимума сферической аберрации и вышеизложенных параметров. Рассчитанный конденсор состоит из двояковыпуклой линзы и линзы в виде положительного мениска и имеет фокусное расстояние 26,2 мм. Полученные после оптимизации скорректированные параметры конденсора являются практически реализуемыми и оптимально возможными по аберрационным характеристикам.

В табл. 2 приведены параксиальные характеристики оптимизированного двухлинзового конденсора.

Г, мм { ', мм Бр, мм , мм Б, мм Б \ мм Ь

-26,6 26,6 -23,3 19,39 -59,4 21,4 -0,48

Таблица 2. Параксиальные параметры двухлинзового конденсора 1.2.3. Оптическая схема четырехкомпонентной системы

Сагиттальная плоскость

1а 1 16 12 2 3 4 5 8 6 7 10

Рис. 6. Ход лучей (сагиттальная плоскость) в оптической схеме для двух каналов сдвухлинзовым объективом и конденсором: 1 - базовая плоскость предметов; 1а-дальняя плоскость регистрации; 16- ближняя плоскость регистрации; 2 - плоскость установки передней поверхности защитного стекла; 3 - передняя фокальная плоскость объектива; 4 - передняя главная плоскость объектива; 5 - задняя главная плоскость объектива; 6 - задняя фокальная плоскость объектива; 7 - полевая диафрагма прямоугольной формы; 8 - передняя фокальная плоскость конденсора; 9 - передняя главная плоскость конденсора; 10 - задняя главная плоскость конденсора; 11 - задняя фокальная плоскость конденсора; 12 - бленда

В соответствии с требованиями к конструкции ФБ расстояние до защитного стекла должно составлять не менее 190 мм, поэтому по ходу лучей в системе нетрудно рассчитать размер защитного стекла с учетом того, что расстояние от объектива до базовой плоскости предметов составляет 240 мм.

Из хода лучей в оптической системе объектива с конденсором (рис. 6) видно, что в плоскости защитного стекла пучки соседних каналов не пересекаются и между ними расстояние составляет примерно 22 мм. Поэтому целесообразно вплоть до защитного стекла между каналами установить перегородку 12, обеспечивающую еще большее ослабление влияния засветок от соседних каналов.

Таким образом, можно сделать вывод о практической реализуемости четырех-компонентной оптической системы для фотометрического канала сепаратора ЛС-20-07.

Результаты расчетов позволяют ожидать увеличения эффективности обогащения руды путем локализации зон регистрации свечения и уменьшения выхода материала на одну отсечку.

2. Результаты лабораторных испытаний сепаратора ЛС-20-07

На основании проделанных расчетов была разработана конструкции ФБ для рент-генолюминесцентного сепаратора ЛС-20-07 и проведены экспериментальные исследования с целью определения практического распределения чувствительности ФК сепаратора в локальных зонах анализа руды.

2.1. Проверка равномерности чувствительности в каждой локальной зоне регистрации в поперечном сечении потока материала

Испытания проводились по следующей методике.

На край лотка наклеивалась шкала с разметкой локальных зон регистрации, шириной 75 мм и нанесенными делениями через 5 мм.

Не более 30% от максимума

85±2 мм

'85+2 мм

75 мм

75 мм

85+2 мм

75 мм

185+2 мм

75 мм <->

Ширина лотка 300 мм

Рис. 7. Распределение чувствительности ФК в локальных зонах регистрации

В середину каждой из 4-х локальных зон регистрации устанавливалась клипса с имитатором, и при помощи осциллографа измерялась амплитуда сигнала люминесценции в каждом канале регистрации. Напряжения управления чувствительностью ФЭУ подбирались так, чтобы измеренные амплитуды сигналов в указанных точках установки были одинаковы (в пределах метода измерения). Таким образом, чувствительность локальных каналов регистрации выравнивалась.

В результате эксперимента было установлено, что распределение чувствительности в зонах анализа руды соответствует показанному на рис. 9 и является близким к теоретическому.

Испытания показали, что использование четырехкомпонентной оптической системы позволяет повысить чувствительность каждого канала за счет увеличения равномерности чувствительности в 5-10 раз по сравнению с вариантом без применения оптики.

2.2. Проверка взаимной засветки зон регистрации

Проверка осуществлялась с использованием имитатора алмаза с линейными размерами не менее 5 мм и удельной эффективной силой свечения 5-10"10-10-10"10 Вт-ср"1-(Р/с), что в 100 раз ярче предельного имитатора. Клипса с имитатором поочередно устанавливалась в каждой локальной зоне регистрации на пересечении оптических осей канала регистрации с центральной осью зоны возбуждения. При этом измерялись амплитуды сигналов в остальных каналах регистрации. По заданию, имитатор с удельной эффективной силой свечения, в 100 раз превышающей удельную эффективную силу свечения предельного имитатора, ни в одном из локальных каналов регистрации, кроме канала, в зоне которого он находится, не должен вызывать сигнал, превышающий пороговый, необходимый для срабатывания системы отсечки.

Испытания показали, что даже без использования перегородок 12 (см. рис. 6) данное условие выполняется, поскольку клипса с имитатором ни в одном из каналов регистрации, кроме каналов установки, не дала обнаружений, что свидетельствует об эффективности работы предложенной оптической системы для решения задачи локализации засветки.

Заключение

Применение ФБ, построенного на базе линзовой оптики, при достаточной чувствительности каналов регистрации привело к определяемое™ положения движущегося объекта люминесценции в пространстве, ширина которого составляет 1/4 часть ширины общего пространства предметов, и повышению чувствительности до 10 раз по сравнению с вариантом без использования оптики.

В дальнейшем предполагается проведение исследований с целью получения более равномерной чувствительности в пределах каждого канал ФК путем применения новых фотоприемников и корректирующих транспарантов в поле анализа.

Особая благодарность - сотрудникам НПП «Буревестник», кандидатам технических наук А.И. Левитину и Л.В. Казакову, а также заведующему лабораторией Ю.А. Местеру, оказавшим существенную методическую помощь при проведении исследований.

Литература

1. Араканцев К.Г., Похилый P.A., Тимофеев А.Н., Чертов А.Н. Исследование неравномерности чувствительности по площадке фотоэлектронных умножителей. // Сборник научных трудов II Межвузовской конференции молодых ученых. СПб. 2005. Т 3. С. 141-145.

2. Бубырь Е.В., Коротаев В.В., Левитин А.И., Похилый P.A., Чертов А.Н. Особенности энергетического расчета оптической системы фотометрического канала рентгено-люминесцентных сепараторов алмазов. // Сборник трудов VI-ой Международной конференции «Прикладная оптика». СПб, октябрь 2004. Т 1(1). С. 94-96.

3. Панов В.А., Кругер М.Я., Кулагин В.В. и др. / Под общ. ред. ПановаВ.А. Справочник конструктора оптико-механических приборов. / 3-е изд., перераб. и доп. Л.: Машиностроение, 1980. 742 с.