Способ и устройство для рентгенопроекционной сепарации минерального сырья
METHOD AND DEVICE FOR X-RAY PROJECTION SEPARATION OF MINERAL RAW MATERIALS

Изобретение относится к способам и устройствам для разделения минерального материала и может применяться для рентгенопроекционной сепарации алмазосодержащей породы различных классов крупности, путем получения проекционных рентгеновских изображений в двух различных энергетических диапазонах высокого и низкого энергетического уровня, также может применяться для дефектоскопии и медицины.
Одной из востребованных областей применения источников рентгеновского излучения является радиометрическая сепарация минерального сырья, позволяющая проводить обогащение исходной горной массы, разделяя минеральный материал на обогащаемый и хвостовой продукты.
В настоящее время существует несколько способов сепарации минерального сырья, основанных на облучении минерального сырья ионизирующим излучением, в результате чего происходит как изменение характеристик первичного излучения, так и возбуждение различных видов вторичного ионизирующего, либо неионизирующего излучения, что позволяет сепарировать облучаемые материалы в зависимости от их физических свойств.
Известен способ сепарации минералов, основанный на отличии в степени поглощения рентгеновского излучения различными минералами [патент RU 2379130, B07C 5/342, 20.01.2010]. Способ включает транспортирование минералов в виде монослойного потока, облучение проникающим излучением, регистрацию интенсивности потоков излучения с противоположной стороны минерала, задание граничных значений интенсивности излучения для верхнего и нижнего класса крупности полезного минерала, определение характеристики минерала и отделение минералов по величине определенной характеристики. При этом интенсивность излучения регистрируют в узких пучках, сечение которых заведомо меньше, чем размер (класс крупности) минерала, а ее величина не выходит из заданного диапазона значений, и определяют количество следующих подряд таких пучков. В качестве характеристики минерала используют отношение логарифма интенсивности прошедшего через минерал узкого пучка излучения к количеству следующих подряд пучков. За верхнюю границу заданного диапазона интенсивности может быть принята интенсивность излучения, прошедшего через кристалл полезного минерала минимальной сепарируемой крупности, а за нижнюю - интенсивность излучения, прошедшего через кристалл полезного минерала максимальной сепарируемой крупности. Известно, что интенсивность излучения, прошедшего через минерал может быть описана выражением:
d
0
где I(E) - интенсивность излучения, прошедшего через объект, I(E) - интенсивность излучения, падающего на объект μ(E) - коэффициент ослабления излучения, зависящий от атомного номера вещества (Z) и энергии излучения (E), d - толщина объекта.
Таким образом, выбранная в описанном документе характеристика зависит от толщины материала. При этом в пределах одного технологического класса крупности реальной алмазосодержащей породы могут встречаться как алмазы, так и отдельные частицы породы, например чешуйки или пластинки малой толщины, линейные размеры которых находятся в пределах обогащаемого класса, а произведения коэффициента ослабления на толщину таких частиц будут равны, т.е.
алм
алм
пор
пор
где μ- коэффициент ослабления излучения для алмаза, d- толщина алмаза, μкоэффициент ослабления излучения для породы, d- толщина породы. Это приводит к ложным обнаружениям. Соответственно, при реализации описанного способа в обогащаемый продукт («концентрат») попадут не только полезные минералы (алмазы), но и сопутствующие минералы. Таким образом, данный способ имеет существенный недостаток - невысокую селективность сепарации, обусловленную попаданием в концентрат значительного количества сопутствующих минералов.
Известен также патент США №9566615, где с целью исключения влияния толщины объектов предложено ввести поправочный коэффициент 'k' и определить аналитический параметр
где μ1 и μ2 - коэффициенты ослабления излучения с энергией Е1 и Е2, соответственно, частицей породы (без учета ослабления излучения материалом транспортирующей ленты). Предполагается, что коэффициент 'k' подбирается из опыта так, чтобы параметр S не зависел от толщины, по крайней мере, в заданном диапазоне толщины. К сожалению, для алмазосодержащего материала даже для узкого диапазона размеров сохраняется зависимость результатов отделения от толщины объекта.
Известен способ рентгенографической сепарации минералов, включающий транспортирование исходного материала в виде монослойного потока отдельных частиц, облучение рентгеновским излучением участка этого материала, раздельную регистрацию в двух различных энергетических диапазонах распределения интенсивности излучения, прошедшего через этот участок потока исходного материала, определение характеристики каждой из частиц исходного материала и отделение обогащаемых минералов из потока исходного материала при соответствии характеристики заданному критерию [патент RU 2470714, B03B 13/00, B07C 5/34, 27.12.2012]. Облучение потока осуществляют двумя узкими последовательно расположенными моноэнергетичными пучками рентгеновского излучения, энергии которых относятся к двум различным энергетическим диапазонам. Регистрируют прошедшее через частицу (один и тот же участок исходного материала) излучение раздельно с помощью двух последовательно расположенных линейных рентгеночувствительных детекторов, при этом каждый из детекторов регистрирует излучение в том энергетическом диапазоне, который соответствует облучающему пучку. В качестве характеристики полезного минерала (алмаза) используют частное от деления натурального логарифма отношения интенсивности излучения, прошедшего через алмаз, к интенсивности излучения, прошедшего мимо алмаза и любой другой частицы исходного материала, пучка излучения одной энергии, к натуральному логарифму отношения интенсивности излучения, прошедшего через этот же алмаз, к интенсивности излучения, прошедшего мимо алмаза и любой другой частицы исходного материала, пучка излучения другой энергии. В описанном способе сделана попытка нахождения такой характеристики частицы исходного материала, у которой нет зависимости от ее толщины в направлении распространения облучающего рентгеновского излучения. Такой характеристикой вещества исходного материала был выбран аналитический параметр R, представляющий выражение для отношения коэффициентов ослабления рентгеновского излучения каждой частицей алмазосодержащего материала для квантов излучения с энергией E1 и Е2:
k
1
1
k
2
2
где μ(E) - коэффициент ослабления излучения прошедшего через объект и транспортерную ленту для низкой энергии излучения Е, μ(E) - коэффициент ослабления излучения прошедшего через объект и транспортерную ленту для низкой энергии излучения Е.
k
Выражение получено в предположении, что зависимость коэффициента ослабления излучения μ(E)частицей породы от энергии - известная величина. Следовательно, параметр R должен зависеть только от материала (атомного номера) облучаемого объекта, что позволяет выделить алмазы из потока материала.
Однако, такой способ, имеет существенную зависимость от толщины объекта исследования. В результате, при исследовании горной массы, содержащей куски породы различной фракционной крупности, отличающихся по размеру в 3 и более раз, не удалось добиться удовлетворительных показателей по обнаружению необходимых объектов, особенно при работе с фракциями класса крупности менее 3,15 мм. Испытания, проведенные на реальном исходном алмазосодержащем материале обогатительной фабрики для технологического класса от 3 до 6 мм, показали наличие в обогащаемом (выходном) продукте сепаратора, на котором был реализован предложенный способ, большое количество частиц сопутствующих минералов типа чешуек и пластинок малой толщины (0.8…1.5 мм). При этом число отсечек (актов отделения частиц от потока исходного материала) составило до 3-х и более частиц на один алмаз, что указывает на недостаточную селективность предложенного способа сепарации минералов. Недостаточная селективность описанного способа сепарации минералов, по всей видимости, определяется тем, что практически невозможно обеспечить выполнение одного из его существенных признаков - облучение потока частиц исходного материала моноэнергетичными пучками рентгеновского излучения. Зависимость μk (E), таким образом, реально определяется составом исходного (обогащаемого) материала и предложенный в способе аналитический параметр R сохраняет в определенной степени зависимость от толщины частиц обогащаемого материала, то есть возникает ситуация, когда
алм
алм
пор
пор
μ*d = μ*d,
что приводит к конфликту между обнаружением алмазов (полезных минералов) и отнесением частиц сопутствующих минералов к алмазам (ложные отнесения). Таким образом, техническая проблема, связанная с зависимостью характеристики, по которой производится отделение обогащаемого минерала от потока исходного материала, от физического размера (толщины) частиц материала, что приводит к ложным отнесениям сопутствующих минералов к обогащаемым, не была решена в предшествующем уровне техники.
Известен способ (RU 2 731 173 C1, В07С 5/00, 10.01.2020) разделения дробленого минерального материала для рентгенографической сепарации алмазосодержащей породы различных классов крупности. Исходный материал транспортируют в виде монослойного потока отдельных частиц. Облучают участок материала рентгеновским излучением по всей ширине потока перпендикулярно направлению транспортировки. Регистрируют распределение интенсивности излучения, прошедшего через этот участок потока, с помощью линейных многопиксельных рентгеночувствительных детекторов. Одновременно регистрируют толщину частиц материала, облучаемых рентгеновским излучением, с помощью лазерного толщиномера. Определяют характеристики каждой из частиц исходного материала и отделяют обогащаемые минералы из потока исходного материала при соответствии полученной характеристики критерию отнесения частицы к обогащаемому материалу. Недостатком данного способа является необходимость получения точного значения толщины частиц в направлении распространения пучка излучения, что возможно реализовать только для частиц, имеющих форму близкую к параллелепипеду, тогда как формы частиц дробленого минерала характеризуются крайним разнообразием. Поэтому, в описании патента приводятся результаты по выявлению имитаторов алмазов только кубической формы размером от 10х10мм до 15х15мм, подмешанных к исходной породе крупностью -13+6 мм и -35+13 мм.
Ближайшим аналогом заявляемого способа и устройства является способ и устройство (патент RU 2 715 375 C1, В07С 5/00, В07С 5/34, 10.07.2019 (способ) и RU 2 715 374 C1, В07С 5/34, 10.07.2019 (устройство)), в котором, для уменьшения количества ложных отсечек, облучение рентгеновским излучением участка исходного материала осуществляют двумя узкими последовательно расположенными пучками рентгеновского излучения, регистрируемые энергии которых относятся к двум различным энергетическим диапазонам. При этом излучение, прошедшее через один и тот же участок исходного материала, регистрируют одновременно с помощью двух линейных многопиксельных рентгеночувствительных детекторов, расположенных параллельно в направлении распространения облучающего рентгеновского излучения, при этом в каждом из детекторов регистрируют излучение только в одном из двух выбранных энергетических диапазонов. Определение характеристики каждой из частиц исходного материала и отделение обогащаемых минералов из потока исходного материала при соответствии полученной характеристики критерию отнесения частицы к обогащаемому материалу, осуществляют тем, что: определяют значение характеристики частицы исходного материала как точку в двухкоординатной системе, для получения координат которой в каждом пикселе линейных многопиксельных рентгеночувствительных детекторов регистрируют интенсивность энергии излучения, прошедшего через частицу исходного материала раздельно в каждом энергетическом диапазоне, и нормируют на максимально возможное для нее значение в соответствующем энергетическом диапазоне, проверяют значения координат полученной точки на принадлежность к предварительно определенной области значений характеристики обогащаемых минералов, выделяют связанные области пикселей, значение характеристики частицы в которых принадлежит области значений характеристики обогащаемых минералов, определяют степень совпадения выделенной области пикселей с областью значений характеристики обогащаемых минералов и отделяют обогащаемый минерал из потока исходного материала при соответствии степени совпадения критерию отнесения частицы к обогащаемому материалу. Важнейшим требованием к генератору рентгеновского излучения, для успешной реализации данного способа, является то, что максимальный размер облучаемого рентгеновским излучением участка исходного материала в направлении транспортировки должен не превышать минимальный размер частицы минерала обогащаемого класса крупности. При этом генерация излучения высокого энергетического уровня производится при анодном напряжении 59 кВ, а излучение низкого уровня при напряжении 42 кВ, что позволяет получить максимальную разницу в степени изменения поглощения излучения при изменении энергии излучения от низкого к высокому уровню, генерируемого рентгеновским аппаратом, между различными веществами и минералами, из которых состоит руда. Указанный способ и устройство позволили сократить количество ложных обнаружений более чем в 9 раз при сохранении высокого процента извлечения (99%). Однако, во-первых, технически сложно получить веерный пучок шириной на уровне 1 мм, поэтому реализован данный способ в устройстве, которое работает с минералами крупностью более 3 мм, что ведет к потере алмазов крупностью менее 3 мм, число которых составляет значительную долю в общей добыче алмазов. Во-вторых, испытания проводились в условиях обогатительной фабрики на однотипном безалмазном материале заданной массы, в который предварительно были внедрены 100 открытых алмазов класса крупности от 3 до 6 мм. Достоверных результатов по выявлению скрытых алмазов не приводится.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в том, что производится уверенное детектирование как открытых, так и скрытых алмазов размером от 1 мм и более в кимберлите с помощью матричных детекторов, как в статичном режиме, так и при перемещении исследуемой горной массы относительно матричного детектора со скоростью до 500 м/с в случае исследования единичного образца, размер которого не превышает размера матричного детектора, также повышается скорость исследования 100% площади непрерывно перемещаемого потока породы, определяемой как произведение ширины детектора в направлении перемещения исследуемого материала на скорость кадров детектора (при ширине матричного детектора 0,4 м и скорости кадров 60 к/с скорость перемещения минералов составляет 24 м/с).
Достижение авторами технического результата предлагаемым способом в указанных источниках не приведено и не очевидно, поскольку в ближайших аналогах для достижения результата обязательно используются уровни энергии излучения, как высокого, так и низкого энергетического диапазона, при которых отличия в поглощающих свойствах веществ и минералов, составляющих породу, сохраняются существенными, коэффициент ослабления излучения прошедшего через алмаз всегда меньше коэффициента ослабления излучения прошедшего через породу, для генерации излучения используются рентгеновские аппарата постоянного тока с термоэмиссионной трубкой, а для регистрации используются линейные детекторы.
Заявляются:
1. Способ двухэнергетической рентгенопроекционной сепарации минерального сырья, отличающийся тем, что значения эффективной энергии рентгеновского излучения высокого и низкого энергетического уровня выбирают таким образом, что изменяют характер поглощения первичного рентгеновского излучения алмазом при высоком и низком уровнях энергетического диапазона, относительно исходной вмещающей алмаз породы: при низком уровне энергии излучения коэффициент ослабления излучения прошедшего через алмаз μалм и исходную вмещающую породу μпор имеет следующую зависимость μалм < μпор, то есть алмазы меньше ослабляют излучение, чем исходная вмещающая порода, а при высоком уровне энергии, наоборот, алмазы больше ослабляют первичное излучение, чем исходная вмещающая порода μалм > μпор.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что эффективную энергию рентгеновского излучения низкого энергетического уровня выбирают в диапазоне от 20 кэВ до 230 кэВ, а эффективную энергию рентгеновского излучения высокого энергетического уровня выбирают в диапазоне от 250 кэВ до 700 кэВ.
3. Устройство для реализации способа по п.1, включающее генератор наносекундных высоковольтных импульсов, индуктивный накопитель энергии, магнитопровод индуктивного накопителя энергии, высоковольтный полупроводниковый прерыватель тока, взрывоэмиссионную рентгеновскую трубку, подключенную к генератору наносекундных высоковольтных импульсов с индуктивным накопителем энергии, и рентгеновизиализирующий приемник излучения, отличающееся тем, что для генерации чередующихся импульсов рентгеновского излучения высокого и низкого энергетического уровня с помощью единственной взрывоэмиссионной рентгеновской трубки, индуктивный накопитель энергии генератора наносекундных высоковольтных импульсов представляет собой трансформатор с несколькими обмотками, одна из которых является обмоткой подмагничивания магнитопровода, ток через которую изменяется в паузах между импульсами излучения.
Сущность настоящего изобретения проиллюстрирована следующими графическими материалами.
На Фиг. 1 представлен график массовых коэффициентов ослабления для кимберлита и алмаза при эффективной энергии излучения от 20 до 220 кэВ.
На Фиг. 2 представлен график массовых коэффициентов ослабления для кимберлита и алмаза при эффективной энергии излучения от 210 до 270 кэВ.
На Фиг. 3 представлено типовое рентгеновское изображение в низком энергетическом диапазоне куска кимберлита, содержащего 2 алмаза.
На Фиг. 4 представлено типовое рентгеновское изображение в высоком энергетическом диапазоне куска кимберлита, содержащего 2 алмаза.
На Фиг. 5 представлено преобразованное рентгеновское изображение куска кимберлита, содержащего 2 алмаза.
На Фиг.6 схематично представлено заявляемое устройство, где: 1 - генератор наносекундных высоковольтных импульсов; 2 - индуктивный накопитель энергии; 3 - полупроводниковый прерыватель тока; 4 - система регулировки намагниченности; 5 - взрывоэмиссионная рентгеновская трубка; 6 - рентгеновское излучение; 7 - объект исследования; 8 - рентгеновизиализирующее приемное устройство.
На Фиг.7 представлена блок-схема импульсного генератора с индуктивным накопителем энергии и твердотельной системой коммутации, где: ТЗУ - тиристорно-зарядное устройство, МК - многоступенчатый магнитный компрессор, ИНЭ - индуктивный накопитель энергии, ППТ - полупроводниковый прерыватель тока, X-tube - рентгеновская трубка
-
На Фиг.8 представлена электрическая схема индуктивного накопителя энергии заявляемого устройства, где: МКмногоступенчатый магнитный компрессор, ИНЭ - индуктивный накопитель энергии, СРН - система регулировки намагниченности, ППТ - полупроводниковый прерыватель тока, X-tube - рентгеновская трубка.
На Фиг.9 представлена осциллограмма изменения анодного напряжения аппарата в зависимости от тока, протекающего через полупроводниковый прерыватель тока. Эффективная энергия излучения 210 кэВ, U - амплитуда напряжения на рентгеновской трубке 390 кВ, , Isos - амплитуда тока обратной накачки прерывателя 3450 А, развертка - 200 нс/дел.
На Фиг.10 представлена осциллограмма изменения анодного напряжения аппарата в зависимости от тока, протекающего через полупроводниковый прерыватель тока. Эффективная энергия излучения 340 кэВ, U - амплитуда напряжения на рентгеновской трубке 610 кВ, амплитуда тока обратной накачки прерывателя - 4500 А, развертка - 200 нс/дел.
На Фиг.11 представлен скриншот окна компьютерной программы с итоговым преобразованным рентгеновским изображением куска кимберлита, содержащего 3 алмаза.
Способ реализован в устройстве, включающем в себя цифровой рентгеновизиализирующий приемник излучения, который имеет размерность 1280x1280 пикселей, АЦП - 16 бит, частота работы детектора 37 кад./с, компьютерная программа, позволяющая реализовать преобразование изображений в соответствии с формулами (7,8), и импульсный рентгеновский аппарат в составе генератора наносекундных высоковольтных импульсов с индуктивным накопителем энергии с высоковольтным полупроводниковым прерывателем тока и системой регулировки намагниченности магнитопровода индуктивного накопителя энергии, взрывоэмиссионную рентгеновскую трубку. Управление анодным напряжением рентгеновского аппарата осуществляется путем изменения амплитуды тока, протекающего через полупроводниковый прерыватель тока с помощью системы регулировки намагниченности магнитопровода индуктивного накопителя энергии
3. Раскрытие изобретения
Заявляемый способ отличается от ближайшего аналога значением энергетических диапазонов излучений высокого и низкого энергетического уровня, полученных, либо при помощи одного или двух рентгеновских источников, отличающихся друг от друга выходными анодными напряжениями, либо от одного источника излучения без регулировки выходного напряжения с применением корректора спектра, в результате чего, получаемые пучки излучения высокого и низкого энергетического уровня обладают различающимися энергетическими диапазонами рентгеновских квантов и, соответственно, спектральными характеристиками, при этом энергетические уровни выбраны таким образом, что изменяется характер поглощения первичного рентгеновского излучения алмазом при высоком и низком уровнях энергетического диапазона, в сравнении с иными входящими в состав исходной породы веществами и минералами: при низком уровне энергии излучения коэффициент ослабления излучения прошедшего через алмаз и породу имеет следующую зависимость:
то есть алмазы меньше ослабляют излучение, чем исходная порода, а при высоком уровне энергии, наоборот, алмазы больше ослабляют первичное излучение, чем порода:
причем, уровень высокой энергии выбирается таким, что различие в поглощающих свойствах веществ и минералов, составляющих породу, становится минимальным, а также отличается тем, что генерация излучения осуществляется импульсами наносекундного диапазона длительности с помощью взрывоэмиссионной рентгеновской трубки и применением матричного детектора излучения.
f
I
i
j
i
j
f
I
i
j
i
j
I
i
j)
Э.Н.
Э.Н.
Э.Н.
Р.В.
Сущность заявляемого способа заключается в том, что исследуемые и перемещающиеся в пространстве, либо находящиеся в неподвижном положении объекты, потоки материалов последовательно облучают двумя пакетами импульсов рентгеновского излучения наносекундной длительности, характеризующимися различными энергетическим диапазоном, при количестве импульсов в пакете от одного и более, причем эффективная энергия импульсов излучения одного из пакетов импульсов, характеризующая низкий энергетический диапазон, должна иметь значение от 20 кэВ до 230 кэВ, а эффективная энергия импульсов излучения другого из пакетов импульсов, характеризующая высокий энергетический диапазон, должна иметь значение в диапазоне от 250 кэВ до 700 кэВ, но не менее, чем на 30% больше, чем эффективная энергия импульсов излучения низкого энергетического диапазона, причем, доза каждого из пакетов импульсов является достаточной для выполнения цикла работы приемником излучения. Полученная в указанных выше энергетических диапазонах излучения пара рентгеновских изображений, преобразуется в третье изображение, на котором основной вмещающий материал вместе с различными не интересующими включениями удаляется с изображения, а выделяется интересующий объект. Для выполнения этого преобразования вычисляется функциональная зависимость ((, )) из экспериментальных данных для исследуемого объекта, заведомо не содержащего интересующих для поиска объектов, полученных в различных энергетических диапазонов, и позволяющая выразить значения интенсивности пикселей первого рентгеновского изображения, полученного в одном энергетическом диапазоне, через значения интенсивности пикселей второго рентгеновского изображения, полученного в ином энергетическом диапазоне. Индексы (, ) соответствуют координатам пикселей рентгеновского детектора. Данная функциональная зависимость ((, )), позволяет преобразовать изображение I(, ) (значения интенсивности пикселей), полученное при одном энергетическом диапазоне, в рассчитанное изображение(, :
f
I
i
j
I
i
j
I
i
j
Э.Н.
Э.В.
Р.В.
Функция ((, )) может быть задана логарифмической, полиномиальной либо другой подходящей. Далее из экспериментально полученного изображения (, ), полученного при другом энергетическом диапазоне излучения, производится вычитание математически рассчитанного изображения (, ), что дает результирующее изображение
В итоге, получается изображение, на котором значения яркости пикселей, относящихся только к вмещающему материалу, близки к нулю, а те места, где были включения искомых объектов, например, алмазов, имеют интенсивность пикселей, значительно отличающуюся от нуля. Это обусловлено тем, что при переходе от одной энергии к другой искомое включение имеет другую функциональную зависимость, чем вмещающий материал. Порог разделения для выбора эффективной энергии для получения пары исходных изображений находится в диапазоне от 230 кэВ до 250 кэВ, при котором происходит существенное различие в поглощающих свойствах алмаза от кимберлитовой массы, что отражается в характере поведения коэффициента ослабления излучения от энергии, а также, выбор высокого уровня эффективной энергии в диапазоне от 250 кэВ до 700 кэВ, позволяет исключить из расчета нахождение функциональных зависимостей для иных, отличных от алмаза, включений в кимберлитовую массу, что значительно упрощает проведение и повышает скорость вычислений при получении итогового изображения, позволяет отказаться от формирования узкого веерного пучка излучения, позволяет применять матричные детекторы. При увеличении энергии рентгеновского излучения до значений эффективной энергии более 700 кэВ различие в коэффициентах ослабления излучения от энергии для алмаза и кимберлита стремится к нулю.
Для однозначного определения искомого включения в объекте размер пикселя детектора должен быть не более 1/5 от размера искомого объекта, что для объектов размером от 1 мм составляет не более 200 мкм. Для однозначного определения искомого включения в подвижном объекте необходимо обеспечить условия, при которых перемещение такого включения за время накопления данных о нем не превышало одного пикселя. Для термоэмиссионных рентгеновских аппаратов минимальная длительность экспозиции находится на уровне единиц миллисекунд. Таким образом, максимальная скорость перемещения объектов с линейным размером в направлении его движения на уровне 1 мм и размере пикселя не более 200 мкм составляет не более 0,2 м/с. Генерация излучения в виде импульса длительностью менее 100 нс позволяет определять искомое включения миллиметрового размера при скорости движения последнего на уровне 500 м/с. В случае же непрерывного контроля 100% площади потока горной массы скорость перемещения потока ограничивается только скоростью кадров матричного детектора и определяется как произведение ширины детектора в направлении перемещения исследуемого материала на скорость кадров детектора.
Способ реализован в устройстве
,
включающем в себя цифровой рентгеновизиализирующий приемник излучения, который имеет размерность 1280x1280 пикселей, АЦП - 16 бит, частота работы детектора 37 кад./с, компьютерная программа, позволяющая реализовать преобразование изображений в соответствии с формулами (7,8), и импульсный рентгеновский аппарат в составе генератора наносекундных высоковольтных импульсов с индуктивным накопителем энергии с высоковольтным полупроводниковым прерывателем тока и системой регулировки намагниченности магнитопровода индуктивного накопителя энергии, взрывоэмиссионную рентгеновскую трубку. Управление анодным напряжением рентгеновского аппарата осуществляется путем изменения амплитуды тока, протекающего через полупроводниковый прерыватель тока с помощью системы регулировки намагниченности магнитопровода индуктивного накопителя энергии. На Фиг.6 схематично представлено заявляемое устройство.
Традиционно в качестве источников ионизирующего излучения используются рентгеновские аппараты постоянного напряжения с термоэмисионной рентгеновской трубкой. Аппараты постоянного напряжения отличаются стабильностью выходных параметров и плавной независимой регулировкой выходного напряжения и тока трубки. Недостатком данных устройств является сложность исследования объектов непрерывно двигающихся по конвейеру с линейной скоростью более 0,1 м/с. Термоэмиссионный способ получения свободных электронов в рентгеновской трубке накладывает ограничения на максимальный ток трубки, связанный с предельно допустимым значением тока накала термоэмиссионного катода. Превышение тока накала приводит к перегоранию нити накала и выходу трубки из строя. На сегодняшний день не удалось создать рентгенографическую термоэмиссионную рентгеновскую трубку с анодным током значением более 0,5 ампера. В результате, необходимая для работы цифрового детектора доза на уровне 1-2 мкЗв/кадр в плоскости входного окна детектора генерируется аппаратом с термоэмиссионной трубкой за время не менее 5 мс. За такое время, при скорости перемещения исследуемого объекта 0,1 м/с, объект переместится на 0,5 мм. Таким образом, получение проекционного изображения объектов размером 1,0 мм и менее, находящихся в движении со скоростью более 0,1 м/с, является трудно реализуемым, из-за токовых ограничений термоэмиссионных источников рентгеновского излучения.
Решение задачи исследования объектов, находящихся в движении, возможно с помощью наносекундных импульсных аппаратов с безнакальной взрывоэмиссионной рентгеновской трубкой. Анодный ток трубки при взрывной электронной эмиссии достигает значений нескольких сот ампер, а пиковая мощность превышает 10 МВт, что позволяет получать дозу, необходимую для работы приемников излучения, за один импульс длительностью менее 100 наносекунд. Таким образом, достигается регистрация динамически подвижных систем с высокой геометрической резкостью. Так, при движении объекта со скоростью 1 м/с его перемещение при экспозиции 100 нс составит 0,1 мкм, что обеспечивает получение изображения объекта миллиметрового размера с достаточной пространственным разрешением. Поскольку взрывоэмиссионный катод импульсных рентгеновских трубок надежно работает только при условии быстрого нарастания амплитуды напряжения в ускоряющем промежутке трубки, характерными скоростями являются десятки киловольт в наносекунду, то питающее устройство взрывоэмиссионной рентгеновской трубки должно представлять собой наносекундный импульсный генератор напряжения.
На сегодняшний день имеется несколько подходов к созданию наносекундных рентгеновских аппаратов. Основным является способ формирования импульса излучения высокой мощности путем подключения емкостного накопителя энергии к рентгеновской трубке с помощью электрического разряда наносекундной длительности, формируемого разрядником-обострителем в среде газа высокого давления. Особенностью всех газонаполненных неуправляемых двухэлектродных разрядников является разброс напряжения включения. Так, РО-49 на 220 кВ имеет разброс напряжения включения 40 кВ (от 180 до 220 кВ), а РО-50 напряжением 260 кВ уже 80 кВ (от 180 до 260кВ). Таким образом, нестабильность выходного напряжения только питающего устройства с емкостным накопителем энергии импульсной рентгеновской трубки достигает значений 20-25%. Кроме того, поскольку при прохождении разряда в газовой среде происходит ионизация газа и образование плазмы в канале разряда, то требуется время на рекомбинацию плазмы и восстановление электрической прочности промежутка, что существенно ограничивает частоту следования импульсов. Так в устройстве аппарата ПИР 100/240, в котором используется отпаянный газовый разрядник-обостритель высокого давления типа Р-43, Р-48. В результате, частота следования импульсов не превышает 4 Гц при работе в продолжительном режиме.
Отмеченного выше недостатка лишены импульсные высоковольтные генераторы с индуктивным накопителем энергии и твердотельной системой коммутации, блок-схема которых приведена на фиг. 7. Тиристорное зарядное устройство (ТЗУ) осуществляет дозированный отбор энергии от питающей сети, из ТЗУ энергия поступает в многоступенчатый магнитный компрессор МК, который осуществляет формирование импульса тока требуемой длительности и амплитуды, последняя ступень МК одновременно выполняет роль индуктивного накопителя энергии. Размыкателем в индуктивном накопителе энергии является полупроводниковый прерыватель тока ППТ. При срабатывании прерывателя тока формируется выходной импульс напряжения, прикладывающийся к нагрузке. Стабильность амплитуды выходного напряжения импульсного генератора с индуктивным накопителем энергии и полупроводниковым прерывателем тока достигает значений не хуже 2-5%. Отказ от использования газонаполненных коммутаторов при формировании импульса напряжения позволил поднять частоту следования импульсов до нескольких кГц. Подобное устройство описано в патенте (патент RU 2 720 535 C1, В07С 5/34, G01N 23/04, 04.12.2019). Недостатком данного устройства является отсутствие регулировки выходного напряжения.
Известен способ регулировки выходного напряжения генераторов с индуктивным накопителем энергии и полупроводниковым прерывателем тока путем уменьшения напряжения заряда первичного накопителя энергии в ТЗУ. Данный способ регулировки сопровождается уменьшением энергии импульса и неизбежным рассогласованием всех ступеней сжатия МК. Это резко снижает КПД генератора. Кроме того, выходное напряжение подобным способом регулируется в пределах 15%, что недостаточно для реализации заявляемого способа.
В заявляемом устройстве реализован иной способ регулировки напряжения: путем введения системы регулировки намагниченности магнитопровода индуктивного накопителя энергии. В импульсных генераторах с индуктивным накопителем энергии и полупроводниковым прерывателем тока амплитуда выходного импульса напряжения прямо пропорционально зависит от индуктивности контура и скорости обрыва тока: U ≈ L dI/dt, где U - напряжение, L - индуктивность, dI/dt - скорость обрыва тока. При этом, переключение тока в прерыватель тока осуществляется в момент перехода магнитопровода накопителя в состояние глубокого полного насыщения. Поскольку действующие значения тока в таких накопителях достигают значений в несколько килоампер, а напряжения в сотни киловольт, то изменение в собранном генераторе, залитом трансформаторным маслом, индуктивности накопителя путем подключения дополнительных обмоток, или изменения емкости путем переключения секций конденсаторной батареи, представляется трудно решаемой технической задачей.
В заявляемом устройстве на магнитопровод индуктивного накопителя установлена дополнительная обмотка системы регулировки намагниченности, фиг. 8. Известны технические решения, в которых производится установка дополнительной обмотки подмагничивания на магнитопровод индуктивного накопителя энергии. Но задача, решаемая этих случаях, заключается по приведению магнитопровода накопителя в одинаковое первоначальное состояние намагниченности перед приходом основного импульса, то есть до начала накачки индуктивного накопителя энергией, с целью стабилизации параметров выходного импульса. В заявляемом устройстве изменение тока, протекающего через данную обмотку, позволяет управлять состоянием магнитопровода индуктивного накопителя в момент формирования импульса, то есть, непосредственно в момент накачки индуктивного накопителя энергией и формирования выходного импульса в момент обрыва тока, с целью оперативного изменения параметров выходного импульса. В результате, появляется возможность, как регулировать момент переключения магнитопровода в насыщенное состояние при нужном значении напряжения конденсатора накопителя, что ведет к регулировке тока, протекающего через прерыватель, так и регулировать глубину насыщения магнитопровода, что позволяет регулировать значение индуктивности накопителя энергии в момент обрыва тока. Причем, в отличие от описанного выше способа регулировки выходного напряжения, в данном случае не происходит рассогласование ступеней сжатия МК. Особенно следует отметить, что уменьшение амплитуды напряжения сопровождается снижением скорости напряжения в разрядном промежутке рентгеновской трубки и увеличением длительности импульса напряжения. Поскольку известно, что электрическая прочность вакуумного промежутка определяется не только напряженностью поля, но и длительностью действия поля в данном межэлектродном зазоре, то совокупность этих факторов: снижением скорости напряжения в разрядном промежутке рентгеновской трубки и увеличением длительности импульса напряжения, приводит к тому, что неуправляемые двухэлектродные взрывоэмиссионные рентгеновские трубки работать в широком диапазоне напряжений без изменения геометрии электродного узла. Таким образом, выходное напряжение, а соответственно, и энергетический диапазон, эффективная энергия излучения, подобным способом регулируется в пределах 40%, что достаточно для реализации заявляемого способа. Осциллограммы представлены на фиг. 9. В отличие от случая применения двух независимых генераторов излучения, заявляемое устройство позволяет работать с одним детектором, избежать необходимости перемещения исследуемого материала на второй детектор и добиться минимально смещения исследуемых объектов в процессе перемещения. В отличие от случая применения корректора спектра, представляющего собой, как правило, медную пластину толщиной до 5 мм, установка которой значительно снижает дозовый выход рентгеновского аппарата, заявляемое устройство позволяет сохранить максимальный дозовый выход при изменении эффективной энергии излучения.
В результате заявляемое устройство работает следующим образом. При подключении генератора наносекундных высоковольтных импульсов 1 к сети питания происходит формирование импульса тока и накопление энергии магнитного поля в индуктивном накопителе 2. Далее, с помощью высоковольтного полупроводникового прерывателя 3 происходит конвертация энергии магнитного поля в энергию электрического поля, что приводит к формированию наносекундного импульса высокого напряжения. Этот импульс прикладывается к рентгеновской трубке 4, подключенной к генератору наносекундных высоковольтных импульсов 1, что вызывает процесс взрывной эмиссии электронов из катода 5 и бомбардировку анода 6 электронным пучком. В результате торможения анодом электронов, бомбардирующих его, генерируется рентгеновское излучение 7. Период следования импульсов излучения согласован со скоростью смены кадров рентгеновизиализирующего приемника излучения, которая определяется скоростью перемещения исследуемого объекта над приемным окном рентгеновизиализирующего приемника излучения. Для генерации импульса излучения высокого энергетического уровня ток, формируемый устройством системы регулировки намагниченности магнитопровода индуктивного накопителя, устанавливается равным нулю. При генерации импульса излучения низкого энергетического уровня ток, формируемый устройством системы регулировки намагниченности магнитопровода индуктивного накопителя, устанавливается отличным от нуля. Точное значение амплитуды тока системы регулировки намагниченности определяется экспериментально, исходя из требуемой величины амплитуды тока индуктивного накопителя, в зависимости от материала примененного магнитопровода, его геометрии, количества витков обмотки подмагничивания и требуемого значения индукции магнитопровода в момент обрыва тока накопителя прерывателем тока. В заявляемом устройстве магнитопровод индуктивного накопителя изготовлен из пермаллоя НП-50, имеет кольцевую форму с размерами К210х160х125 мм. Для получения импульса излучения с эффективной энергией 340 кэВ (максимальное анодное напряжение 610 кВ) формируется импульс тока индуктивного накопителя (L = 9 мкГн) амплитудой 4,5 кА, при этом амплитуда тока системы регулировки намагниченности магнитопровода индуктивного накопителя, устанавливается равной нулю. Для получения импульса излучения с эффективной энергией 210 кэВ (максимальное анодное напряжение 390 кВ) формируется импульс тока индуктивного накопителя амплитудой 3,45 кА, при этом амплитуда тока системы регулировки намагниченности магнитопровода индуктивного накопителя, устанавливается равной 3А, что приводит к увеличению индуктивности накопителя в момент обрыва тока до L = 15 мкГн. Поскольку ширина импульса излучения на полувысоте, генерируемого заявляемым устройством, не превышает 100 нс, то за это время образцы, при скорости перемещения потока материала до 25 м/с, могут переместиться на 2,5 мкм, то получившееся изображение перемещаемого объекта ничем не будет отличаться от изображения, полученного в статичных условиях. Далее, полученная пара изображений, последовательно переданная в вычислительное устройство, обрабатывается по указанному выше алгоритму. Итоговое преобразованное рентгеновское изображение выводится на экран монитора, двумерные координаты детектированных алмазов передаются на вход исполнительного механизма сепаратора. Исполнительный механизм сепаратора для отделения обогащаемого минерала из потока исходного материала может быть выполнен на базе электроуправляемых пневмоклапанов.
Пример детектирования скрытого алмаза в кимберлите приведен на фиг. 11.