Устройство для измерения концентрации элементов в материалах

Устройство для измерения концентрации элементов в материалах

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к ядернофизическим методам анализа материалов . Целью его является повьшение точности измерений и увеличение срока службы детектора гамма-излучения. Устройство содержит источник 4 быстрых нейтронов с рассеивающим экраном 2, вокруг которого находится замедлитель - по крайней мере частично тяжелая вода 3, количество которой оптимизировано. Источник нейтронов и полупроводниковый детектор располагают с одной стороны от облучаемого материала. Оптимизировано расстояние между источником и детектором излучения, а также между рассеивающим экраном и детектором . 2 з.п.ф-лы, 11 ил, 4 табл. (У) СО CN

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСГ1УБЛИН

yg 4 С 01 N 23/222

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н flATEHTY

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАН ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21 ) 2777201/24-25 (22) 03.05.79 (31) 781381 (32) 04.05.78 (33) FI (46) 15. 02. 87. Вюл. В 6 (71) Оутокумпу Ой (Р1) (72) Георг Кристиан фон Алфтхан, Туула Аннели Лукандер, Пекка Раутала, Хейкки Еханнес Сипилэ и Сэппо

Юхани Уустало (FТ) (53) 543.53(088.8) (56) Якубович А.Л. и др. Ядернофизические методы анализа минерального сырья. М.: Атомиздат, 1973, с.194-195.

Карташев Е.P., Штань А.С. Нейтронные методы непрерывного анализа состава вещества. М.: Атомиздат, 1977, с. 118-119, „.,Я0„„1291033 А3 (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ KOHIIEHTPAIIHH ЭЛЕМЕНТОВ В МАТЕРИАЛАХ (57) Изобретение относится к ядернофизическим методам анализа материалов. Целью его является повышение точности измерений и увеличение срока службы детектора гамма-излучения.

Устройство содержит источник 4 быстрых нейтронов с рассеивающим экраном 2, вокруг которого находится замедлитель — по крайней мере частично тяжелая вода 3, количество которой оптимизировано. Источник нейтронов и полупроводниковый детектор располагают с одной стороны от

Р облучаемого материала. Оптимизиро- е вано расстояние между источником и детектором излучения, а также между рассеивающим экраном и детектором. 2 з.п.ф-лы, 11 ил, 4 табл.

1033 чем у D О но из-за его низкой стоиУ мости целесообразно окружать Р О графитом и окружать графит Н О. Для рассеяния быстрых нейтронов, идущих к детектору, и поглощения гамма-излучения источника целесообразно использовать конусообразный рассеивающий экран из тяжелого металла, например висмута, который не дает захватного

10 гамма-излучения. Поскольку висмут является очень плохим замедлителем, экран должен быть расположен на некотором расстоянии от детектора, иначе быстрые нейтроны по нему пройдут

15 к детектору., В табл.1 показано количество нейтронов (п ), попадающих на детектор за заданный период времени для вариантов выполнения экрана, показанных

20 на фиг.2-5. Толщина слоя 0 О не играет значительной роли, но большие толщины несколько лучше. Более широкий у основания конус также улучшает результаты за счет увеличения телесного 5 угла рассеяния нейтронов, На фиг.2-5 обозначены детектор 1 гамма-излучения, например, полупроводниковый, рассеивающий экран 2, например, из висмута, вокруг которо30 го находится тяжелая вода 3, и источник 4 быстрых нейтронов.

Тяжелая вода является довольно дорогой и, поэтому, ее количество оптимизировано с точки зрения сто35имости. Приведенная на фиг.б геометрия йолучена в результате укаэанной оптимизации. В этой геометрии вместо тяжелой воды большую часть эамедлителя образует графит. Однако со сто40 роны, находящейся напротив детекто ра, целесообразно использовать тяжелую воду, поскольку важно термалиэовать попадающие на детектор нейтроны. Для этого была рассчитана

45 необходимая толщина слоя тяжелой воды, причем наблюдади, что увеличение количества тяжелой воды выше

12 л не влияет на ситуацию, 1 129

Изобретение относится к нейтронно-активационному анализу материалов методом захватного гамма-излучения, Цель изобретения — повышение точности измерений и увеличение срока службы детектора гамма-излучения.

На фиг.1 показаны кривые, поясняющие теоретические положения, лежащие в основе изобретения; на фиг,2-5 — различные варианты выполнения рассеивающего экрана иэ висмута; на фиг.б — предпочтительный вариант выполнения устройства; на фиг.7 — вариант выполнения устройства; на фиг.8-9 — полученные с помощью устройства спектры; на фиг. 10— модифицированный вариант устройства; на фиг.11 — применение устройства для анализа пульпы.

В основе изобретения лежат следующие теоретические положения.

Замедление и 1 чспространение нейтронов представляют собой математически сложную за, ачу, точное решение которой может быть найдено только в случае простейшей геометрии, например при сферической симметрии. Однако реальное измерительное оборудование содержит много различных материалов с поверхностями раздела, находящимися на различных направлениях. Простейшее решение в этих условиях — использование для расчета метода МонтеКарло, основанного на знаниях вероятностных законов, управляющих доведением отдельного нейтрона в каждой среде. Прослеживая различные случаи проведения нейтрона (прохождение кейт рона с замедлением и изменением направления при столкновении с атомами и поглощение), можно .получить представление о количественном и энергетическом распределениях нейтронов в различных местах.

Показанные на фиг. 1 результаты были получены путем расчета потока тепловых и быстрых нейтронов на основе сферической модели для сферы радиусом 100 см из Н О и Р О. Из фиг.1 видно, что в НдО поток тепловых нейтронов уменьшается с той же скоростью, что и поток быстрых нейт- . ронов, тогда как в D О поток тепловых нейтронов распространяется по большему объему без поглощения, и только утечка вне сферы приводит к уменьшению потока.

Расстояние замедления для графита больше,а диффузионнаядлина меньше, 50 В показанном на фиг.6 варианте устройства источник 4 быстрых нейтронов расположен в вершине рассеивающего экрана 2. Позицией 5 обозначен графитовый замедлитель, а пози"

55 цией 6 — исследуемый материал, рас" положенный, например, на конвейере, Источником быстрых нейтронов, использованным в экспериментах и вычислениях, был изотоп Cf даю252

1291033 щий наилучший выход нейтронов на единицу активности, имеющий достаточно низкую стоимость и мягкий спектр нейтронов.

Как известно, допустимые величины флюенса нейтронов для детекторов различаются весьма сильно. В кас честве исходного значения, опасного для детектора флюенса, была взята

9 2 величина 10 нейтрон/см . На основе моделирования определено, что увеличение на 15 см расстояние в тяжелой воде между источником и детектором уменьшает флюенс на порядок.

В табл.2 приведены данные о сроке елужбы детектора в устройстве с оптимизированной геометрией в зависимости от указанного расстояния при использовании источника 20 мг 2Cf.

Экспериментальная геометрия устройства, в которой было выбрано расстояние источник — детектор 55 см и которая получена на основе оптимизации, показана на фиг.7, где обо" значены держатель 7 рассеивающего экрана 2 и сосуд 8 с жидким азотом для поддержания детектора 1 при низкой температуре. В баллоне с исследуемым материалом 6 была выполнена полость для размещения предусилителя детектора t. Использованное в экспериментальном устройстве оборудование включало Ge(Li) детектор и связанное с ним вычислительное устройство. ,Полученные результаты выводили на цифропечатающее устройство и графопостроитель. В качестве источника

262 использовали 1 мг Cf. Время измерений составляло 100 мин. В качестве проб брали концентраты никеля и меди.

Полученные результаты приведены в табл.3.

Кроме того, были проведены измерения фона путем замены пробы раствором борной кислоты, обладающим примерно такой же, как и у пробы, отражающей способностью для тепловых нейтронов. Геометрию измерений модифицировали таким образом, что пустое пространство, окружающее детектор между пробой и замедлителем, было в одних случаях заполнено материалом пробы, а в других — служащими в качестве отражателей кусками графита.

Также проводили эксперименты по изучению влияния на спектр тонкой кадмиевой пластинки, устанавливаемой для защиты детектора.

Программа обработки спектров включала обнаружение пиков, калибровку по энергиям, определение фона, расчет площади под пиками и оценку ошибки. Для оценки ошибки, вызываемой статистикой счета, испольэовали главные.пики различных веществ:

7,646 МэВ и 7,632 МэВ с сопутствующими пиками;

5,420 МэВ с сопутствующими пиками; 3,221 МэВ, 2,931 ИэВ

:и 2,380 МэВ;

7,915 МэВ и 7,306 МэВ с сопутствующими пиками;

8,999 МэВ и 8,535 МэВ с сопутствующими пиками;

4,934 МэВ и 3,539 МэВ.

Сп

Si.Очевидно, что геометрия устройства может изменяться различным об45 разом. Если, например, исследуемый материал представляет собой текучую среду, например пульпу, то этот материал сам может использоваться как замедлитель. В этом случае детектор

50 может быть помещен непосредственно в исследуемый материал, как это показано на фиг. 11.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения концентрации элементов в материалах методом захватного гамма-излучения, содержащее источник быстрых нейтроПолученные на концентрате никеля

20 результаты .приведены в табл.4

Соответствующие результаты можно получить при использовании источников

10 мг и 20 мг за время 10 мин и 5 мин.

Увеличив в четыре раза время измерения, можно уменьшить ошибку вдвое.

Части спектров концентрата никеля, полученные на описанном устройстве, показаны на фиг.8 и 9.

Захватные и активационные пики от материала детектора могут быть

; устранены посредством кадмиевого экрана, Какой-либо другой поглотитель нейтронов мог бы ухудшить отношение пик/фон в меньшей степени. При ис35 пользовании кадмиевого экрана количество захватного гамма-излучения от пробы уменьшилось в 1,7 раза.

На фиг.10 приведена обратная по отношению к фиг.6 и 7 геометрия уст40 ройства, предназначенная для измерения материала 6 на конвейере.

129

Выполнение экрана по фиг.

Показатель

1 T

2 3

10

10 а, см

Ь, см

i см

50

50

168

113

131

147 по

Таблица 2

Относительная инРасстояние, см

Срок службы детектора, дн ° тенсивность гамма-излучения

110

2,2 х 1,4 х 3,0 х 6,3

60

0,8

0,5 нов, эамедлитель, детектор гаммаизлучения, рассеивающий экран для быстрых нейтронов из тяжелого материала, предпочтительно висмута, выполненный в виде усеченного конуса или последовательности усеченных конусов, расположенный между источником быстрых нейтронов и детектором гаммаизлучения и служащий для одновременного поглощения гамма-излучения источника быстрых нейтронов, и средство удержания исследуемого материала, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерений и увеличения срока службы детектора гамма-излучения, источник быстрых нейтронов и детектор гамма-излучения, выполненный полупроводниковым, расположены с одной стороны от сред I ства удержания исследуемого материала или детектор гамма-излучения расположен внутри указанного средства, причем детектор гамма-излучения находится в потоке тепловых нейтронов, а количество эамедлителя, по меньшей мере частично представляющего собой тяжелую воду, между ис1033 6 точником быстрых нейтронов и детектором гамма-излучения выбрано из условия попадания на детектор за заданный период времени не более чем заданного количества быстрых нейтронов.

2. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что эамедлитель

10 выполнен в виде графитового тела с конической полостью, заполненной тяжелой водой и большим основанием обращенной к средству удержания исследуемого материала, источник быстt5 рых нейтронов расположен со стороны меньшего, а детектор гамма-излучения - со стороны большего основания указанной полости.

3. Устройство по п.2, о т л и—

20 ч а ю щ е е с я тем, что при флюенсе источника быстрых нейтронов !О нейт2 рон/см расстояние в тяжелой воде между рассеивающим экраном и детектором гамма-излучения составляет не менее 10 см, а расстояние между источником быстрых нейтронов и детектором гамма-излучения — не менее 45 см.

Таблица1

1291033

Т а б л и ц а 3

Концентрация основных компонентов, 7

Я1 Cu S Fe Siо

Концентрат

5,52 3,40 23,3 29,8 24,9

0,21 24,8 29,6 29,8 8,3

Си

Таблица4

Компонент

0,96

4,1

0,54

1,8

0,31

9,0

Си

0,25

4,5

11,5

2,9

Фиг. f

Относительная ошибка, Х

Абсолютная ошибка, Ж

i291033

Фиг.4! 29) 033

Г

Составитель К. Кононов

Редактор А.Лежнина Техред N.Õoäàkè÷ Корректор А.Обручар

Заказ 7920/60 Тираж 777 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная, 4