EA041338B1

EA041338B1 - DEVICE AND METHOD FOR MEASURING HUMIDITY

Info

Publication number: EA041338B1
Application number: EA202092791
Authority: EA
Inventors: Джеймс Тикнер
Original assignee: Крайсос Корпорейшн Лимитед
Priority date: 2018-06-21
Filing date: 2019-06-13
Publication date: 2022-10-12

Description

Область техники, к которой относится изобретениеThe field of technology to which the invention belongs

Настоящая заявка испрашивает приоритет согласно предварительной заявке на патент Австралии № 2018902220, поданной 21 июня 2018 г., содержание которой полностью включено в настоящую заявку посредством ссылки.This application claims priority under Australian Provisional Application No. 2018902220, filed June 21, 2018, the contents of which are hereby incorporated by reference in their entirety.

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для определения потока тепловых нейтронов в образце вещества, подвергаемому элементному активационному анализу, и, в частности, для определения содержания влаги в образце вещества.The present invention relates to a method and apparatus for determining the thermal neutron flux in a substance sample subjected to elemental activation analysis, and in particular for determining the moisture content of a substance sample.

Предпосылки создания изобретенияPrerequisites for the creation of the invention

Гамма-активационный анализ (GAA), также известный как фотонный активационный анализ, представляет собой неразрушающий аналитический метод определения элементов в веществах, например в образцах минералов. Вкратце на образец воздействуют активирующим излучением (например, от источника рентгеновского излучения на основе мощного линейного ускорителя потока электронов), в результате чего в различных элементах образца индуцируются ядерные реакции. Распад любых радиоизотопов в ходе этих реакций приводит к возникновению характерных гамма-лучей, которые можно идентифицировать и определить наличие конкретных элементов или сравнить со стандартными образцами для количественного анализа.Gamma activation analysis (GAA), also known as photon activation analysis, is a non-destructive analytical method for the determination of elements in substances, such as mineral samples. Briefly, the sample is exposed to activating radiation (for example, from an X-ray source based on a powerful linear electron flow accelerator), as a result of which nuclear reactions are induced in various elements of the sample. The decay of any radioisotopes during these reactions produces characteristic gamma rays that can be identified and determined for the presence of specific elements or compared with standard samples for quantitative analysis.

Определение элементного состава минерального образца обычно приводится в пересчете на сухое вещество, чтобы точно определить содержание важных элементов независимо от содержания воды в образце. Соответственно это требует предварительной стадии сушки образца для удаления влаги с последующим измерением количества влаги в образце.Determination of the elemental composition of a mineral sample is usually given on a dry matter basis in order to accurately determine the content of important elements, regardless of the water content of the sample. Accordingly, this requires a preliminary step of drying the sample to remove moisture, followed by measuring the amount of moisture in the sample.

Для плотных веществ желательно использовать метод замедления нейтронов до тепловой скорости при измерении количества влаги в образце, поскольку нейтроны обладают высокой проникающей способностью и позволяют измерить среднее содержание воды в насыпном веществе.For dense materials, it is desirable to use the method of neutron moderation to thermal velocity when measuring the amount of moisture in the sample, since neutrons have a high penetrating power and allow measuring the average water content in bulk material.

Нейтроны с большой энергией или быстрые нейтроны быстро теряют энергию при столкновении с атомами водорода, которые являются важным компонентом воды. Измерение степени уменьшения энергии быстрых нейтронов, испускаемых источником в результате столкновений внутри образца, дает представление о содержании водорода в образце, что, в свою очередь, может быть связано с содержанием воды. Это требует применения источника нейтронов и электронного детектора нейтронов.High-energy neutrons, or fast neutrons, quickly lose energy when they collide with hydrogen atoms, which are an important component of water. Measuring the reduction in energy of fast neutrons emitted by a source as a result of collisions within the sample gives an indication of the hydrogen content of the sample, which in turn can be related to the water content. This requires the use of a neutron source and an electronic neutron detector.

Любое рассмотрение документов, протоколов, материалов, устройств, изделий и т.п. в настоящем описании предназначено исключительно для обеспечения содержанием настоящего раскрытия. Это не предполагает, что какие-либо из этих вопросов составляют часть базы данных предшествующего уровня техники или являются общеизвестными сведениями в области, относящейся к настоящему изобретению, как она существовала в Австралии или где-либо еще до даты приоритета каждого пункта формулы изобретения в этой заявке.Any consideration of documents, protocols, materials, devices, products, etc. in the present description is intended solely to provide the content of the present disclosure. It does not imply that any of these matters form part of the prior art database or are common knowledge in the field relating to the present invention as it existed in Australia or anywhere else prior to the priority date of each claim in this application. .

Следует понимать, что в данном описании и формуле изобретения слово содержать и варианты этого слова, например содержащий и содержит, указывает на наличие прочих признаков, компонентов целых чисел или стадий.It should be understood that in this description and claims, the word contain and variants of this word, for example containing and contains, indicate the presence of other features, components of integers or stages.

Краткое изложение существа изобретенияBrief summary of the invention

Предлагается способ определения содержания влаги в образце вещества, подвергаемом элементному активационному анализу (ЕАА), образце вещества, содержащем по меньшей мере один элемент образца, который в ходе проведения ЕАА образует продукт активации, причем способ включает позиционирование эталонного вещества рядом с образцом вещества, эталонного вещества, содержащего эталонный элемент, имеющий сечение захвата тепловых нейтронов, составляющее по меньшей мере 1 барн, эталонного вещества, выбранного таким образом, что его осколочный изотоп реакции захвата тепловых нейтронов представляет собой радиоизотоп, который испускает гамма-лучи;A method is proposed for determining the moisture content in a sample of a substance subjected to elemental activation analysis (EAA), a sample of a substance containing at least one element of the sample, which, during the EAA, forms an activation product, and the method includes positioning the reference substance next to the sample of the substance, the reference substance containing a reference element having a thermal neutron capture cross section of at least 1 barn, a reference substance selected such that its fission isotope of the thermal neutron capture reaction is a radioisotope that emits gamma rays;

облучение образца вещества и эталонного образца от источника быстрых нейтронов с получением тепловых нейтронов в образце вещества;irradiating the substance sample and the reference sample from a source of fast neutrons to produce thermal neutrons in the substance sample;

обнаружение гамма-лучей, испущенных эталонным образцом и генерирование характеристических сигналов от обнаруженных гамма-лучей;detecting gamma rays emitted by the reference sample and generating characteristic signals from the detected gamma rays;

расчет коэффициента R, который пропорционален потоку тепловых нейтронов исходя из генерированных сигналов; и определение содержания влаги в образце вещества из соотношения, связывающего содержание влаги с коэффициентом R.calculation of the coefficient R, which is proportional to the thermal neutron flux based on the generated signals; and determining the moisture content of the sample of the substance from the ratio relating the moisture content to the R factor.

В варианте осуществления соотношение может представлять собой эмпирическое соотношение, а способ может дополнительно включать определение эмпирического соотношения, связывающего содержание влаги с коэффициентом R, путем расчета коэффициента R для множества образцов вещества.In an embodiment, the ratio may be an empirical ratio, and the method may further include determining an empirical ratio relating moisture content to an R-factor by calculating an R-factor for a plurality of substance samples.

В варианте осуществления, в котором способ используется в сочетании с активационным анализом быстрыми нейтронами, источник нейтронов, используемый для активации, также служит в качестве источника быстрых нейтронов для измерения их замедления до тепловой скорости.In an embodiment in which the method is used in conjunction with a fast neutron activation assay, the neutron source used for activation also serves as a fast neutron source to measure their deceleration to thermal velocity.

В варианте осуществления, в котором способ используется в сочетании с фотонным активационным анализом с использованием тормозного рентгеновского излучения, фотонейтроны, полученные в конверсионной мишени для получения тормозного излучения, действуют как источник быстрых нейтро- 1 041338 нов.In an embodiment in which the method is used in combination with photon activation analysis using bremsstrahlung, the photoneutrons produced in the bremsstrahlung conversion target act as a source of fast neutrons.

В первом варианте осуществления эталонный элемент в эталонном веществе выбирается таким образом, чтобы продукт активации, полученный в результате захвата нейтронов, представлял собой нестабильный изотоп с периодом полураспада, схожим с периодом полураспада продукта активации элемента образца. Эталонный элемент необязательно в эталонном веществе может выбираться таким образом, чтобы продукт активации, полученный в результате захвата нейтронов, представлял собой нестабильный изотоп с периодом полураспада, составляющим от 1 с до 10 мин или более предпочтительно составляющим от 3 с до 1 мин.In the first embodiment, the reference element in the reference substance is selected such that the activation product resulting from neutron capture is an unstable isotope with a half-life similar to that of the activation product of the sample element. The reference element, optionally in the reference substance, may be selected such that the activation product resulting from neutron capture is an unstable isotope with a half-life of 1 s to 10 minutes, or more preferably 3 s to 1 minute.

В первом варианте осуществления эталонный элемент в эталонном веществе предпочтительно выбирается таким образом, чтобы гамма-лучи, испускаемые нестабильным изотопом, имели энергию, которая не интерферирует с гамма-лучами, испускаемыми по меньшей мере одним элементом образца в образце вещества.In the first embodiment, the reference element in the reference substance is preferably chosen such that the gamma rays emitted by the unstable isotope have an energy that does not interfere with gamma rays emitted by at least one sample element in the substance sample.

В первом варианте осуществления эталонный элемент в эталонном веществе предпочтительно выбирается таким образом, чтобы он отличался от элементов образца в образце вещества, или, если он присутствует в образце вещества, то его концентрация была незначительной. В этом случае предпочтительно, чтобы массовая доля эталонного элемента в образце вещества составляла менее чем 2% от массовой доли эталонного элемента в эталонном образце. Более предпочтительно, чтобы массовая доля эталонного элемента, присутствующего в образце вещества, составляла менее чем 0,5% от массовой доли эталонного элемента в эталонном веществе.In the first embodiment, the reference element in the reference substance is preferably chosen such that it is different from the sample elements in the substance sample or, if present in the substance sample, its concentration is negligible. In this case, it is preferable that the mass fraction of the reference element in the substance sample is less than 2% of the mass fraction of the reference element in the reference sample. More preferably, the mass fraction of the reference element present in the sample substance is less than 0.5% of the mass fraction of the reference element in the reference substance.

В первом или втором варианте осуществления эталонный элемент в эталонном веществе выбирается таким образом, чтобы распространенность в природе изотопа-мишени, участвующего в реакции захвата тепловых нейтронов, составляла более чем 1%.In the first or second embodiment, the reference element in the reference substance is chosen such that the natural abundance of the target isotope involved in the thermal neutron capture reaction is greater than 1%.

Коэффициент R, который пропорционален потоку тепловых нейтронов, может рассчитываться подсчетом генерируемых сигналов за период времени (tm);The coefficient R, which is proportional to the thermal neutron flux, can be calculated by counting the generated signals over a period of time (tm);

определением измеренной площади пика гамма-излучения, связанного с эталонным элементом (Ny1);determining the measured area of the gamma radiation peak associated with the reference element (Ny1);

определением временного коэффициента T1, гдеby determining the time factor T1, where

расчетом коэффициента R, гдеcalculation of the coefficient R, where

где ti и tc соответственно представляют собой время измерения облучения и выдержки, использованное для проведения элементного активационного анализа.where ti and tc, respectively, are the exposure and exposure measurements used to perform the elemental activation analysis.

В любом варианте осуществления количество эталонного элемента выбирается таким образом, чтобы получить пик спектра гамма-излучения, имеющий, по меньшей мере, количество отсчетов, равное 1000, предпочтительно количество отсчетов, превышающее 4000, при режимах работы, используемых для измерения элемента образца.In any embodiment, the number of reference element is chosen to produce a gamma ray spectrum peak having at least 1000 counts, preferably greater than 4000 counts, under the modes of operation used to measure the sample element.

В одном варианте осуществления выбранный эталонный элемент представляет собой скандий. В другом варианте осуществления выбранный эталонный элемент представляет собой скандий, а выбранный элемент образца представляет собой золото или серебро.In one embodiment, the selected reference element is scandium. In another embodiment, the selected reference element is scandium and the selected sample element is gold or silver.

В любом варианте осуществления эталонное вещество может содержать второй эталонный элемент, выбранный таким образом, чтобы его осколочный изотоп, полученный в ходе реакции с пучком первичного излучения, испускаемым источником, представлял собой радиоизотоп, который испускает гаммалучи, энергия которых отличается от энергии гамма-лучей, испускаемых радиоизотопом, связанным с первым эталонным элементом.In any embodiment, the reference substance may contain a second reference element selected so that its fragment isotope, obtained in the course of reaction with the primary radiation beam emitted by the source, is a radioisotope that emits gamma rays, the energy of which differs from the energy of gamma rays, emitted by the radioisotope associated with the first reference element.

В таком варианте осуществления второй эталонный элемент предпочтительно выбирается таким образом, чтобы осколочный изотоп, связанный со вторым элементом, имел период полураспада, по существу схожий с периодом полураспада осколочного изотопа, связанного с первым эталонным элементом. Второй эталонный элемент предпочтительно выбирается таким образом, чтобы гамма-лучи, испущенные его нестабильным изотопом, имели энергию, которая не интерферирует с гамма-лучами, испущенными по меньшей мере одним элементом в образце вещества.In such an embodiment, the second reference element is preferably selected such that the fragment isotope associated with the second element has a half-life substantially similar to that of the fragment isotope associated with the first reference element. The second reference element is preferably chosen such that the gamma rays emitted by its unstable isotope have an energy that does not interfere with gamma rays emitted by at least one element in the sample of matter.

В одном конкретном варианте осуществления, в котором способ включает использование второго эталонного элемента; и испускание источником высокоэнергетического рентгеновского излучения, выбранный элемент образца представляет собой золото или серебро, выбранный эталонный элемент представляет собой скандий, второй выбранный эталонный элемент представляет собой бром, а вторая эталонная реакция представляет собой образование метасостояния ⁷⁹Br посредством неупругого рассеяния фотонов.In one particular embodiment, in which the method includes using a second reference element; and emitting a high-energy X-ray source, the selected sample element is gold or silver, the selected reference element is scandium, the second selected reference element is bromine, and the second reference reaction is the formation of the ⁷⁹ Br metastate by inelastic photon scattering.

Стадия облучения образца вещества и эталонного вещества излучением от источника быстрых нейтронов и стадия измерения облученного образца вещества и эталонного вещества продолжаются в течение заранее определенного периода времени, чтобы измерить концентрацию элемента(ов) в образце вещества с требуемой степенью точности.The step of irradiating the sample of the substance and the reference substance with radiation from the fast neutron source and the step of measuring the irradiated sample of the substance and the reference substance are continued for a predetermined period of time in order to measure the concentration of the element(s) in the sample of the substance with the required degree of accuracy.

- 2 041338- 2 041338

Предлагается устройство для определения содержания влаги в образце вещества, подвергаемом элементному активационному анализу (ЕАА), образце вещества, содержащем по меньшей мере один элемент образца, который в ходе проведения ЕАА образует продукт активации, причем устройство содержит источник быстрых нейтронов, способный облучать образец вещества и эталонное вещество для получения тепловых нейтронов в образце вещества;A device is proposed for determining the moisture content in a sample of a substance subjected to elemental activation analysis (EAA), a sample of a substance containing at least one element of the sample, which, during EAA, forms an activation product, and the device contains a source of fast neutrons capable of irradiating the sample of substance and a reference substance for obtaining thermal neutrons in a substance sample;

позиционирование эталонного вещества рядом с образцом вещества, эталонного вещества, содержащего эталонный элемент, имеющий сечение захвата тепловых нейтронов, составляющее по меньшей мере 1 барн, эталонного вещества, выбранного таким образом, что его осколочный изотоп реакции захвата тепловых нейтронов представляет собой радиоизотоп, который испускает гамма-лучи;positioning a reference substance next to a sample of a substance, a reference substance containing a reference element having a thermal neutron capture cross section of at least 1 barn, of a reference substance selected such that its fission isotope of the thermal neutron capture reaction is a radioisotope that emits gamma -rays;

детекторно-измерительную станцию, физически отделенную от источника быстрых нейтронов, детекторно-измерительную станцию, содержащую, по меньшей мере, первый детектор, способный (i) обнаруживать гамма-лучи, испущенные эталонным веществом; и (ii) генерировать характеристические сигналы от обнаруженных гамма-лучей; и процессор, соединенный с детектором и способный осуществлять расчет коэффициента R, который пропорционален потоку тепловых нейтронов, исходя из генерированных сигналов и определять содержание влаги в образце вещества из соотношения, связывающего содержание влаги с коэффициентом R.a detector/measuring station physically separated from the source of fast neutrons, a detector/measuring station comprising at least a first detector capable of (i) detecting gamma rays emitted by the reference material; and (ii) generate characteristic signals from the detected gamma rays; and a processor coupled to the detector and capable of calculating an R factor, which is proportional to the thermal neutron flux, from the generated signals and determining the moisture content of a sample of the substance from a relationship relating the moisture content to the R factor.

В варианте осуществления, в котором устройство дополнительно используется для осуществления активационного анализа быстрыми нейтронами, источник нейтронов, используемый для активации, также служит в качестве источника быстрых нейтронов для проведения измерений по их замедлению до тепловой скорости.In an embodiment in which the device is additionally used to perform a fast neutron activation analysis, the neutron source used for activation also serves as a fast neutron source for slowing down to thermal velocity measurements.

В варианте осуществления, в котором устройство дополнительно используется для осуществления фотонного активационного анализа с использованием тормозного рентгеновского излучения; фотонейтроны, полученные в конверсионной мишени для получения тормозного излучения, действуют как источник быстрых нейтронов. В таком варианте осуществления энергии фотонейтронов, образующихся посредством тормозного излучения, обычно составляют от нескольких кэВ до нескольких МэВ.In an embodiment in which the device is further used to perform photon activation analysis using bremsstrahlung X-rays; photoneutrons produced in a bremsstrahlung conversion target act as a source of fast neutrons. In such an embodiment, the energies of photoneutrons produced by bremsstrahlung typically range from a few keV to a few MeV.

Соотношение может представлять собой эмпирическое соотношение, а процессор может дополнительно определять эмпирическое соотношение, связывающее содержание влаги с коэффициентом R, путем расчета R для множества образцов вещества.The ratio may be an empirical relationship, and the processor may further determine an empirical relationship relating moisture content to R by calculating R for a plurality of material samples.

Источником быстрых нейтронов может служить испускающий нейтроны изотопный источник, генератор нейтронов с герметичной трубкой, ускоритель частиц или источник рентгеновских лучей, производящий фотонейтроны. Источником быстрых нейтронов может быть D-D генератор нейтронов, который производит нейтроны с энергией около 2,45 МэВ, или D-T генератор нейтронов, который производит нейтроны с энергией около 14 МэВ.The source of fast neutrons can be a neutron-emitting isotope source, a sealed tube neutron generator, a particle accelerator, or an X-ray source producing photoneutrons. The source of fast neutrons can be a D-D neutron generator, which produces neutrons with an energy of about 2.45 MeV, or a D-T neutron generator, which produces neutrons with an energy of about 14 MeV.

Следует понимать, что детектором или детекторами может служить любой подходящий детектор, способный различать гамма-лучи, испускаемые эталонным веществом и образцом вещества. Например, детектором может служить детектор с разрешением по энергии, например детектор CdTe или детектор HPGe.It should be understood that the detector or detectors can be any suitable detector capable of distinguishing between the gamma rays emitted by the reference substance and the sample substance. For example, the detector may be an energy-resolved detector such as a CdTe detector or an HPGe detector.

В первом варианте осуществления эталонный элемент в эталонном веществе предпочтительно выбирается таким образом, чтобы осколочный изотоп, полученный в результате захвата нейтронов, представлял собой нестабильный изотоп с периодом полураспада, схожим с периодом полураспада продукта активации элемента образца. В одном варианте осуществления осколочный изотоп, полученный в результате захвата нейтронов, представляет собой нестабильный изотоп с периодом полураспада, составляющим от 1 с до 10 мин, а более предпочтительно составляющим от 3 с до 1 мин.In the first embodiment, the reference element in the reference substance is preferably chosen such that the fragment isotope resulting from neutron capture is an unstable isotope with a half-life similar to that of the activation product of the sample element. In one embodiment, the fission isotope resulting from neutron capture is an unstable isotope with a half-life of 1 second to 10 minutes, and more preferably 3 seconds to 1 minute.

В первом варианте осуществления эталонный элемент в эталонном веществе либо отличается от элементов в образце вещества, или, если он присутствует в образце вещества, то его концентрация незначительна. В этом последнее случае массовая доля эталонного элемента в образце вещества предпочтительно составляет менее чем 2% от массовой доли эталонного элемента в эталонном веществе. Более предпочтительно, чтобы массовая доля эталонного элемента, присутствующего в образце вещества, составляла менее чем 0,5% от массовой доли эталонного элемента в эталонном веществе.In the first embodiment, the reference element in the reference substance is either different from the elements in the substance sample, or if it is present in the substance sample, then its concentration is negligible. In this latter case, the mass fraction of the reference element in the sample substance is preferably less than 2% of the mass fraction of the reference element in the reference substance. More preferably, the mass fraction of the reference element present in the sample substance is less than 0.5% of the mass fraction of the reference element in the reference substance.

В первом или втором вариантах осуществления эталонный элемент в эталонном веществе выбирается таким образом, чтобы распространенность в природе изотопа-мишени, участвующего в реакции захвата тепловых нейтронов, составляла более чем 1%. Изотопное обогащение необязательно может использоваться для увеличения распространенности изотопа-мишени выше его естественного уровня.In the first or second embodiments, the reference element in the reference substance is chosen such that the natural abundance of the target isotope involved in the thermal neutron capture reaction is greater than 1%. Isotopic enrichment can optionally be used to increase the abundance of the target isotope above its natural level.

В первом или втором варианте осуществления эталонный элемент в эталонном веществе выбирается таким образом, чтобы он не вступал в реакцию интерференции, в ходе которой продукт активации может образовываться в результате конкурирующих реакций с другими встречающимися в природе изотопами эталонного элемента.In the first or second embodiment, the reference element in the reference substance is selected such that it does not interfere with an interference reaction in which an activation product may be formed from competing reactions with other naturally occurring isotopes of the reference element.

- 3 041338- 3 041338

В большинстве, хотя и не во всех случаях, образец вещества представляет собой порошок, гранулу или суспензию. В таких случаях контейнер для образца представляет собой герметичный контейнер.In most, though not all, cases, the substance sample is a powder, granule, or suspension. In such cases, the sample container is a sealed container.

Краткое описание фигурBrief description of the figures

Для лучшего понимания изобретения ниже приводится подробное описание примерных вариантов осуществления со ссылкой на прилагаемые фигуры.For a better understanding of the invention, the following is a detailed description of exemplary embodiments with reference to the accompanying figures.

На фиг. 1 представлено схематическое изображение устройства в соответствии с вариантом осуществления изобретения.In FIG. 1 is a schematic representation of a device according to an embodiment of the invention.

На фиг. 2 представлен график, показывающий экспериментально измеренные соотношения в ходе активации скандия с бромом для тринадцати образцов минеральной руды, каждый из которых измерен при четырех различных значениях влажности.In FIG. 2 is a graph showing the experimentally measured ratios during the activation of scandium with bromine for thirteen mineral ore samples, each measured at four different moisture levels.

На фиг. 3 представлен график, показывающий результаты измерения влажности с использованием настоящего изобретения в сравнении с истинной влажностью для тринадцати минеральных образцов, каждый из которых измерен при четырех различных уровнях содержания воды.In FIG. 3 is a graph showing the results of moisture measurements using the present invention compared to true moisture for thirteen mineral samples, each measured at four different levels of water content.

Подробное описание изобретенияDetailed description of the invention

На фиг. 1 показано устройство для измерения содержания влаги в образце вещества, который представляет собой образец минерала. Устройство содержит станцию 100 облучения и детекторно-измерительную станцию 110. Станция 100 облучения содержит герметичный цилиндрический контейнер 101 для образца, способный удерживать образец вещества в порошкообразной, гранулированной или суспензионной форме, чей элементный состав и уровень влажности подлежит определению. Контейнер 101 для образца предпочтительно выполняется из пластмассы, не содержащей каких-либо интерферирующих элементов. Эталонное вещество 103 в форме диска входит в состав металлического носителя (магния), который содержит в себе эталонный элемент, чувствительный к тепловым нейтронам. Эталонный элемент содержится в носителе в подходящей форме. Если эталонный элемент представляет собой скандий, то металлический носитель может иметь эталонный элемент в виде Sc₂O₃. Эталонный диск съемно крепится к внешней поверхности контейнера 101 для образца. В проиллюстрированном варианте осуществления эталонный диск 103 располагается в углубленной части цилиндрического контейнера 101 для образца. Это предпочтительно, чтобы избежать загрязнения. Контейнер 101 для образца имеет углубление в верхней части, размеры которого достаточны для вмещения эталонного диска 103.In FIG. 1 shows a device for measuring the moisture content of a sample of a substance, which is a sample of a mineral. The device includes an irradiation station 100 and a detector and measurement station 110. The irradiation station 100 includes a sealed cylindrical sample container 101 capable of holding a sample of a substance in powder, granular or suspension form, whose elemental composition and moisture level is to be determined. The sample container 101 is preferably made of plastic material free of any interfering elements. The disk-shaped reference substance 103 is contained in a metallic carrier (magnesium) which contains the thermal neutron reference element. The reference element is contained in the carrier in a suitable form. If the reference element is scandium, then the metal carrier may have the reference element as Sc ₂ O ₃ . The reference disk is removably attached to the outer surface of the sample container 101. In the illustrated embodiment, the reference disk 103 is located in the recessed portion of the cylindrical sample container 101. This is preferred to avoid contamination. The sample container 101 has an indentation at the top that is large enough to accommodate the reference disc 103.

Станция 100 облучения дополнительно содержит источник 102 излучения, способный испускать излучение в контейнер 101 для образца, содержащий эталонное вещество и транспортировочный механизм (не показан) для загрузки и удержания контейнера 101 для образца относительно источника 102 излучения, а также удаления контейнера 101 для образца по завершении облучения. Защита от радиационного излучения (не показана) предназначена для защиты операторов и детекторно-измерительной станции во время использования источника 102 излучения.The irradiation station 100 further comprises a radiation source 102 capable of emitting radiation into a sample container 101 containing a reference substance and a transport mechanism (not shown) for loading and holding the sample container 101 relative to the radiation source 102, as well as removing the sample container 101 upon completion. irradiation. Radiation shielding (not shown) is designed to protect operators and the detector/measuring station while the radiation source 102 is in use.

Детекторно-измерительная станция 110, которая находится в стороне от источника излучения, содержит по меньшей мере один, предпочтительно два или более детекторов 111, 112 гамма-излучения, расположенных вокруг контейнера 101 для образца. Детекторы 111, 112 гамма-излучения предназначены для обнаружения излучения от образца вещества и/или эталонного вещества и для генерации характеристических сигналов от обнаруженного излучения. Каждый из детекторов 111, 112 имеет круговое поперечное сечение и соответственно располагается над и под контейнером 101 для образца, чтобы не только подсчитывать большую часть гамма-лучей, испускаемых образцом, но также повышать единство измерений элемента образца. Кроме того, для различения разных сигналов, исходящих от элемента образца и эталонного элемента(ов) исходя из их энергии, каждый из детекторов 111, 112 гамма-излучения представляет собой энергорассеивающий детектор. Детекторно-измерительная станция 110 дополнительно содержит систему 113 обработки характеристических сигналов от обнаруженного излучения с целью определения содержания влаги в образце и концентрации по меньшей мере одного элемента образца.Detector-measuring station 110, which is away from the source of radiation, contains at least one, preferably two or more detectors 111, 112 gamma radiation, located around the container 101 for the sample. The gamma detectors 111, 112 are designed to detect radiation from a sample of a substance and/or a reference substance and to generate characteristic signals from the detected radiation. Each of the detectors 111, 112 has a circular cross section and is respectively positioned above and below the sample container 101 to not only count most of the gamma rays emitted by the sample, but also improve the unity of measurement of the sample element. In addition, in order to distinguish between different signals from the sample element and the reference element(s) based on their energy, each of the gamma detectors 111, 112 is an energy scattering detector. Detector-measuring station 110 further comprises a system 113 for processing characteristic signals from the detected radiation in order to determine the moisture content in the sample and the concentration of at least one element of the sample.

Предпочтительные критерии для выбора подходящего эталонного элемента.Preferred criteria for selecting a suitable reference element.

Критерии для выбора подходящего эталонного элемента для измерения потока тепловых нейтронов следующие. Во-первых, не следует ожидать, что элемент в эталонном диске будет присутствовать в значительных концентрациях в измеряемом образце вещества; во-вторых, один или несколько изотопов в элементе эталонного диска должны иметь высокое поперечное сечение захвата тепловых нейтронов, составляющее по меньшей мере 1 барн или по меньшей мере 10^-24 см²; в-третьих, осколочный изотоп реакции захвата нейтронов должен представлять собой нестабильный изотоп с подходящим периодом полураспада, в идеале составляющем от 1 с до 10 мин, а более предпочтительно составляющем от 3 с до 1 мин; вчетвертых, нестабильный осколочный изотоп, образованный в ходе реакции захвата нейтронов, должен интенсивно испускать один или несколько гамма-лучей, а энергия гамма-излучения, испускаемая нестабильным изотопом, не должна интерферировать с гамма-излучением, испускаемым элементами, активированными в образце вещества.The criteria for selecting a suitable reference element for measuring thermal neutron flux are as follows. First, the element in the reference disk should not be expected to be present in significant concentrations in the substance being measured; second, one or more isotopes in the reference disk element must have a high thermal neutron capture cross section of at least 1 barn or at least 10 ^-24 cm ² ; thirdly, the fission isotope of the neutron capture reaction should be an unstable isotope with a suitable half-life, ideally between 1 s and 10 min, and more preferably between 3 s and 1 min; fourthly, the unstable fragment isotope formed during the neutron capture reaction must intensely emit one or more gamma rays, and the gamma radiation energy emitted by the unstable isotope must not interfere with the gamma radiation emitted by the elements activated in the substance sample.

Согласно этим требованиям часть тепловых нейтронов, образующихся в образце вещества, будет захвачена эталонным элементом в эталонном диске. Это приведет к образованию нестабильного радиоизотопа в эталонном диске со значением, пропорциональным потоку тепловых нейтронов.According to these requirements, part of the thermal neutrons produced in the sample of matter will be captured by the reference element in the reference disk. This will result in the formation of an unstable radioisotope in the reference disk with a value proportional to the thermal neutron flux.

- 4 041338- 4 041338

Сечения активации тепловых нейтронов и способность к распаду потенциальных элементов в эталонном дискеThermal Neutron Activation Cross Sections and Decay Ability of Potential Elements in a Reference Disk

Миш ень Mish en Upon орци я (%) Upon order (%) a_c(b)a _c (b) Оскол очный изото η Fragmentation isoto η 11/2 11/2 Ин те рф ере нц ия In te rf ere n ce Общее правило эмиссии гаммалучей (кэВ) General rule for gamma ray emission (keV) ¹⁷⁶Hf ¹⁷⁶ hf 5,26 5.26 26 26 ^177mHf ^177m Hf 1,09 сек. 1.09 sec. Да Yes Рентгеновское излучение + гамма-излучение до 466 X-ray + gamma radiation up to 466 ¹⁶⁶Ег ¹⁶⁶ Er 33,5 33.5 15 15 167m_Er 167m _Er 2,27 сек. 2.27 sec. Да Yes 48,2(5,37%)49,1(9,44%) 55,5(1,01%) 55,7(1,94%) 207,8(42,4%) 48.2(5.37%)49.1(9.44%) 55.5(1.01%) 55.7(1.94%) 207.8(42.4%) ¹⁸²W ^182W 26,5 26.5 20,7 20.7 i^83m\yi ^83m \y 5,20 5.20 Да Yes Рентгеновское излучение + 99,1(8,14%) 102,5(2,42%) X-ray + 99.1(8.14%) 102.5(2.42%) сек. sec. 107,9(18,9%) 160,5(5,12%) 107.9(18.9%) 160.5(5.12%) ¹⁷⁶Yb ¹⁷⁶ Yb 13,00 13.00 3 3 177_mYb 177 _yb 6,41 сек. 6.41 sec. Рентгеновское излучение + 104,5(76,5%) 227,0(12,6%) X-ray + 104.5(76.5%) 227.0(12.6%) ⁸⁰Kr ⁸⁰ kr 2,286 2.286 4,6 4.6 81m_Kr 81m _Kr 13,10 сек. 13.10 sec. 190,5 (67,7%) 190.5 (67.7%) ^Π5Ιη ^Π5 Ιη 95,71 95.71 202 202 ^U6In ^U6 In 14,10 сек. 14.10 sec. 1293,4 (1,30%) 1293.4 (1.30%) ⁷⁶Se ⁷⁶ se 9,37 9.37 21 21 ^77mSe ^77m Se 17,36 сек. 17.36 sec. Да Yes 161,9 (53,2%) 161.9 (53.2%) ¹⁷⁶Hf ¹⁷⁶ hf 27,28 27.28 50 50 179mjj£ £179mjj 18,67 сек. 18.67 sec. Да Yes Рентгеновское излучение + 160,7(2,88%) 214,3(95,3%) X-ray + 160.7(2.88%) 214.3(95.3%) ⁴⁵Sc ⁴⁵ sc 100,0 100.0 10 10 ^46mSc ^46m sc 18,75 сек. 18.75 sec. 142,5 (62,0%) 142.5 (62.0%) ¹⁰⁹ Ag ¹⁰⁹ Ag 48,16 48.16 91 91 ¹¹⁰Ag ¹¹⁰ Ag 24,56 сек. 24.56 sec. 657,5 (4,50%) 657.5 (4.50%) ¹⁰³Rh ¹⁰³ Rh 100,0 100.0 134 134 ¹⁰⁴Rh ¹⁰⁴ Rh 42,30 сек. 42.30 sec. 555,8 (2,00%) 555.8 (2.00%) ¹⁶⁴Dy ¹⁶⁴ Dy 28,26 28.26 1700 1700 165m_Dy 165m _Dy 1,26 мин 1.26 min Рентгеновское излучение + 108,2(3,01%) 515,5(1,53%) X-ray + 108.2(3.01%) 515.5(1.53%) ¹⁰⁷ Ag ¹⁰⁷ Ag 51,84 51.84 37,6 37.6 ¹⁰⁸Ag ¹⁰⁸ Ag 2,38 мин 2.38 min 633,0 (1,76%) 633.0 (1.76%) ⁵¹V ^51V 99,75 99.75 4,9 4.9 52y 52y 3,74 мин 3.74 min 1434,1 (100,0%) 1434.1 (100.0%) ¹⁰³Rh ¹⁰³ Rh 100,0 100.0 11 eleven ^104mRh ^104m Rh 4,34 мин 4.34 min 51,4(48,3%) 77,5(2,08%) 97,1(2,99%) 51.4(48.3%) 77.5(2.08%) 97.1(2.99%) ⁶⁵Cu ⁶⁵ Cu 30,85 30.85 2,17 2.17 ⁶⁶Cu ⁶⁶ Cu 5,12 мин 5.12 min 1039,2 (9,23%) 1039.2 (9.23%)

В таблице выше перечислены элементы периодической таблицы, которые имеют сечение захвата тепловых нейтронов не менее 1 барн для изотопа, имеющего распространенность в природе не менее 1 %, где реакция захвата приводит к возникновению осколочного изотопа с периодом полураспада, составляющим от 1 с до 10 мин, а указанный осколочный изотоп испускает по меньшей мере один гамма-луч с энергией выше 40 кэВ с вероятностью излучения 1% или более.The table above lists the elements of the periodic table that have a thermal neutron capture cross section of at least 1 barn for an isotope that has a natural abundance of at least 1%, where the capture reaction produces a fragment isotope with a half-life of 1 s to 10 minutes, and the specified fragment isotope emits at least one gamma ray with an energy above 40 keV with a probability of emission of 1% or more.

В столбце с названием Мишень приведен потенциальный элемент в эталонном диске и конкретный изотоп, который подвергается активации посредством захвата нейтронов. В столбце с названием Пропорция (%) показана распространенность в природе соответствующего изотопа, указанного в столбце Мишень. В столбце с названием Осколочный изотоп приведены осколочные изотопы реакции захвата нейтронов. Обратите внимание, что осколочный изотоп может находиться в основном состоянии или в метасостоянии, причем последнее обозначается надстрочным индексом m. В столбце с названием σ_c(b) показано измеренное в барнах сечение захвата тепловых нейтронов для этого изотопа, приводящее к образованию указанного осколочного изотопа. В столбце с названием t_1/2 показан период полураспада осколочного изотопа. В столбце с названием Интерференция показаны конкурирующие реакции неупругого рассеяния, которые могут также приводить к образованию осколочного изотопа. Наконец, в столбце с названием Общее правило эмиссии гамма-лучей указывается энергия и интенсивность (%) основного рентгеновского или гамма-излучения, испускаемого осколочным изотопом.The Target column lists the potential element in the reference disk and the specific isotope that is activated by neutron capture. The column titled Proportion (%) shows the natural abundance of the corresponding isotope listed in the Target column. The column labeled Fragmentation isotope lists the fragmentation isotopes of the neutron capture reaction. Note that the fragment isotope can be in the ground state or in the meta state, the latter being denoted by the superscript m. The column labeled σ _c (b) shows the thermal neutron capture cross section measured in barns for this isotope, resulting in the formation of the specified fragment isotope. The column labeled t _1/2 shows the half-life of the fragment isotope. The column labeled Interference shows competing inelastic scattering reactions that can also produce a fragment isotope. Finally, the column titled General Rule for Gamma Ray Emission indicates the energy and intensity (%) of the main X-ray or gamma radiation emitted by the fragment isotope.

Выбор наиболее подходящего эталонного элемента будет зависеть от концентраций и способности к распаду других элементов в образце вещества, которые подлежат измерению с помощью активационного анализа. В идеале эталонный элемент должен иметь период полураспада, схожий с периодом полураспада измеряемых продуктов активации, и создавать гамма-излучение с подходящей энергией, которое не интерферирует с гамма-излучением продукта активации. Кроме того, не следует ожидать, что эталонный элемент будет присутствовать в образцах, измеряемых при статистически значимых концентрациях.The selection of the most appropriate reference element will depend on the concentrations and degradability of the other elements in the sample of the substance to be measured by the activation assay. Ideally, the reference element should have a half-life similar to that of the activation products being measured, and produce gamma radiation of the appropriate energy that does not interfere with the gamma radiation of the activation product. In addition, the reference element should not be expected to be present in samples measured at statistically significant concentrations.

- 5 041338- 5 041338

Массовая доля эталонного элемента, присутствующего в образце, должна составлять менее 2% от массовой доли эталонного элемента в эталонном диске. Предпочтительно, чтобы массовая доля эталонного элемента, присутствующего в образце, должна составлять менее 0,5% от массовой доли эталонного элемента в эталонном диске.The mass fraction of the reference element present in the sample must be less than 2% of the mass fraction of the reference element in the reference disk. Preferably, the mass fraction of the reference element present in the sample should be less than 0.5% of the mass fraction of the reference element in the reference disc.

Другим фактором, влияющим на выбор эталонного элемента, является отсутствие реакций интерференции. Необходимо учитывать два типа реакций интерференции. Первый тип включает образование изотопа-мишени в эталонных элементах в ходе реакций неупругого рассеяния быстрых нейтронов или фотонов. Например, осколочный изотоп ^77mSe, образованный в результате захвата нейтрона ⁷⁶Se, также может быть образован в ходе реакций ⁷⁷Se(g,g')^77mSe или ⁷⁷Se(n,n')^77mSe с распространенным в природе ⁷⁷Se. Возникновение таких реакций исключает потенциальный эталонный элемент из дальнейшего рассмотрения, поскольку невозможно определить, образуется ли осколочный изотоп в ходе неупругого рассеяния или в ходе захвата тепловых нейтронов.Another factor influencing the choice of the reference element is the absence of interference reactions. Two types of interference reactions need to be taken into account. The first type includes the formation of a target isotope in reference elements in the course of reactions of inelastic scattering of fast neutrons or photons. For example, the fragment isotope ^77m Se, formed as a result of neutron capture ⁷⁶ Se, can also be formed during the reactions ⁷⁷ Se(g,g') ^77m Se or ⁷⁷ Se(n,n') ^77m Se with naturally occurring ⁷⁷ Se. The occurrence of such reactions excludes a potential reference element from further consideration, since it is impossible to determine whether a fragment isotope is formed during inelastic scattering or during the capture of thermal neutrons.

Второй тип реакции интерференции представляет собой образование нежелательных радиоактивных продуктов активации в ходе реакций (g,g'), (n,n'), (g,n) или (n,g) на изотопе-мишени или других распространенных в природе изотопов в эталонном элементе. Если эти реакции имеют слабую способность к распаду, то они могут отрицательно влиять на измерение требуемых продуктов распада, как у эталонного элемента, так и у элементов, анализируемых в образце. Эталонные элементы, в которых изотопмишень составляет 100% или почти 100% от естественной распространенности изотопа в природе, являются предпочтительными, чтобы исключить или минимизировать этот класс реакций интерференции.The second type of interference reaction is the formation of unwanted radioactive activation products during reactions (g,g'), (n,n'), (g,n) or (n,g) on a target isotope or other naturally occurring isotopes in reference element. If these reactions have little degradability, they can adversely affect the measurement of the desired degradation products, both for the reference element and for the elements analyzed in the sample. Reference elements in which the target isotope is 100% or nearly 100% of the isotope's natural abundance in nature are preferred to eliminate or minimize this class of interference reactions.

Для иллюстрации выбора оптимального эталонного элемента приводятся два примера. В первом примере описывается гамма-активационный анализ золота (неупругое рассеяние фотонов). В ходе реакции ¹⁹⁷Au(g,g')^197mAu получают изомерное состояние золота-197, которое имеет период полураспада 7,73 с и распадается с образованием гамма-излучения с энергией 279 кэВ. При промышленной добыче золото присутствует в низких концентрациях и поэтому важно, чтобы гамма-лучи, испускаемые эталонным элементом, имели энергию ниже 279 кэВ, чтобы избежать возможных интерференции.Two examples are given to illustrate the selection of the optimal reference element. The first example describes the gamma-activation analysis of gold (inelastic photon scattering). During the reaction ¹⁹⁷ Au(g,g') ^197m Au, the gold-197 isomeric state is obtained, which has a half-life of 7.73 s and decays to form gamma radiation with an energy of 279 keV. In industrial mining, gold is present in low concentrations and therefore it is important that the gamma rays emitted by the reference element have an energy below 279 keV to avoid possible interference.

С учетом элементов в таблице выше, имеющих период полураспада, схожий с периодом полураспада изомера золота (7,73 с), идеальным выбором в качестве эталонного элемента является скандий (Sc). Se и Hf исключены из-за наличия реакций интерференции, In и Ag производят гамма-лучи с энергией выше 279 кэВ, a Yb имеет статистически значимые реакции интерференции. Использование криптона-80 (Kr) нецелесообразно из-за низкой распространенности в природе его изотопов и сложности работы с газообразным эталонным элементом.Given the elements in the table above that have a half-life similar to that of the gold isomer (7.73 s), scandium (Sc) is an ideal choice as a reference element. Se and Hf are excluded due to the presence of interference reactions, In and Ag produce gamma rays above 279 keV, and Yb has statistically significant interference reactions. The use of krypton-80 (Kr) is impractical due to the low abundance of its isotopes in nature and the complexity of working with a gaseous reference element.

Во втором примере описывается анализ меди в ходе реакции ⁶³Cu(g,n)⁶²Cu. Медь-62 имеет период полураспада 9,67 мин и распадается с образованием гамма-лучей с энергией 511 кэВ. При промышленной добыче медь может присутствовать в значительных концентрациях и генерировать характерные признаки интенсивного гамма-излучения. В этом случае предпочтительно, чтобы эталонный диск испускал гамма-излучение с энергией выше 511 кэВ, чтобы минимизировать интерференцию с откликом меди. В этом примере предпочтительными элементами в эталонном диске являются родий (Rh) или ванадий (V).The second example describes the analysis of copper during the reaction ⁶³ Cu(g,n) ⁶² Cu. Copper-62 has a half-life of 9.67 minutes and decays to produce 511 keV gamma rays. In industrial mining, copper can be present in significant concentrations and generate the characteristic signatures of intense gamma radiation. In this case, it is preferable that the reference disc emits gamma rays above 511 keV to minimize interference with the copper response. In this example, the preferred elements in the reference disc are rhodium (Rh) or vanadium (V).

Следует понимать, что анализ других элементов в образце минерала может потребовать выбора других эталонных элементов. Например, если продукты активации элементов в измеряемом образце вещества имеют период полураспада значительно более длительный, чем продукты активации золота или меди, то необходимо будет использовать эталонный элемент со схожим периодом полураспада. Для облегчения этого выбора существуют таблицы распространенности в природе элементов, сечений захвата тепловых нейтронов, периодов полураспада и эмиссии гамма-излучения.It should be understood that the analysis of other elements in a mineral sample may require the selection of other reference elements. For example, if the activation products of elements in the substance being measured have a significantly longer half-life than the activation products of gold or copper, then a reference element with a similar half-life will need to be used. To facilitate this choice, there are tables of abundance in nature of elements, thermal neutron capture cross sections, half-lives and emission of gamma radiation.

Количество эталонного элемента, используемого в эталонном диске, выбирается таким образом, чтобы гарантировать, что сигнал гамма-излучения, измеренный в детекторе, имеет достаточную амплитуду для его измерения с хорошей статистической точностью. Предпочтительно, чтобы количество используемого эталонного элемента давало пик спектра гамма-излучения, содержащий по меньшей мере 1000 отсчетов. Более предпочтительно, чтобы пик спектра гамма-излучения от эталонного элемента содержал по меньшей мере 4000 отсчетов. Качество эталонного элемента можно определить напрямую, выполнив тест с использованием известного количества эталонного элемента, например 1 г. Поскольку площадь детектируемого пика гамма-излучения пропорциональна массе используемого эталонного элемента, то его количество можно легко скорректировать для получения пика требуемой интенсивности на основе результатов этого теста.The amount of reference element used in the reference disc is chosen to ensure that the gamma ray signal measured at the detector has sufficient amplitude to measure it with good statistical accuracy. Preferably, the amount of reference element used will give a gamma ray spectrum peak containing at least 1000 counts. More preferably, the peak of the gamma spectrum from the reference element contains at least 4000 counts. The quality of a reference element can be determined directly by performing a test using a known amount of the reference element, such as 1 g. Since the area of the detected gamma ray peak is proportional to the mass of the reference element used, the quantity can be easily adjusted to obtain the desired intensity peak based on the results of this test.

Например, в случае измерения элементов в образцах минеральной руды методом гаммаактивационного анализа с использованием ускорителя электронов мощностью 8 кВт, работающего с энергией 8,5 МэВ, подходящее количество скандия для использования в эталонном диске составляет от 1 до 3 г, что дает площадь пика в 2000-6000 отсчетов для сухого образца.For example, in the case of measuring elements in mineral ore samples by gamma-activation analysis using an 8 kW electron accelerator operating at 8.5 MeV, a suitable amount of scandium to use in a reference disk is from 1 to 3 g, which gives a peak area of 2000 -6000 counts for dry sample.

Кроме того, эталонный диск может содержать второй эталонный элемент, который вступает в реакцию с пучком первичного излучения, испускаемым источником, с образованием радиоизотопа, который испускает гамма-лучи, энергия которых отличается от энергии гамма-лучей, испускаемых первым эталонным элементом. Второй эталонный элемент следует выбирать таким образом, чтобы он имел период полураспада, схожий с периодом полураспада первого эталонного элемента, и не присутствовал в анали- 6 041338 зируемых образцах в заметной концентрации. Кроме того, второй эталонный элемент следует выбирать таким образом, чтобы его осколочный изотоп не интерферировал с элементами в измеряемом образце.In addition, the reference disk may contain a second reference element that reacts with the primary radiation beam emitted by the source to form a radioisotope that emits gamma rays whose energy is different from the energy of the gamma rays emitted by the first reference element. The second reference element should be chosen such that it has a half-life similar to that of the first reference element and is not present in appreciable concentrations in the analyzed samples. In addition, the second reference element should be chosen in such a way that its fragment isotope does not interfere with the elements in the measured sample.

Второй эталонный элемент можно использовать для отслеживания любых изменений выходной мощности источника излучения, которые в противном случае привели бы к изменениям интенсивности пика гамма-излучения, измеренной у первого эталонного элемента. Обычно коэффициент R рассчитывается как ^R = Уравнение (1) где ² представляет собой измеренную площадь пика гамма-излучения, связанного с первым или вторым эталонным элементом, аThe second reference element can be used to track any changes in the output power of the radiation source that would otherwise result in changes in the intensity of the gamma ray peak measured at the first reference element. Typically, the R factor is calculated as ^R = Equation (1) where ² is the measured area of the gamma ray peak associated with the first or second reference element, and

T1, 2 представляет собой временной коэффициент, задаваемый какT1, 2 is a time factor given as

71,2 = (¹ - ^ехР(-А,2Ю) exp(-r_1;2t_c) (1 - exp(-ri,₂t_m)) Уравнение (2) ¹1,2 где r1,₂=ln(2)/thalf1,₂ представляет собой скорость распада осколочного изотопа первого или второго эталонного элемента, a ti, tc и tm соответственно представляют собой время облучения, выдержки и измерения, использованное для проведения элементного активационного анализа.71.2 = ( ¹ - ^ex R(-A,2Yu) exp(-r _1;2 t _c ) (1 - exp(-ri, ₂ t _m )) Equation (2) ¹ 1.2 where r1, ₂ =ln(2)/thalf1, ₂ is the fission isotope decay rate of the first or second reference element, and ti, tc, and tm, respectively, are the exposure, exposure, and measurement times used to perform the elemental activation analysis.

Коэффициент R представляет собой параметр, величина которого пропорциональна потоку тепловых нейтронов вблизи образца, с поправкой на любое изменение выходной мощности источника излучения.The coefficient R is a parameter whose value is proportional to the thermal neutron flux near the sample, corrected for any change in the output power of the radiation source.

Эмпирические наблюдения показывают, что зависимость между коэффициентом R и содержанием влаги в образце ω (мас.%) выражается как = aexp(-bw) Уравнение (3) где R(0) представляет собой R, измеренное для сухого образца, а величины a и b представляют собой константы, определенные эмпирическим путем.Empirical observations show that the relationship between the R factor and the moisture content of the sample ω (wt.%) is expressed as = aexp(-bw) Equation (3) b are empirically determined constants.

Для образцов вещества аналогичного типа значение R(0) примерно постоянно. Значения R(0) и параметры a и b определяют путем измерения значений R для ряда образцов с различным составом и различным содержанием влаги.For samples of a substance of a similar type, the value of R(0) is approximately constant. The R(0) values and the a and b parameters are determined by measuring the R values for a number of samples with different compositions and different moisture contents.

Методика.Methodology.

В процессе работы определяется эталонный элемент и изготавливается эталонный диск 103, выполняемый, по меньшей мере, частично в эталонном элементе. После этого порошкообразный образец вещества загружается в контейнер для образца. Робот позиционирует контейнер 101 для образца относительно эталонного диска 103. Контейнер для образца и эталонный диск 103 затем перемещаются как одно целое к источнику 102 излучения. Источник 102 излучения приводится в действие на определенный период времени для испускания излучения в образец вещества, чтобы вызвать активацию элементов внутри образца вещества.In operation, a reference element is determined and a reference disc 103 is produced, which is at least partially embodied in the reference element. After that, the powdered sample of the substance is loaded into the sample container. The robot positions the sample container 101 relative to the reference disc 103. The sample container and reference disc 103 then move as one towards the radiation source 102. The source 102 of the radiation is activated for a certain period of time to emit radiation into the sample of matter to cause activation of elements within the sample of matter.

Если метод активации представляет собой активационный анализ быстрыми нейтронами (FNAA), то испускаемые источником высокоэнергетические нейтроны будут замедляться до тепловой скорости внутри образца вещества в тесной зависимости от содержания водорода в образце.If the activation method is Fast Neutron Activation Analysis (FNAA), then the high energy neutrons emitted by the source will be moderated to a thermal velocity within the sample of matter in close relation to the hydrogen content of the sample.

Если метод активации представляет собой гамма-активационный анализ (ГАА), также известный как фотонный активационный анализ, то быстрые нейтроны испускаются в качестве побочного продукта активации в результате взаимодействия высокоэнергетического источника фотонов с веществами, используемыми для создания источника излучения. Например, в случае если источником фотонов является источник рентгеновского излучения, использующий ускоритель электронов и тормозную конверсионную мишень, изготовленную из вольфрама, то рентгеновские лучи с энергией выше пороговой 6,7 МэВ вызовут образование нейтронов в ходе (g,n) реакций на изотопах вольфрама в мишени. Полученные таким образом нейтроны имеют энергию в диапазоне от кэВ до МэВ, и они будут замедлены до тепловой скорости в образце вещества в прямой зависимости от содержания влаги в образце.If the activation method is gamma activation analysis (GAA), also known as photon activation analysis, then fast neutrons are emitted as an activation by-product from the interaction of a high-energy photon source with the substances used to create the radiation source. For example, if the source of photons is an X-ray source using an electron accelerator and a bremsstrahlung conversion target made of tungsten, then X-rays with an energy above the threshold energy of 6.7 MeV will cause the production of neutrons during (g, n) reactions on tungsten isotopes in targets. The neutrons produced in this way have energies ranging from keV to MeV, and they will be slowed down to thermal velocity in a sample of matter in direct proportion to the moisture content of the sample.

По окончании периода облучения робот переносит контейнер 101 для образца и эталонный диск 103 в детектор и измерительную станцию 110. Предпочтительно осуществлять перенос образца автоматически с использованием, например, робота, пневматического или электрического механизма. Однако в случае сравнительно больших периодов полураспада осколочных изотопов элемента образца и эталонного элемента контейнер 101 для образца и эталонный диск 103 можно вручную перенести на детекторноизмерительную станцию.At the end of the irradiation period, the robot transfers the sample container 101 and the reference disk 103 to the detector and measuring station 110. It is preferable to carry out the sample transfer automatically using, for example, a robot, pneumatic or electric mechanism. However, in the case of relatively long half-lives of the fragment isotopes of the sample element and the reference element, the sample container 101 and the reference disk 103 can be manually transferred to the detector measuring station.

В детекторно-измерительной станции 110 первый детектор гамма-излучения 111 располагается рядом со стороной контейнера для образца, к которому прикрепляется эталонное вещество 103. Следовательно, этот первый детектор 111 сможет обнаруживать гамма-лучи, испускаемые диском 103 эталонного элемента, без прохождения сначала гамма-лучами образца вещества и тем самым ослабления.In the detection and measurement station 110, the first gamma ray detector 111 is located near the side of the sample container to which the reference substance 103 is attached. Therefore, this first detector 111 will be able to detect the gamma rays emitted from the reference element disc 103 without first passing through the gamma rays of the sample substance and thereby attenuation.

Второй детектор 112 гамма-излучения располагается на стороне контейнера для образца напротив эталонного вещества. Этот второй детектор 112 используется для повышения эффективности обнаружения гамма-излучения, испускаемого образцом вещества.The second gamma detector 112 is located on the side of the sample container opposite the reference substance. This second detector 112 is used to increase the efficiency of detecting gamma radiation emitted by a sample of matter.

- 7 041338- 7 041338

Процессор 113 используется для регистрации и подсчета сигналов гамма-излучения от детекторов.The processor 113 is used to register and count the gamma radiation signals from the detectors.

Процессор предназначен для различения энергии обнаруженных гамма-лучей, позволяя отделять сигналы от активированных элементов в образце вещества (сигналы активации) от сигналов с диска 103 эталонного элемента (сигналы эталонного диска).The processor is designed to distinguish the energy of the detected gamma rays, allowing you to separate the signals from the activated elements in the sample of the substance (activation signals) from the signals from the disk 103 of the reference element (signals of the reference disk).

Контейнер 101 для образца, содержащий образец вещества, остается в детекторно-измерительной станции до тех пор, пока не истечет достаточное количество времени для подсчета сигналов активации и сигналов с эталонного диска, которые подлежат подсчету до требуемой степени точности. Контейнер 101 для образца, содержащий образец вещества, затем может использоваться для следующего цикла активации и измерения или может извлекаться из детекторно-измерительной станции, чтобы предоставить возможность анализа нового образца.The sample container 101 containing the substance sample remains in the detector/measuring station until a sufficient amount of time has elapsed to count the activation signals and signals from the reference disk, which are to be counted to the required degree of accuracy. The sample container 101, containing the substance sample, can then be used for the next activation and measurement cycle, or can be removed from the measuring station to allow a new sample to be analyzed.

Сигнал от эталонного элемента в эталонном диске обеспечивает непосредственное измерение потока тепловых нейтронов вблизи образца вещества во время периода облучения. Этот сигнал может быть связан с содержанием водорода в образце и, следовательно, позволит определить содержание влаги в образце вещества.The signal from the reference element in the reference disc provides a direct measurement of the thermal neutron flux in the vicinity of the material sample during the irradiation period. This signal can be related to the hydrogen content of the sample and hence will allow the determination of the moisture content of the substance sample.

На фиг. 2 показаны экспериментально измеренные соотношения в ходе активации скандия с бромом для тринадцати образцов минеральной руды, каждый из которых измерен при четырех различных значениях влажности. Модель линейной регрессии может использоваться для согласования этих данных с кривой, имеющей функциональную форму уравнения (3) и для определения значений параметров a и b. Результаты калиброванного определения влажности показаны на фиг. 3. Сходимость результатов измерений влажности составляет 0,8 мас.%, а общая погрешность составляет примерно 1,5 мас.%.In FIG. 2 shows the experimentally measured ratios during the activation of scandium with bromine for thirteen mineral ore samples, each measured at four different moisture levels. A linear regression model can be used to fit this data to a curve having the functional form of equation (3) and to determine the values of the parameters a and b. The results of the calibrated moisture determination are shown in FIG. 3. The accuracy of the moisture measurement results is 0.8 wt.%, and the total error is about 1.5 wt.%.

Преимущество по меньшей мере одного варианта осуществления изобретения состоит в том, что содержание влаги в образце вещества можно определять параллельно с элементным активационным анализом (количественный анализ образца минерала с использованием активационного анализа быстрыми нейтронами или фотонного активационного анализа). Это устраняет необходимость использовать дополнительное оборудование для обнаружения и дополнительно исключает необходимость в дополнительном источнике излучения, поскольку источник излучения, который используется для проведения элементного активационного анализа, одновременно служит источником для измерения замедления нейтронов до тепловой скорости.An advantage of at least one embodiment of the invention is that the moisture content of a substance sample can be determined in parallel with elemental activation analysis (quantification of a mineral sample using fast neutron activation analysis or photon activation analysis). This eliminates the need for additional detection equipment and further eliminates the need for an additional radiation source, since the radiation source used for elemental activation analysis also serves as a source for measuring neutron moderation to thermal velocity.

Специалистам в отрасли техники, к которой относится данное изобретение, очевидно, что точность активационного анализа при низких концентрациях элементов зависит от мощности источника излучения. Однако очень мощный источник излучения способен переполнить, если не повредить, активный нейтронный детектор, который расположен вблизи от образца во время облучения (как в случае использования традиционных нейтронных влагомеров с электронным нейтронным детектором). В таких вариантах осуществления изобретения детектор может быть физически отделен и экранирован от излучения, испускаемого источником, что устраняет риск повреждения детектора.It will be apparent to those skilled in the art to which this invention relates that the accuracy of activation analysis at low element concentrations depends on the power of the radiation source. However, a very powerful radiation source can overwhelm, if not damage, an active neutron detector that is located close to the sample during irradiation (as is the case with traditional neutron moisture meters with an electronic neutron detector). In such embodiments of the invention, the detector may be physically separated and shielded from the radiation emitted by the source, which eliminates the risk of damage to the detector.

В показанном варианте осуществления контейнер 101 для образца имеет углубление в верхней части, размеры которого достаточны для вмещения эталонного диска 103. В соответствии с другим вариантом осуществления эталонный диск может выполняться в виде неглубокой детали тарельчатой формы, представляющей сбой круглое тело, имеющее стенку по периметру, а эталонное вещество обычно занимает часть круглого тела. При такой конфигурации поверхность контейнера для образца может прилегать к круглому телу, а весь контейнер для образца может удерживаться в детали тарельчатой формы, не выступая над стенкой периметра. Контейнер для образца может необязательно выступать над стенкой периметра. При любой конфигурации эталонный диск 103 и контейнер 101 для образца должны располагаться в непосредственной близости друг от друга для их одновременного облучения и измерения.In the embodiment shown, the sample container 101 has a recess in the upper part, the dimensions of which are sufficient to accommodate the reference disk 103. In accordance with another embodiment, the reference disk may be in the form of a shallow plate-shaped part, representing a round body having a wall around the perimeter, and the reference substance usually occupies part of the round body. With this configuration, the surface of the sample container can be adjacent to the round body, and the entire sample container can be held in the dish-shaped part without protruding from the perimeter wall. The sample container may optionally protrude above the perimeter wall. In either configuration, the reference disc 103 and the sample container 101 must be placed in close proximity to each other for their simultaneous exposure and measurement.

В проиллюстрированном варианте осуществления эталонный диск 103 выполняется встраиванием эталонного элемента в прочный магниевый носитель, а в альтернативных вариантах осуществления эталонный диск может выполняться полностью из эталонного элемента.In the illustrated embodiment, the reference disc 103 is made by embedding the reference element in a durable magnesium carrier, and in alternative embodiments, the reference disc may be formed entirely from the reference element.

Вышеприведенное описание относится к измерению содержания влаги в образцах минералов параллельно с гамма-активационным анализом (GAA) образца. Однако изобретение также применимо для определения содержания влаги в образцах с помощью активационного анализа быстрыми нейтронами. Активационный анализ быстрыми нейтронами дополняет гамма-активационный анализ и обеспечивает высокую чувствительность для легких элементов, которые нелегко определить с помощью GAA.The above description refers to the measurement of moisture content in mineral samples in parallel with gamma activation analysis (GAA) of the sample. However, the invention is also applicable to the determination of moisture content in samples using fast neutron activation analysis. Fast neutron activation analysis complements gamma activation analysis and provides high sensitivity for light elements that are not easily detected by GAA.

Специалистам в данной области техники очевидны возможные модификации и усовершенствования изобретения. Предполагается, что такие модификации и усовершенствования входят в объем настоящего изобретения. Например, расположение источника и контейнера для образца не ограничивается описанным вариантом осуществления. В вариантах осуществления источник может располагаться над или под контейнером для образца. В еще одном варианте осуществления источник может по существу окружать контейнер для образца. Кроме того, хотя в проиллюстрированном варианте осуществления используется пара детекторов, в альтернативных вариантах осуществления может использоваться один детектор, если он располагается на той же стороне контейнера для образца, где и эталонный диск.Those skilled in the art will recognize possible modifications and improvements to the invention. Such modifications and improvements are intended to be within the scope of the present invention. For example, the location of the source and the sample container is not limited to the described embodiment. In embodiments, the source may be located above or below the sample container. In yet another embodiment, the source may substantially surround the sample container. In addition, although a pair of detectors is used in the illustrated embodiment, in alternative embodiments, a single detector may be used if it is located on the same side of the sample container as the reference disk.

--

Claims

CLAIM

1. A method for determining the moisture content in a sample of a substance subjected to elemental activation analysis (EAA), a sample of a substance containing at least one element of the sample, which, during the EAA, forms an activation product, and the method includes positioning the reference substance next to the sample of the substance, the reference a substance containing a reference element having a thermal neutron capture cross section of at least 1 barn, a reference substance selected such that its fission isotope of the thermal neutron capture reaction is a radioisotope that emits gamma rays;

irradiating the substance sample and the reference sample from a source of fast neutrons to produce thermal neutrons in the substance sample; detecting gamma rays emitted by the reference sample and generating characteristic signals from the detected gamma rays;

application of the generated signals to determine the thermal neutron flux near the substance sample; and calculating the ratio of the generated signals and the hydrogen content of the substance sample to determine the moisture content of the substance sample.

2. The method of claim 1, further comprising selecting the reference element such that the fragment isotope produced during neutron capture has a half-life similar to that of the activation product of the sample element.

3. The method of claim 2, further comprising selecting the reference element such that the gamma rays emitted by the fragment isotope have an energy that does not interfere with the gamma rays emitted by the sample element.

4. The method according to claim 2 or 3, further comprising selecting the reference element so that (i) it differs from the sample element in the substance sample, and (ii) if present in the substance sample, its concentration in the substance sample is relatively insignificant .

5. The method according to claim 4, characterized in that the mass fraction of the reference element present in the sample of the substance is less than 2% of the mass fraction of the reference element in the reference substance.

6. The method according to claim 4, characterized in that the mass fraction of the reference element in the sample of the substance is less than 0.5% of the mass fraction of the reference element in the reference sample.

7. A method according to any one of the preceding claims, further comprising selecting a reference element such that the natural abundance of the target isotope increasing the fragment isotope is greater than 1%.

8. A method according to any one of the preceding claims, further comprising selecting the reference element such that the reference element does not undergo an interference reaction in which the fragment isotope is produced by reactions with other naturally occurring isotopes of the reference element other than thermal neutron capture. .

9. The method according to any of the preceding paragraphs, where the coefficient R, proportional to the flux of thermal neutrons, is calculated by counting the generated signals over a period of time (tm);

determining the measured gamma peak area associated with the reference element (NY1);

by determining the time factor T1, where = 1( 1 _ _e (-r^ . (. ( i _ ^T 1 and also by calculating the coefficient R, where t = V where ti and tc, respectively, represent the exposure and exposure measurement time used to conduct elemental activation analysis.

10. A method according to any one of the preceding claims, wherein the ratio between the generated signals and the hydrogen content is an empirical ratio, and characterized in that the method further comprises determining an empirical ratio for a plurality of substance samples.

11. The method of claim 9, further comprising selecting the amount of the reference element such that it produces a gamma ray spectrum peak with a count of at least 1000.

12. The method of claim 1, wherein the sample element is gold or silver and the reference element is scandium.

13. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the reference substance comprises a second reference element, and the method further comprises selecting the second reference element such that its fragment isotope reacts with the primary radiation emitted

-