RU197194U1

RU197194U1 - SCANNING DEVICE EXPRESS ANALYSIS OF CORES

Info

Publication number: RU197194U1
Application number: RU2020101560U
Authority: RU
Inventors: Тимофей Александрович Гуленко; Виктор Геннадьевич Волков; Евгений Александрович Лопатников
Priority date: 2020-01-15
Filing date: 2020-01-15
Publication date: 2020-04-10

Abstract

Использование: для рентгенофлюоресцентного экспресс-анализа кернов. Сущность полезной модели заключается в том, что сканирующее устройство для рентгенофлюоресцентного экспресс-анализа кернов снабжено компьютером с программами управления движением, визуализации и обработки полученных данных и включает опорную раму, одна из сторон которой оборудована линейным горизонтальным электроприводом, на котором установлена стойка, снабженная вертикальным линейным электроприводом с горизонтальной площадкой, на которой расположен модуль установки портативного рентгенофлюоресцентного анализатора, при этом опорная рама снабжена поддоном, выполненным из стали с толщиной стенок не менее 4 мм, а модуль установки анализатора выполнен в виде двух соосно установленных стаканов цилиндрической формы, внешний из которых неподвижно закреплен на горизонтальной площадке, а внутренний выполнен свободно перемещающимся внутри первого и снабжен винтами для крепления анализатора, а оба стакана и площадка снабжены соосно расположенными отверстиями. Технический результат: расширение ассортимента сканирующих устройств экспресс-анализа кернов. 2 ил.Usage: for x-ray fluorescence rapid analysis of cores. The essence of the utility model lies in the fact that the scanning device for X-ray fluorescence express analysis of cores is equipped with a computer with programs for controlling motion, visualization and processing of the obtained data and includes a support frame, one of the sides of which is equipped with a linear horizontal electric drive, on which a rack equipped with a vertical linear electric drive with a horizontal platform on which the installation module of a portable X-ray fluorescence analyzer is located, while The main frame is equipped with a pallet made of steel with a wall thickness of at least 4 mm, and the analyzer installation module is made in the form of two coaxially mounted cylindrical cups, the outer of which is fixedly mounted on a horizontal platform, and the inner one is freely moving inside the first one and is equipped with screws for analyzer mounts, and both glasses and the platform are equipped with coaxially located holes. Effect: expanding the range of scanning devices for rapid analysis of core samples. 2 ill.

Description

Полезная модель относится к аналитической технике быстрой оценки элементного состава и его изменения в различных типах отложений, преимущественно влажных, грунтов и других материалов, с использованием в геологии, палеоокеанографии, защите окружающей среды и других областях.The utility model relates to an analytical technique for the rapid assessment of elemental composition and its change in various types of deposits, mainly wet, soils and other materials, using in geology, paleo-oceanography, environmental protection and other areas.

В последнее время получили широкое распространение рентгенофлюоресцентные (РФА) коре-сканеры для автоматического сканирования химического состава кернов в миллиметровых или субмиллиметровых интервалах. Такое сканирование обеспечивает относительно быстрое, неразрушающее обнаружение элементных и текстурных вариаций с миллиметровым разрешением для широкого спектра материалов. Большинство таких установок предназначены для изучения кернов твердых пород или высушенных осадков, а также искусственных твердых препаратов, изготовленных из влажных осадков.Recently, X-ray fluorescence (XRF) core scanners for automatic scanning of the chemical composition of cores in millimeter or submillimeter intervals have become widespread. Such scanning provides a relatively quick, non-destructive detection of elemental and texture variations with millimeter resolution for a wide range of materials. Most of these facilities are designed to study hardwood core or dried sediment, as well as artificial solid preparations made from wet sediment.

В большинстве случаев - это дорогие автоматизированные многофункциональные коре-сканеры, в том числе и РФА-сканеры, обеспечивающие высокое разрешение, представляющие собой, стационарную хорошо экранированную конструкцию, устанавливаемую в отдельном помещении. Такие сканеры включают горизонтально расположенную систему установки образцов, перпендикулярно к ней на стойке расположенную регистрирующую часть (спектрометр) и автоматизированную систему управления и записи спектров, например, заявки CN №201335816 Y, WO 03/021244 Al, GB №217423 А.In most cases, these are expensive automated multifunctional core scanners, including RFA scanners that provide high resolution, which is a stationary, well-shielded structure that is installed in a separate room. Such scanners include a horizontally arranged sample installation system, a recording part (spectrometer) perpendicular to it on the counter, and an automated spectral control and recording system, for example, application CN No. 2013335816 Y, WO 03/021244 Al, GB No. 217423 A.

К ним относятся и РФА сканеры фирм CORTEX (Corescanner Texel) и Avaatech, которые смонтированы в закрытых боксах и предназначены для непрерывного сканирования в том числе и морских отложений. Сканер CORTEX выполнен с возможностью движения керна, расположенного в лотке, по регулируемым направляющим вдоль измерительной (регистрирующей) системы, которая остается неподвижной. В приборе Avaatech (http://www.avaatech.com/) лоток с керном остается неподвижным, а измерительная система перемещается вдоль керна, уменьшая тем самым общий размер прибора.These include XRD scanners from CORTEX (Corescanner Texel) and Avaatech, which are mounted in enclosed boxes and designed for continuous scanning, including marine sediments. The CORTEX scanner is made with the possibility of core movement located in the tray along adjustable guides along the measuring (recording) system, which remains stationary. In the Avaatech instrument (http://www.avaatech.com/), the core tray remains stationary, and the measuring system moves along the core, thereby reducing the overall size of the instrument.

Как правило, подготовка влажного керна включает как можно более тщательное выравнивание поверхности для удаления неровностей, связанных с разрезанием керна. Впоследствии поверхность покрывается тонкой (4 мкм) сверхлегкой пленкой, дополнительно уменьшающей шероховатость поверхности и предотвращающей загрязнение датчика анализатора во время сканирования. В зависимости от используемого датчика пленку при измерениях могут заменить на майларовую. Обе системы содержат датчики контроля опускания анализатора на поверхность образца (Influence of the water content on X-ray fluorescence core-scanning measurements in soft marine sediments /Rik Tjallingii, Ursula

Martin

Torsten Bickert / https://doi.org/10.1029/2006GC001393).As a rule, preparation of wet core involves the most careful leveling of the surface to remove irregularities associated with cutting the core. Subsequently, the surface is covered with a thin (4 μm) ultralight film, which further reduces the surface roughness and prevents contamination of the analyzer sensor during scanning. Depending on the sensor used, the film can be replaced with mylar film during measurements. Both systems contain sensors controlling the lowering of the analyzer to the sample surface (Influence of the water content on X-ray fluorescence core-scanning measurements in soft marine sediments / Rik Tjallingii, Ursula

Martin

Torsten Bickert / https://doi.org/10.1029/2006GC001393).

Известен коре-сканер ITRAX XRF - автономный прибор рентгенофлюоресцентного анализа, в котором регистрирующая часть неподвижна, а образец перемещается под нее. В кернах, где поверхность образца осела, приходится ее механически поднимать до измеренного расстояния детектора (Ludvig Lowemark и др. «Practical guidelines and recent advances in the Itrax XRF core-scanning procedure)) Quaternary International v. 514, 30 April 2019, p. 16-29).The well-known ITRAX XRF core scanner is an autonomous X-ray fluorescence analysis device in which the recording part is stationary and the sample moves under it. In cores where the sample surface has settled, it is necessary to mechanically raise it to the measured detector distance (Ludvig Lowemark et al. “Practical guidelines and recent advances in the Itrax XRF core-scanning procedure)) Quaternary International v. 514, 30 April 2019, p. 16-29).

В качестве мобильных устройств известны ручные анализаторы РФА химического состава металлов, руды, почвы, оснащенные источником излучения и детектором в одном устройстве, например, модель DELTA Professional. Анализатор содержит выступающую (измерительную) часть для его позиционирования на объекте измерения и ручку для удержания. Подобные устройства способны с оптимальной скоростью производить рентгенофлюоресцентный анализ, имеют широкий диапазон определяемых элементов и обладают высоким пределом обнаружения (http://energydevelopment.ru/catalog/analizator-metallov-portativniy/olympus-delta-professional). Однако, вследствие характера поверхности кернов (неоднородности образцов и шероховатости поверхности), результаты являются полуколичественными, но в то же время обеспечивают надежные записи об относительной изменчивости уровня элементного состава и использование данных для определения геохимии в реальном времени.As mobile devices, handheld RFA analyzers of the chemical composition of metals, ore, and soil are known, equipped with a radiation source and detector in one device, for example, the DELTA Professional model. The analyzer contains a protruding (measuring) part for its positioning on the measuring object and a handle for holding. Such devices are able to perform X-ray fluorescence analysis with optimal speed, have a wide range of detectable elements and have a high detection limit (http://energydevelopment.ru/catalog/analizator-metallov-portativniy/olympus-delta-professional). However, due to the nature of the core surface (sample heterogeneity and surface roughness), the results are semi-quantitative, but at the same time they provide reliable records of the relative variability of the level of elemental composition and the use of data to determine geochemistry in real time.

На базе ручных анализаторов разработаны ряд мобильных устройств для рентгенофлюоресцентного анализа. Известно, например, мобильное устройство для рентгенофлуоресцентного анализа, выполненное в виде отдельного переносного бокса, в котором используют съемный ручной РФА анализатор (п. РФ №2680864 С1).Based on hand-held analyzers, a number of mobile devices for X-ray fluorescence analysis have been developed. It is known, for example, a mobile device for X-ray fluorescence analysis, made in the form of a separate portable box, which uses a removable manual RFA analyzer (p. RF No. 2680864 C1).

В качестве наиболее близкого к заявляемому нами рассматривается автоматизированный комплекс GeRDA-3 (фирма MEFFA) для проведения геохимических исследований (https://meffalab.com/ru/gerda-3/). Комплекс включает в себя координатный стол с ЧПУ, USB - фотокамеру высокого разрешения, РФА - анализатор Olympus Vanta и компьютер с программами управления, визуализации и обработки полученных данных. В качестве несущего элемента координатного стола использована опорная рама, обеспечивающая жесткость всей конструкции и снабженная рельсовыми направляющими, по которым передвигается рабочая часть в виде вертикально установленной на поперечной балке стойки с расположенном на ней модуле крепления ручного РФА-анализатора. Рама оборудована поддоном для размещения образцов. В данном комплексе портативный анализатор жестко закреплен в подвижном модуле и его движение в горизонтальном и вертикальном направлениях при изменении топографии поверхности образца регулируется программно либо оператором в ручном режиме. Однако, его использование вызывает трудности при непрерывном анализе морских кернов, имеющих мягкую с повышенным содержанием воды структуру, в том числе связанную с необходимостью постоянного присутствия оператора.As the closest to the claimed one, we consider the automated complex GeRDA-3 (MEFFA) for geochemical studies (https://meffalab.com/ru/gerda-3/). The complex includes a coordinate table with CNC, a USB camera with high resolution, an XRF analyzer Olympus Vanta and a computer with programs for managing, visualizing and processing the received data. A supporting frame was used as the bearing element of the coordinate table, which ensures rigidity of the entire structure and is equipped with rail guides along which the working part moves in the form of a rack vertically mounted on the transverse beam with the mounting module for the manual RFA analyzer. The frame is equipped with a pallet for placing samples. In this complex, the portable analyzer is rigidly fixed in the movable module and its movement in the horizontal and vertical directions when changing the topography of the sample surface is controlled programmatically or by the operator in manual mode. However, its use causes difficulties in the continuous analysis of sea cores, which have a soft structure with a high water content, including the need for the constant presence of an operator.

Трещины, выемки или разрывы на поверхности керна вызывают множество проблем, особенно при записи, при которой измерения записываются непрерывно и хранятся в виде данных в средних точках каждого шага, и эти проблемы нельзя предотвратить, выбирая размер шага. Подъем и опускание анализатора РФА через заданные промежутки времени при отсутствии корректировки может привести к потере данных. Один из способов обойти это - нанесение тонкой съемной ленты из политетрафторэтилена во время начального топографического сканирования поверхности с использованием лазерного дальномера. После завершения такого сканирования лента удаляется, и тогда анализатор будет проходить через трещины во время измерительного сканирования без какой-либо регулировки по высоте со стороны оператора. Однако это дополнительное время и сложная последующая обработка спектров.Cracks, grooves, or gaps on the core surface cause many problems, especially when recording, in which measurements are recorded continuously and stored as data at the midpoints of each step, and these problems cannot be prevented by choosing the step size. Raising and lowering the RFA analyzer at predetermined time intervals in the absence of adjustment may result in data loss. One way around this is to apply a thin removable PTFE tape during the initial topographic scan of the surface using a laser range finder. After completing such a scan, the tape is removed, and then the analyzer will pass through the cracks during the measurement scan without any height adjustment by the operator. However, this is additional time and complicated subsequent processing of the spectra.

Проблема решаемая заявляемой полезной моделью состоит в расширении ассортимента сканирующих устройств экспресс-анализа кернов за счет разработки мобильного сканирующего устройства рентгенофлюоресцентного анализа кернов, обеспечивающего его эксплуатацию в качестве настольного инструмента и непрерывное сканирование образцов кернов в миллиметровых интервалах с высоким разрешением.The problem solved by the claimed utility model consists in expanding the range of scanning devices for rapid analysis of cores by developing a mobile scanning device for X-ray fluorescence analysis of cores, which ensures its operation as a desktop tool and continuous scanning of core samples in millimeter intervals with high resolution.

Поставленная проблема с достижением данного технического результата решается мобильным сканирующим устройством для рентгенофлюоресцентного экспресс-анализа кернов, снабженным компьютером с программами управления движением и обработки полученных данных, и включающим опорную раму, одна из сторон которой оборудована линейным горизонтальным электроприводом, на котором установлена стойка, снабженная вертикальным линейным электроприводом с горизонтальной площадкой, на которой расположен модуль установки портативного рентгенофлюоресцентного анализатора, при этом опорная рама снабжена поддоном, выполненным из стали с толщиной стенок не менее 4 мм, а модуль установки портативного рентгенофлюоресцентного анализатора выполнен в виде двух соосно установленных стаканов цилиндрической формы, внешний из которых неподвижно закреплен на горизонтальной площадке, а внутренний выполнен свободно перемещающимся внутри первого и снабжен винтами для крепления анализатора, а оба стакана и площадка снабжены соосно расположенными отверстиями.The stated problem with the achievement of this technical result is solved by a mobile scanning device for X-ray fluorescence express analysis of cores equipped with a computer with programs for controlling motion and processing the received data, and including a support frame, one of the sides of which is equipped with a linear horizontal electric drive, on which a rack equipped with a vertical linear electric drive with a horizontal platform on which the portable X-ray fluorescence installation module is located a central analyzer, while the supporting frame is equipped with a pallet made of steel with a wall thickness of at least 4 mm, and the installation module of the portable X-ray fluorescence analyzer is made in the form of two coaxially mounted cylindrical glasses, the outer of which is fixedly mounted on a horizontal platform, and the inside is made freely moving inside the first and equipped with screws for mounting the analyzer, and both glasses and the platform are equipped with coaxially located holes.

Предложенное выполнение модуля установки портативного анализатора, конструкция которого позволяет в случае изменения микротопографии поверхности образца, что часто происходит с мягкими влажными образцами, корректировать положение анализатора автоматически за счет возможности свободного вертикального перемещения внутреннего стакана модуля, обеспечивая постоянное соприкосновение регистрирующего окна анализатора с поверхностью образца, что в свою очередь приводит к повышению точности количественного и качественного анализа с меньшими затратами человеческого участия и затратами времени при непрерывных сериях измерений, особенно в мягких образцах.The proposed implementation of the installation module of a portable analyzer, the design of which allows, in case of microtopography of the surface of the sample, which often happens with soft wet samples, to adjust the position of the analyzer automatically due to the possibility of free vertical movement of the inner glass of the module, ensuring constant contact between the recording window of the analyzer and the surface of the sample, which in turn leads to an increase in the accuracy of quantitative and qualitative analysis with the lower cost of human participation and time in a continuous series of measurements, especially in soft samples.

Опорная рама обеспечивает жесткость и устойчивость устройства. Материал ее изготовления определяется исходя из специфики эксплуатации. Это прежде всего ее долговечность и антикоррозийность, в том числе и от попадания морской воды из кернов морских донных отложений, например, из стойкой к солям нержавеющей стали AISI 316. Поддон для керна, так же, как и опорная рама, выполняют из нержавеющей стали, а для обеспечения безопасности оператора от рассеянного рентгеновского излучения, толщина стенок поддона устанавливается не менее 4 мм. Сам поддон размещают и фиксируют на опорной раме.The support frame provides rigidity and stability to the device. The material of its manufacture is determined based on the specifics of operation. First of all, it is its durability and anticorrosion, including from the ingress of sea water from cores of sea bottom sediments, for example, from salt-resistant AISI 316 stainless steel. The core tray, like the support frame, is made of stainless steel, and to ensure operator safety from scattered x-ray radiation, the thickness of the walls of the pallet is set at least 4 mm. The pallet itself is placed and fixed on the support frame.

В качестве регистрирующего устройства используют портативный РФА анализатор, соответствующей конструкции и поставленным целям исследования, например, Olympus VANTA, лазерный спектрометр Z-200 или -300 series SciAps. Анализатор, также как и приводы, подключен к управляющему компьютеру (далее на Фиг. 1 не показан).As a recording device, a portable XRF analyzer is used that is appropriate for the design and set research objectives, for example, Olympus VANTA, Z-200 laser spectrometer or -300 series SciAps. The analyzer, as well as the drives, is connected to the control computer (not shown in Fig. 1 below).

На Фиг. 1 схематично изображен заявляемое устройство, где 1 - опорная рама, 2 - поддон, 3 - вертикальная стойка, 4 - модуль установки регистрирующего устройства, 5 - горизонтальная площадка, 6 - линейный горизонтальный электропривод, 7 - линейный вертикальный электропривод для перемещения площадки (5).In FIG. 1 schematically shows the inventive device, where 1 is the supporting frame, 2 is the pallet, 3 is the vertical rack, 4 is the installation module of the recording device, 5 is the horizontal platform, 6 is the linear horizontal electric drive, 7 is the linear vertical electric drive for moving the platform (5) .

На фиг. 2 изображен модуль (4) установки портативного анализатора, где 8 - внешний стакан, 9 - внутренний стакан, 10 - отверстие для регистрирующего окна анализатора.In FIG. 2 shows the module (4) for installing a portable analyzer, where 8 is the outer cup, 9 is the inner cup, 10 is the hole for the analyzer's recording window.

Устройство включает опорную прямоугольную раму (1) и установленный на ней поддон (2), который может быть выполнен с возможностью перемещения в горизонтальной плоскости рамы, например, по специальным пазам или рельсам. На горизонтальном приводе (6), установлена стойка (3) с приводом (7), обеспечивающим вертикальное перемещение площадки (5), на которой жестко зафиксирован модуль (4) установки регистрирующего анализатора РФА, в виде стакана (8), в котором установлен свободно перемещающийся вертикально внутренний стакан (9).The device includes a supporting rectangular frame (1) and a pallet (2) mounted on it, which can be made with the possibility of movement in the horizontal plane of the frame, for example, along special grooves or rails. On a horizontal drive (6), a stand (3) is installed with a drive (7) that provides vertical movement of the platform (5), on which the module (4) of the installation of the RFA recording analyzer is rigidly fixed, in the form of a glass (8), in which it is freely installed vertically moving inner glass (9).

Управление движением подвижных частей устройства (горизонтальным перемещением стойки и вертикальным - площадки) осуществляется компьютером (на фиг. не приведен), содержащим также управляющую программу визуализации и обработки полученных с анализатора данных.The movement of the moving parts of the device (horizontal movement of the rack and vertical - the platform) is controlled by a computer (not shown in Fig.), Which also contains a control program for visualizing and processing data received from the analyzer.

Заявляемая сканирующая установка прошла успешную апробацию на исследовательских судах и в лабораторных условиях.The inventive scanning installation has been successfully tested on research vessels and in laboratory conditions.

Была изготовлена установка на базе портативного анализатора DELTA Professional mod:2000. Опорная рама и поддон выполнены из нержавеющей стали под размер керна длиной 1300 мм. Модуль установки анализатора выполнен в виде двух цилиндрических стаканов диаметров 130 и 120 мм.An installation was made on the basis of the portable analyzer DELTA Professional mod: 2000. The supporting frame and the pallet are made of stainless steel for a core size of 1300 mm. The analyzer installation module is made in the form of two cylindrical glasses of diameters 130 and 120 mm.

В качестве образцов использовали отобранные гравитационным пробоотборником керны с относительной влажностью от 20 до 80%, поверхность которых покрывали тонкой майларовой пленкой, прозрачной для рентгеновских лучей. Поскольку во время измерения анализатор устройства вступает в контакт с поверхностью керна, пленка предотвращает загрязнение окна анализатора. В качестве линейных приводов использовали приводы, подходящие для наших измерений: под нагрузку перемещения РФА анализатора (весом 4 кг) и длинны кернов до 1300 мм. В модуль (4) устанавливают анализатор РФА, фиксируют его во внутреннем стакане (9) и перемещают модуль в начало измерений. На управляющем компьютере устанавливают начальные координаты и дискретность измерения, время измерения, в заданной точке, задается анализатором. При шаге измерения 3 мм для сканирования метрового керна требуется 5 часов.Cores with a relative humidity of 20 to 80%, the surface of which was covered with a thin Mylar film transparent to x-rays, were used as samples. Since during the measurement the analyzer of the device comes into contact with the core surface, the film prevents contamination of the analyzer window. As linear drives, we used drives suitable for our measurements: under the load of moving the X-ray analyzer (weighing 4 kg) and core lengths up to 1300 mm. An RFA analyzer is installed in module (4), fixed in the inner beaker (9), and the module is moved to the beginning of measurements. On the control computer, the initial coordinates and the resolution of the measurement are set, the measurement time, at a given point, is set by the analyzer. With a measurement step of 3 mm, it takes 5 hours to scan a meter core.

Claims

Scanning device for X-ray fluorescence express analysis of cores, equipped with a computer with programs for motion control, visualization and processing of the obtained data, and including a support frame, one of the sides of which is equipped with a linear horizontal electric drive, on which a rack equipped with a vertical linear electric drive with a horizontal platform is mounted on which contains the installation module of the portable X-ray fluorescence analyzer, while the supporting frame is equipped with a pallet made h steel with a wall thickness of at least 4 mm, and the analyzer installation module is made in the form of two coaxially mounted cylindrical cups, the outer of which is fixedly mounted on a horizontal platform, and the inner one is freely moving inside the first and is equipped with screws for mounting the analyzer, and both cups and the platform is provided with coaxially arranged holes.