Исследование влияния особенностей облучения алмазосодержащего сырья на регистрацию алмаза Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОСОБЕННОСТЕЙ ОБЛУЧЕНИЯ АЛМАЗОСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ НА РЕГИСТРАЦИЮ АЛМАЗА

А.Н. Чертов

Рассматриваются особенности облучения алмазосодержащего сырья в рентгенолюминесцентных сепараторах и их влияние на процесс регистрации алмаза в потоке руды.

В отечественной технологии обогащения алмазосодержащего сырья наиболее распространенным методом извлечения алмазов является метод рентгенолюминес-центной сепарации (РЛС). Однако, несмотря на то, что за время существования метода РЛС накоплен большой опыт его практического использования, теоретические основы и закономерности проектирования отдельных систем и РЛ-сепараторов в целом до настоящего времени разработаны недостаточно, что является причиной методических ошибок при проектировании и заведомого снижения технико-эксплуатационных характеристик оборудования.

Работы по изучению закономерностей рентгенолюминесценции и ее регистрации являются основой для модернизации обогатительного оборудования и создания улучшенных его моделей, а значит, способствуют повышению экономической эффективности алмазодобывающей отрасли и имеют важнейшее народнохозяйственное значение. Поэтому они должны входить в состав приоритетных направлений отечественной науки.

Настоящая работа посвящена исследованию особенностей облучения потока материала и, в конечном итоге, параметров рентгенооптических схем (РОС) сепараторов - взаимного расположения узлов и зон облучения и обнаружения, которые определяют весь последующий алгоритм формирования признаков разделения алмазов и сопутствующих минералов.

Известно, что обнаружение алмазов в потоке руды в РЛ-сепараторах базируется на анализе следующих признаков рентгенолюминесценции:

• спектров люминесценции;

• различной прозрачности алмазов и минералов-спутников к рентгеновскому излучению;

• различной длительности свечения алмазов и сопутствующих минералов;

• амплитуде сигналов люминесценции различных компонент свечения, а также их соотношения.

Два первых разделительных признака определяются только физическими свойствами компонентов алмазосодержащей руды, тогда как степень информативности двух последних зависит, в том числе, и от параметров РОС.

В общем случае процесс анализа материала, включающий возбуждение люминесценции и регистрацию свечения, можно описать следующим образом.

В плоскости движения образцов руды в сепараторе создается зона анализа А (см. рис.), которая состоит из зон возбуждения В и регистрации Р люминесценции. Рентгеновская трубка (РТ) создает локализованную в плоскости движения руды Д зону В, ширина которой равна Фотоприемное устройство (ФПУ) регистрирует излучение Ф(1;) образцов, находящихся в зоне Р, ширина которой равна ёР. Образцы руды размером с1 движутся в плоскости Д с постоянной скоростью V.

Зона возбуждения В и регистрации Р люминесценции могут совпадать, частично совпадать либо быть разнесены в плоскости Д так, что начало зоны Р отнесено по направлению движения материала на расстояние А от конца зоны В.

РТ

ФПУ

1_|

Рис. Обобщенная рентгенооптическая схема сепаратора

Возбуждение люминесценции может производиться как непрерывным излучением Я^) = Я0, так и периодической последовательностью импульсов длительностью т и периодом следования ТИ, а регистрация излучения всегда осуществляется непрерывно.

Люминесценция минералов содержит, в общем случае, две составляющих: коротко-живущую, так называемую быструю, и долгоживущую или медленную компоненты - БК и МК. Первая разгорается практически мгновенно (через несколько мкс) вслед за возбуждением и также быстро гаснет после его окончания, вторая разгорается и гаснет в течение более длительного времени - нескольких мс. Спектр люминесценции образца руды, в общем случае, содержит несколько полос свечения, каждая из которых обладает своими БК и МК.

Помимо минералов, под действием рентгеновского излучения светиться и воздух. Воздух обладает только БК люминесценции.

Выбором ёВ, А, т, ТИ можно влиять на соотношение интенсивностей свечения различных компонент в наблюдаемом потоке излучения Ф(1;).

Рассмотрим особенности непрерывного и импульсного режимов люминесценции.

1. Непрерывный режим возбуждения

Возбуждение люминесценции образца начинается при его входе в зону В, и в это же время на выходе ФПУ появляется сигнал.

На интервале времени А^ = с1 / V изменение величины потока на входе ФПУ и сигнала 2 (¿) на его выходе определяются следующими факторами: функциями входа площади поверхности образца в зону анализа, количеством и значениями постоянных времени образца, участвующих в свечении. Полосы свечения с постоянными времени люминесценции Т << с1 / V создадут потоки Фг(0, повторяющие изменение во времени функции £(^), а полосы с постоянными времени Т1 >> с1 / V практически не разгорятся и не дадут существенного вклада в свечение Ф(0. При полном входе образца в зону анализа полосы с быстрой кинетикой разгорятся до максимального значения, а изменение во времени величины потока от полос с медленной кинетикой будет определяться зависимостью

V

У

где Фю - величина потока 1-й полосы при стационарном возбуждении.

Изменение во времени суммарного потока на входе ФПУ можно представить как

( (»Л

) = Е ФБ + Е ФММ

=к+1

1 - е

(2)

где Фщ и Ф;м - величины потоков при стационарном возбуждении полос с быстрой и медленной кинетикой; к и п - количество полос с быстрой кинетикой и общее количество полос свечения.

Выход образца из зоны анализа практически так же влияет на изменение величины потока Ф(0, как и его вход, однако потоки от полос и с быстрой, и с медленной кинетикой будут изменяться одинаково в зависимости от изменения функции выхода.

Сигнал г(1) будет повторять изменение Ф(0, однако слагаемые, входящие в (2), будут давать вклад в г(1) в зависимости от взаимного положения спектра люминесценции и спектральной чувствительности ФПУ.

Максимальная величина потока Ф(1;) равна при с1 < dВ

(

ФМАХ =Ё Фб + Ё ФМ

=к+1

1 - е

V т

Л

(3)

В случае разнесенных зон В и Р возбуждение люминесценции будет протекать так же, как и в предыдущем случае. Каждая точка образца, вышедшая из зоны В, входит в

зону Р через интервал времени 9 = Д. За это время полосы свечения с постоянной времени Т, << 0, в том числе и воздуха, практически полностью высветятся, а с постоянными времени Т, >> 0 практически не изменят своей интенсивности. Для полос с Т, >> 0 амплитуда сигнала в зоне регистрации с учетом времени Д^ входа образца в зону равна

(

Ф МР = Ф М

1 - е

V т

■ е

&+d V ■Т,

(4)

V у

Изменение сигнала во времени после его входа в зону регистрации определяется соотношением

(

Фр (()=Е Ф,

,=к+1

М

1 - е

dБ-d V ■Т,

л

Д+d V ■Т,

«0 Т

(5)

где 10 - время входа зерна в зону регистрации. Как и в предыдущем случае, сигнал г(() на выходе фотоприемника повторяет (5) с учетом спектров люминесценции полос. Разнесение зон позволяет наблюдать свечение полос только с медленной кинетикой.

Более строгое описание процессов существенно усложняет аналитический вид выражений, что затрудняет их анализ. Рассмотренный упрощенный подход и полученные зависимости полно отражают основные соотношения между параметрами люминесценции и параметрами зоны анализа.

Непрерывный режим характеризуется более высоким уровнем возбуждения люминесценции различных компонент свечения и позволяет достигнуть большей чувствительности. Однако сигнал люминесценции воздуха при совмещении зон возбуждения и наблюдения регистрируется фотоприемником как высокочастотный и постоянный, является фоновым сигналом и затрудняет или препятствует надежному обнаружению свечения алмазов, интенсивность которых сравнима или меньше люминесценции воздуха.

Т

,=1

,=1

dв-d Л \

е

е

Снижение фонового сигнала может быть достигнуто за счет сужения зоны возбуждения и/или локализации зоны регистрации.

Постоянное возбуждение и регистрация в непересекающихся полях позволяет получить различные уровни возбуждения длительного компонента путем изменения ширины полосы возбуждения, но обладает меньшей селективностью. Это связано с тем, что среди полезного продукта присутствуют алмазы с пониженной интенсивностью люминесценции и малым вкладом длительного компонента свечения. Обнаружение люминесценции таких алмазов будет затруднено или невозможно.

Вместе с тем фоновый сигнал люминесценции воздуха, который быстро затухает за пределами зоны возбуждения, в этом случае значительно меньше (при частично разнесенных зонах) или отсутствует.

2. Импульсный режим возбуждения

Импульсный режим, по сравнению с постоянным, характеризуется меньшим уровнем возбуждения компонент люминесценции с медленной кинетикой и используется только при совмещенных зонах.

При импульсном облучении зоны возбуждение люминесценции происходит только во время действия импульса рентгеновского излучения той части образца, которая в это время находится в зоне. На интервале времени (ТИ - т) происходит высвечивание возбужденных центров. В этом случае функции входа и выхода образца из зоны анализа также оказывают влияние на характеристики наблюдаемого свечения, однако при значениях тИ << с1 / V это проявляется только в амплитуде сигнала на каждом такте возбуждения.

Амплитуда потока в конце импульса на 1-м такте возбуждения после входа образца в зону равна

ФМАХ =Е Ф1Б + £(м - ФМ •(( - 1))-

/ _ г б / 1 \ - гм ¿=1 г=к+\

1 - е 1Т

(6)

где Фм ■ (( -1) - амплитуда г-ой компоненты свечения на 1-ом такте.

При наблюдении сигнала через интервал времени 0 после окончания импульса возбуждения

Фм И=! (Фм - ФМ-(I -1))-

=к+1

1 - е ^Т

Л

Т \ I Ти-т \ ( в

Т ' Тг' (7)

Сравнивая (3), (5), (6), (7) видно, что они различаются только способом формирования длительности возбуждения т и времени задержки наблюдения 0.

Импульсный режим позволяет обеспечить более высокий уровень селективности за счет возможности анализа быстрых и медленных компонент свечения и их соотношения для алмазов и сопутствующих минералов, однако характеризуется некоторым снижением чувствительности. Кроме того, при импульсном режиме и совмещенных зонах на быстрые компоненты свечения минералов накладывается быстрая составляющая свечения воздуха и вносит существенную погрешность в анализ полных сигналов люминесценции.

Таким образом, по результатам анализа особенностей формирования зоны анализа можно сделать следующие выводы.

1. Использование непрерывного режима возбуждения и метода регистрации по амплитуде сигналов люминесценции при совмещенных зонах облучения и регистрации позволяет отделять алмазы от сопутствующих минералов в основном по спектральному признаку и, теоретически, может применяться только для предварительного обогащения алмазосодержащей руды по критерию «люминесцирует - не люминесцирует». При этом чувст-

Т„-т

и

Т

вительность СР ограничивается, в том числе, и амплитудой люминесценции сигнала воздуха.

Снижение порога разделения с целью улавливания алмазов со слабой люминесценцией приводит к росту извлечения минералов-спутников и, как следствие, к значительному снижению селективности сепарации.

2. Эффективность использования непрерывного режима возбуждения и амплитудно-кинетического метода регистрации с учетом только длительности свечения, без дополнительного анализа составляющих кривой послесвечения минералов, ограничивается степенью перекрытия постоянных времени послесвечения люминесценции минералов в миллисекундном диапазоне. Поскольку существуют алмазы с аномальной кинетикой люминесценции (короткая медленная компонента послесвечения или ее отсутствие), этот метод не позволяет их обнаруживать.

Для уверенного обнаружения таких алмазов необходимо увеличивать степень перекрытия зон облучения и регистрации или, в общем случае, уменьшать промежуток между ними, что, в свою очередь, приводит к увеличению числа мешающих минералов, попадающих в концентрат вместе с алмазами, т.е. к снижению показателя сокращения. Вместе с тем влияние люминесценции воздуха на итоговый сигнал либо отсутствует (при разнесенных зонах), либо существенно меньше (при частично совмещенных зонах).

3. Эффективность использования импульсного режима возбуждения и амплитудно-кинетического метода с учетом длительности люминесценции, а также анализа соотношения различных компонент свечения позволяет увеличить эффективность регистрации. Однако в этом случае анализ материала, для увеличения чувствительности, осуществляется при совмещенных зонах облучения и обнаружения, и на итоговый сигнал и расчет соотношения компонент существенное влияние оказывает амплитуда БК люминесценции воздуха, которая может меняться в широких пределах в процессе работы.

4. Свечение воздуха является источником шума и причиной снижения чувствительности. В любом случае, независимо от режима возбуждения, для обеспечения нормальной работы усилителя тракта регистрации необходимо отделить сигнал люминесценции воздуха от сигналов люминесценции алмазов и сопутствующих минералов или скомпенсировать его. Операция отделения или компенсации составляющей сигнала люминесценции воздуха должна выполняться автоматически, так как при воздействии дестабилизирующих факторов (колебание параметров питания РТ и ФЭУ, загрязнение защитных окон фотоприемников, старение оборудования) происходит постоянное изменение во времени сигнала люминесценции воздуха, что нарушает нормальную работу тракта регистрации.

В данной статье рассмотрены основные теоретические принципы и закономерности формирования сигнала на выходе ФПУ в системах регистрации сепараторов в зависимости от выбранного режима возбуждения и параметров РОС. Несмотря на то, что на практике сигналы люминесценции алмазов и минералов-спутников подвергается большому количеству влияющих факторов, описанные модели можно использовать для приблизительных, оценочных расчетов РОС и приемно-усилительных трактов сепараторов.

Литература

1. Гомон Г. О. Алмазы. М.: Машиностроение, 1966.

2. Каган В.С., Левитин А.И., Панова С.Н., Шестакова Т.В. Спектральный способ повышения селективности рентгенолюминесцентной сепарации алмазосодержащего сырья // Цветные металлы. 1980. № 6. С. 97-99.

3. Многопараметровая система регистрации сепаратора ЛС-ОД-50 и аппаратура признаков разделения для рентгенолюминесцентного обогащения. / Отчет, тема 47-38, научный рук. к.т.н. В.И. Калинчук, ЛНПО «Буревестник», Ленинград, 1990.