Рентгенорадиометрический анализ медных руд фильтрами Росса Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

© С.А. Ефименко, B.C. Портнов, А.К. Турсунбаева, А.Д. Маусымбаева, 2012

УДК 543.422.8

С.А. Ефименко, B.C. Портнов, А.К. Турсунбаева, А.Д. Маусымбаева

РЕНТГЕНОРАДИОМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ МЕДНЫХ РУД ФИЛЬТРАМИ РОССА

Теоретический обоснована методика подбора фильтров Росса для рентгенора-диометрического анализа медно-цинковых руд Жезказганского месторождения, при этом погрешность измерения потока гамма-излучения аналитической линии меди снизилась в 8 раз по сравнению со стандартной методикой. Ключевыю слова: фильтр, проба руды, кривая Гаусса, концентрация, поверхностная плотность, плотность, импульс, флуоресценция, излучение..

Лифференциальным фильтрам Росса, несмотря на очевидные преимущества, свойственны и существенные недостатки, как — то: зависимость точности рентгенора-диометрического анализа (РРА) от стабильности усилительных свойств энергодисперсного спектрометра; концентрационное вырождение чувствительности; низкая точность РРА в области низких содержаний определяемого элемента.

Известно, что фильтры Росса балансируются на пробе руды, в которой отсутствует определяемый элемент, но представлены все остальные рудные компоненты данного месторождения. Подбором поверхностной плотности фильтров добиваются равенства замеров плотности потока рентгеновской флуоресценции в дифференциальном окне спектрометра как после поглощающего, так и после пропускающего фильтра.

Аппроксимируя форму линий вторичного спектра кривой Гаусса, это условие можно записать в виде:

= Na ; (1)

Np = N• е

оp ■■Jin

N =-

n:

(E-Ea )

•-\/2я

K M N

N' _ p p О I „-Vpmp „-V-'o mp

иp - и p KaMN~

Й a- Ц a

е y v - е

И "om,\

)'

(2)

(3)

(4)

(5)

где ^ и N — плотность потоков гамма — излучения аналитической линии определяемого элемента для пропускающего (р) и поглощающего (а) фильтров соответственно; N0 — плотность потока излучения от пробы, падающего на фильтры; Кр, Мр, Ка, Ма — коэффициенты, зависящие от геометрических условий измерений и атомных констант, соответственно для пропускающего и поглощающего фильтров; тр, та, цр, — поверхностные плотности и массовые коэффициенты ослабления для аналитических линий пропускающего и поглощающего фильтров, соответственно; цО, И — массовые коэффициенты ослабления

о

а

пропускающего и поглощающего фильтров для излучения «пустой»

пробы; а = ЯК/*.] 81п2 — параметр разброса линий приборного спектра с энергией Е; Ер , Еа, Е1 — энергии аналитических линий фильтров и анализируемого элемента.

Из условий балансировки фильтров (2) и (3) видно, что измерение плотности потока аналитической линии определяемого элемента производится на склонах пиков собственных линий фильтров, что указывает на значительную зависимость результатов анализа от стабильности рабочих характеристик аппаратуры вообще и на низких концентрациях определяемого элемента, в особенности. Для оценки этой погрешности дифференцируя уравнения (2 ) и (3) по ёЕ, предположив, что параметр разброса линий а не меняется при смещении линий (пиков) на величину ёЕ получим:

= N2

N = N ■

( - кр)

ГЕ, - К Л

■ Е .

(6)

(7)

Полагая, что для линий фильтров а = аа = а , а величина смещения линий в обоих случаях одинакова ёЕр = dEa = dE , с учетом условия (1)

получим:

^ Е - Еа 4

dN =

Е. - Е

\ • р

■ dN„

(8)

Из выражения (8) очевидно, что смещение ёИа для линии поглощающего фильтра в точке Е = Е/ в (Е/ -- Еа)/(Е/ - Ер) раз превышает смещение ёИр для линии пропускающего

фильтра в той же точке, причем абсолютное смещение пиков, как следует из (7) и (8), прямо пропорционально интенсивности данных линий, энергетическому расстоянию между линиями фильтра и определяемого элемента, величине энергетического смещения ёЕ (аппаратурной нестабильности) и обратно пропорционально величине амплитудного разрешения детектора. Для снижения влияния аппаратурной нестабильности следует увеличивать величину разрешения детектора, что неминуемо приведет к ухудшению чувствительности РРА.

Для повышения точности выделения аналитической линии анализируемого элемента на фоне аналитической линии мешающего элемента с близким (соседним), но обязательно большим, атомным номером, при низких содержаниях анализируемого элемента в пробе авторами предложена новая методика по которой анализ на медь порошковой пробы медно-цинковой руды осуществляется в следующей последовательности: производится замер флуоресцентного излучения от пробы, прошедшего через «пропускающий» никелевый фильтр (рис. 1, а); затем выполняется замер флуоресцентного излучения от пробы, прошедшего через «поглощающий» алюминиевый фильтр (Ка — линия фильтра полностью разделяется детектором с Ка — линией меди), и от мишени из никеля (рис. 1, б). По разностному спектру можно судить о содержании меди в анализируемой пробе.

При проведении работ использовалась измерительная установка РРК-103 «Поиск» с датчиком — БВД-П. Детектор — пропорциональный счетчик с ксеноновым наполнением СИ-13Р и разрешением в диапазоне энергий от 7 до 10 кэВ порядка 17 %.

2

а

Рис. 1. Принцип возбуждения и регистрации потоков излучений в модифицированном варианте дифференциальных фильтров Росса. Фазы работы фильтров: первая (А) и вторая (Б); 1 — никелевая мишень; 2 —

пропорциональный

детектор

Радионуклид — кадмий-109. Прежде, чем рассматривать технологию балансировки предлагаемой пары фильтров Росса, остановимся на некоторых аспектах балансировки «классической» пары фильтров на медь в присутствии цинка: никель (пропускающий) — кобальт (поглощающий):

1. Поверхностную плотность никелевого фильтра m (№) выбирают из условия ослабления этим фильтром потока рентгеновской флуоресценции линии ^ ^ примерно в два раза:

¿N>(N1) =

NNi = N ■ е

Cu ly Cu е

= 0,5N„

(9)

KN

излучений; 3 — входные окна детектора; 4 — алюминиевый фильтр; 5 — никелевый фильтр; 6 — проба; 7 — радионуклид кадмий-109

флуоресценции линии ZnKa мешающего элемента:

= nJNn: = NjNZn ■ ет^'> =

где NCu, NCU — плотность потока рентгеновской флуоресценции линии Cu Ka до и после никелевого фильтра; ¡N массовый коэффициент ослабления линии CuKa никелевым фильтром, равный 48,5 см2/г.

Из условия (9) находим: m(Ni) = ln2/= 0,0143 г/см2 .2. Находим степень ослабления никелевым фильтром потока рентгеновской

= е^т(№80 раз,

где Nп, NN. — плотность потока линии ZnKa до и после никелевого фильтра; ц1. - массовый коэффициент ослабления линии ZnKa в никелевом фильтре, равный 306 см2/г.

3. Находим поверхностную плотность кобальтового фильтра m при балансировке фильтров по линии AsKa, для чего добьемся равенства потоков излучения этой линии, прошедшей как через никелевый, так и через кобальтовый фильтры, то есть: Мм = мс° ;

1У Лэ ~ 1У Лэ ;

NN = NAs ■ е

NC = Nas ■ е

/AN,m(Ni)

-/C°m(Co)

(10) (11) (12)

где NAs, NN, NN — плотность потока линии AsKa до и после прохождения никелевого и кобальтового фильтров;

И А, И АО — массовые коэффициенты поглощения линии AsKa в никелевом

и кобальтовом фильтрах (равны, соответственно, 180 и 165 см2/г).

т (Со)= NN ■ т (М)/=

= 0,0156 г/см2.

4. Определим степень ослабления линии СиКа при ^ = 338 см2/г:

КСо = МСи

N

МСО Мс

-цС0т(Со)

. = е^С0т(Со)

= 195 раз.

В режиме измерений с амплитудной селекцией импульсов порядок балансировки дифференциальных фильтров аналогичен описанному выше. Разница лишь в том, что измерительный канал анализатора настраивается на максимум линии АэКа. При этом, разница замеров с фильтрами при переводе анализатора в рабочий режим (настройка на максимум фотопика линии СиКа) согласно теории должна оставаться постоянной и отличной от нуля при промере пробы, содержащей цинк. Однако из-за временной нестабильности аппаратуры это условия не выполняется, так как " полоса вырезания" анализатора скользит по склонам собственных фотопиков фильтров, которые сдвинуты относительно друг друга.

Именно это обстоятельство является основной причиной значительных погрешностей РРА в области низких содержаний определяемых элементов.

Для устранения этого обстоятельства авторами предлагается к применению:

1. другая, отличная от «классической», пара дифференциальных фильтров Росса: алюминий (пропускающий) - никель (поглощающий);

2. дополнительная никелевая мишень, устанавливаемая над вторым окном детектора СИ-13Р тогда, когда 242

под первым окном детектора находится алюминиевый фильтр (рис. 1).

Для пары фильтров «никель-алюминий» параметры балансировки, рассчитанные по методике, приведенной выше, следующие:

а) поверхностные плотности фильтров: т (М)=0,0143 г/см2, т(А1)=0,1082 г/см2;

б) коэффициенты ослабления линии ЕпКа фильтрами: никелевым-80 раз, алюминиевым (= 41,5 см2/г)

— 89 раз;

в) коэффициенты ослабления линии СиКа фильтрами: кобальтовым — 195 раз, алюминиевым (цСи = 50,7

см2/г) — 241 раз.

Таким образом, пара фильтров «никель - алюминий» имеет практически те же показатели ослабления линий СиКа и ЕпКа, что и классическая пара фильтров «никель-кобальт».

«Никелевая» мишень используется для компенсации влияния на результаты РРА фотопика собственной рентгеновской флуоресценции никелевого фильтра. С ее помощью во вторичном гамма — спектре формируется фото-пик никеля, идентичный тому, что формируется от никелевого фильтра. Источником возбуждающего излучения может быть либо рассеянное излучение основного радионуклида кадмий

— 109, либо прямое излучение от дополнительного радионуклида кадмий

— 109, установленного со стороны второго окна детектора. С помощью такого методического приема удалось изъять из спектра фотопик линии МКа от никелевого фильтра и, тем самым, значительно повысить чувствительность РРА на медь.

Для расчета поверхностной плотности никелевой мишени воспользуемся следующей схемой:

1. плотность потока рентгеновской флуоресценции никелевого фильтра Nф¡ при возбуждении фильтра рассеянным излучением радионуклида с плотностью потока N 5 определим из выражения:

Nф =

N1

КЩ

й N _ Й N

где NN, NN

дения алюминиевого фильтра и газа — наполнителя детектора определим из выражения:

К N'

N. N I N.

Мм _м:

1 _ е

, А1 А1

(13) к = Ns • е-м'т • е

-мМРг3

(14)

(15)

— массовые коэффициенты ослабления линии МКа и рассеянного излучения радионуклида в никелевом фильтре;

1. плотность потока рентгеновской флуоресценции никелевой мишени N¡1, возбуждаемой рассеянным излучением радионуклида после прохож-

где мА', МД — массовые коэффициенты ослабления рассеянного излучения радионуклида в алюминиевом фильтре и газе — наполнителе детектора; К\ и К2 — постоянные коэффициенты, зависящие от атомных констант и геометрии измерений; рг — условная плотность газа — наполнителя; ё — диаметр детектора (см);

1. поверхностную плотность никелевой мишени находим из выражения:

Nm =

1

N ц М + цШ

цА + им

• 1п

($ иМ

•

' _ц^тО

1 _■

•№.т(т

-т

цN. _ цNiKN е~иА1т[А1) • е_иДР^

цЯ цМК2УАе е

1. подставляя в (16) численные значения величин: ё = 3,5 см; р (ар-

гон)

й А ' И я ' И N1 , И S И А

= 0,001784 г/см2

равны, соответст-

2

венно: 2,95; 28,3; 59,1 и 7,52 см2/г при условии, что Nф¡ = NN¡1 и К =К2 , получим значение величины тЩц = 0,0384 г/см2 (аналогичные расчеты можно сделать для детектора с ксено-новым и криптоновым газом — наполнителем).

На рис. 2 приведены фрагменты спектров вторичного излучения проб медной руды после прохождения никелевого (а) и алюминиевого плюс никелевая мишень (б) фильтров, а также разностный спектр (в). Спектр после

(16)

алюминиевого фильтра плюс никелевая мишень представлен фотопиком линии МКа от никелевой мишени. Амплитуда пика постоянна и не зависит от концентрации меди в пробе. На этот фотопик практически не накладывается фотопик линии СиКа, целиком поглощаемой на алюминиевом фильтре. В энергетический интервал (7,75—8,35 кэВ), вырезаемый из вторичного спектра дифференциальным окном амплитудного анализатора импульсов, не попадает и приведенный на спектре фотопик линии СгКа (рис. 1, а). Следует ожидать, что в указанный интервал не попадут и линии элементов с 7 < 28.

Рис. 2. Спектры РРА проб медной руды с фильтрами Росса по предложенному способу:

1 —0,10 % Си; 2 — 1,6 % Си; 3 —3,50 % Си; 4 — СгКа

В случае использования классической пары фильтров «никель — кобальт» измерения рентгеновской флуоресценции меди производит на правых склонах фотопиков линий МКа и СоКа. При этом разновременность измерений с фильтрами является одной из причин существенных ошибок определений содержаний меди в случае, если спектры сдвигаются вследствие флуктуаций, либо напряжения питающей сети, либо коэффициента передачи усилительного тракта аппаратуры, либо чрезмерной импульсной загрузки детектора.

Оценка стабильности аналитических параметров у обеих методик

реализации РРА с помощью дифференциальных фильтров Росса, показал преимущество предложенной методики разброс параметра ДтСи =

= тт - тА1+т составил всего 1,7 % против 12,1 % в традиционной методике.

Изложенная выше методика в течении ряда лет успешно апробирована на медно-цинковых рудах Жез-казганского месторождения, причем метрологические характеристики РРА оказались значительно лучше, чем при использовании классической пары дифференциальных фильтров Росса.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бахтиаров A.B. Рентгеноспектральный флюоресцентный анализ в геологии и геохимии. Ленинград: Недра, 1985. 257 с. 53S

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Ефименко С.А. — кандидат технических наук, glavqeof@kazakhmys.kz, Корпорация «Казахмыс»,

Портнов В.С. — доктор технических наук, начальник учебно-методического центра, Турсунбаева А.К. —кандидат технических наук, доцент, директор центра маркетинга и договорных услуг,

Маусымбаева А.Д. —магистрант, aliya_maussym@mail.ru, Карагандинский государственный технический университет.