第9章 放射性同位素在選礦測(cè)試中的應(yīng)用

第九章放射性同位素在選礦測(cè)試中的應(yīng)用放射性同位素測(cè)量具有靈敏度高，可連續(xù)測(cè)量，非接觸測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用日益廣泛。首先想一下，放射性同位素在選煤和選礦測(cè)試中有哪些應(yīng)用？21.核輻射的特性α射線(xiàn)，帶正電荷的高速粒子流;β射線(xiàn)，帶負(fù)電荷的高速粒子流—電子流;γ射線(xiàn)，一種光子流，不帶電，以光速運(yùn)動(dòng)，由原子核內(nèi)放射出;X射線(xiàn)，由原子核外的內(nèi)層電子被激發(fā)而放出的電磁波能量;測(cè)量技術(shù)常用四種核輻射源：α、β、γ射線(xiàn)源和X射線(xiàn)管。輻射源的特性1．源強(qiáng)度A

它用單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生的裂變數(shù)來(lái)表示，用居里作為強(qiáng)度單位。1居里對(duì)應(yīng)于每秒鐘內(nèi)有3.700×1010個(gè)原子核衰變。每秒鐘產(chǎn)生3×1010次核衰變的放射性物質(zhì)，稱(chēng)其源強(qiáng)度A為1居里。居里的單位太大，也常用毫居或微居里來(lái)表示。2．核輻射強(qiáng)度J

單位時(shí)間內(nèi)在垂直于射線(xiàn)前進(jìn)方向的單位截面積上穿過(guò)的能量的大小，稱(chēng)為核輻射強(qiáng)度J0

一個(gè)點(diǎn)源照射在面積為S的檢測(cè)器上，其輻射強(qiáng)度J0為

r0--輻射源到檢測(cè)器之間的距離；

A--源強(qiáng)度；

C--在源強(qiáng)度為1居里時(shí)，每秒放射出的粒子數(shù)；

K--次裂變放射出的射線(xiàn)數(shù)；

S--檢測(cè)器的工作面積。如果知道粒子的能量，則輻射強(qiáng)度的計(jì)算公式為J0=A﹡C﹡E×1.6×10-13(W/m2)E--粒子的能量(MeV)2.放射性同位素測(cè)量的基本原理γ射線(xiàn)與物質(zhì)主要有光電效應(yīng)、康普敦效應(yīng)和電子偶的生成等作用。光電效應(yīng)：光子與物質(zhì)原子的軌道電子（主要是內(nèi)層電子）碰撞，把能量全部交給軌道電子，使之脫離原子，光子消失，這種作用過(guò)程稱(chēng)為光電效應(yīng)

。發(fā)生光電效應(yīng)后，原子內(nèi)層軌道形成空軌道，外層軌道電子很快填充到空軌道，從而釋放出特征X射線(xiàn)或俄歇電子。6一、γ射線(xiàn)和物質(zhì)的作用康普頓效應(yīng)：1922～1923年康普頓研究了X射線(xiàn)被較輕物質(zhì)(石墨、石蠟等)散射后光的成分，發(fā)現(xiàn)散射譜線(xiàn)中除了有波長(zhǎng)與原波長(zhǎng)相同的成分外，還有波長(zhǎng)較長(zhǎng)的成分。這種散射現(xiàn)象稱(chēng)為康普頓散射或康普頓效應(yīng)。7電子對(duì)（偶）生成：當(dāng)

光子能量>1022keV時(shí)（1022keV相當(dāng)于兩個(gè)電子的靜質(zhì)量），其中1022keV的能量在物質(zhì)原子核電場(chǎng)作用下轉(zhuǎn)化為一個(gè)正電子和一個(gè)負(fù)電子，稱(chēng)為電子對(duì)生成。余下的能量變成電子對(duì)的動(dòng)能。電子對(duì)生成的幾率大約與原子序數(shù)的平方成正比。89

射線(xiàn)在物質(zhì)中的吸收

射線(xiàn)通過(guò)物質(zhì)時(shí)，由于光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對(duì)生成而損失能量，并逐漸被物質(zhì)吸收，其強(qiáng)度將被衰減，它的強(qiáng)度隨特吸收物質(zhì)層的厚度、密度和質(zhì)量吸收系教呈指數(shù)規(guī)律衰減。N一射線(xiàn)穿過(guò)物質(zhì)后的強(qiáng)度，

N0一投射到吸收物質(zhì)上的射線(xiàn)強(qiáng)度，

μ-質(zhì)量吸收系數(shù)，

ρ一吸收物質(zhì)的密度，

d―吸收物質(zhì)層的厚度。10N0為未穿過(guò)物質(zhì)時(shí)的射線(xiàn)強(qiáng)度，它是固定的。如果穿透物的物質(zhì)組成是穩(wěn)定的，那么質(zhì)量吸收系數(shù)也是常數(shù)。而且如吸收物質(zhì)層的厚度d是固定，N與密度ρ之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，這就是用以測(cè)量密度或礦漿濃度的基本原理。如果吸收物質(zhì)的密度ρ不變，那么N與吸收物質(zhì)層的厚度d有對(duì)應(yīng)關(guān)系，核子膠帶秤就是利用這個(gè)原理測(cè)量膠帶輸送機(jī)橫斷面上的物料層厚度，通過(guò)松散系數(shù)及測(cè)速傳感器測(cè)出的帶速，經(jīng)數(shù)據(jù)運(yùn)算與處理系統(tǒng)便可得出膠帶輸送機(jī)的瞬時(shí)輸送量。

11γ射線(xiàn)與物質(zhì)相互作用時(shí)，產(chǎn)生的光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子偶的生成，質(zhì)量吸收系數(shù)是這三部分吸收系數(shù)的總和?？杀硎緸棣台D總的質(zhì)量吸收系數(shù)，τ－光電效應(yīng)吸收系數(shù)，σ－康普敦效應(yīng)吸收系數(shù)，χ－電子偶的生成吸收系數(shù)。12三種吸收系數(shù)與下列因素有關(guān)λ一γ射線(xiàn)的波長(zhǎng)，

Z一吸收物質(zhì)的原子序數(shù)，

A一吸收物質(zhì)的原子量。τ－光電效應(yīng)吸收系數(shù)，σ－康普敦效應(yīng)吸收系數(shù)，χ－電子偶的生成吸收系數(shù)。13而γ射線(xiàn)的波長(zhǎng)λ與射線(xiàn)的能量最有關(guān)不同的物質(zhì)，在不同能量的γ射線(xiàn)作用下，其總的質(zhì)量吸收系數(shù)是不同的。14不同物質(zhì)總吸收系數(shù)與射線(xiàn)能量的關(guān)系15二、射線(xiàn)的測(cè)量對(duì)γ射線(xiàn)接收測(cè)量采用氣體放電計(jì)數(shù)管、電離室、閃爍計(jì)數(shù)器。選礦中采用后兩種方法進(jìn)行分析。1.電離室電離室是由金屬外殼和中間的金屬棒所組成。它們之間相互絕緣，殼體密封，里面充滿(mǎn)高壓絕緣氣體。16電離室相當(dāng)一個(gè)電容器，其外殼和中間的金屬圓棒各為一電極。在兩電極間加一個(gè)直流高電壓，形成很強(qiáng)的電場(chǎng)。當(dāng)γ射線(xiàn)進(jìn)入電離室后與極板作用，產(chǎn)生二次電子，在二次電子的作用下使氣體分子電離，產(chǎn)生正、負(fù)離子。由于電場(chǎng)的作用它們分別朝兩電極方向運(yùn)動(dòng)。如圖所指方向。于是在外電路中形成電流I，如果進(jìn)入電離室的射線(xiàn)越多（即射線(xiàn)強(qiáng)度越大），這個(gè)電流越大。電離室將射線(xiàn)強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電流，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)射線(xiàn)的接收測(cè)量。172.閃爍計(jì)數(shù)器包括碘化鈉等閃爍晶體、光陰極和光電倍增管。將它們裝配成不透光的整體稱(chēng)為閃爍計(jì)數(shù)器。183.放射性同位素密度計(jì)一、基本原理測(cè)量礦漿或重介質(zhì)懸浮液的密度，測(cè)量精度可達(dá)±0.0005g/cm3。連續(xù)、非接觸測(cè)量，也可通過(guò)轉(zhuǎn)換來(lái)測(cè)量濃度。19一、基本原理可知密度與N之間非線(xiàn)性關(guān)系，但在短量程內(nèi)，基本線(xiàn)性，也可采取補(bǔ)償措施。吸收系數(shù)越小，靈敏度越高，選用射線(xiàn)時(shí)可選總系數(shù)系數(shù)為最小。選煤廠礦漿或重介懸浮液組成是相對(duì)穩(wěn)定的。20二、γ射線(xiàn)密度計(jì)的組成212223不必頻繁進(jìn)行標(biāo)定與調(diào)整；要使礦漿充滿(mǎn)管道，同時(shí)使礦漿平穩(wěn)流動(dòng)，不形成旋渦、無(wú)氣泡，否則造成誤差；必須注意安全防護(hù)，嚴(yán)格按有關(guān)規(guī)定采取安全措施和管理制度。目前在選煤廠使用效果很好。注意事項(xiàng)：γ射線(xiàn)灰分儀是有效的自動(dòng)檢測(cè)方法灰分儀將成熟的核子射線(xiàn)技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了煤灰分含量的在線(xiàn)測(cè)量，顯示出前所未有的快速、準(zhǔn)確、方便等特點(diǎn)。244.γ射線(xiàn)煤炭灰分測(cè)量?jī)x252627γ射線(xiàn)煤炭灰分測(cè)量?jī)x的特點(diǎn)⑴、快速可以連續(xù)測(cè)量輸送帶上物料的灰分值，能給出1分鐘、3分鐘、1小時(shí)等不同時(shí)間間隔的煤灰分值及對(duì)輸送機(jī)輸送物料重量的加權(quán)平均值。⑵、準(zhǔn)確由于采用了穿透能力很強(qiáng)的低能及中能γ射線(xiàn)及智能化的計(jì)算機(jī)軟件處理，使得整個(gè)測(cè)量過(guò)程中對(duì)煤的顆粒度、煤的水分含量、煤層厚度、煤層斷面的對(duì)稱(chēng)性等影響不大，因此保證了高準(zhǔn)確度。28⑶、方便安裝方便——只須在皮帶下安裝C型架即可；獲取數(shù)據(jù)方便——在線(xiàn)測(cè)量省去繁雜的取樣、制樣過(guò)程；數(shù)據(jù)處理方便——可生成優(yōu)秀電子報(bào)表,直接打出日?qǐng)?bào)、月報(bào)表及實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，完成工業(yè)系統(tǒng)信息的自動(dòng)管理?；谝陨咸攸c(diǎn)，煤灰分儀適用于煤礦、選煤廠、焦化廠、鋼鐵廠、電廠等企業(yè)進(jìn)行流程質(zhì)量控制及產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督，能給企業(yè)帶來(lái)明顯的經(jīng)濟(jì)效益。29γ射線(xiàn)灰分儀的原理是利用煤炭中灰分物質(zhì)的原子序數(shù)比可燃物大得多這一差別進(jìn)行測(cè)量的。光電吸收系數(shù)對(duì)原子序數(shù)最敏感。為使光電效應(yīng)吸收系數(shù)占主導(dǎo)，必須使用低能射線(xiàn)。對(duì)灰分的測(cè)量常采用散射法。γ射線(xiàn)灰分儀的原理30一、散射法低能射線(xiàn)照射到被測(cè)煤樣上，其中一部分被吸收，一部分改變方向被反射回來(lái)。由于低能射線(xiàn)光電效應(yīng)吸收系數(shù)占主導(dǎo)，所以煤的灰分越高其吸收系數(shù)越大，散射回來(lái)的射線(xiàn)強(qiáng)度越小。散射射線(xiàn)的強(qiáng)度N與煤的灰分Ad成反比。31N散射射線(xiàn)的強(qiáng)度；K為常數(shù)，儀器常數(shù)、射源強(qiáng)度、射線(xiàn)能量、探頭材料結(jié)構(gòu)有關(guān)；R射源到探測(cè)器的距離；ρ散射物質(zhì)密度；μm散射物質(zhì)質(zhì)量吸收系數(shù)。射源探測(cè)器被測(cè)煤樣32射線(xiàn)的散射強(qiáng)度N與煤樣灰分呈近似線(xiàn)性關(guān)系?；曳指?，線(xiàn)性系數(shù)減小，即靈敏度降低；測(cè)量范圍大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生非線(xiàn)性誤差。光電效應(yīng)吸收系數(shù)占主導(dǎo)。煤是由可燃燒的有機(jī)物質(zhì)和不可燃燒的物質(zhì)(即灰分)組成。有機(jī)物質(zhì)主要是由C(碳)、H(氫)、N(氮)、O(氧)4種元素組成。就相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)而言，C元素占這4種元素的絕大部分，故可近似地認(rèn)為可燃物質(zhì)的原子序數(shù)約為6，簡(jiǎn)稱(chēng)“低Z元素”；不可燃物質(zhì)主要是由Si、Al、Fe、Ca、Mg等元素形成的氧化物、硫化物、硅酸鹽、碳酸鹽、氯化物等共同組成，其原子序數(shù)可以認(rèn)為在12以上，簡(jiǎn)稱(chēng)“高Z元素”。33二、雙射源γ射線(xiàn)透射法34煤灰分就是煤在一定溫度下充分、完全灼燒后，“高Z元素”氧化物所占質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)