第9章 放射性同位素在選礦測試中的應(yīng)用

第九章放射性同位素在選礦測試中的應(yīng)用放射性同位素測量具有靈敏度高，可連續(xù)測量，非接觸測量等優(yōu)點，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試中有哪些應(yīng)用？21.核輻射的特性α射線，帶正電荷的高速粒子流;β射線，帶負電荷的高速粒子流—電子流;γ射線，一種光子流，不帶電，以光速運動，由原子核內(nèi)放射出;X射線，由原子核外的內(nèi)層電子被激發(fā)而放出的電磁波能量;測量技術(shù)常用四種核輻射源：α、β、γ射線源和X射線管。輻射源的特性1．源強度A

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

單位時間內(nèi)在垂直于射線前進方向的單位截面積上穿過的能量的大小，稱為核輻射強度J0

一個點源照射在面積為S的檢測器上，其輻射強度J0為

r0--輻射源到檢測器之間的距離；

A--源強度；

C--在源強度為1居里時，每秒放射出的粒子數(shù)；

K--次裂變放射出的射線數(shù)；

S--檢測器的工作面積。如果知道粒子的能量，則輻射強度的計算公式為J0=A﹡C﹡E×1.6×10-13(W/m2)E--粒子的能量(MeV)2.放射性同位素測量的基本原理γ射線與物質(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，這種作用過程稱為光電效應(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射線或俄歇電子。6一、γ射線和物質(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)散射譜線中除了有波長與原波長相同的成分外，還有波長較長的成分。這種散射現(xiàn)象稱為康普頓散射或康普頓效應(yīng)。7電子對（偶）生成：當(dāng)

光子能量>1022keV時（1022keV相當(dāng)于兩個電子的靜質(zhì)量），其中1022keV的能量在物質(zhì)原子核電場作用下轉(zhuǎn)化為一個正電子和一個負電子，稱為電子對生成。余下的能量變成電子對的動能。電子對生成的幾率大約與原子序數(shù)的平方成正比。89

射線在物質(zhì)中的吸收

射線通過物質(zhì)時，由于光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對生成而損失能量，并逐漸被物質(zhì)吸收，其強度將被衰減，它的強度隨特吸收物質(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一射線穿過物質(zhì)后的強度，

N0一投射到吸收物質(zhì)上的射線強度，

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為未穿過物質(zhì)時的射線強度，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之間存在對應(yīng)關(guān)系，這就是用以測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有對應(yīng)關(guān)系，核子膠帶秤就是利用這個原理測量膠帶輸送機橫斷面上的物料層厚度，通過松散系數(shù)及測速傳感器測出的帶速，經(jīng)數(shù)據(jù)運算與處理系統(tǒng)便可得出膠帶輸送機的瞬時輸送量。

11γ射線與物質(zhì)相互作用時，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。可表示為μ―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射線的波長，

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射線的波長λ與射線的能量最有關(guān)不同的物質(zhì)，在不同能量的γ射線作用下，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)與射線能量的關(guān)系15二、射線的測量對γ射線接收測量采用氣體放電計數(shù)管、電離室、閃爍計數(shù)器。選礦中采用后兩種方法進行分析。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，里面充滿高壓絕緣氣體。16電離室相當(dāng)一個電容器，其外殼和中間的金屬圓棒各為一電極。在兩電極間加一個直流高電壓，形成很強的電場。當(dāng)γ射線進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、負離子。由于電場的作用它們分別朝兩電極方向運動。如圖所指方向。于是在外電路中形成電流I，如果進入電離室的射線越多（即射線強度越大），這個電流越大。電離室將射線強度轉(zhuǎn)換為電流，從而實現(xiàn)了對射線的接收測量。172.閃爍計數(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為閃爍計數(shù)器。183.放射性同位素密度計一、基本原理測量礦漿或重介質(zhì)懸浮液的密度，測量精度可達±0.0005g/cm3。連續(xù)、非接觸測量，也可通過轉(zhuǎn)換來測量濃度。19一、基本原理可知密度與N之間非線性關(guān)系，但在短量程內(nèi)，基本線性，也可采取補償措施。吸收系數(shù)越小，靈敏度越高，選用射線時可選總系數(shù)系數(shù)為最小。選煤廠礦漿或重介懸浮液組成是相對穩(wěn)定的。20二、γ射線密度計的組成212223不必頻繁進行標定與調(diào)整；要使礦漿充滿管道，同時使礦漿平穩(wěn)流動，不形成旋渦、無氣泡，否則造成誤差；必須注意安全防護，嚴格按有關(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：γ射線灰分儀是有效的自動檢測方法灰分儀將成熟的核子射線技術(shù)及計算機技術(shù)有機地結(jié)合在一起，實現(xiàn)了煤灰分含量的在線測量，顯示出前所未有的快速、準確、方便等特點。244.γ射線煤炭灰分測量儀252627γ射線煤炭灰分測量儀的特點⑴、快速可以連續(xù)測量輸送帶上物料的灰分值，能給出1分鐘、3分鐘、1小時等不同時間間隔的煤灰分值及對輸送機輸送物料重量的加權(quán)平均值。⑵、準確由于采用了穿透能力很強的低能及中能γ射線及智能化的計算機軟件處理，使得整個測量過程中對煤的顆粒度、煤的水分含量、煤層厚度、煤層斷面的對稱性等影響不大，因此保證了高準確度。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——在線測量省去繁雜的取樣、制樣過程；數(shù)據(jù)處理方便——可生成優(yōu)秀電子報表,直接打出日報、月報表及實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，完成工業(yè)系統(tǒng)信息的自動管理?；谝陨咸攸c，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)帶來明顯的經(jīng)濟效益。29γ射線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行測量的。光電吸收系數(shù)對原子序數(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。對灰分的測量常采用散射法。γ射線灰分儀的原理30一、散射法低能射線照射到被測煤樣上，其中一部分被吸收，一部分改變方向被反射回來。由于低能射線光電效應(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，散射回來的射線強度越小。散射射線的強度N與煤的灰分Ad成反比。31N散射射線的強度；K為常數(shù)，儀器常數(shù)、射源強度、射線能量、探頭材料結(jié)構(gòu)有關(guān)；R射源到探測器的距離；ρ散射物質(zhì)密度；μm散射物質(zhì)質(zhì)量吸收系數(shù)。射源探測器被測煤樣32射線的散射強度N與煤樣灰分呈近似線性關(guān)系?；曳指?，線性系數(shù)減小，即靈敏度降低；測量范圍大時，會產(chǎn)生非線性誤差。光電效應(yīng)吸收系數(shù)占主導(dǎo)。煤是由可燃燒的有機物質(zhì)和不可燃燒的物質(zhì)(即灰分)組成。有機物質(zhì)主要是由C(碳)、H(氫)、N(氮)、O(氧)4種元素組成。就相對質(zhì)量分數(shù)而言，C元素占這4種元素的絕大部分，故可近似地認為可燃物質(zhì)的原子序數(shù)約為6，簡稱“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)可以認為在12以上，簡稱“高Z元素”。33二、雙射源γ射線透射法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)量的百分數(shù)