автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.10, диссертация на тему:Разработка и исследование аппаратуры для измерения резонансного гамма-излучения и ее использование при анализе оловосодержащих руд

9 Я

ПОТИ0-ПР0113В0ДСТШПЮЕ 0Б-1даШ513 "ВСЕСОЮЗНЫ;! ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНЛШШ ИАУЧ1Ю-ПОСЛЕДОВМКГБСКИН ИНСТИТУТ -МЗШЮ-ПШЕИЕСКИХ И РАДОПЗЖШЕСКИХ ШП5РШ1Л"

На правах рукописи

ГАРЗАН0Б Игорь Яковлевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАВ® АППАРАТУРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РЕЗОНАНСНОГО ГАт-413ЛЯЕШ И ЕВ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИ АНАЛИЗЕ ОЛОШСОДЕРЕАНЖ РУД

05.11.10 - Пркборч длл измерения ионизирующих излучений л рентгеновские прибора

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ыОСКВП -

1000

Работа выполнена во Всесоюзной ордена Трудового Красного Знамена научно-исследовательском институте физико-твхшгтескях и радиотехнических измерений.

Научные руководители:

доктор физико-математических наук,

профессор

Макаров Е.Ф.

доктор фаэико-штештнческвх наук, старший научный сотруднак

Лабутшш В.Г. ■

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Варварица В.П.

кандидат технических наук Соколов А.Д.

Ведущая организация - кафедра ядерной физики Белорусского ордена Трудового Красного Знаиэни государственного университета

Заидаа состоится " \Ц " ИО^БРА 1990 г. в 11 часов на заседании специализированного совета К.041.02.02 при НПО "БНИКФГРИ".

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим

141570 л/о Меяделеево Солнечногорского района Московской обл.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НПО "ВНЙМГРИ11.

Автореферат разослан " 9 "ОКТЯБРЯ 1990 г.

Ученый секретарь специализированного совета К.041.02.02

доктор технических наук,

имена В.И. Ленина.

присылать по адресу:

профессор

ОБДАЛ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теуц. Среди различных типов электромагнитного и корпускулярного иояизируидего излучения Мессбауэровскоз азлуче-нив (;.Я) занимает особое место, благодаря сзоой исключительно высокой монохроматичности. Являясь специ^ичосюш ядерным гамма-из-. лучением в рентгеновском дяапазопо энергий мэхет квел: уникальную информацию о составе и свойствах исследуемого объекта, только после его взаимодействия с ним. Например» регистрируя прсаздзгао или рассеянное Ш к измеряя такие его основою параметры как интенсивность, форма и положено резонансной составляющей в энергетическом спектра и исследуя.зависимость их о? различных злгмю-щих факторов, можно проводить как научные исследования в различных областях физика, sc.iiта, биологии и т.д., так и получать количественные оценки фазового состава исследуепого объекта, продставякодие большой интерес в области технических приложений.

.Измерение интенсивности резонансной составляющей '¿И, сирина энергетического распределения которой составляет всего 10"® зВ, происходит, как правило, на большом нерезонансном "фоне", что да-лает неэффективным использование аппаратуры с обычными традиционными сцянтилляцаонннми, газовнш и полупроводниковыми детекторам. Недостаткам этих детекторов является то, что они с одинаковой э^ь-фективностью регистрируют резонансную и нерозоианснуп компоненту, что приводит к большим погрешностям при измерении указанных вша параметров.

Для уменьшения влияния фона на процесс измерения наиболее перспективным является применение резонансных детекторов, обладающих селективной эффективность» регистрации к резонансному ^ -излучению. В настоящее время для измерения параметров резонансного ¡[ -излучения имеется ограниченный парк приборов. Поэтому разработка новых резонансных блоков детектирования и приборов на их основе является актуальной задачей. Актуальность ее возрастает при решении технических задач, имеюкдх важное народнохозяйственное значение,' Одной из таких задач является задача экспрессного измерения концентрации касситерита - единственного из 50 минералов, содержания олово, имевшего промышленное значение. Эта задача возникает в оловодобывающей промышленности на многих этапах

получения олова, начиная с поиска и кончая этапом технологической переработки оловосодержащих руд» Наиболее эффективно она может быть решена именно с помощью Ш, т.к. олово является мессбеуэров-скнм элементом, а касситерит представляет пз себя по химическому составу соединенна £п02, в котором ¡эффект Мессбауэра проявляется достаточно ярко даже при комнатной температура.

Обладая уникальной возможностью фазового анализа, ыессбауэров-ский метод и приборы, разработанные на его основе, позволяют получать необходимую информацию о количественном содержания в рудах непосредственно каоситерита, в то время как другие ядерно-физические методы дают информация только о самом элементе олово.

Цельюдкрсертапконной -работы является разработка, исследование к внедрение в измерительную практику нового прибора для измерения интенсивности резонансного гамма-излучения на основе резонансного детектора (резонансной ионизационной камеры) для решения одной из наиболее важных прикладных задач по экспрессному анализу состава оловосодержащих руд.

Для достижения этой цели было необходимо решить следующие задачи:

1. Из анализа интенсивноотей всех компонент рассеянного от исследуемой пробы первичного Мессбаузровского излучения, показать возможность расширения аналитических способностей Мессбауэровского метода при экспрессном измерения концентрации касситерита и сформулировать требования к составным узлам прибора, разрабатываемого на его основе.

2. Разработать и исследовать новый детектор резонансного гамма-излучения, способный регистрировать больше потоки гамма квантов, обладающий повышенной селективностью и ¡эффективностью регистрации к Ш, а также специальный цифровой электрометр, в качестве последующей измерительной части.

3. Разработать и исследовать новый прибор для измерения резонансного гамма-излучения, который может быть использован при анализе оловосодержащих руд.

Натчная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:

I. Получены аналитические выражения для интенсивности всех компонент рассеянного мессбауэровского излучения и исследованы

их зависимости от числа ядер атомного состава "матриц«"

исследуемых проб.

2» Экспериментально исследованы зависимости значения эффекта .резонансного поглощения на самом детекторе от толщины и геометрия нанесения резонансного радиатора, газового наполнения и химического состава радиатора.

3. Экспериментально, исследована зависимость значения эффекта резонансного рассеяния от атомного состава и размера частиц исследуемых проб.

4. Получена фуякщм энергетической зависимости массовых коэффициентов ослабления мессбауэровского излучения в труднодоступном и малоизученном диапазоне энергий (14-30 кзВ).

5. Разработан и исследован новый детектор резонансного гамма-излучения - резонансная ионизационная калера, обладавдая повышенным коэффициентом селективности ( К> 20) и эффективности регистрации к МИ.

Практическая ценность работы. Результаты диссертационной работы доказали возможность расширения аналитических способностей мессбауэровского метода'при экспрессном измерении концентрации касситерита и помогли сформулировать требования к составным узлам прибора* при которых их пороговая чувствительность и погрешность измерения могут быть улучшены в несколько раз. Разработанный новый детектор дол регистрации резонансного гамма-излучения, обладающий повышенным коэффициентом селективности (К> 20) и эффективность*) регистрации, способный работать в сложных полевых условиях, значительно расширяет возможности использования мессбауэровского излучения в области технических приложений.

Разработанный прибор КЖР, пороговая чувствительность й погрешности измерения которого улучшены в 2-5 раз, а диапазон измерений концентрации расширен в 3 раза; по сравнению с аналогом, позволяет оперативно определять содержание касситерита в рудах в процессе поисковых полевых работ. По.результатам работы изготовлена опытная партия приборов КМКР, на которых успешно проведены Государственные Приемочные испытания. Внедрение приборов в практику поисковых работ объединения "Аэрогеология" МинГео СССР способ-

ствовало открытию високоперспоктнвных рудопроявлоний "Буркат" и "Самалабыт".

Разработанный детектор РНК и цифровой электрометр могут быть использована самостоятельно в научные исследованиях.

ОСНОВНЫЕ И0Л0Н2И!Я, БЬНОСМШ! НА ЗАЩУ

1. Необходимая условия.«; увеличеная пороговой чувствительности и точности измерения приборов для экспрессного измерения концентрации касситерита, основанных на принципе с|фекта Мессбауэра, являются использование резонансного детектора с коэффициентом селективности К>10, геометрии "рассеяния" в качестве оптимальной геометрии измерения и активности источников резонансного У -излучения, обеспечивзкпгс значение статистической составляющей случайной погрезясста при аалерешза интенсивности рассеянного излучения в 0,1%.

2. Резонансная ионизационная кау.зра, вшолнеиная в вида трехслойного конденсатора с резонансным радиатором, нанесенным только на стороны электродных пластин из беррилня, обращенные к входному потоку, вместо с ¡.ааогослойшли селективными ^ильтраш поглощения из элементов СаО + +СН, •рОз» нанесенных на входное окно детектора, обеспечивает помлпеннув эффективность и селективность к резонансному излучении.

3. Разработанный прибор К.К? с пороговой чувствительностью 0,01%, диапазоном измерения 0,02-3052, и относительной погрешности» измерения 35-7&, удовлетворяющий требованиям практики на многих этапах получения олова, позволяет усилить целенаправленность поисковых работ, сократить время оценки значимости виявленных олово-рудных объектов и повысить их эффективность и полезную отдачу.

4. Использование прибора КМКР в научных исследованиях, например, при измерении линейных и массовых коэффициентов ослабления резонансного У -излучения с энергией 23,8 каВ различными материалами, позволяет повысить точность и существенно упростить процесс измерения по сравнении о обычной методикой.

Апробация работы. Основные результаты работы бнли представлены и доложены на:

Международных конференциях по мэссбауэровской спектроскопии (Дрезден, 171?, 1971 г.; Братислава, Чехословакия, 1973 г.; Бухарест, Румыния, 1977 г.; Портороз, К^гославяя, 1979 г.; Алма-Ата, СССР, 1983 г.; Лувен, Бельгия, 1985 г.), на паучгагх семинарах ВНШФТРИ, IK5) АН СССР, объединения "Лэрогеологая" МкнГеоСССР.

Прибор демонстрировался на Всесоизнш: (ВДНХ СССР) и международных (Лейпциг, ГДР, 1982 г.; ГеоЗКСП0-84", Москва, СССР, 1984 г.) выставках. Разработка отмечена медалями и почетными дипломами ВДНХ.

Публикации. По осноеши результатам диссертации опубликовано 12 работ, в том числа получено 2 авторских свидетельства на изобретение.

Объем п структура диосерташш. Диссертация состоит из- введения, четырех глав,,выводов и заключения, содержит 145 страниц: машинописного текста, включая 3 таблицы, 32 рисунка и список литературы, содержащий 92 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснован выбор темы исследования и ее актуальность, сформулированы цель диссертационной работы и основные положения вннооемкэ на згскиту.

Первая глава посвящена теоретическому и экспериментальному исследованиям аналитических возможностей мессбауэровского метода анализа при экспрессных измерениях концентрации касситерита. Особое внимание в качестве объекта исследования уделено двум метрологическим характеристикам - пороговой чувствительности (Ш) и погрешности измерения (ПИ), для которых были получены аналитические выражения и проведены сравнительные оценют их значений для двух возможных геометрий измерения (пропускания и рассеяния), матриц исследуемых проб, типов применяемых детекторов и спектральных характеристик регистрируемого излучения. Изучено влияние "фона" на точностные характеристики. Показаны преимущества резонансного способа регистрации измерения. На основании результатов исследований удалось определить условия измерения и сформулировать требования к отдельным узлам прибора, выполнение которых дозволяет решить поставленную задачу.

Связь между концентрацией касситерита в пробе С и измеряемым

на практике аналитическим параметром £= (где Л/0 и А/ос -

интенсивности нрошедаего (пли рассеянного) чераэ исследуемую пробу мессбауэровского излучения источника Од при двух значениях относительной скорости источника V- = 0 и ^ =« ) можно описать аналитической зависимостью £ =ЗГ(с). Характерный вид этой зависимости показан на рис. I.

С™.р Сг&С-, й Ш+'сгй

Рис. I. К выводу аналитических выражений для

Ст1И.Р, б1 С

Из рис. I следует, что.пороговая чувствительность СтшР н погрешность измерения 6С могут быть представлены как

2 6 £(о)

(I) и

W^Cki

(2)

^-(¿^й.С )о

где 6&(o),6S(Ci) - среднеквадратические отклонения измеряешх значений аналитического параметра £ при С = 0 ц С = Ci, а (clB/dC ) и (dS/cLC )ct - первые производные функции В =Г(с), хар акт еря э утек е чувствительность метода, которые при учете только статистических погрешностей будут иметь следующий вид.

Принимая для оптимального варианта /Veo = I06 (при времэни измерения t = ЮО сен и скорости счета равной I0'1 имп/сок), отметим, что выражения (3) и (4) будут определяться при оценках только /¿С и связывать ПЧ и ПИ мэссбауэровского метода со всеми влияющими фазсторами и условиями измерений.

¡Если для геометрии пропускания, аналитическое выражение для Г(с) хорошо, известно, то для геометрии рассеяния оно бияо получено в работо впервые с учетом вклада рэлеевского расселит мес-сбауэровского пзлучн-шя на электронах и зависимости от атомного номера исследуемых проб, на основе упрощенной модели взаимодействия, согласно которой источник испускает только резонансные % кванты.

Используя выражение (3) и (4) и сравнивая их при двух возможных геометриях измерения получим, что ПЧ и ПН мэссбауэровского метода в геометрии рассеяния примерно на порядок кеньпе, чем в геометрии пропускания.

Однако на практике реальные спектры примезшемых источников резонансного излучения гораздо сложнее и состоят, как правило, из ■ нескольких íf и рентгеновские линий, излучение которых могезт регистрироваться в том se энергетическом диапазоне, в котором регистрируется и мессбауэровское излучение. Общая интенсивность этого нерезонансного излучения будет составлять гак называемый "фон", учет которого сводит на нет преимущества геометрии рассеяния и поэтому возникает необходимость в его максимальном снижении.

Этого можно достигнуть, используя резонансный детектор для регистрации мэссбауэровских У -квантов, обладающий высокой эф-фективностыо регистрации к резонансным ¡f -квантам и низкой - ко всем остальным.

Проведенный в работе анализ результатов оценок ПЧ и ПИ показал, что уже при коэффициенте селективности резонансного детектора K=|§j = Ю (где ге0 л Xi - эффективности регистрации соответственно резонансного и нерезонансного излучения) пороговая чувствительность метода достигает величины I.7.I0"4, которая дает возможность улучшить ПЧ приборов, разрабатываемых на его основе до требуемых практикой значений.

На основании проведенных теоретических и экспериментальны!

исследований можно сформулировать основной вывод первой глава.

ПЧ и погрешность месобауэровсккх приборов для вкспрессного измерения концентрации касситерита могут бить улучшены до требуемых практикой значений при использовании геометрии рассеяния, резонансного детектора с коэффициентом селективности К >-10 и' псточ-шгков резонансного У -излучения повышенной активности, обеспечивающих необходимую статистическую погрешость в 0,155.

Вторая глава посвящена разработке и исследованию составных узлов прибора КЖР, блок-схема которого приведена на рис. 2.

Рис. 2. Блок-схема прибора КМКР. I - источник резонансного излучения; 2 - детектор мессба-уаровсвого излучения - резонансная ионизационная 1самера;

3 - регистрирующая система (цифровой электрометр);

4 - узел питания; .5 - свстоиа, аадшдоя даиквнве; 6 - кс-следуеадя проба.

I) этой главе обоснован выбор каждого отдельного узла, проведены ясодздоиаюш, направлении на опогамазацюэ их параметров, разработана конструкция в максимальной стеною: уновлэгворяздая поставленным требованиям и радеии технологически« вопросы, связанные с нанесением тонких сяоов резонансного рада&осора на элек-■гроднш пластшш п способом их крепления в детекторе. Основное вшшанаа в згой главе уделано резонансному детектору (РД) я ри-тастрируэдей системе. 11х анализа шаиолдаса-вй различных типов РД, реализованных. на основе газонаполненных и сцинтшгциоинш: детекторов к описании* п латературе к шмонту начале разработки МС'^Р, бил сделан визод,. что РД, удовлетворяющий большинству ' предъявляемых к ному требований ьшвт бить разработан на основ»

ионизационной камеры.

Резонансные детекторы на основе ионизационной камеры способны ввдертавать счетные загрузки на несколько порядков превосходящие допустимые для других типов детекторов. На них можно получить максимальную эффективность регистрации, используя несколько слоев резонансного радиатора и большое значение величины эффекта поглощения в самой камере 6д . Более того, рзэонанснне ионизационные камеры (РИМ просты в изготовлении, не требуют специального газового наполнения и сложной электронной аппаратуры. Последующая регистрирующая аппаратура (электрометры) также не ограничены в счетных загрузках.

Резонансная камера» на которой были проведены экспериментальные исследования, представляет из себя плоский многослойный конденсатор, на электродные пластины которого, выполненные из берри-лия толщиной 0,1 мм, нанесены слои резонансного радиатора из биОг, обогащенные изотопом до 90$. Принципиальное отличие этой

РНК от известной состоит в том, что резонансный радиатор был особым образом нанесен непосредственно На потенциальные электроды. Это позволило существенно увеличить эффективность использования и сбора конверсионных электронов, вылетевших в рабочий объем камеры. Принцип действия камеры основан на поглощении резонансного lf -излучения ядрам атомов радиатора с последующим испусканием электронов внутренней конверсии, обладающих энергией 19,6 кэВ, которые частично поглощаются з самом радиаторе, а частично проходят в рабочий объем камеры, создавая ионизационный токЗ. При резонансе (f =0) сила тока в' камере, максимальна и равна Зо , а при его отсутствий (V =°о) минимальна й равна 9«> . (эффект резонансного поглощения отсутствует из-за допплеровскогб смещения энергии линии источника и поглотителя). Как легко видеть, значение {¿3 = 5о - 3«> не зависит от фонового излучения а определяется лазь эффектом резонансного поглощения без отдачи (эффектом Мес-сбауэра). Экспериментально наблюдаемой величиной, определяющей в данном случае качество детектора, является 6д= .

которое для случая монохроматического излучения источника, состоящего только из X -квантов мэссбауэровского перехода, связано с коэффициентом селективности К следующим выражением

eg=fsO<-i) (5)

С цельи оптимизации параметров PIK были проведены специальные исследования, в частности: изучена зависимость величины ионизационного тока и величины эффекта резонансного поглощения 6д от напряжения на электродных пластинах, расстояния-между пластинами, толщины и геометрии нанесения резонансных слоев (радиаторов), состава и давления наполняющего камеру газа и химического состава радиаторов. Эти исследования, результаты которых приведены на рис. 3, показали, что оптимальной является камера с 2~мя слоями ^®Sn02 толщиной 1,2 мг/см2, нанесенных на стороны берршшевшс пластин, направленных к входному окну РЖ.

Рис. 3. Экспериментальные результаты исследования параметров РИК.

Наполняющим газам в намерз служил воздух при атмосферном давлении, использование которого в качестве рабочего газа позволило репшть такие задачи как герметизация камеры, очистка газа, являющиеся существенными при эксплуатации дотектора особенно в полевых условиях. Величина эффекта резонансного поглощения, экспериментально полученная на этой камере составила Ед = 55С£, а при использовании палладаезого фильтра £д = 1100%, что позволяло достигнуть значения коэффициента селективности К = 21. 3 окончательной конструкции РЖ, которая используется в приборе К(5КР были решены ещэ два ватлых технических вопроса, связанные с разработкой способа нанесения резонансного слоя на электроды и системы антивибрационного крепления электродных пластин.

Диапазон измеряемых токов РИК составляет Ю-12- Ю"'1"4 А, что предъявляет кесткиа требования к выбору последующего измерительного тракта, в качестве которого был выбран цифровой электрометр. Однако существующие электрометры не позволяли в полной мере реализовать все возможности РЖ и поэтому б&т разработан специальный универсальный цифровой электрометр (ЦЭ), способный работать и з полезых условиях. Основными узлами этого ЦЭ являются электрометрический усилитель (Э:Ш и аналогоцифровой преобразователь АЦП напряжения в интервал времени. Для повышения чувствительности и точности измерения величины ионизационного тока быя выбран ег.жост-ной метод регистрации. В ЭМУ была введена система компенсации "паразитных" и фоновых токов. Применение ряда дополнительных специальных мер (введение осушителя и дополнительной герметизации) позволило добиться того, что аппаратурная погрешность разработанного цифрового электрометра не превышала 0,2$ при токе Ю-13 А и обеспечила способность его работы в сложных климатических условиях (температурный диапазон 0-50- °С, при влажности до 95$).

Следует подчеркнуть, что данный ЦЭ мохет найти более широкое применение в приборах, предназначенных для измерения ионизирующих излучений, в частности при определении величины экспозиционной и поглощенной дозы фотонного ионизирующего излучения.

Глава Ш содержит результаты метрологического исследования параметров разработанного в рамках данной диссертации прибора КМКР. Анализируемая проба облучается двумя источниками Вторичное мессбауэровское излучение пробы, интенсивность которо-

го пропорциональна измеряемой концентрации окионого олова (касситерита), регистрируется резонансный ионизационной камерой, сигнал с которой после соответствующих преобразований превращается в последовательность импульсов, суммарное число которых пропорционально времени измерения и фиксируется счетчиком. Относительное изменение интенсивности рассеянного резонансного ]f -излучения исследуемой пробы, называемое эффектом резонансного рассеяния 6 t ири наличии и отсутствии резонансного поглощения зависит от концентрации касситерита С в проба и экспериментально определяется по формуле

¡ i ~ ~ Г> n ir>\ — N°~ Л/оа-Д/р

3 = 9(0)--^— - — (в)

где Л/о - число импульсов, зарегистрированное счетчиком при наличии реэонанса, a ¡\j°o - при его отсутствии.

Определение концентрации касситерита проводят путем сравнения значений эффекта рассеяния Б на исследуемой и контрольной пробах с помощью градуировочной кривой.

К основным метрологическим характеристикам прибора КМКР' относятся пороговая чувствительность Cmui.P и погрешности измерения в различных диапазонах, которые были экспериментально определены tío формулам

2S>E(Ó) л - 2 S Е(С)

(7> Ьс~ (*Е/дСу>с (8>

где SB(o) и б 8(C) _ оредние квадратические отклонения СКО, характеризующие случайную составляющую суммарной погрешности измерения 6 при С = 0 и С; Se - среднее квадрвтическое отклонение, характеризующее случайную составляющую суммарной погрешности определения концентрации С; )о и (д£ /йС )с ~ наклон градуировочной зависимости Б =Q (с) при С = 0 и С. (При обработке результатов измерения, число которых всегда ограничено, вместо средних Квадратических отклонений d , используются их оценки S). Т.о. для определения tímtní и Se необходимо знание как градуировочной зависимости Б =Q (с), так и Sg .

В связи с ограниченным набором стандартных образцов оловян-

ной руды, нэ позволяющим построить градуировочнцю характеристику во всем диапазоне, были разработаны специальные контрольные порошковые пробы о содержанием в них касситерита от 0 до 100$, а также методики их приготовления я аттестации. В качестве исходной матрицы контрольных проб был выбран чистый кварц измель-

ченный до размера частиц 1 <й 0,03 ш, а вместо касситерит а использовалась химически чистая порошковая двуокись олова £>ъ02. Кварц был выбран в качества исходной матрицы в связи с тем, что большинство рудных месторождений, осваиваемых оловодобывающей промышленностью имеет касситерит-кварцевую формацию, а использование двуокиси олова £п02 вместо касситерита было продиктовано соображениями простоты и удобства.

Построенная на таких контрольных пробах градуирсвочная завя-

Рис. 4. Градуировочная зависимость 6 =9 прибора КМКР.

СКО бв . характеризующее случайную погрешность измерения, получают из СКО, характеризующих отдельные источники по формуле

=Узвс,+ 5вл,+ ЗбгПР + Яв™' (9)

где $ест- статистическая, ббдп. - аппаратурная, !эё?к - эксплу-

атационная составляющие, ^Епр. _ составляющая, обусловленная невоспроизводимостью характеристик контрольных проб, ЙЕг.к. - составляющая, связанная с погрешностью определения концентрации по гра-дуировочной кривой.

Были проведены экспериментальные оценки этих составляющих, которые в итоге дали для , значение 0,7$ в доверительном интервале 0,95.

Наклон градуировочной зависимости Л Е /д с, в диапазоне концентраций 0-0,1$ был определен экспериментально и оказался равным 140.

Тогда значение Г1Ч определяемое по формуле (7) будет равно

- ЩЩ0 - 1чо~ - и,1И <10)

что совпадает с теоретическими оценками ее проведенными в главе I.

Источником систематических погрешностей при определении концентрации касситерита с помощью прибора КМКР являются различия в параметрах исследуемых и контрольных проб, основными из которых является их различие в атомном номере (эффект "матрицы") и в гранулометрическом состазе (эффект "размера частиц"). Исследование эффекта матрицы было проведено путем сравнения трех экспериментальных зависимостей 6 = § (о) на пробах с различными матрицами. Результаты исследований представлены на рис. 5.

Эти результаты демонстрируют.сильную зависимость величины от состава матриц исследуемой пробы. Это делает невозможным использование градуировочной зависимости 6 (с), построенной на кон- ■ трольннх пробах кварцевого состава, для измерения концентрации касситерита в реальных пробах из-за больших систематических-погрешностей, которые могут появиться в конечном результате измерения. С целью устранения влияния эффекта матрицы на конечный результат измерений был проведен спектральный анализ рассеянного излучения проб разного состава с помощью полупроводникового спектрометра. Измеренные энергетические спектры представляют собой суперпозицию мессбауэровского, рэлеевского и кошгоновского рассеянного излучений.трех первичных линий источника (23,6; 25,1; 28,3 кэВ) и флуоресцентной рентгеновской К линии элемента

Те с энергией

6,4 кзВ, интенсивность которой почтп в 9 раз превосходит интенсив-

чешше о помощью прибора КМХР, иа модельных пробах о различными матрицами.

кость аналитической линии с энергией 23,В кзВ. Т.к. эффективность регистрации флуоресцентной рентгеновской К -линии железа в РИК превосходит эффективность регистрации даже резонансного излучения, то в значениях ионизационного тока камеры "Зо и Э» будет присутствовать фоновая составляющая, зависящая от интенсивности К-линии яелеза, а следовательно и от содержания Ре в исследуемой пробе приводящая к уменьшению значения 6

Для того, чтобы избавиться от этих мешающих при измерениях факторов, была разработана система селективных фильтров, состоящая из тонких слоев элементов СаО +ТШ2 4-(лг0з , которые в указанной последовательности наносились на входное окно РИК. Толщина каждого слоя 10 мг/см2. Последовательность важна.для досгаяения максимальной эффективности поглощения. Как показали експерименталь-ные исследования, использование этого фильтра практически пол-

носив устраняет вэ спекла рассеянного излучения, попадающего в РИК, рентгеновскую К-линию элемента железа, ослабляя резонансное излучение с энергией 23,8 кэВ лишь незначительно. Зависимости В =9 п°луч9юшэ на пробах с матрицей из Ре203 и омеси Ро203+ + 51 Од, при использовании селективного фильтра, приведённые на рис. 5, совпадают с градуировочной зависимостью Б =§ (с), полученной иа контрольных пробах б матрицей из чистой 51,02 в диапазоне 0,1-5$ наиболее важном на этапе поиска и разведки.

Т.о. в результате проведенных Исследований, с помощью селективных фильтров поглощения удалось устранить эффект "матрицы" для кварцевых проб в диапазоне содержаний вп02 0,1-5$, а также увеличить в 3 раза чувствительность й точность анализа сложных (содержащих Ре) проб в этом диапазоне. Если учесть, что в реальных пробах содержание Ра не цревыаает 10-15$, го эффект "матрацы" устраняется и в диапазоне 0-0Оценка неисключительного остатка систематической погрешности, проведенная для диапазона 0-0,1$, составила 1,5%.

Еще одним источником, систематической погрешности, возникающим при измерении с помощыз прибора КМКР является, .так называемый э'ффект "размера частиц", т.е. зависимость аналитического параметра £ =9 не только от концентрации С, но и от среднего размера частиц 1 , составляющих {фобу. Она проявляется, если имеется различие в о- контрольных и исследуемых пробах, и связана с существованием зависимости интенсивностей мессбауэровского, рэле-евского п компгоновского рассеянного первичного излучения от размера! а состава индивидуальных частиц. Этот эффект трудно. учесть и скорректировать теоретически, особенно' при анализе гетерогенных порошковых проб из-за большого числа возможных вариантов соотношений размеров, форм, ориентация и распределений между частицами, содержащими анализируемый элемент и пустую породу, ("матрицу") исследуемых проб. Поэтому для получения более надежных практических результатов этот эффект был исследован экспериментально. Цель этих исследований заключалась в разработке простых методов, устраняющих влияние этого эффекта, что особенно важно при разработке новых методик полевых измерений концентрации касситерита с помощью КМКР.

На рис. 6 приведены измеренные зависимости 6 (с), полу-

ченше на модельных пробах кварцевого состава с размером частиц матрицы, 0,01 мм (кривая I), 0,1 мм (кривая 2), 0,5-1,0 мм (кривая 3), в которые в определенных весовых количествах била добавлена химически чистая порошковая ЗпОд с размером частиц 0,01 ш. Кривая 4 получена на модельных пробах кварцевого состава с размером частиц 0,1 ш, в которую добавлялся минерал касситерита, измельченный до развгера частиц 0,1 им.

Рис. 6. Экспериментальные зависимости полученные на модельных пробах с различными размерами частиц.

Анализируя полученные результаты мсглс сделать следующие выводы:

1. При размере частиц, содержащих мессбауэровский элемент, 'Т&гД,= 0,01 мм, В =0- (с) не загасит от изменения размера

частиц кварцевой матрицы в диапазоне 0,0.1-0,2 мм, а при увеличении Чиат. до размера 0,5-1,0 т, уывньааегся в 1,4 раза в дкапа-Еона (0-0).

2, При уаадачешш размера частиц, содержащих касситерит

Кривая I - ХгЩг^О.СНмч Х£г,аг.=0.01 пи

2- ^¿Ог-СМи« 1£п0г =0.01 ли

3- гЗШг=0,5-1ии Ч3п02=0,01«и

4- Т.3и]г = 0,1им Т-йпОг =0,1 им

1,2

с

0.I О,г 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0.8 0,9 1р

1йиОгДО 0,1 мм, значение Ь =0- (с) сильно уменьшается во всем диапазоне концентраций (см. кр. 4). Это объясняется большим значением массового коэффициента ослабления месобауэровского излучения в касситерите, который приводит к тому, что толщина слоя касситерита, который приводит к тому, что толщина слоя касситерита, пз которого излучается 90$ флуоресцентного вторичного месобауэровского излучения, составляет всего .10 мкм. Поэтому при толщине частиц касситерита в 100 тел, большая его весовая часть не участвует в образовании мессбауэровского рассеянного излучения, что и приводит к уменьшения значения £ •

Как показали исследования других авторов, гранулометрический состав шлама бурных скважин, размер частиц которого в среднем составляет 0,5-2 мм, имеет касситерит в более мелкой фракции с размером частиц 0,01-0,02 мм. Следовательно при измельчении реальной пробы в полевых условиях до размера 0,1 мм, частицы касситерита будут иметь размер ТбнОг^О,01 мм. Тогда в качестве градуировочной кривой можно будет использовать кривые I или 2, что увеличивает ПЧ и точность измерения с помощью прибора КМКР до требуемых практикой значений, и следовательно сделает возможным его работу и в полевых условиях, т.е. на этапе поиска и разведки.

На основании результатов проведенных исследований была разработана методика полевых измерений, характерные особенности которой заключаются в том, что:

В.качестве градуировочной используется зависимости Б =9 (с), построенная на контрольных порошковых гетерогенных пробах кварцевого состава, измельченных до размера 0,1 мм, в которые в определенных весовых количествах добавлялась химически чистая двуокись олова бпО'гс размером частиц 0,01 мм.

Исследуемая проба, предназначенная для анализа, имельчается до размера частиц 0,1 т.

Для устранения эффекта "матрицы" используется селективный многослойный фильтр иэ элементов СаО + ЦО2 + Сч^О^, нанесенный на входное окно РЖ,

Суммарная погрешность результатов измерения Д определяется выражением

где 22 - среднее квадратическое отклонение, характеризующее суммарную погрешность измерения; бел. , 2сист. - средние квадра-тические отклонешм, характеризующие случайную и систематическую погрешность соответственно. Для равновероятного распределения неисключешшх остатков сет;тематической погрешности 01, справедливо соотношение бсисг- • ~ коэффициент, зависящий от соотношения случайной и Неисключешшх остатков систематической погрешности.

Экспериментальное опробование разработанной методики било проведено в космоаэрогеологичоских экспедициях Л 2 а № 3 объединения Аэрогеология МинГеоСССР, при наземной проверка космогеологи-ческих объектов с помощью прибора 17.КР. Анализ результатов дешифрирования космических снимков и данных гэолого-геофизйческих исследований, а также обработка полученной .информации на ЭВМ, в рамках пр01раммы "Регион", позволяли в течение одного.полевого сезона'выделить два перспективных рудопроявления "Буркат" и "Са-малабыт" и провести их предварительную оценку. Всего яе в течение 3-х полевых сезонов было проведено более двух тысяч анализов проб, сравнение которых с данными химического анализа, проведенного на этих же пробах показало, что систематические расхоядения мелду ними соответствуют допустимым нормам.

В главе 5 на примере измерения линейных и массовых коэффициентов ослабления моссбауэровского излучения различными элементами и соединениями, показана возможность применения разработанного прибора КЛКР и в других областях исследований. Используя при изучении различных аспектов взаимодействия излучения с веществом в качестве первичного мессбауэровское излучение, а в качестве регистрирующей системы резонансные детекторы, удается достаточно легко и просто ввделять из всего радиационного эффекта ту его часть, которая получена за счет взаимодействия только резонансных У -квантов. Исследуя зависимость этой части от изменения различных параметров, можно изучать механизм взаимодействия и устанавливать закономерности этих процессов, т.е. получать информацию, трудпо доступную для других методов. Особый интерес представляет то обстоятельство, что энергия резонансных / -квантов лежит в сравнительно мало изученном диапазоне 10-30 кэВ, а ширина их энергетического распределения составляет 10-^-10 эВ.

Предложена новая методика измерения линейных и массовых коэффициентов ослабления мессбауэровского излучения с энергией 23,8 кэВ для элементов А2 к Си , полученные значенияДзс иД?Сц. которых без проведения коррекции хорошо согласуются с литературными дашшми. В результате проведенного в главе анализа погрешностей установлено, что значение может быть получено равным 0,1%. Используя мессбаувровское излучение с энергиями 14,4 и 23,8 кэВ установлен точный вид энергетической зависимости/4, (Е) для этих элементов в указанном диапазоне. Простота методики и необходимой для ее реализации аппаратуры (прибор КЖР) позволяет значительно расширить рамки проведения подобных измерений.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведенные исследования аналитических возможностей мессбауэровского метода анализа показали, что для улучшения пороговой чувствительности и точности определения содержания касситерита с помощью мессбауэровских концентрагомеров необходимо использование геометрии рассеяния, резонансных детекторов с коэффициентом селективности К 10 и источников с активностью, обеспечивающих статистическую погрешность 0,1%.

2. Проведенные исследования по оптимизации параметров резонансной ионизационной камеры РНК позволили разработать конструкцию РЯК, обладающую необходимым коэффициентом селективности

КЗ* 20, а также простотой и надежностью, дающей возможность исполь-: зовать ее не только при лабораторных, но и при полевых измерениях.

3. Разработан, исследован и внедрен в геологическую практику прибор для экспрессного определения концентрации касситерита КМКР с пороговой чувствительностью 0,01$, диапазоном измерения 0,02-3055 и погрешностью измерепия, удовлетворяющей требованиям, предьяв ляемым к приборам и методам анализа Ш категории, способный работать на большинстве этапов получения олова.

4. Использование селективных фильтров поглощения и специальной градуировочной кривой позволило устранить эффекты "матрицы"

и "размера частиц", являющиеся основными источниками систематических погрешностей, и разработать методику полевых измерений, по-

зволяющую получить повышенные пороговую чувствительность и точность анализа порошковых проб сложного состава.

5. Возможность легко и просто выделить из суммарного радиационного эффекта, возникающего при взаимодействии мзссбауэровско-го излучения с веществом, ту его часть, которая обусловлена только резонансным излучением (монохроматическим, с шириной энергетического распределения эВ), позволяет применить разработанный прибор и в научных исследованиях для определения массовых коэффициентов ослабления, а также для изучения такого явления, как рэлеевское рассеяние мессбауэровского излучения на немессбауэров-ских атомах.

Основные результаты диссертационной работы изложены в следующих опубликованных работах:

1. Гарзанов И.Я. Анализ систематических погрешностей при измерении интенсивности рассеянного мессбауэровского излучегшя - В khs Методы и аппаратура для точных измерений параметров ионизирующих излучений. Труды ЗШШТРИ, М.,: Изд-во В1ШФТР11, 1981,

с. 67-70.

2. Макаров Е.Ф., Земсков Б.Г., Гарзанов И.Я. Резонансные ионизационные камеры и их возможное использование в гамма-резонансных. исследованиях, - Сборник трудов 4-ой Международной конференции ооц. стран по месобауэровской спектроскопии. Дрезден, 1971,

с. 581.

3. Макаров Е.Ф., Гарзанов И.Я., Земсков Б.Г. Резонансные ионизационные камеры и их возможное использование в гамма-резонансных исследованиях. - Метрология, 1973, II, с, 24.

4. A.C. }i 5332S3 (СССР). Устройство для экспрессного определения содержания олова. /Гарзанов И.Я., Лабушкин В,Г., Макаров Е.Ф. - Опубл. в Б.И., .1981, № 46/.

5. A.C. Ji 75036S (СССР). Устройство для экспрессного определения содержания окисного олова. /Гарзанов И.Я., Лабушкин В.Г., Макаров Е.Ф. Опубл. в Б.И., 1980, Д 7/.

6. Гарзанов И.Я., Куликов В.А., Лабушкин В.Г., Макаров Е.Ф. Мессбауэровский резонансный анализатор касситерита. - Изм. техника, 1981, Я 2, с. 73-75.

7. Гарзанов И.Я., Куликов В.А., Лабушкин В.Г., Макаров Е.Ф. Мессбауэровский резонансный концентратрмер касситерита - ПТЭ, 1980, * 3, с. 248.

8. GmsafwIYa., Lû6u&kui V'.G., MoKaiovEÎ. Tfte. appticakon of MbssBauea cossitealie anafyset foa Ш opptoxLmcde anatysis of îu> coniainmq oies of nu«d composition,. - "ïouniaB de. Piuislque, i9g0, tMl, р.С1-УЭ7

9. Gatsanav IVa., La6u$Hùi V.G., Mifcdln A-A, /Vatapov L,M.

Q РогЫ(е Mfosbav&i cassliaiiic аид^ег. |ot. topui a<,ç>aij oÇUn contcùmng Oies Lu tfie ft-cM- - Труды Международной конферен-

ции по применению эффекта Мессбауэра. Lemven f BeCçuuu , 1985, p. 1246.

10. Гарзанов И.Я. Измерение линейных и массовых коэффициентов ослабления мессбауэровского излучения с энергией 23,8 и 14,4 кэВ различными элементами с помощью резонансных, детекторов. - Метрология биомедицинских измерений. Сб. научн.тр. ВНИИФ1РИ, М., Изд-во ВНШФТРИ, 1983, с. 102.

11. Гарзанов И.Я. Исследование аналитических возможностей мессбауэровского метода анализа в экспрессных измерениях концентрации. - Методы и аппаратура для точных измерений параметров ионизирующих излучений. Сб.научн.стр. ВНИИОТРИ. М., Изд-во БНИИФТРИ, 1987, с. 72-78.

12. Гарзанов И.Я. Исследование эффекта "размера частиц" при измерении концентрации касситерита с помощью прибора КМКР. - Методы и аппаратура для точных измерений параметров ионизирующих излучений. Сб.научн.тр. ВНИШТРИ. М., Изд-во ВЮШТРИ, 1987,

с. 78-81.