способ опробования радиоактивных горных пород и руд по их естественному гамма-излучению
Классы МПК: | G01V5/00 Разведка или обнаружение с использованием ядерных излучений, например естественной или искусственной радиоактивности G01V5/06 для обнаружения минералов с естественной радиоактивностью |
Автор(ы): | Вишняков Э.Х. |
Патентообладатель(и): | Акционерное общество "Всероссийский научно- исследовательский и проектный институт галургии" |
Приоритеты: |
подача заявки:
1993-10-06 публикация патента:
27.08.1997 |
Использование: при опробовании радиоактивных горных пород и руд в обнажениях, в горных выработках, а также при опробовании отбитой горной массы на транспортных потоках. Сущность изобретения: локализуют участок опробования с помощью экрана, проводят измерения обоих интенсивностей излучения с экраном и без экрана в присутствии дополнительного экрана, помещаемого на поверхности исследуемой горной породы или руды. При этом размеры экрана в плане равны размерам локализованного участка опробования, а толщина экрана в любой его точке определяется по формуле: d(xi,yi) = lnP(xiyi,h,m)P(xi,yi,h,m)/![способ опробования радиоактивных горных пород и руд по их естественному гамма-излучению, патент № 2088956](/images/patents/384/2088120/956.gif)
где xi и yi - текущие координаты точки, для которой ведется расчет толщины экрана;
- координаты границы информативной области в i-м сечении перпендикулярном плоскости X Y; P(xi, yi, h, m) - весовая функция детектора для излучателя, находящегося в точке с координатами xi и yi, стер. м; P(
, h, m) - весовая функция детектора для излучателя, находящегося в точке с координатами
на границе информативной области в сечении, проходящем через точку с координатами xi, yi, стер. м;
- массовый коэффициент поглощения гамма-излучения, испускаемого радиоактивными источниками в исследуемой горной породе или руде, кг/м2; r - плотность материала экрана, кг/м3; h - высота расположения центра детектора над излучающей поверхностью, м; m - половина длины детектора, м. 4 ил., 1 табл.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5
![способ опробования радиоактивных горных пород и руд по их естественному гамма-излучению, патент № 2088956](/images/patents/384/2088120/956.gif)
![способ опробования радиоактивных горных пород и руд по их естественному гамма-излучению, патент № 2088956](/images/patents/384/2088024/961.gif)
![способ опробования радиоактивных горных пород и руд по их естественному гамма-излучению, патент № 2088956](/images/patents/384/2088956/2088956t.gif)
![способ опробования радиоактивных горных пород и руд по их естественному гамма-излучению, патент № 2088956](/images/patents/384/2088956/2088956-2t.gif)
![способ опробования радиоактивных горных пород и руд по их естественному гамма-излучению, патент № 2088956](/images/patents/384/2088956/2088956-3t.gif)
![способ опробования радиоактивных горных пород и руд по их естественному гамма-излучению, патент № 2088956](/images/patents/384/2088120/956.gif)
Формула изобретения
Способ опробования радиоактивных горных пород и руд по их естественному гамма-излучению, включающий измерение интенсивностей излучения без экрана и с экраном с помощью сцинтилляционного детектора, расчет разности этих интенсивностей и оценку содержания радиоактивного элемента в пределах локализованного участка горной породы или руды, отличающийся тем, что оба измерения производят в присутствии дополнительного экрана, который помещают на исследуемой поверхности горной породы или руды, причем размеры экрана в плане равны размерам локализованного участка, а толщина экрана в любой его точке определяется по формуле![способ опробования радиоактивных горных пород и руд по их естественному гамма-излучению, патент № 2088956](/images/patents/384/2088956/2088956-21t.gif)
где xi и yi текущие координаты точки, для которой ведется расчет толщины экрана;
![способ опробования радиоактивных горных пород и руд по их естественному гамма-излучению, патент № 2088956](/images/patents/384/2088956/2088956-22t.gif)
P(xi, yi, h, m) весовая функция детектора для излучателя, находящегося в точке с координатами xi и yi, стер.м;
![способ опробования радиоактивных горных пород и руд по их естественному гамма-излучению, патент № 2088956](/images/patents/384/2088956/2088956-23t.gif)
![способ опробования радиоактивных горных пород и руд по их естественному гамма-излучению, патент № 2088956](/images/patents/384/2088120/956.gif)
r плотность материала экрана, кг/м3;
h высота расположения центра детектора над излучающей поверхностью, м;
m половина длины детектора, м.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области прикладной геофизики и может быть использовано при опробовании радиоактивных горных пород и руд как в обнажениях, так и в горных выработках. Кроме того, оно может использоваться при опробовании отбитой горной массы на транспортных потоках обогатительных фабрик. Известны способы опробования, основанные на измерениях гамма-излучения локализованных участков опробуемых горных пород и руд. Локализация необходима для устранения влияния гамма-излучения пород и руд, окружающих место опробования. Известен способ опробования радиоактивных руд с направленным приемом излучения (Разведочная ядерная геофизика. Справочник геофизика. М. Недра, 1986, с.271 272). Этот способ предлагает локализацию опробуемого участка породы или руды с помощью детектора с направленной чувствительностью, состоящего из двух счетчиков, основного и компенсационного, разделенных экраном. Сигналы от обоих счетчиков поступают на счетное устройство и там вычитаются. По величине разности сигналов судят о содержании радиоактивного элемента в горной породе или руде. Этот способ имеет существенное ограничение области применения, а именно, он эффективно используется лишь в слабодифференцированных гамма-полях. К недостаткам следует отнести также невысокую точность по сравнению с другими способами опробования радиоактивных руд по гамма-излучению. Известен способ опробования (прототип), основанный на измерениях гамма-излучения с экранами и без экранов (способ разностного эффекта). Наиболее полное обоснование и описание способа (Граммаков А.Г. Шашкин В.Д. Ширяева М. В. Руководство по гамма-опробованию радиоактивных руд в естественном залегании, Госатомиздат, 1959, с. 10 23). Сущность этого способа заключается в том, что для локализации опробуемого участка производится два измерения без экрана и с экраном, помещаемым между исследуемой радиоактивной горной породой или рудой и детектором излучений. Оценку содержания радиоактивного элемента в руде или породе производят по разности зарегистрированных значений интенсивностей излучения (по разностному эффекту). При этом влияния пород, окружающих опробуемый участок, исключается, т.к. интенсивность этого излучения входит слагаемым в обе зарегистрированные интенсивности и следовательно, при вычитании сокращается. Опробуемый участок или область, для которой получают информацию о содержании радиоактивного элемента, ограничена на глубине длиной пробега гамма-квантов с данной энергией излучения в горной породе или руде, а в плане ограничена контуром на поверхности руды, из пределов которого излучаемые породой или рудой гамма-кванты могут поглощаться экраном. Плановые размеры этой информативной области определяются взаимным расположением экрана относительно детектора излучения, а также размерами и формой экрана. Рассматриваемый способ нашел широкое применение в практике гамма-опробования, причем его используют не только при регистрации интегральной интенсивности излучения, но и при работе в спектрометрическом режиме. Способ прост как в практической реализации, так и интерпретации результатов, достаточно оперативен, что имеет важное значение при решении производственных задач. Однако данный способ, равно как и способ направленного приема излучения не учитывают, что интенсивность регистрируемого излучения зависит не только от содержания радиоактивного элемента в руде, но и от положения излучателей в информационной области относительно детектора излучения (Попов Э.П. Вишняков Э. Х. О влиянии интегрирующего действия детектора при измерении гамма-полей. М. Геология и разведка, изв.ВУЗов, 1973, N 11, с. 90-94). Это является одним из основных факторов, определяющих погрешность оценки данными способами содержания радиоактивных элементов в горных породах и рудах. Изобретение решает задачу снижения погрешности определения содержания радиоактивных элементов. На фиг. 1 изображена схема измерения (1 исследуемая среда; 2 детектор излучения; 3 экран для создания разностного эффекта; 4 дополнительный экран, -x" x" точки, ограничивающие информативную область в плоскости чертежа; h высота расположения детектора над исследуемой горной породой или рудой); на фиг. 2 график весовой функции R(x, h, m) для условий: детекторNaI(Tl) диаметром 0.10 м и длиной 0.1 м помещен над излучающей поверхностью на высоте h 0.23 м (ось детектора перпендикулярна к излучающей поверхности); на фиг.3 разрез через центр дополнительного экрана, выравнивающего вклад в измеренную интенсивность излучения, связанный с расположением получателей относительно детектора излучения на уровне значений, соответствующих этому показателю в точке с координатой x" 0,2 м и для случая, когда центр сцинтилляционного детектора Na1 (Tl) размером 0,1х0,1 м расположен на высоте 0,23 м от излучающей поверхности; на фиг.4 слоистая модель излучающей среды, где Д-детектор излучения с размерами 100х100 мм, расположенный над исследуемой средой на высоте h 0,23 м;![способ опробования радиоактивных горных пород и руд по их естественному гамма-излучению, патент № 2088956](/images/patents/384/2088956/2088956-5t.gif)
![способ опробования радиоактивных горных пород и руд по их естественному гамма-излучению, патент № 2088956](/images/patents/384/2088956/2088956-6t.gif)
где xi, yi текущие координаты точки, для которой ведется расчет толщины экрана;
![способ опробования радиоактивных горных пород и руд по их естественному гамма-излучению, патент № 2088956](/images/patents/384/2088956/2088956-7t.gif)
P(xi, yi, h, m) весовая функция детектора для излучателя, находящегося в точке с координатами xi, yi, стер. м;
![способ опробования радиоактивных горных пород и руд по их естественному гамма-излучению, патент № 2088956](/images/patents/384/2088956/2088956-8t.gif)
![способ опробования радиоактивных горных пород и руд по их естественному гамма-излучению, патент № 2088956](/images/patents/384/2088956/2088956-9t.gif)
![способ опробования радиоактивных горных пород и руд по их естественному гамма-излучению, патент № 2088956](/images/patents/384/2088120/956.gif)
r плотность материала экрана, кг/м3. Сущность изобретения может быть пояснена следующим образом. Известно, что интенсивность излучения источника мощностью Q определяется выражением:
![способ опробования радиоактивных горных пород и руд по их естественному гамма-излучению, патент № 2088956](/images/patents/384/2088956/2088956-10t.gif)
где P(x, h, m) весовая функция детектора, представляющая собой телесный угол, под которым детектор, ось которого ориентирована параллельно излучающей поверхности, виден из точки расположения источника, стер. м;
h высота расположения центра цилиндрического детектора над излучающей поверхность, м;
m половина длины детектора, м;
x координата точки расположения источника по оси, проходящей по поверхности излучающей среды. Величину P(x, h, m) можно определить из выражения:
![способ опробования радиоактивных горных пород и руд по их естественному гамма-излучению, патент № 2088956](/images/patents/384/2088956/2088956-11t.gif)
где R радиус сцинтилляционного детектора, м. Из (1) видно, что интенсивность излучения определяется не только мощностью источников радиоактивного излучения на поверхности среды, но и расположением источников относительно детектора. Если между детектором и излучающей средой поместить свинцовый экран толщиной d, то интенсивность прошедшего через экран излучения будет:
![способ опробования радиоактивных горных пород и руд по их естественному гамма-излучению, патент № 2088956](/images/patents/384/2088956/2088956-12t.gif)
где r плотность материала экрана (для свинца r 11350 кг/м3)
m массовый коэффициент ослабления излучения источников материалом экрана, м2/кг;
d толщина экрана, см. Для того, чтобы интенсивность регистрируемого детектором излучения не зависела от расположения источника на поверхности исследуемой среды, необходимо выполнять условие:
P(x,h,m)
![способ опробования радиоактивных горных пород и руд по их естественному гамма-излучению, патент № 2088956](/images/patents/384/2088006/183.gif)
![способ опробования радиоактивных горных пород и руд по их естественному гамма-излучению, патент № 2088956](/images/patents/384/2088120/956.gif)
![способ опробования радиоактивных горных пород и руд по их естественному гамма-излучению, патент № 2088956](/images/patents/384/2088024/961.gif)
где B некоторая постоянная. Перепишем (4) в виде:
![способ опробования радиоактивных горных пород и руд по их естественному гамма-излучению, патент № 2088956](/images/patents/384/2088956/2088956-13t.gif)
где K(x) кратность ослабления излучения, обеспечиваемая дополнительным экраном для источника, расположенного в точке с координатой x;
![способ опробования радиоактивных горных пород и руд по их естественному гамма-излучению, патент № 2088956](/images/patents/384/2088120/956.gif)
r плотность материала экрана, кг/м3:
Таким образом, толщина экрана, с помощью которого обеспечивается выполнение условия (4), переменна и зависит от координаты X. Поскольку величина P(x, h, m) максимальна при X O (в точке пересечения нормали к излучающей поверхности, проходящей через центр детектора) в соответствии с уравнением (5) кратность ослабления, а следовательно, и толщина дополнительного экрана максимальны в точках его пересечения с указанной выше нормалью. Размеры в плане дополнительного экрана, выравнивающего вклад в измеренную интенсивность излучения, обусловленный различием положения излучателей относительно детектора, должны быть равны размерам в плане информативной области, т.к. все гамма-кванты, вылетевшие из области участвуют в формировании разностного эффекта, по которому судят о содержании радиоактивного элемента в горной породе или руде. Вследствие этого в качестве величины B будем принимать значение весовой функции для излучателей, находящихся на границе информативной области. Кратность ослабления, обеспечиваемую дополнительным экраном, в любой точке оси X можно определить из выражения:
![способ опробования радиоактивных горных пород и руд по их естественному гамма-излучению, патент № 2088956](/images/patents/384/2088956/2088956-14t.gif)
где P(x, h m) значение весовой функции в точке с координатой X;
P(x", h, m) значение весовой функции в точке с координатой X x", соответствующей границе информативной области, стер. м;
Из (6) следует, что в точке с координатой x" кратность ослабления равняется единице, а следовательно, толщина экрана равняется нулю. В общем виде зависимость d от X имеет следующий вид:
![способ опробования радиоактивных горных пород и руд по их естественному гамма-излучению, патент № 2088956](/images/patents/384/2088956/2088956-15t.gif)
Очевидно, что весовая функция, являющаяся пространственной характеристикой измерительной установки, зависит не только от координаты X, но и от Y и Z. Если направить ось Z перпендикулярно оси X в плоскости чертежа (фиг.1), то зависимость от координаты заложена в выражении (2), определяющем весовую функцию это параметр h. Естественно, что весовая функция будет зависеть и от координаты Y (ось Y направлена перпендикулярно к плоскости чертежа (фиг.1), т.е. P P(x, y, h, m). Тогда выражение (7) примет вид:
![способ опробования радиоактивных горных пород и руд по их естественному гамма-излучению, патент № 2088956](/images/patents/384/2088956/2088956-16t.gif)
где x" и y" координаты границы информативной области в i-ом сечении, проходящем через точку с координатами xi и yi, и параллельном сечению, проходящему через ось детектора перпендикулярно к излучающей поверхности. Зная распределение весовой функции по осям X и Y, воспользовавшись зависимостью (8), можно рассчитать толщину экрана в любой его точке. Для цилиндрических детекторов, ось которых ориентирована параллельно излучающей поверхности, весовая функция, необходимая для расчета толщины экрана, может быть рассчитана как по формуле (2), так и определена экспериментально. Для случая, когда ось детектора ориентирована перпендикулярно к излучающей поверхности (этот случай чаще всего встречается в практике опробования), теоретическая зависимость весовой функции от геометрических параметров измерительной установки пока не известна. Поэтому ее следует получать экспериментальным путем для сцинтиллятора конкретных размеров. Для условий измерений способом-прототипом справедливы следующие выражения:
![способ опробования радиоактивных горных пород и руд по их естественному гамма-излучению, патент № 2088956](/images/patents/384/2088956/2088956-17t.gif)
где Iб.э интенсивность излучения, зарегистрированная при отсутствии экрана, использующегося для создания разностного эффекта, усл. ед. Iэ то же в присутствии этого экрана, усл. ед. I(C, L)инф интенсивность излучения, поступающего из информативной области, зависящая от содержания радиоактивного элемента в горной породе или руде (C) и геометрических параметров (L), определяющих положение источников излучения относительно детектора и размеры последнего, усл. ед. Iф интенсивность излучения от источников за пределами информационной области, усл. ед. K кратность ослабления излучения, обеспечиваемая экраном;
![способ опробования радиоактивных горных пород и руд по их естественному гамма-излучению, патент № 2088956](/images/patents/384/2088012/916.gif)
![способ опробования радиоактивных горных пород и руд по их естественному гамма-излучению, патент № 2088956](/images/patents/384/2088012/916.gif)
Поскольку при практической реализации способа-прототипа положение излучателей на поверхности информативной области относительно детектора не учитывается, то с этим фактором связана определенная погрешность в определении содержания радиоактивного элемента в горной породе или руде. При использовании предлагаемого способа эта составляющая погрешности исключается, поэтому суммарная погрешность определения содержания радиоактивных элементов значительно уменьшается. Таким образом, реализация способа-прототипа обеспечивает решение поставленной задачи снижение погрешности определения содержания радиоактивного элемента в породе или руде. Способ осуществляют следующим образом. 1. Для сцинтиллятора с размерами R и m, использующегося при измерениях, рассчитывается весовая функция детектора, центр которого приподнят над излучающей поверхностью на заданную высоту h P(x, y, h, m). Эта же функция может быть получена экспериментально путем перемещения точечного источника на расстояниях
![способ опробования радиоактивных горных пород и руд по их естественному гамма-излучению, патент № 2088956](/images/patents/384/2088956/2088956-18t.gif)
![способ опробования радиоактивных горных пород и руд по их естественному гамма-излучению, патент № 2088956](/images/patents/384/2088012/916.gif)
![способ опробования радиоактивных горных пород и руд по их естественному гамма-излучению, патент № 2088956](/images/patents/384/2088012/916.gif)
![способ опробования радиоактивных горных пород и руд по их естественному гамма-излучению, патент № 2088956](/images/patents/384/2088006/183.gif)
![способ опробования радиоактивных горных пород и руд по их естественному гамма-излучению, патент № 2088956](/images/patents/384/2088956/2088956-19t.gif)
При использовании предлагаемого способа дополнительный экран выравнивает дополнительную функцию до уровня, соответствующего значению этой функции на краевых слоях, т.е. до 1,9. В результате интенсивность регистрируемого излучения для каждого слоя будет понижаться в li/1,9 раз (где li среднее значение весовой функции для каждого слоя). Это равнозначно тому, что содержание калия в слое как бы уменьшается во столько же раз. На фиг.4 эти содержания приведены в прямоугольниках. Тогда среднее содержание хлористого калия в модели:
![способ опробования радиоактивных горных пород и руд по их естественному гамма-излучению, патент № 2088956](/images/patents/384/2088956/2088956-20t.gif)
где K 1,3 средняя кратность ослабления излучения с энергией 1,46 МэВ экрана со средней толщиной 0,05 м. Как видно из приведенных расчетов, при использовании способа-прототипа абсолютная погрешность определения содержания хлористого калия составляет:
C 24,39 22,14 + 2,25%
Тот же показатель для способа-прототипа составляет:
C 22,47 22,14 + 0,35%
Таким образом, абсолютная погрешность определения содержания хлористого калия предлагаемым способом значительно меньше того же показателя для способа-прототипа. В настоящее время способа опробования с использованием двух экранов внедряется при опробовании калийных руд на Верхнекамском месторождении. Опробование по заявленному способу по стенкам горных выработок позволит более точно оценивать содержание полезного компонента в руде, что, в конечном счете, повысит качество геотехнологического картирования калийных руд на участках предлагаемого отработки. Опробование данным способом отбитой горной массе позволит повысить точность оценки содержания калия в руде, направляемой на переработку, что в итоге даст возможность экономить дорогостоящие материалы, используемые при флотационном обогащении руд или их галургической переработке.
Класс G01V5/00 Разведка или обнаружение с использованием ядерных излучений, например естественной или искусственной радиоактивности
Класс G01V5/06 для обнаружения минералов с естественной радиоактивностью