способ разделения минералов по их люминесцентным свойствам и способ определения порога разделения

Формула изобретения

1. Способ разделения минералов по их люминесцентным свойствам, включающий облучение исходного материала возбуждающим излучением, регистрацию интенсивности сигнала люминесценции минерала, обработку этого сигнала согласно выбранному критерию разделения и выделение минерала из исходного материала по результатам сравнения полученного значения критерия разделения с его пороговым значением, отличающийся тем, что интегрируют произведение регистрируемого сигнала люминесценции минерала на этот же сигнал, задержанный на заданное время, делят полученный результат на результат интегрирования квадрата регистрируемого сигнала люминесценции минерала для получения значения нормированной автокорреляционной функции сигнала люминесценции минерала, которую выбирают в качестве критерия разделения, полученное значение сравнивают с заданным пороговым значением нормированной автокорреляционной функции сигнала люминесценции минерала или с двумя заданными пороговыми значениями, которые определяют нижнее и верхнее значения нормированной автокорреляционной функции сигнала люминесценции обогащаемого минерала, и выделяют минерал из исходного материала, если полученное значение нормированной автокорреляционной функции сигнала люминесценции минерала превышает указанные заданные пороговые значения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что исходный материал облучают непрерывным потоком рентгеновского излучения в зоне облучения, а зону осмотра формируют такой, которая позволяет регистрировать люминесценцию минерала и после его выхода из зоны облучения.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что исходный материал облучают последовательностью импульсов рентгеновского излучения, а зону облучения совмещают с зоной осмотра.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что регистрируют люминесценцию минерала со стороны поверхности исходного материала, обращенной к источнику облучения, и/или с противоположной от источника облучения стороны поверхности исходного материала.

5. Способ определения порога разделения, включающий подбор коллекции эталонов, люминесцентные характеристики которых совпадают с характеристиками содержащихся в исходном материале минералов, облучение каждого эталона возбуждающим излучением, регистрацию интенсивности сигнала его люминесценции, построение распределения значений критерия разделения в зависимости от параметра разделения, выбор интервала значений параметра разделения, в котором распределение критерия разделения для эталона обогащаемого минерала можно отделить от соответствующих распределений, полученных для эталонов сопутствующих минералов, отличающийся тем, что в качестве параметра разделения выбирают время задержки регистрируемого сигнала люминесценции, а в качестве распределения значений критерия разделения выбирают нормированную автокорреляционную функцию сигнала люминесценции, которую получают интегрированием произведения регистрируемого сигнала люминесценции каждого эталона на этот же сигнал, но смещенный на время задержки, и делением полученного результата на результат интегрирования квадрата регистрируемого сигнала люминесценции этого эталона, строят распределения значений нормированной автокорреляционной функции сигнала люминесценции для каждого эталона в зависимости от времени задержки регистрируемого сигнала люминесценции эталона, начиная от нуля, выбирают интервал значений времени задержки регистрируемого сигнала люминесценции эталона, в котором распределение значений нормированной автокорреляционной функции сигнала люминесценции эталона минерала можно отделить от распределений значений нормированных автокорреляционных функций сигналов люминесценции, полученных для эталонов сопутствующих минералов, и определяют значение нижнего и, при необходимости, и верхнего порогов разделения в выбранном интервале значений времени задержки регистрируемого сигнала люминесценции.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что эталоны коллекции облучают непрерывным потоком рентгеновского излучения в зоне облучения, а зону осмотра формируют такой, которая позволяет регистрировать люминесценцию эталона и после его выхода из зоны облучения.

7. Способ по п.5, отличающийся тем, что эталоны коллекции облучают последовательностью импульсов рентгеновского излучения, при этом зону облучения совмещают с зоной осмотра.

8. Способ по п.5, отличающийся тем, что регистрируют люминесценцию эталона со стороны, обращенной к источнику облучения, и/или с противоположной от источника облучения стороны эталона.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемые изобретения относятся к области обогащения полезных ископаемых, а именно к способам обогащения дробленого минерального материала, использующим возникающую под воздействием возбуждающего излучения люминесценцию обогащаемых минералов для их обнаружения, и могут быть реализованы как в сепараторах на всех стадиях обогащения, так и в устройствах контроля продукции, например, алмазосодержащего сырья.

При рентгенолюминесцентной сепарации используют свойство минералов генерировать излучение в оптической области спектра под воздействием рентгеновского излучения. При этом как интенсивность, так и кинетические характеристики люминесценции зависят от вида минерала.

Для повышения селективности извлечения обогащаемого минерала в известных способах рентгенолюминесцентной сепарации используют кинетические характеристики сигнала люминесценции, регистрируемые как во время воздействия рентгеновского излучения, так и после него.

Например, способ рентгенолюминесцентной сепарации минералов включает облучение исходного материала возбуждающим излучением, регистрацию максимальной интенсивности сигнала люминесценции минерала как во время воздействия излучения на исходный материал, так и после его выхода из зоны облучения, получение разности зарегистрированных сигналов и выделение обогащаемого минерала из исходного материала по результатам сравнения полученной величины с заданным пороговым значением. В качестве критерия разделения используют разность значений максимальной интенсивности сигнала люминесценции минерала во время воздействия возбуждающего излучения и после его прекращения. Исходный материал облучают непрерывным потоком рентгеновского излучения в зоне облучения, а зону осмотра формируют такой, которая позволяет регистрировать люминесценцию минерала и после его выхода из зоны облучения [SU № 1556769, В 07 С 3/346, В 03 В 13/06, 15.04.1990].

В этом способе учитывается кинетическая характеристика регистрируемых сигналов люминесценции. Однако при таком способе сепарации в полезный продукт попадет не только обогащаемый минерал, но и сопутствующие минералы, начальные значения сигнала послесвечения люминесценции которых близки к обогащаемому или (в случае сепарации минералов в потоке) у которых суммарная регистрируемая интенсивность сравнима или больше, чем у обогащаемого минерала. Кроме того, при таком способе сепарации минералов очень трудно получить необходимую точность измерения интенсивностей люминесценции из-за большого динамического диапазона амплитуд измеряемых сигналов. Значительные погрешности в результаты измерения вносят также шумы тракта регистрации и нестабильность работы системы возбуждения.

Наиболее близким аналогом предлагаемому способу разделения минералов по их люминесцентным свойствам является способ, включающий облучение исходного материала возбуждающим излучением, регистрацию интенсивности сигнала люминесценции минерала, обработку этого сигнала согласно выбранному критерию разделения и выделение обогащаемого минерала из исходного материала по результатам сравнения полученного значения критерия разделения с заданным порогом. Исходный материал облучают непрерывной последовательностью коротких импульсов рентгеновского излучения, при этом зона облучения совпадает с зоной осмотра [RU № 2191076, В 07 С 5/342, 20.10.2002]. Предлагаемая в этом способе обработка сигнала обеспечивает возможность разделения короткой и длительной компонент в регистрируемом сигнале люминесценции, что повышает точность измерения регистрируемых интенсивностей люминесценции, а также обеспечивает возможность выбора различных комбинаций соотношения короткой и длительной компонент люминесценции в качестве наиболее эффективного критерия разделения.

Однако и в этом способе также трудно получить необходимую точность измерения интенсивностей люминесценции из-за большого динамического диапазона сигналов, что, естественно, сказывается на селективности разделения.

Известен способ определения порога разделения, включающий подбор коллекции эталонов, люминесцентные характеристики которых совпадают с характеристиками содержащихся в исходном материале минералов, облучение каждого эталона возбуждающим излучением, регистрацию интенсивности сигнала его люминесценции, построение распределения значений критерия разделения в зависимости от параметра разделения, выбор интервала значений параметра разделения, в котором распределение эталона обогащаемого минерала можно отделить от распределений, полученных для эталонов сопутствующих минералов [Рентгеновское оборудование для извлечения и сортировки алмазов CDX116VE, Debex (Pty) Ltd, ЮАР. Техническое описание. 1996, с.4.14-4.16]. В этом способе производится последовательное измерение интенсивности специально подобранных эталонов - имитаторов алмазов. По массиву измерений строится распределение интенсивностей (критерий разделения в этом способе - интенсивность люминесценции). Порог далее выбирается путем анализа полученного распределения по условию преобладающего отношения интенсивностей люминесценции имитаторов к области, лежащей выше порога.

Недостаток такого способа - отсутствие оценки взаимного положения распределения сигналов имитаторов алмазов по отношению к сигналам сопутствующих минералов.

Предлагаемые изобретения решают задачу улучшения селективности разделения исходного материала путем выбора эффективного критерия разделения и устранения влияния шумов тракта регистрации, погрешности измерения и нестабильности работы системы возбуждения. Кроме того, выбранный критерий разделения позволяет осуществлять автоматическую настройку систем регистрации и возбуждения за счет устранения влияния амплитуды сигнала люминесценции на измеряемое значение критерия разделения.

Для решения поставленной задачи в способе разделения минералов по их люминесцентным свойствам, включающем облучение исходного материала возбуждающим излучением, регистрацию интенсивности сигнала люминесценции минерала, обработку этого сигнала согласно выбранному критерию разделения и выделение минерала из исходного материала по результатам сравнения полученного значения критерия разделения с его пороговым значением, дополнительно интегрируют произведение регистрируемого сигнала люминесценции минерала на этот же сигнал, задержанный на заданное время, делят полученный результат на результат интегрирования квадрата регистрируемого сигнала люминесценции минерала для получения значения нормированной автокорреляционной функции сигнала люминесценции минерала, которую выбирают в качестве критерия разделения, полученное значение сравнивают с заданным пороговым значением нормированной автокорреляционной функции сигнала люминесценции минерала или с двумя заданными пороговыми значениями, которые определяют нижнее и верхнее значения нормированной автокорреляционной функции сигнала люминесценции обогащаемого минерала, и выделяют минерал из исходного материала, если полученное значение нормированной автокорреляционной функции сигнала люминесценции минерала превышает указанные заданные пороговые значения.

При этом исходный материал облучают непрерывным потоком рентгеновского излучения в зоне облучения, а зону осмотра формируют такой, которая позволяет регистрировать люминесценцию минерала и после его выхода из зоны облучения, или исходный материал облучают последовательностью импульсов рентгеновского излучения, а зону облучения совмещают с зоной осмотра. Причем люминесценцию минерала регистрируют со стороны поверхности исходного материала, обращенной к источнику облучения, и/или с противоположной от источника облучения стороны поверхности исходного материала.

Для решения поставленной задачи в способе определения порога разделения, включающем подбор коллекции эталонов, люминесцентные характеристики которых совпадают с характеристиками содержащихся в исходном материале минералов, облучение каждого эталона возбуждающим излучением, регистрацию интенсивности сигнала его люминесценции, построение распределения значений критерия разделения в зависимости от параметра разделения, выбор интервала значений параметра разделения, в котором распределение критерия разделения для эталона обогащаемого минерала можно отделить от соответствующих распределений, полученных для эталонов сопутствующих минералов, в качестве параметра разделения выбирают время задержки регистрируемого сигнала люминесценции, а в качестве распределения значений критерия разделения выбирают нормированную автокорреляционную функцию сигнала люминесценции, которую получают интегрированием произведения регистрируемого сигнала люминесценции каждого эталона на этот же сигнал, но смещенный на время задержки, и делением полученного результата на результат интегрирования квадрата регистрируемого сигнала люминесценции этого эталона строят распределения значений нормированной автокорреляционной функции сигнала люминесценции для каждого эталона в зависимости от времени задержки регистрируемого сигнала люминесценции эталона, начиная от нуля, выбирают интервал значений времени задержки регистрируемого сигнала люминесценции эталона, в котором распределение значений нормированной автокорреляционной функции сигнала люминесценции эталона минерала можно отделить от распределений значений нормированных автокорреляционных функций сигналов люминесценции, полученных для эталонов сопутствующих минералов, и определяют значение нижнего, и, при необходимости, и верхнего порогов разделения в выбранном интервале значений времени задержки регистрируемого сигнала люминесценции.

При этом эталоны коллекции облучают непрерывным потоком рентгеновского излучения в зоне облучения, а зону осмотра формируют такой, которая позволяет регистрировать люминесценцию эталона и после его выхода из зоны облучения, или эталоны коллекции облучают последовательностью импульсов рентгеновского излучения, при этом зону облучения совмещают с зоной осмотра. Причем люминесценцию эталона регистрируют со стороны, обращенной к источнику облучения, и/или с противоположной от источника облучения стороны эталона.

Совокупность отличительных признаков и их взаимосвязь с ограничительными признаками в предлагаемых изобретениях обеспечивает возможность устранения влияния шумов тракта регистрации, погрешности измерения и нестабильности работы системы возбуждения на результат обработки регистрируемого сигнала люминесценции, и, в частности, устранения влияния амплитуды сигнала люминесценции на измеряемое значение критерия разделения, что улучшает селективность разделения и обеспечивает повышение качества обогащенного продукта, а также позволяет осуществлять автоматическую настройку систем регистрации и возбуждения.

В предлагаемых технических решениях использован новый критерий разделения, что не только обеспечивает решение поставленной задачи улучшения селективности разделения минералов, но и позволяет эффективно производить обогащение нескольких минералов, содержащихся в исходном материале, за счет возможности одновременной установки нескольких значений порога при использовании одного критерия разделения.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлены временные диаграммы сигналов регистрации люминесценции обогащаемого и сопутствующих минералов при импульсном возбуждении: а - кальцита, б - алмаза, в - циркона, г - плагиоклаза, на фиг.2 приведены диаграммы нормированных автокорреляционных функций обогащаемого (алмаза) и сопутствующих минералов: а - кальцита, б - алмаза, в - циркона, г - плагиоклаза, а на фиг.3 схематически представлен один из вариантов устройства для реализации предлагаемых изобретений.

Осуществление предлагаемого способа разделения минералов по их люминесцентным свойствам происходит следующим образом.

Исходный материал облучают возбуждающим излучением. За время облучения успевает разгореться длительная компонента сигнала люминесценции минерала. Регистрируют сигнал U=f(t) интенсивности люминесценции минерала (фиг.1а-г) в том энергетическом диапазоне, в котором наблюдается характерная для обогащаемого минерала линия люминесценции с достаточной для регистрации интенсивностью. При этом люминесценцию минерала можно регистрировать и со стороны поверхности исходного материала, обращенной к источнику облучения, и/или с противоположной от источника облучения стороны поверхности исходного материала. Облучать можно непрерывным потоком, например, рентгеновского излучения, воздействующим на исходный материал в зоне облучения, при этом зону осмотра должны формировать такой, которая позволяет регистрировать люминесценцию минерала и после его выхода из зоны облучения. Также можно облучать исходный материал последовательностью импульсов, например, рентгеновского излучения, при этом зону облучения совмещают с зоной осмотра. При любом способе облучения регистрируемый сигнал U(t) включает как участок Т_р разгорания короткой и длительной компонент сигнала люминесценции, так и участок Т_з затухания его длительной компоненты (фиг.1).

В качестве критерия разделения выбирают автокорреляционную функцию Kf(tau) (фиг.2, а-г) регистрируемого сигнала U(t) люминесценции минерала. Поскольку регистрируемые в исходном материале сигналы U(t) (фиг.1, а-г) люминесценции разных минералов имеют разные кинетические характеристики, то и соответствующие им автокорреляционные функции Kf(tau) (фиг.2,а-г) существенно различаются. Для получения значения Kf_k (фиг.2, а-г) автокорреляционной функции проводят обработку сигнала U(t) (фиг.1, а-г): перемножают регистрируемый сигнал U(t) и задержанный на заданное время tau_k сигнал U(t-tau_k), полученное произведение интегрируют. Значение автокорреляционной функции Kf_k сравнивают с заданным порогом Р (фиг.2).

Для определения порога разделения выбирают время tau задержки регистрируемого сигнала U(t) люминесценции минерала в качестве параметра критерия разделения. Строят семейство автокорреляционных функций Kf(tau) сигналов U(t) (фиг.2, а-г), соответствующих имеющемуся в исходном материале набору люминесцирующих в заданном энергетическом диапазоне минералов, при возрастании параметра tau, начиная с tau=0. При этом для получения каждого значения автокорреляционной функции Kf(tau) перемножают регистрируемый сигнал U(t) (фиг.1, а-г) и задержанный на время tau сигнал U(t-tau), а полученное произведение интегрируют.

Поскольку автокорреляционная функция Kf(tau) есть интегральное преобразование регистрируемого сигнала U(t) и математически может быть выражена как

то шумы тракта регистрации, погрешности измерения и нестабильности работы системы возбуждения не оказывают влияния на вид автокорреляционной функции Kf(tau), так как являются нестационарными флуктуационными сигналами [Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. М., СПб.: Питер, 2002, с.50-54]. С ростом абсолютного значения tau автокорреляционная функция Kf(tau) сигнала с конечной энергией спадает.

Для устранения влияния амплитуды (интенсивности) регистрируемого сигнала U(t) люминесценции на автокорреляционную функцию Kf(tau) измеряемое при фиксированном значении параметра tau разделения значение Kf(tau) нормируют. При этом измеряемое значение Kf(tau _k) делят на значение Kf(tau₀) (энергию регистрируемого сигнала U(t)), т.е. на результат интегрирования квадрата сигнала U(t) при tau=0. Таким образом, выбранный критерий разделения может быть инвариантным относительно регистрируемой интенсивности люминесценции минералов и, следовательно, может обеспечить автоматическую настройку систем регистрации и возбуждения. В выбранном критерии разделения неявно фигурируют интенсивности короткой и длительной компонент и постоянная времени затухания длительной компоненты регистрируемого сигнала люминесценции минерала.

Предлагаемые изобретения могут быть реализованы, например, на базе серийно выпускаемых рентгенолюминесцентных сепараторов для разделения минералов в потоке исходного материала, предназначенных для обогащения алмазосодержащего сырья [Сепаратор люминесцентный ЛС-Д-4-ОЗМ ТУ 4276-041-00227703-99] с помощью устройства, представленного на фиг.3.

Представленное на фиг.3 устройство содержит источник 1 излучения на основе рентгеновской трубки БХВ 18Re с высоковольтным импульсным источником питания, фотоприемное устройство (ФПУ) 2, выполненное на основе ФЭУ-85, усилитель 3 сигнала U(t) люминесценции, линию 4 задержки, перемножители 5 и 6, интеграторы 7 и 8, делитель 9, компаратор 10 и устройство 11 управления пневмоотсекателем. Выход ФПУ 2 соединен с усилителем 3 сигнала, выход которого соединен со входом линии 4 задержки, с первым входом перемножителя 5 сигналов, а также с первым и вторым входами перемножителя 6 сигналов. Второй вход перемножителя 5 сигналов соединен с выходом линии 4 задержки. Выход перемножителя 5 соединен со входом интегратора 7, а выход перемножителя 6 соединен со входом интегратора 8. Выходы интеграторов 7 и 8 соединены со входами, соответственно делимого и делителя, делителя 9. Выход делителя 9 соединен с первым входом компаратора 10, второй вход которого соединен с задатчиком (на фиг.3 не показан) порога. Выход компаратора 10 соединен с устройством 11 управления пневмоотсекателем (на фиг.3 не показан).

Перемножители 5 и 6 могут быть выполнены, например, на микросхеме К525ПС1 [Коломбет Е.А. Микроэлектронные средства обработки аналоговых сигналов. М.: Радио и связь, 1991, с.70, рис.3.8]. Интеграторы 7, 8 могут быть выполнены, например, по одинаковой схеме [Коломбет Е.А. Микроэлектронные средства обработки аналоговых сигналов. М.: Радио и связь, 1991, с.114, рис.4.33, 4.34].

Устройство, представленное на фиг.3, работает следующим образом. В начале работы интеграторы 7, 8 обнулены (цепи обнуления для упрощения на фиг.3 не показаны). Поток исходного материала, содержащий люминесцирующие минералы (на фиг.3 не отмечены), подается в зону облучения, где подвергается воздействию рентгеновского излучения от источника 1. Возникающий при этом оптический сигнал люминесценции в энергетическом диапазоне 300-500 нм регистрируется ФПУ 2, преобразуется в электрический сигнал U(t), длительность которого определяется временем затухания люминесценции, и поступает на вход усилителя 3. Усиленный электрический сигнал U(t) напряжения с выхода усилителя 3 поступает на вход линии 4 задержки, первый вход перемножителя 5 и первый и второй входы перемножителя 6. На второй вход перемножителя 5 поступает сигнал напряжения U(t-tau_k) с выхода линии 4 задержки, представляющий собой исходный сигнал U(t), задержанный на время tau_k. Интервал tau_k задержки можно регулировать. На выходе перемножителя 5 получается произведение Y(t)=U(t)·U(t-tau_k) сигналов (напряжений). На оба входа перемножителя 6 поступает исходный сигнал U(t)=U(t-tau ₀) напряжения, а на его выходе получают сигнал {U(t)} ², соответствующий квадрату исходного сигнала. Выходные сигналы Y(t) и {U(t)}² перемножителей 5 и 6 интегрируются, соответственно, интеграторами 7 и 8. Сигналы на выходах интеграторов 7 и 8 представляют собой значения автокорреляционной функции kf_k с параметрами tau_k=k и tau_k =0, соответственно. Значения сигналов kf_k зависят как от свойств люминесцирующего минерала, так и от параметров источника 1 излучения, ФПУ 2 и усилителя 3 (в общем случае - параметров сепаратора). Для исключения этой зависимости от параметров сепаратора сигнал с выхода интегратора 7 нормируется (делится) на интеграл квадрата исходного сигнала. Для этого выходные сигналы и , соответственно, интеграторов 7 и 8 поступают на входы делителя 9, первый - на вход делимого, а второй - на вход делителя. Нормированный таким образом сигнал Kf_k (фиг.2, б) с выхода делителя 9 поступает на первый вход компаратора 10 и сравнивается с заданным порогом Р, поступающим в виде напряжения на второй вход компаратора 10. В случае, если сигнал на первом входе компаратора 10 превышает порог, устройством 11 выдается управляющий сигнал на устройство (на фиг.3 не показано) разделения исходного минерала, например, устройство пневмоотсечки.

Для работы сепаратора необходимо заранее задать значения двух параметров обработки сигнала люминесценции минерала: время tau_k задержки и порог Р разделения. При необходимости, можно задать интервал допустимых значений Р, т.е. нижний и верхний пороги (Р1 и Р2 соответственно), а также установить разные пороги Р для разделения различных минералов. Необходимо предварительно определить область допустимых значений параметра tau_k разделения и порога Р разделения, что обычно делается в процессе настройки сепаратора.

Оптимальный выбор порога Р разделения осуществляют следующим образом:

- подготавливают набор - коллекцию эталонных образцов (имитаторов) обогащаемого и сопутствующих минералов, характерных для данного месторождения;

- указанные эталонные образцы (имитаторы) поочередно устанавливают в установку, представленную на фиг.3, и облучают, например, импульсным рентгеновским излучением источника 1;

- при различных значениях параметра tau_k (времени задержки линии 4 задержки) определяют (измеряют) значения нормированной автокорреляционной функции Kf_k на выходе делителя 9;

- полученные массивы значений Kf_k в функции tau_k наносят на график (фиг.2, а-г);

- на графике выявляют область, где автокорреляционные функции обогащаемого и сопутствующих минералов достаточно отстоят друг от друга (на фиг.2, а-г, например, при tau_k=k);

- в этой области (фиг.2) определяют нижний порог Р1 и, при необходимости, верхний порог Р2.

Таким образом, предлагаемые способ разделения минералов по их люминесцентным свойствам и способ определения порога разделения обеспечивают улучшение селективности разделения исходного материала. Выбранный критерий разделения - автокорреляционная функция сигнала люминесценции минерала - обеспечивает устранение влияния шумов тракта регистрации, погрешности измерения и нестабильности работы системы возбуждения при принятии решения о разделении минералов, что повышает точность и достоверность результатов. Кроме того, инвариантность нормированной автокорреляционной функции по отношению к изменяющейся интенсивности люминесценции позволяет осуществлять еще и автоматическую настройку систем регистрации и возбуждения. Использование такого критерия разделения при обогащении позволяет не только повысить качество обогащенного продукта, но и эффективно производить обогащение нескольких минералов, содержащихся в исходном материале.