Сущность гамма - абсорбционного метода.

При прохождении гамма-лучей через вещество возможны три основных вида взаимодействия: фотоэлектрическое поглощение, комптоновское рассеивание и процесс образования пар электрон - позитрон. Наибольшее значение при этом методе из всех видов взаимодействия имеет фотоэлектрическое поглощение, которое увеличивается с уменьшением его интенсивности и ростом эффективного атомного номера вещества поглотителя.

Относительная величина поглощения гамма-излучения подчиняется экспоненциальному закону:

, где (5.4.1)

J и J₀ - интенсивность гамма-излучения соответственно после и до прохождения через вещество;

µ= τ + σ + χ (5.4.2)

μ - линейный коэффициент изменения первичного излучения, величина которого зависит от энергии квантов первичного гамма-излучения, от атомного номера и атомного веса облучаемого вещества и равен сумме линейных коэффициентов поглощения, присущих каждому из трех видов взаимодействия гамма - квантов с веществом, т.е.:

τ – линейный коэффициент поглощения фотоэлектрического эффекта;

σ – коэффициент комптоновского рассеивания;

χ – образование пар (электрон - позитрон).

Ослабление линейного коэффициента зависит от энергии гамма - квантов. Наибольшее значение поглощения излучения наблюдается при энергии гамма - квантов менее 0,1 - 0,3 МэВ. При дальнейшем увеличении энергии излучения коэффициент ослабления для отдельных руд различается незначительно.

Массовый коэффициент ослабления, как было показано выше, складывается из трех слагаемых:

τ - фотоэффект, который является функцией f₁(E)=Z⁴/A:

σ - эффект Комптона f₂(E)=Z/A;

χ - эффект образования пар f₃(E)=Z²/A, где:

- f₁(E), f₂(E), f₃(E) коэффициенты, зависящие от энергии гамма-излучения, a Z и А – соответственно атомный (порядковый) номер и массовое число элемента.

Наибольшее влияние на ослабление потока гамма - квантов оказывает фотоэффект. Эффект образования пар проявляется только при энергиях свыше 1,02 МэВ. Таким образом, если определяющим процессом взаимодействия гамма - квантов с веществом является фотоэффект, то сепарацию руд можно осуществлять по ослаблению пучка первичного излучения в зависимости от среднего атомного номера руды (элементов). Так как τ=f(Z⁴), то гамма - абсорбционный метод разделения протекает весьма эффективно для элементов с большим порядковым номером.

Куски можно разделить по их плотности, т.е. по ослаблению излучения в зависимости от плотности разделяемых кусков. Таким образом, получается гамма - абсорбционный плотностной метод сепарации минерального сырья.

Фотоэффект используется для разделения элементов при энергии первичного излучения 0,1 ÷ 0,3 МэВ, комптоновский эффект - при гамма-излучении от 0,5 до 1,5, а эффект образования пар - при энергии от 1,5 до 2,5 МэВ.

Значимость каждого вида взаимодействия неодинакова не только для различных энергий гамма - квантов, но и для состава поглощающего вещества. Для легких и средних химических элементов преимущественную роль играет комптоновское рассеяние, а для тяжелых элементов и при длинноволновой части гамма-излучения – фотоэлектрический эффект, для которого в этом случае

µ = К₀Z³ λ³ где: (5.4.3)

Ко - коэффициент пропорциональности;

Z - атомный номер химического элемента;

λ - длина волны гамма-излучения.

Поскольку атомный номер элемента и длина волны излучения при этом очень сильно влияют на величину коэффициента линейного поглощения, то минералы, содержащие незначительно отличающиеся по своим атомным номерам химические элементы, следует разделять, используя гамма - излучение в диапазоне длины волны (1 ÷ 10)*10^-10м.

Для кусков руды, содержащих различные химические элементы, коэффициент линейного поглощения μ можно приблизительно определить по уравнению:

µ = å ά_i µ_i, где: (5.4.4)

ά_i - содержание i -того элемента, %;

μ_i - коэффициент линейного поглощения для i -того элемента.

Наибольший эффект получен для железных руд (при выделении мартеновской руды из рядовой железной руды). Этим методом можно обогащать уголь, горючие сланцы, ртутные, вольфрамовые, свинцовые, сурьмяные, оловянные, бариевые, марганцевые руды. Дальнейшим совершенствованием метода является совместное использование поглощения и рассеяния.

Кроме химического состава кусков руды на поглощение гамма - излучения влияют размеры облучаемых кусков. Для устранения этого влияния руду подвергают предварительному грохочению. Кроме того, радиометрические сепараторы снабжены специальным устройством, позволяющим корректировать результаты измерения интенсивности гамма - излучения в зависимости от размера кусков руды. В качестве источников первичного гамма - излучения применяют радиоактивные изотопы и рентгеновские трубки, а детекторами служат сцинтилляционные или газоразрядные счетчики. Гамма - абсорбционный метод можно использовать для обработки самых различных полезных ископаемых. Своей универсальностью этот метод превосходит многие эмиссионно - радиометрические методы, но иногда уступает им в чувствительности и избирательности. Существенным недостатком метода является применимость только к материалам со сравнительно высоким содержанием полезного компонента. Принципиальная схема гамма - абсорбционного сепаратора приведена на рис. 5.4.1.

Рис. 5.4.1. Схема гамма-абсорбционного сепаратора PC-2Ж:

1 - бункер; 2 - двухканальный вибропитатель; 3 - транспортная лента; 4 - барабан; 5 - узел облучения; 6 - счетчик гамма-лучей; 7 - радиометр «Днепр- 4»; 8 - сортирующий механизм.

5.5. Нейтронно – абсорбционный метод обогащения.

Этот метод эффективен при аномально высоких коэффициентах взаимодействия нейтронов (рассеяние и поглощение) с элементами входящими в рудную массу. Аномально большое сечение поглощения нейтронов имеют кадмий, бор, литий, ртуть и некоторые редкоземельные элементы, а сечение рассеяния имеют водород, железо, свинец и некоторые другие элемента. Наиболее перспективен этот метод для руд бора и лития. Для минералов бора сечение поглощения медленных нейтронов ядрами в десятки и сотни раз выше, чем у основных породообразующих элементов, входящих в состав руд бора. Сечение этой реакции достигает максимума для тепловых нейтронов и составляет 755 барн (1 барн = 10^{-28 м2}).

Рассмотрим общую картину, наблюдающуюся при взаимодействии тепловых и медленных нейтронов с веществом. Пусть параллельный пучок нейтронов падает на поверхность облучаемого вещества. При этом тепловые и медленные нейтроны частично рассеиваются и выходят за пределы вещества, частично захватываются его ядрами, а оставшаяся их часть проходит через вещество.

В результате всех этих процессов первоначальный поток нейтронов ослабляется. Закон ослабления имеет вид:

, где: (5.5.1)

Ф₀ - плотность первичного потока нейтронов;

Ф - плотность потока нейтронов после прохождения слоя толщиной х;

σ_n - полное сечение взаимодействия нейтронов.

Степень ослабления первичного потока зависит от ядерных свойств элементов и их содержания в облучаемом объеме.

Метод радиометрического обогащения, основанный на использовании различий в ослаблении потока нейтронов разделяемыми компонентами полезных ископаемых, называют нейтронно - абсорбционным.

Признаком разделения при нейтронно - абсорбционном обогащении является плотность потока нейтронов, прошедших через подвергаемый обогащению объем полезного ископаемого.

Радиометрическое обогащение нейтронно - абсорбционным методом можно применить к рудам, содержащим химические элементы с большим сечением захвата нейтронов, например, борным, литиевым, рудам содержащим кадмий, редкоземельные элементы.

Один из вариантов распада составного возбужденного ядра заключается в испускании им альфа-частиц, т.е. (n, α) -реакции.

На медленных нейтронах (n, α) реакция наблюдается на небольшом числе легких ядер, а на быстрых нейтронах она имеет малую вероятность из-за конкуренции других процессов.

На медленных и тепловых нейтронах (n, α) - реакция протекает на ядрах ¹⁰В и ⁶Li:

(5.5.2)

(5.5.3)

Сечение этих реакций максимально для тепловых нейтронов и убывает по закону 1/υ (υ - скорость нейтрона), справедливому для энергий около 10 кэВ.

Сечение (n, α) - реакции для естественной смеси изотопов бора равно 754 барна, а для лития - 70,4 барна. Для других химических элементов сечение этой реакции на 3 ÷ 6 порядков ниже.

При распаде возбужденного ядра протекает также (n, р) - реакция, но она характеризуется низким сечением, сравнимым с сечением (n, α) - реакции на большинстве элементов, кроме бора и лития.

В 1961 - 1962 г.г. в СССР был разработан нейтронно - радиометрический метод обогащения борных руд.

Ядро Li-7, образующееся в результате этой реакции, находится в возбужденном состоянии, при переходе в основное энергетическое состояние испускает характеристическое гамма-излучение с энергией Е = 0,48 МэВ. Куски бора ослабляют поток нейтронов значительно сильнее, чем сопутствующая порода. Это и есть нейтронно - радиометрическое обогащение борных руд. Сепарация материала может осуществляться в пределах крупности -100+25 мм. Расстояние между кусками должно быть не менее 25 мм.

В качестве источников нейтронов могут быть использованы Ро - Ве источники с активностью 0,52; 0,78; 1,04 Кюри по альфа - излучению полония.

Для успешного ведения процесса необходимо правильно выбрать расстояние источника до материала, т.к. в результате процесса релаксации происходит очень быстрое падение интенсивности излучения. Этот метод наиболее перспективен для борсодержащих и литийсодержащих руд. На результаты обогащения влияет толщина (форма) рудных кусков, так как ослабление потока гамма - квантов и нейтронов обусловливается также и этим обстоятельством. Для уменьшения этого влияния материал сортируют на узкие классы, методом борсодержащей руды одного из месторождений Союза, содержание В₂0₃ в исходном питании возрастает в 1,5 раза, а содержание вредных примесей (граната и кальцита) снижается. Это значительно улучшает условия последующей флотации или непосредственного химического обогащения борсодержащих бедных (α В₂0₃ = 7%) руд после применения нейтронно - абсорбционного метода.

Дата добавления: 2015-07-18