Geum.ru

Аналитический активационный комплекс на основе портативного нейтронного генератора для анализа примесей в металлах

Вид материалаДокументы
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10

УДК 539.1.074.8




Технологический прибор для контроля содержания калия

в минеральных удобрениях


В.Д. Александров, Л.А. Корытко, к.ф.-м.н., А.М. Полищук, Ю.Г. Полканов


В статье рассмотрен подход к решению задачи оперативного технологического контроля качества продукции по содержанию калия при производстве минеральных удобрений. Обсуждаются возможности применения для этой цели некоторых ядерно-физических методов анализа вещества. Предложен принцип построения технологического прибора для непрерывного автоматического контроля стабильности технологического процесса при измерениях относительного содержания калия в продукции непосредственно на ленте транспортера.


В настоящее время в связи с увеличением экспорта минеральных удобрений повышаются требования к качеству продукции, производимой российскими предприятиями. Традиционные физико-химические методы определения концентрации основных питательных элементов в минеральных удобрениях (N, Р, К) не позволяют оперативно контролировать стабильность технологического процесса из-за необходимости предварительной пробоподготовки анализов и относительно длительного времени измерения, что, естественно, отражается на качестве продукции по содержанию компонентов. Кроме физико-химических, известен нейтронно-активационный метод анализа удобрений и сельскохозяйственной продукции на содержание N, P, K.

В 70-80-е годы в Советском Союзе и за рубежом производились полуавтоматические нейтронно-активационные установки со стационарными генераторами с энергией нейтронов 14 МэВ для решения задачи оптимизации внесения удобрений в почву и составления сбалансированных смесей кормов для животных 1, 2. Принцип анализа основан на облучении образцов потоком нейтронов и последующей регистрации гамма-спектров наведенной активности в определенных временных интервалах после окончания облучения. Нейтроны с энергией 14 МэВ, взаимодействуя с изотопами N, P, K, приводят к образованию ряда нуклидов с характерными -линиями. В большинстве работ для анализа использовались -линии нуклидов, образующихся по реакциям:


14N(n,2n)13N (E = 0,511 МэВ, Т1/2 (период полураспада) = 9,96 мин.);

31P(n,2n)30P (E = 0,511 МэВ, Т1/2 = 2,5 мин.);

39K(n, 2n)38 K E = 2,17; 0,511МэВ, Т1/2 = 7,7 мин.


Регистрировались -спектры наведенной активности, причем измерения каждого образца состояли из двух временных интервалов с выдержкой между ними для учета излучения коротко- и долгоживущих активностей. В результате обработки полученных -спектров определяли интенсивности аналитических линий анализируемых нуклидов, по которым после соответствующей калибровки находили концентрации элементов.

Доставка образцов на позиции облучения и измерения осуществлялась пневмотранспортным устройством. В детекторах -излучения наведенной активности использовались, как правило, большие кристаллы NaI. При выходе нейтронного генератора 1010 н/с и массе образцов до 100 г точность анализа на N, P, K находилась в пределах 5-8 % отн. Недостаток рассмотренного метода анализа применительно к контролю содержания элементов в минеральных удобрениях непосредственно в технологическом цикле их производства состоит в необходимости автоматизации процесса пробоотбора и недостаточно высокой по современным требованиям точности анализа. Поэтому в дальнейшем мы остановили свой выбор на создании установки для технологического контроля важнейшего компонента минеральных удобрений – калия, который входит как в комплексные удобрительные смеси, так и в собственно калийные удобрения.

Среди возможных методов контроля перспективным представляется метод определения калия, основанный на регистрации естественной радиоактивности изотопа 40К, доля которого в природной смеси изотопов калия составляет 0,0119. При распаде испускается 12% -квантов с энергией 1,46 МэВ и 88 % -частиц с граничной энергий 1,35 МэВ. Период полураспада 40К составляет около 1,3х109 лет и, таким образом, этот изотоп всегда присутствует в калийсодержащем сырье для производства минеральных удобрений. Для контроля содержания калия возможно использование как -, так и -излучений. Каждый из этих двух вариантов регистрации излучения 40К имеет определенные достоинства и недостатки:

-излучение с энергией 1,46 МэВ обладает высокой проникающей способностью, что позволяет анализировать большие массы вещества, но при этом требуется обеспечить хорошую защиту детектора от внешнего фона и строгое соблюдение геометрических условий измерений;

-излучение обладает меньшей проникающей способностью, и информация поступает практически с небольшого поверхностного слоя, но блоки детектирования легче экранировать от внешнего фона и проще обеспечить геометрию измерений.

На этом принципе в Советском Союзе был разработан лабораторный -концентратомер ЛБК-1 для экспрессного определения в лабораторных условиях концентрации калия и его соединений в различных калийсодержащих продуктах при производстве минеральных удобрений 3. Точность определения составляла около 1% КСl.

Однако, несмотря на развитие лабораторных ядерно-физических методов анализа минеральных удобрений, осталась проблема оперативного контроля за стабильностью технологического процесса с целью управления качеством продукции на ранних стадиях ее производства. Важным моментом в решении этой задачи является выбор метода, который позволит оперативно производить измерения непосредственно в цеховых условиях.

Наиболее целесообразно с технологической точки зрения устанавливать систему контроля у ленты транспортера, перемещающего удобрение после гранулирования. Блоки детектирования предполагается расположить над лентой транспортера. Очевидно, что для соблюдения постоянной геометрии измерений (важнейшее требование для обеспечения сопоставимости результатов измерений), слой удобрений на ленте транспортера должен разравниваться. Приемы такого разравнивания сыпучих масс известны. Простейшее устройство представляет собой планку, установленную на заданной высоте над транспортером 4. Для решения поставленной задачи важным моментом является выбор типа детектора, удобного для установки над транспортером и в эксплуатации.

Еще раз рассмотрим два возможных варианта – использование сцинтилляционных детекторов -излучения и газоразрядных -счетчиков. Как указывалось ранее, сцинтилляционные детекторы требуют надежной защиты от внешнего фона. В производственных помещениях, где проходит транспортер, всегда имеется некоторое количество осажденной пыли удобрений, и для защиты от ее -излучения потребуется окружить детектор массивным свинцовым экраном, учитывая высокую проникающую способность этого излучения. Требование максимальной экспрессности измерений приводит к необходимости установки нескольких детекторов. Помимо этого, для исключения неопределенности геометрических условий измерения, возникающих от краев сыпучей массы, потребуется коллимация блоков детектирования, в связи с чем конструкция всего детекторного устройства с защитой и коллиматорами оказывается неоправданно громоздкой и тяжелой. Следует учесть и некоторые сложности с электроникой сцинтилляционных блоков детектирования. Как правило, транспортер проходит через неотапливаемые помещения, и температурные перепады вызывают сдвиг положения регистрируемой -линии. Для уменьшения этого сдвига требуется введение системы стабилизации усилительного тракта и сцинтилляционного детектора, что усложняет и удорожает аппаратуру.

Блоки детектирования на основе газоразрядных -счетчиков позволяют создать более простую и надежную технологическую установку. Первое их преимущество состоит в том, что из-за небольшого пробега –частиц защита от внешнего фона может быть обеспечена стальными или другими материалами небольшой толщины, полностью поглощающими -излучение.

Малая величина пробега -частиц позволяет легче обеспечить постоянство поверхностной геометрии измерений для - детекторов и простую коллимацию для выделения площади, обозреваемой детекторами, чем постоянство объема удобрения в поле зрения сцинтилляционного детектора -излучения. Используя в блоке детектирования несколько -счетчиков типа СБМ-19, можно получить приемлемую для оперативного контроля скорость счета. Важным преимуществом этих счетчиков в данной задаче является их относительно малая чувствительность к изменениям внешней температуры, что упрощает регистрирующую электронную аппаратуру. Для обеспечения среднего времени анализа (около 5 мин.) в блоке детектирования предполагается установить пять автономных кассет с пятью счетчиками СБМ-19 в каждой, включенных параллельно. В кассетах смонтированы узлы высоковольтного питания счетчиков и узлы формирования стандартного выходного сигнала. Четыре кассеты предназначены для регистрации -излучения, испускаемого контролируемой массой удобрений, пятая – для учета фона в алгоритме обработки результатов.

Ионизационные потери dE/dx энергии -частиц 40К в веществе описываются приближенной формулой 5:


dE/dx = 0,306(Z/А)-2 ln1,16E/I МэВ/см,

где   плотность;

А – атомный вес;

Z – атомный номер;

I  средняя энергия возбуждения для атомных электронов;

 = v/с – отношение скорости -частиц к скорости света.


Величина Z/А является практически постоянной, поэтому небольшие вариации вещественного состава анализируемой массы не будут сказываться на числе отсчетов (т.е. на выходе -частиц из анализируемого слоя), пропорциональных содержанию калия. Из формулы также следует, что изменения плотности массы удобрений не повлияют на результаты измерений. Поскольку ионизационные потери пропорциональны плотности вещества, соответственно уменьшается длина пробега -частиц и, следовательно, толщина анализируемого слоя. Но количество калия в этом слое увеличивается прямо пропорционально плотности и, таким образом, выход -частиц из слоя удобрений при вариациях плотности остается практически неизменным. В данной задаче это очень важное методическое преимущество -детекторов по сравнению с -детекторами.

В разрабатываемой установке контроля блоки детектирования соединяются с пультом, находящимся в цеховом помещении. Пульт предполагается выполнить в герметичном варианте из-за агрессивной атмосферы в условиях производства.

Сформированные в кассетах блока детектирования стандартные импульсы поступают на пять независимых входов пульта и регистрируются в течение заданного режимом анализа времени. Информация передается и накапливается в оперативном запоминающем устройстве и затем с помощью входящего в пульт микропроцессора обрабатывается по программам, записанным в ПЗУ. Результат выводится на жидкокристаллический дисплей в виде численного значения, либо в виде гистограммы, отражающей изменение показаний детекторов во времени. По стандартному интерфейсу данные передаются в систему управления производственным процессом. Следует отметить, что из-за большой скорости транспортера (около 1 м/с) результат анализа оказывается усредненным по всей массе удобрения, прошедшей под блоками детектирования за время измерения.

Ввиду того, что для достижения относительной статистической точности анализа 24 % при выбранных блоках детектирования требуется время около 5 мин., в программе предусмотрен режим регистрации и алгоритм обработки информации, позволяющий осуществить квазинепрерывный контроль. Алгоритм работает следующим образом:

- показания со счетчиков регистрируются непрерывно и, например, через каждую минуту запоминаются в ОЗУ;

- для получения численного значения анализа через 5 мин. обрабатывается информация, зарегистрированная за пять минутных интервалов;

- в течение следующей минуты в обработку добавляется информация, полученная за последнюю минуту, но при этом исключается информация, зарегистрированная за первую минуту.

Таким образом, результаты анализа обновляются через каждую минуту (или другое, заданное оператором, время). Следует отметить, что построение блока детектирования в виде отдельных кассет с независимым выходом позволяет осуществить самодиагностику установки непосредственно во время работы, сравнивая показания кассет между собой.

Предлагаемая установка технологического контроля не является средством абсолютных измерений содержания калия в удобрениях. Фактически она представляет собой точный индикатор стабильности технологического процесса в заданных пределах в результате сопоставления последовательности измерений в течение всей рабочей смены, дня, месяца и т.д. Принципиально можно откалибровать установку для измерения абсолютного содержания калия, но для этого потребуется одновременно с измерениями выполнить представительный пробоотбор и определить содержание калия в пробе независимым методом в соответствии с нормативными документами на проведение анализов удобрений.

Принцип построения установки технологического контроля на основе газоразрядных счетчиков СРМ-19 с использованием кассеты, содержащей пять счетчиков, был проверен на образцах нитроаммофоски и К2SO4. Показано, что контроль содержания калия может быть осуществлен за 5 мин. с относительной статистической точностью 3-4 % (при доверительной вероятности 0,95).

В настоящее время проводятся работы по созданию действующего макета установки и экспериментальной проверке влияния некоторых мешающих факторов на результаты анализа.


Литература




  1. Срапенянц Р.А., Егиазаров Б.Г., Александров В.Д., Вожжов В.Ф., Корытко Л.А. Автоматизированная система диагностики питания растений. //Доклады ВАСХНИЛ. - М.: 1988, №10. с.42-44.
  2. Срапенянц Р.А., Савельев И.Б. Автоматизация массовых анализов растений на основе нейтронно-активационного метода. – М.: Бюлл. ВИР, 1982, вып.125.
  3. Матвеев Л.В., Михайлов О.Г., Стрельченко Е.А. Лабораторный бета-концентратомер калия ЛБК-1.// В сб. Радиационная техника. Труды ВНИИРТ. - М.: Атомиздат, 1978, вып.16, с. 69-73.
  4. Карташев Е.Р., Штань А.С. Нейтронные методы непрерывного анализа состава вещества. - М.: Атомиздат, 1978, с. 138.
  1. 5 Бета- и гамма-спектроскопия .Под ред. Зигбана К., пер. с англ. – М.: Гос.изд-во физ.-мат. лит-ры, 1959, с.28.

УДК 539.1.074.8