شناسایی و تعیین درصد وزنی عناصر معدنی

/, سیمان/شناسایی و تعیین درصد وزنی عناصر معدنی

در روش NAA از نوترون به‌عنوان پرتابه استفاده می‎شود. وقتی یک نوترون با هسته هدف برخورد کند، به دلیل درگیر نشدن در سد کولمبی می‌تواند به‌راحتی تا حد برد نیروهای هسته‌ای به هدف نزدیک شود. درنتیجه، انرژی جنبشی نوترون به‌شدت کاهش می‌یابد و ممکن است توسط هسته جذب شود. این فرآیند گیراندازی نوترون (Neutron Capture) می‌باشد و نتیجه این واکنش یک هسته برانگیخته است. هسته برانگیخته به روش‎های مختلفی واکنش می‏دهد که مهم‌ترین آن‌ها عبارت‌اند از: ۱) پراکندگی کشسان،        ۲) پراکندگی غیرکشسان، ۳) گسیل ذره، ۴) تابش فوتون و ۵) شکافت

قطعات سنگ استخراج‌شده از معادن، توسط سنگ‎شکن‏ها خرد و به صورت پودر به سمت کوره‏ها هدایت می‎شوند. تغییر نوع سنگ باعث عدم یکنواختی ترکیب‏درصد پودر و نهایتاً تغییرات شیمیایی محصول تولیدی می‌گردد؛ بنابراین از دستگاه‏های آنالیز سطحی در مسیر عبور پودر از خرد‌کن‏ها به کوره‏ها استفاده می‏شود. شکل ۱ تصویر شماتیک موقعیت نصب این دستگاه‎های تشخیصی در مراحل مختلف تولید سیمان را نشان می‏دهد.

شکل ۱- شماتیک موقعیت نصب دستگاه‎های تشخیصی در مراحل مختلف تولید سیمان.

یکی از پرکاربردترین این دستگاه‎ها، ژئواسن نام دارد که توسط یک شرکت استرالیایی به نام SCANTECH تولید و عرضه شده است. مدل‏های مختلفی از این دستگاه در کشور وجود دارند که برخی از آن‌ها عبارت‌اند از مدل آن MKIV و مدل UGC-1400. شکل ۲ تصویر شماتیک این دستگاه و محل عبور نوار نقاله از آن را نشان می‌دهد.

شکل ۲- تصویر شماتیک دستگاه ژئواسکن و محل عبور نوار نقاله از داخل آن.

این دستگاه از سیستم آنالیز گامای آنی در فعال‌سازی نوترونی یا Prompt Gamma Neutron Activation Analysis (PGNAA) استفاده می‌کند و یازده عنصر مختلف را اندازه‏گیری می‌نماید. PGNAA یک روش هسته‌ای پایدار است که کاربردهای مهمی در زمینه‌ شناسایی مواد معدنی، شناسایی مواد منفجره، شناسایی عناصر موجود در بدن و غیره دارد. شکل ۳ تصویر خروجی دستگاه ژئواسکن و عناصر آنالیزی سیمان را نشان می‌دهد.

 

 

این دستگاه روی نوار نقاله نصب می‌شود و به صورت Online (برخط) ترکیب درصد پودر و عناصر موجود در آن را نمایش می‌دهد. اشعه نوترون این دستگاه از شکافت هسته‎ای منبع کالیفرنیوم ۲۵۲ در بخش چشمه این دستگاه ساطع می‏شود. طول عمر این چشمه محدود بوده و حداکثر زمان بهره‎برداری از آن حدود ۵/۲ سال برآورد شده است. با توجه به عدم امکان تأمین این چشمه از خارج از کشور و طول عمر محدود آن، هدف از ارائه این پروژه، طراحی و ساخت این منبع، یا منبع جایگزین، یا روش آنالیز جایگزین یا هر روش دیگر برای حل مسئله است.

در روش NAA از نوترون به‌عنوان پرتابه استفاده میشود. وقتی یک نوترون با هسته هدف برخورد کند، به دلیل درگیر نشدن در سد کولمبی می‌تواند به‌راحتی تا حد برد نیروهای هسته‌ای به هدف نزدیک شود. درنتیجه، انرژی جنبشی نوترون به‌شدت کاهش می‌یابد و ممکن است توسط هسته جذب شود. این فرآیند گیراندازی نوترون (Neutron Capture) می‌باشد و نتیجه این واکنش یک هسته برانگیخته است. هسته برانگیخته به روشهای مختلفی واکنش می‏دهد که مهم‌ترین آن‌ها عبارت‌اند از: ۱) پراکندگی کشسان،        ۲) پراکندگی غیرکشسان، ۳) گسیل ذره، ۴) تابش فوتون و ۵) شکافت. شکل ۴ این روش‌ها را به‌صورت گرافیکی نشان می‌دهد.

شکل ۴- روش‎های مختلفی واکنش هسته برانگیخته.

پیروی هسته برانگیخته از هرکدام از این واکنش‌ها، علاوه بر اینکه به انرژی برانگیختگی هسته مرکب وابسته است، وابستگی مستقیمی نیز به سطح مقطع واکنش بین هسته هدف و نوترون فرودی دارد. روش NAA از لحاظ طیف انرژی نوترون‌های بمباران کننده به سه بخش تقسیم بندی می‎شوند.

الف) نوترون‌های حرارتی(Thermal neutron)

این دسته شامل نوترون‎های کم انرژی (کمتراز  eV5/0) است. طیف نوترون‌های حرارتی در دمای اتاق با انرژی  eV 025/0 و سرعتی در حدود m/s2200، براساس توزیع ماکسول- بولتزمن توصیف می‌شود. در بیشتر نقاط پرتو دهنده یک راکتور، در حدود ۹۰ تا ۹۵ درصد کل نوترون‌ها را نوترون‌های حرارتی تشکیل می‌دهند.

 

ب) نوترون‌های فوق حرارتی (Epithermal neutron)

نوترون‌هایی با انرژی بین eV 5/0 تا MeV 5/0 در این دسته قرار می گیرند. این نوترون‎ها دارای انرژی متوسط هستند و به‌طورمعمول در یک راکتور، در حدود ۲% کل نوترون‌ها را شامل می‌شوند.

 

ج) نوترون‌های سریع (Fast neutron)

این دسته از نوترون‌ها دارای انرژی بیش از MeV 5/0 می باشند. متوسط انرژی نوترونهای سریع  MeV 2 است. نوترون‌های سریع در واکنش‌های به‌ندرت شرکت می‌کنند، اما در واکنش‌هایی که در آن‌ها یک ذره هسته‌ای گسیل می‌شود، به‌خوبی شرکت می‌کنند (مثل واکنش‌های ،  یا ). ممکن است دریک نقطه پرتودهنده از یک راکتور، حدود ۵% شار شامل نوترون‌های سریع باشد.

 

مهم‌ترین ویژگی‌های هر دستگاه PGNAA داشتن شار نوترون حرارتی بیشینه در محل نمونه و زمینه گامای ضعیف (گامای غیرضروری) است. بنابراین، قسمت‌های اصلی یک دستگاه PGNAA مورد استفاده در شناسایی مواد خام سیمان عبارت است از: چشمه‌ نوترونی، کندکننده، حفاظ حذف گامای چشمه، حفاظ‌های آشکارساز، آشکارساز پرتوهای گاما و بازتابنده‌ نوترون. با توجه به اهمیت چشمه‌ نوترونی در این طرح، این بخش از دستگاه PGNAA به صورت ویژه توضیح داده می‌شود.

 

چشمه‌های نوترونی

نوترون به‌عنوان پرتابه، نقش کلیدی در آنالیز فعال‌سازی نوترونی ایفا می‌کند؛ بنابراین یکی از موارد بسیار مهم در روش NAA، منبع تولید نوترون است. چشمه‌های نوترون را می‌توان به سه دسته کلی زیر تقسیم کرد.

۱) رادیوایزوتوپ    ۲) دستگاه مولد نوترون    ۳) راکتور هسته‌ای

 

الف) چشمه رادیوایزوتوپی

می‌توان با بمباران کردن یک عنصر مناسب، رادیوایزوتوپی ساخت که از خود نوترون گسیل می‌کند. واکنش‌های تولید نوترون را می‌توان به‌صورت زیر دسته‌بندی کرد. شکل ۵ شماتیک روش فعال‌سازی نوترونی را نشان می‏دهد.

شکل ۵- نمودار شماتیک روش فعال‌سازی نوترونی

واکنش‌های که از ابتدایی‌ترین راه‌های تولید نوترون بوده و چادویک در کشف نوترون و پس از آن هوسی در آنالیز نوترونی از آن استفاده کردند. معادله کلی این واکنش به‌صورت زیر است:

 

این واکنش بر اساس علامت Q، می‌تواند گرمازا (۰<Q) و گرماگیر (۰>Q) باشد.

 

واکنش‌های که اکثر آن‌ها گرمازا بوده و معادله کلی آن‌ها به‌صورت زیر است:

 

واکنش‌های که تمام این نوع واکنش‌ها گرماگیر هستند و انرژی آستانه آن‌ها حداقل ۷۸۲/۰ است. شمای کلی این واکنش به صورت زیر است:

واکنش‌های ، که با آن‌ها می‌توان تقریباً نوترون‌های تک انرژی تولید نمود. معادله کلی روش فوتونوترون نیز به‌صورت زیر است:

یک منبع دیگر تولید نوترون، ایزوتوپ‌هایی هستند که از طریق شکافت خودبه‌خود، نوترون تولید می‌کنند. معروف‌ترین و پرمصرف‌ترین این نوع از چشمه‌های نوترونی، کالیفرنیم ۲۵۲ Cf)252( است؛ زیرا در میان هسته‌های سنگین، بیشترین شکافت خود به خودی را دارد و به همین دلیل بیشتر مورد توجه قرار گرفته است. کالیفرنیم ۲۵۲ در راکتورهای هسته‌ای تولید می‌شود. نیمه عمر چشمه‌های در مقایسه با چشمه Cf)252( نسبتاً طولانی‌تر می‌باشد. چشمه کالیفرنیم دارای نیمه عمر ۵/۲ سال است درحالی‌که نیمه عمر چشمه امرسیوم-برلیوم Am-Be)241( حدود ۴۳۲ سال و چشمه پلوتونیم-برلیوم Pu-Be)238( حدود ۸۹ سال است.

اما چشمه کالیفرنیم در مقایسه با چشمه ، شامل مقدار اندکی ماده فعال است، بنابراین می‌توان چشمه کالیفرنیمی را در ابعاد خیلی کوچک ساخت. از طرفی با توجه به گستره طیف انرژی نوترون حاصل از منبع کالیفرنیم، حفاظت از بلور آشکارساز در برابر نوترون‌های کم انرژی تر چشمه کالیفرنیم در مقایسه با چشمه ساده‌تر می‌باشد. بعلاوه طیف انرژی نوترونی چشمه کالیفرنیمی دائمی بوده و شار ثابتی دارد؛ بنابراین، چشمه کالیفرنیم نسبت به چشمه ، بیشتر مورد توجه مراکز پژوهشی، دانشگاهی و پزشکی قرار گرفته است.

منبع کالیفرنیم یا هر منبع ایزوتوپی دیگر، در تمام زاویه فضایی (π۴) تابش می‌کند که باعث کاهش شار نوترونی می‌شود. البته می‌توان با افزایش اندازه نمونه و زیاد کردن مدت پرتو افکنی، عیب کمبود شار این منبع را تا حد زیادی برطرف کرد، اما این کار باعث بالا رفتن خطا می‌شود. از دیگر معایب منبع کالیفرنیمی، هزینه‌های محافظتی و نیاز به یک وسیله نقلیه ویژه برای حمل‌ونقل چشمه یا نمونه می‌باشد، زیرا این نوع از ایزوتوپ‌های خود به خودی، دائم پرتودهی می‌کنند.

 

ب: دستگاه مولد نوترون

واکنش همجوشی اساس کار دستگاه‌های مولد نوترون است. معمولاً در این روش دوتریم را یونیزه می‌کنند و آن را در یک میدان الکتریکی شتاب می‌دهند. سپس آن را با یک تریتیم یا دوتریم دیگر برخورد داده تا واکنش همجوشی رخ دهد.

 

این نوع واکنش‌ها معمولاً، نوترون‌های تک انرژی تولید می‌کنند. انرژی نوترون‌های حاصل از واکنش(D,T) در حدود MeV 14 و بیشینه شار نوترون قابل تولید با آن n/cm2.s 108 است. همچنین انرژی نوترون‌های حاصل از واکنش(D,D) در حدود MeV 5/2 و بیشینه شار نوترون قابل تولید توسط آن n/cm2.s 105 است. از دستگاه مولد نوترون می‌توان (با استفاده از کندکننده) نوترون‌های حرارتی به دست آورد، اما معمولاً از دستگاه‌های همجوشی برای کاربردهایی که احتیاج به نوترون‌های سریع دارد، استفاده می‌کنند.

 

ج: راکتورهای هسته‌ای

راکتورهای هسته‌ای را می‌توان به‌عنوان مناسب‌ترین چشمه نوترونی، نام برد. شار نوترونی در یک راکتور علاوه بر پایداری، بسیار زیادتر از بقیه چشمه‌های نوترونی است. معمولاً در یک راکتور، شار نوترونی با حرکت از نوترون‌های حرارتی به سمت نوترون‌های پرانرژی، به‌سرعت کاهش می‌یابد؛ اما این توزیع از یک راکتور به راکتور دیگر متفاوت است.

  • تولید چشمه‎های فعلی ß PGNAA کالیفرنیوم ۲۵۲
  • تولید چشمه‎های جدید با مزایای بیشتر ß امرسیوم بریلیوم (۲۴۱Am-9Be) با نیمه عمر ۴۳۲ سال
  • استفاده از روش‏های غیر اسکنی ß مانند تجهیزات نمونه‏برداری Online و آنالیز غیر تابشی
    • آنالیز عناصر یازده‌گانه (Fe2O3، Cl، SO3 ،Na2O، K2O، MgO، CaO، Al2O3 ، SiO2 ، H2O، Ba)

    جدول زیر عناصر و محدوده غلظتی آنها (اصطلاحاً اِسپِک خوراک) را نشان می‌دهد:

    ردیف ساختار شیمیایی عنصر محدوده غلظتی (% وزنی)
    ۱ Fe2O3 ۸-۰
    ۲ Cl ۵/۰-۰
    ۳ SO3 ۵-۰
    ۴ Na2O ۳-۰
    ۵ K2O ۳-۰
    ۶ MgO ۵-۰
    ۷ CaO ۵-۰
    ۸ Al2O3 ۵-۰
    ۹ SiO2 ۵-۰
    ۱۰ H2O ۱۰-۰
    ۱۱ Ba بالانس

     

    • دقت اندازه گیری مطلوب (حداقل انحراف استاندارد ۳%)
    • ابعاد مناسب و قابلیت نصب در مسیر عبور پودر بر روی نوار نقاله

    عدم نیاز به تأمین تمام تجهیزات و متعلقات تا محدوده زمانی حداقل ۱۰ سال

  1. روش‏های آنالیز مرحله‎ای (غیر Online )
  2. دستگاه‏هایی که در محیط صنعتی کارخانجات سیمان و بخش سنگ‎شکن از مقاومت و عملکرد مناسب برخوردار نباشد.
  3. دستگاه‏هایی که طول عمر کارکرد یا تأمین تجهیزات و منابع کوتاه‌مدتی داشته باشند.
  4. روشی که نیازمند حضور و دخالت نیروی انسانی باشد.
  5. ایجاد مشکلات زیست‎محیطی و آلودگی اشعه و مواد خطرناک

نوع همکاری مطلوب :

بر اساس پیشنهاد ها قابل مذاکره خواهد بود.

فراخوان

کلیه فناوران، شرکت های دانش بنیان، دانشگاه ها، پژوهشگاه ها و سایر شخصیت های حقیقی و حقوقی فعال در این زمینه می توانند پیشنهادهای خود را از طریق سایت یا پست الکترونیک Proposal@boomerangtt.com ارسال نمایند. همچنین به منظور کسب اطلاعات بیشتر با شماره های ۰۲۱۸۸۳۹۸۵۶۳ – ۰۲۱۸۸۳۹۸۵۴۳ تماس حاصل فرمائید.

هیچ دیدگاهی موجود نیست.

نظر خود را بگذارید

Your email address will not be published.

این را به اشتراک بگذارید