Введение к работе
Актуальность темы.
Повышение эффективности промышленного производства в таких ведущих отраслях іродного хозяйства, как атомная энергетика и ее подотрасли, горнодобывающая, металлур-іческая, химическая промышленность и ряд других во многом зависит от совершенствова-ія технологических процессов. Оптимизация технологических процессов в свою очередь іределяется качеством и эффективностью автоматизированного контроля и управления '.новными технологическими операциями. При этом для многих, если не для большинства хнологических процессов эффективный контроль в соответствии с временем их протека-ія может быть осуществлен с помощью экспрессных и высокопроизводительных методов ементного анализа отобранных технологических образцов. Наряду с элементным анали-м, контроль таких технологических процессов, как сортировка и подготовка исходных ггериалов и компонентов для последующих технологических операций, в том числе для орки сложных изделий, должен осуществляться на принципах идентификации, т.е. соот-тствия свойств исходных компонентов заданным условиям. В немалой степени метод ;ентификацни может быть полезным и при контроле непрерывных производств, когда це-ю автоматизированного управления является поддержание технологического процесса в цанном оптимальном режиме.
Отдельно стоит задача обеспечения автоматизированного элементного анализа ото-анных образцов в медицинских исследованиях и для решения важнейшей проблемы - ох-ны окружающей среды. Действительно, контроль и управление технологическими процес-ми не только с целью достижения максимальной производительности, но и с точки зрения еспечения минимальных выбросов в окружающую среду не могут быть решены без созда-я высокочувствительных аналитических комплексов.
Решение указанных задач возможно только при наличии методов и аппаратуры, ощих возможность получить в достаточном объеме и необходимого качества аналитиче-/ю информацию о контролируемых технологических средах, которые чаще всего характе-зуются многокомпоненткостью, широким диапазоном атомных номеров, большой измен-востью физико-химических свойств. Применение для этого химических методов затруд-«о из-за недостаточной экспрессное и производительности, а также ввиду сложности их гоматизации.
Обобщение сформулированных аналитических проблем позволило сделать вывод о иьших потенциальных возможностях для их решения ядерно-физических методов и осо-1но рентгенорадиометрического анализа (РРА), обладающего экспрессностью, универ-іьностью, возможностью автоматизации основных аналитических операций, потенциаль-обеспечивающего многоэлементный анализ в широком диапазоне атомных номеров и с жим содержанием элементов в технологических образцах сложного вещественного сова. Преимуществами РРА перед традиционным рентгеноспектральным методом является иьшая стоимость и компактность аппаратуры, стабильность и монохроматичность энер-і излучения от возбуждающих радионуклидных источников (РНИ), низкое энергопотреб-ше.
Поскольку современный автоматизированный рентгенораднометрический (РР) ана-іатор представляет собой сочетание последних достижений как в части аппаратурных (де-торы, спектрометрические системы, электронно-вычислительная техника), так и про-ммных (математические модели, алгоритмы, методы обработки информации) средств, то пение практических задач по созданию и внедрению в промышленность комплекса мно-лементной РР аппаратуры потребовало решения большого количества проблем, от разви-. теории возникновения характеристического рентгеновского излучения и создания прак-іеских методик анализа многокомпонентных технологических образцов до разработки
4 концепции построения нового класса приборов- многоэлементных РР анализаторов промышленного назначения. Создание такой аппаратуры потребовало проведения исследований и обоснования выбора основных компонентов аппаратуры (радионуклидных источников, детекторов, средств вычислительной техники) с последующей организацией их серийного производства.
В соответствии с вышеизложенным развитие теории и создание методических и технических основ промышленного РРА многокомпонентных технологических образцов является актуальной проблемой, решение которой в значительной мере способствует широкої автоматизации производства во многих отраслях промышленности.
Состояние проблемы.
Первое упоминание об использовании вторичного характеристического излучение относится к 1928 году (Глокер, Шрайберг). А уже в середине 50-х годов рентгеноспектраль ный анализ (РСА), т.е. рентгенофлуоресцентный анализ (РФА) с волновой дисперсией прочно вошел в аналитическую практику заводских лабораторий. В нашей стране этому і значительной мере способствовали работы таких ученых, как И. Б. Боровский, М. А. Бло хин, Э. Е. Вайнштейн и др., под руководством которых в 1934-35 г.г. были выполнены пер вые исследования по использованию рентгеновской флуоресценции в аналитических целя> С тех пор РСА стал массовым анализом самых разнообразных технологических продуктов.
Наряду с совершенствованием РСА успехи ядерной технологии, ядерного приборе строения привели к возникновению нового вида РФА - РРА, который согласно ГОСТ 2825S 89 формулируется как способ определения наличия химических элементов и их количесп венного содержания в веществе, основанный на взаимодействии ионизирующего излучена от РНИ с электронами внутренних оболочек атомов этого вещества и измерения первичж го или вторичного результирующего рентгеновского излучения.
В СССР исследования в области РРА были начаты во Всесоюзном институте мин рального сырья (ВИМС) коллективом сотрудников под руководством А Л. Якубовича 1957 г. Результатом этих исследований явилось создание в 1958 г. первого РР анализато] ВИМС-58. В 1962 г. сотрудниками Ленинградского университета (В. А Мейер, В. С. Наха цев и др.) была доказана принципиальная возможность использования РРА для карота> скважин. Исследования по использованию РРА для геологического опробования руд nj разведке и отработки месторождений были начаты в 1967 г. в ВИРГ коллективом сотрудн ков под руководством А П. Очкура (Е. П. Леман, А Ю. Большаков и др.). С начала 70 годов в стране начинает развиваться новое направление - рентгенорадиометрическое опр бование товарных руд с целью их оперативной сортировки (В. П. Булатов, В. Я. Нагорнь М. И. Кроткое и др.). Можно констатировать, что комплекс научно-методических иссвд ваний обеспечил России мировой приоритет в использовании РРА при каротаже скважі для опробования руд в условиях естественного залегания и с целью рудосортировки.
В дальнейшем в развитии теории РРА и создании РР аппаратуры принимало болыи количество научно-исследовательских и конструкторских организаций. В их числе следі отметить ОКБ Мингео СССР (В. И. Згардовский, В. Э. Герликг и др.), Казахский универі тет и филиал ВИРГ (Л. И. Шмонин, Ю. А. Гринштейн и др.), НПО "Буревестник" (Н. И. I мяк, Д. А. Гоганов, А. Н. Жуковский и др.), ВНИКИ "Цветметавтоматика" (Б. И. Верх-ский, Ю. П. Бетин, И. А. Крампит и др.), ЦКГЭ Минцветмета СССР ( Г. Г. Козлов и др. целый ряд других.
Особенно ощутимый прогресс начал наблюдаться, когда к работам по развитию т ретических основ, методик анализа и разработке аппаратуры приступили такие предпріиг бывшего Минсредмаша СССР, как ВНИИРТ (С. В. Мамиконян, В. П. Варварица, Е. Д. 1 хов и др.), СНИИП (Б. Г. Егиазаров, С. А. Балдин и др.), ВНИИХТ ( Ю. К. Кварацхели, В Шашкин и др.), ВНИИНМ ( Т. К. Рагимов и др.). Технологические и производственные і
5 «кности предприятий этого министерства в значительной мере способствовали организа-IU изготовления на мировом уровне таких важнейших компонентов РР аппаратуры, как текторы, в т.ч. полупроводниковые (ППД), а также РНИ.
Несмотря на большие потенциальные возможности РР метода, традиционно основой областью его практического использования являлись поиски и разведка минерального ірья, где такие преимущества, как компактность, надежность, низкая стоимость аппарагу-i проявляются особенно наглядно. Для многоэлементного анализа технологических об-зцов использовалась в основном рентгеноспектральная аппаратура. Такое же положение рактерно и для аналитической практики зарубежных стран (США, Великобритания, Япо-ія и др.).
Для решения проблемы использования РРА с целью контроля технологических про-ссов необходимо было решить ряд важных задач. Условно эти задачи можно разделить на е части: развитие теории РРА многокомпонентных сред сложного вещественного состава разработка, освоение в производстве и внедрение многоэлементных анализаторов и их мпонентов.
Решение этих задач потребовало разработать теорию возникновения характеристиче-ого и рассеянного излучения на основе наиболее общего подхода - аналитического реше-ія уравнения переноса излучения, а также по методу Монте-Карло, разработать общую нцепцию построения аппаратуры нового класса - автоматизированных промышленных югозлементных РР анализаторов, разработать практические методики экспрессного мно-элементного анализа и идентификации сложных по составу технологических образцов.
Работы выполнялись во исполнение Постановлений СМ, Программ работ по важ-йшим фундаментальным проблемам РАН, а также Координационных планов, утвержден-IX руководством Минатома РФ.
міь работы.
Цель работы - развитие теории, разработка методов и комплекса аппаратуры про-лшленного многоэлементного РРА (МРРА) и решение на их основе задач управления тех-логическими процессами путем обеспечения анализа и идентификации сложных по соста-технологических образцов.
:новные задачи.
Основные задачи, которые решались при реализации поставленной цели, заключа-сь в следующем.
-
Исследование и развитие теории флуоресцентного МРРА на основе решения кине-ческого уравнения переноса (уравнение Больцмана), с учетом поляризационных эффектов ограниченных размеров РНИ возбуждающего излучения и анализируемых образцов. Ис-едование и разработка имитационных моделей (по методу Монте-Карло) для численного счета плотностей потоков вторичного излучения, в том числе с использованием промежу-чных мишеней, от гомогенных и гетерогенных образцов с учетом геометрии измерений, звитие теории межэлементных эффектов (подвозбуждение характеристическим и рассеян-ш в образце излучением, третичное подвозбуждение, рассеяние характеристического из-чения) и исследование их влияния на плотности потоков излучения, зарегистрированного >азличных областях спектров от образцов сложного вещественного состава.
-
Исследование и развитие научно-методических основ флуоресцентного МРРА об-зцов сложного вещественного состава. Разработка методических основ теоретической іенки межэлементного влияния. Исследование и разработка комплекса промышленных гтодик анализа технологических образцов, включающего экспериментальные методы, ме-ды эмпирических коэффициентов и фундаментальных параметров. Исследование и разра-тка способов повышения точности анализа при использовании регрессионных уравнений
связи. Исследование и разработка методов классификации анализируемых объектов с целые обеспечения анализа технологических образцов с изменяющимися в широком диапазона концентрациями определяемых и мешающих элементов. Исследование и разработка методов идентификации сложных по составу технологических образцов.
-
Обоснование требований к основным составным частям многоэлементных PI анализаторов (РНИ, детекторы, электронно-вычислительная техника и др.) и организации работ по их серийному освоению.
-
Организация изготовления и внедрение в различные отрасли народного хозяйств; комплекса промышленных многоэлементных РР анализаторов.
Научная новизна работы.
Научная новизна работы состоит в следующем.
1. Разработана математическая модель флуоресцентного РРА на основе рассмотрени
кинетического уравнения переноса, описывающего прохождение первичного и возникнов«
ние вторичного излучения (характеристического и рассеянного) в анализируемых образца;
Решение этого уравнения дало возможность получить аналитические выражения, опись
вающие граничные и поляризационные эффекты, а также подвозбуждение характеристич<
ским излучением других, более тяжелых элементов и рассеянным первичным излучением.
Для возможности осуществления численного расчета плотностей потоков вторичш го излучения в реальной геометрии измерений для гомогенных и гетерогенных образце разработана имитационная модель РРА по методу Монте-Карло.
2. С целью развития научно-методических основ МРРА проведено рассмотрение м
тодов обработки измерительной информации для нахождения концентраций определяемь
элементов. Выполненные теоретические и экспериментальные исследования дали возмог
ность обосновать ряд новых методик обработки информации на различных этапах анализ
среди них:
методы обработки сложных спектров рентгеновского излучения, в том числе споа получения "чистых" скоростей счета на линиях определяемых и мешающих элементов і методу фоновых вкладов с учетом загрузочных способностей спектрометрического тракта;
метод анализа с использованием для учета матричного эффекта линий различш серий определяемых и мешающих элементов;
метод анализа технологических образцов в условиях "боковой" геометрии;
обобщенный метод анализа с использованием для учета матричного эффекта лин рассеянного первичного излучения;
человеко-машинные процедуры автоматизированного построения уравнений свя; в том числе с классификацией анализируемых образцов по содержанию определяемых мешающих элементов, а также с использованием аппарата планирования измерений на э пах градуировки и анализа.
Исследованы и развиты с целью практического использования такие методы об] ботки информации на различных этапах РРА, как метод множественной регрессии, групі вого учета аргументов, обращения многомерного ряда, конфлюентного анализа.
Разработаны, апробированы и внедрены в практику аналитических работ мето идентификации сложных по составу образцов, значительно расширяющие практические і ласти использования МРРА.
3. Дальнейшее развитие получили научно-технические основы промышленной pea
зации многоэлементных РР анализаторов, а также их основных частей. Так, предложеі
реализован реакторный метод получения РНИ 109Cd. Разработана концепция показате
качества детекторов как методическая основа их выбора и сравнения между собой при
пользовании в РРА. Проведены теоретические и экспериментальные исследования с це/
7 эздания серийных газовых пропорциональных счетчиков (ПТС) и ППД рентгеновского злучения. Обоснована концепция применения встраиваемых микро-ЭВМ и микропроцес-эров. Получили дальнейшее развитие принципы создания прикладного программного эеспечения (ПрО) РР анализаторов.
4. Рассмотрена и реализована на практике концепция создания локальных систем чалитического контроля (ЛСАК) с использованием многоэлементных РР анализаторов как нформационной базы этих систем.
рактическая ценность и реализация результатов работы.
Практическая ценность диссертационной работы заключается в создании и развитии аучно-методической и научно-технической базы для организации промышленного выпуска чпаратуры нового типа- промышленных автоматизированных многоэлементных РР анали-іторов и широкого внедрения этих приборов на предприятиях отрасли, а также на геолого-цведочных, горнодобывающих и металлургических предприятиях.
Для возможности обеспечения технологического контроля в горнорудной лромыш-гнности, геологии, на предприятиях цветной и черной металлургии были разработаны и ;рийно выпускались первые отечественные многоэлементные РР анализаторы ФРАМ-1 и >РАМ-1 А , предназначавшиеся для определения элементного состава многокомпонентных їхнологических образцов. Всего выпущено более 40 таких анализаторов, которыми были гнащены многие геологоразведочные экспедиции и аналитические лаборатории горно-эогатительных и металлургических предприятий во многих регионах бывшего СССР, от рмении до Чукотки.
Позднее под руководством автора были разработаны и выпускались более совершен-ые приборы этого класса - РР анализаторы ФРАМ-2, ФРАМ-3, РАЛ-MI, РЛП-1 .Всего было зготовлено и внедрено на различных предприятиях отрасли и народного хозяйства более Э таких анализаторов.
С целью обеспечения многоэлементного экспресс-анализа технологических раство-эв на редкоземельные элементы (РЗЭ) на предприятиях редкоземельной промышленности ывшего Минсредмаша (Московский завод полиметаллов, Сланцево-химический комбинат, Силламяэ, Приднепровский химкомбинат, г. Днепродзержинск, Прикаспийский ГМК, г. Іевченко) были разработаны, изготовлены и внедрены более 20 РР анализаторов типов 'АГОТ, ФАСАД, РАЛ-MI и РЛП-1. Применение указанных приборов впервые в отечест-гнной практике дало возможность в режиме реального времени контролировать процессы ізделения РЗЭ в технологических установках обогащения, что особенно важно на этапе гладки технологических процессов. Использование многоэлементных анализаторов техно-эгических растворов на Московском заводе полиметаллов способствовало также созданию вводу в действие автоматизированной системы аналитического контроля ЦВЕТ. Кроме эго, на этом же заводе внедрены анализаторы ФАКТОР для идентификации сталей и спла-эв, используемых при изготовлении конструкционых элементов ПЭЛ ядерных реакторов.
Для комплектования создаваемых многоэлементных РР анализаторов современной іементной базой с участием автора были выполнены разработки и организовано серийное роизводство важнейших составных частей этих приборов. Так, были разработаны РНИ из гакторного 10,Cd, германиевые ППД так называемого радиационного типа.
Успешное внедрение выпускаемой аппаратуры во многом обусловлено работами по эзданию высокоэффективных и помехоустойчивых методик МРРА, защищенных автор-«1МН свидетельствами. В их числе такие методики, как обобщенный способ анализа с уче-эм матричного эффекта по рассеянному излучению, способ анализа с регистрацией различ-ых серий характеристического излучения определяемых элементов, способ анализа в "бо-эвой" геометрии.
Наряду с поставкой комплектных РР анализаторов, под руководством автора были
8 выполнены работы по передаче и внедрению в различные научно-исследовательские и проектные организации, а также на промышленные предприятия отдельных элементов РР аппаратуры (датчики с ППД, устройства обработки информации), а также методик аналша и ПрО.
Международные работы под руководством и с участием автора дали возможность создать совместно с Институтом радиоэкологии и ядерной техники, г. Кошице, Словакия, многоэлементный РР анализатор, получивший высокую оценку на международной ярмарке в г. Брно, разработать с Институтом минерального сырья, г. Кутна-Гора, Чехия, анализатор на базе прибора ФРАМ-1, а также основать в Кабульском университете Лабораторию по РР анализу геологических и биологических образцов.
Большой объем работ был выполнен по созданию РР аппаратуры для контроля окружающей среды. Так, для Новосибирского завода химконцентратов бьи создан комплекс из трех анализаторов типа ФИЛЬТР для определения тяжелых металлов в атмосфере производственных помещений. Разработаны и серийно выпускаются РР анализаторы РЛП-1-3 дм определения тяжелых и токсичных элементов в природных и сточных водах. Указанны* анализаторы сертифицированы в Российской Федерации. По контракту с фирмой SA1C США, разработан и передан заказчику анализатор образцов окружающей среды.
Ежегодный экономический эффект от внедрения методов и аппаратуры, созданноі под руководством и при непосредственном участии автора диссертации, составляет свыди 45 млн. руб. (в ценах 1998 г.).
На защиту выносятся следующие основные научные положения:
-
Математическая модель многоэлементного РРА, основанная на решении кинетиче ского уравнения переноса излучения Больцмана, а также имитационная модель анализ сложных гомогенных и гетерогенных сред по методу Монте-Карло.
-
Экспрессные и помехоустойчивые методы и алгоритмы обработки сложных рем геновскнх спектров с целью получения "чистых" интенсивностей линий характеристически го и рассеянного излучений в условиях ограниченного энергетического разрешения.
-
Комплекс экспериментальных и расчетных методов учета матричных эффектов пр анализе и идентификации технологических образцов сложного вещественного состава и переменной матрицей.
-
Методы и алгоритмы обработки измерительной информации на различных этап; РРА.
-
Концепция построения многоэлементной РР аппаратуры и обоснование динами) ее развития.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались практически ежегодно, начиная с 19 г., на более чем сорока конференциях и симпозиумах, из них более чем на пятнадцати ме дународных. Всего было сделано более 45 докладов и сообщений, тезисы которых ony6j кованы.
Публикации.
По представленным в докладе материалам в отечественных и зарубежных издані опубликовано более 150 работ, получено 19 авторских свидетельств.
В исследованиях, результаты которых приведены в диссертации, на различных зтаї и в разные годы принимали участие сотрудники отдела РР методов и аппаратуры ВНШ ФА Е. Д. Кохов, А. А. Вайгачев, В. В. Березкин, Г. И. Данилов, С. А. Колосков, Л. Д. П шаков, Ю. Н. Светайло и ряд других. Автору хотелось бы отметить большую роль С. В. I миконяна, во многом по инициативе которого были поставлены настоящие работы, а таї
9 П. Варварицы, оказывавшего постоянную помощь в развитии работ по многоэлементно-i РР анализу. Особо хотелось бы подчеркнуть решающее влияние на результаты выпол-:нных исследований А. С. Штань, научного руководителя работ по ядерно-физическим гтодам анализа, проводимых во ВНИИТФА.
Всем им автор выражает глубокую признательность.
груктура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, обзорного раздела, четырех глав и заключения, ідержит 250 страниц машинописного текста, 24 таблицы, 53 рисунка, 2 приложения и спи-|к литературы из 268 наименований, в т. ч. 156 опубликованных автором и с его участием ібот по теме диссертации и 112 наименований цитируемой литературы.
