Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur quantitativen Bestimmung der Konzentration
des den Aschegehalt bildenden mineralischen Materials
aus einem ersten Element oder einer ersten
Gruppe von Elementen mit nahe beieinanderliegenden
hohen Ordnungszahlen in Kohle als Matrix von Elementen
mit deutlich von ersteren verschiedenen niederen
Ordnungszahlen mittels Strahlung.
Die Bestimmung des Aschegehalts von Kohle im Betrieb
ist insbesondere bei der Kohlewäsche und bei Mischvorgängen
wichtig, die der Verwendung bei der Stahl-
und Energieerzeugung vorausgehen. Selbst eine geringfügige
Leistungsverbesserung dieser Vorgänge kann zu
erheblichen wirtschaftlichen Ersparnissen führen, da
Kohle in sehr großen Mengen verwendet wird.
Kohle besteht aus Kohlematerial (Kohlenstoff, Wasserstoff,
Sauerstoff, Stickstoff und Schwefel) und mineralischem
Material (hauptsächlich Aluminium- und anderen
Silikaten und etwas Eisen, zuweilen als Eisensulfid).
Kohleasche ist der oxidierte unverbrennbare
Rückstand der Kohleverbrennung und steht in enger Beziehung
zum Gehalt an mineralischem Material.
Frühe Versuche zur Bestimmung des Aschegehalts von
Kohle durch Radioisotopentechniken basierten auf der
Abhängigkeit der Ordnungszahl (Z) von β- und Röntgenstrahlen-
Wechselwirkungen und der Tatsache, daß die
mittlere Ordnungszahl von Asche höher ist als die des
Kohlematerials. Röntgenstrahlentechniken erwiesen
sich bald als β-Strahlen-Techniken überlegen. Bei einer
begrenzten Zahl von Anwendungen bestimmte eine
Einzelmessung proportional zum Masse-Absorptionskoeffizienten
von Röntgenstrahlen in Kohle den
Aschegehalt mit ausreichender Genauigkeit. In manchen
Fällen jedoch führten Schwankungen bei Elementen mit
hoher Ordnungszahl Z in der Asche unannehmbare Fehler
ein. Diese Beschränkung wurde später durch Kompensieren
der Einzelmessung durch die durch Röntgenfluoreszenzanalyse
bestimmte Eisenkonzentration überwunden, wie von Rhodes et al. in Radioisotope Instruments
in Industry and Geophysics (Proc. Symp. Warsaw,
1965) 1, I.A.E.A., Wien (1966), 477, und von Cammack
& Balint in A.I.M.E. Annual Meeting, Las Vegas,
Nevada (1976) Preprint Nr. 76-F-24, beschrieben. Die
Hauptbeschränkungen der Kompensationstechnik liegen
darin, daß die Eisen K-Röntgenstrahlen von Kohle
stark absorbiert werden, was eine Probennahme und ein
Brechen vor der Analyse erforderlich macht.
Andererseits können Schwankungen bei Elementen mit
hoher Ordnungszahl kompensiert werden, indem
Messungen proportional zu Masseabsorptionskoeffizienten
von Kohle bei zwei Röntgenstrahlenenergien vorgenommen
werden, wie von Fookes et al. in Nuclear
Techniques in Exploration, Extraction and Processing
of Mineral Resources (proc. Symp. Vienna, 1977)
I.A.E.A., Wien (1977), 167, und in der australischen
Patentschrift 501 427 der Australian Atomic Energy
Commission beschrieben. Um jedoch eine angemessene
Eindringtiefe in der Kohleprobe zu erreichen, sind
Röntgenstrahlenenergien von >50 keV erforderlich.
Bei diesen Energien ist die Empfindlichkeit von
Ascheschwankungen gering und äußerst genaues Zählen
erforderlich.
In der GB-PS 1 533 268 ist ein Analyseverfahren zur
Bestimmung des Schwefelgehaltes von Kohlenwasserstoffen
mittels Röntgenstrahlen-Fluoreszenz beschrieben.
Hierbei wird eine Kombination der Röntgenstrahlen-
Fluoreszenz mit Compton-Streustrahlung verwendet.
Die physikalische Basis für diese Messung ist ausschließlich
der fotoelektrische Effekt.
In "Glück auf" 93 (1957), H. 21/22, Seite 614 bis 632
wird allgemein über den Einsatz radioaktiver Isotope
und über ihre Verwendung im Steinkohlenbergbau berichtet.
Dabei wird allgemein auf die Verwendung von
Strahlung zur Bestimmung der Dichte und der Struktur
hingewiesen.
In der DE-OS 15 23 074 wird ein Verfahren und eine
Vorrichtung zur Bestimmung des Aschegehaltes von
Kohle beschrieben, bei dem Röntgenstrahlen und weiche
γ-Strahlen verwendet werden. Auch hier ist die
physikalische Grundlage der Messung allein der
fotoelektrische Effekt. In H.A. Enge, "Introduction
to Nuclear Physics", Addison-Wesly Publishing Co.
Reading Mass., 3. Aufl. 1970, S. 199-197 wird über
die physikalischen Grundlagen kernphysikalischer
Effekte referiert. Hierbei wird grundsätzlich auf die
Absorption von γ-Strahlung aufgrund des fotoelektrischen
Effektes, des Compton-Effektes und der Paarerzeugung
hingewiesen. In dieser Veröffentlichung findet
sich kein Hinweis auf die Verwendung derartiger
Effekte bei der Materialanalyse.
Die Veröffentlichung "Isotopenpraxis", 11. Jg.,
H.4/1975, S. 117-125 beschäftigt sich mit Analysenverfahren
unter Verwendung von Radionukleiden, insbesondere
mit der Röntgenemissionsanalyse. Auch bei
diesem bekannten Meßverfahren ist die physikalische
Basis der fotoelektrische Effekt.
Neutronentechniken können zur Messung der Konzentration
einiger Elemente in Massenkohleproben angewandt
werden. Asche kann indirekt aus der Messung des Kohlenstoff-
und Wasserstoffgehalts bestimmt werden, wie
in der eigenen australischen Patentanmeldung 39 253/78
und von Sowerby in Nuclear Instruments and Methods
160, (1979) 173 beschrieben. Andererseits kann Asche
durch Neutronenaktivierungsanalyse von Aluminium
und/oder Silicium in Kohle bestimmt werden. Die Aktivierungsanalyse
für Aluminium ist von Wormald et al.
in Internat. Journal of Applied Radiation and
Isotopes 30, (1979) 297, beschrieben. Bei diesem Verfahren
verlaufen jedoch Bestrahlung, Zerfall und Zählung
getrennt und die Genauigkeit hängt von dem Zusammenhang
von A1 mit Asche in der Kohle ab.
Wenn eine Probe mit γ-Strahlen einer Energie >1,022 MeV
bestrahlt wird, können Elektronen/Positronen-Paare erzeugt
werden, deren Gesamtenergie gleich der Energie des einfallenden
γ-Strahls ist. Dieser Vorgang, der Paarbildung genannt
wird, erfolgt nur im Feld geladener Teilchen, hauptsächlich
im Kernfeld, aber auch bis zu einem gewissen Grade im Feld
eines Elektrons. Das so entstandene Positron verliert rasch
fast seine gesamte Energie durch Zusammenstöße mit Elektronen
und Ionen und zerstrahlt dann durch Zusammenstoß mit einem
Elektron. Sowohl das Positron als auch das Elektron verschwinden
mit dem Auftreten zweier entgegengesetzt gerichteter
γ-Strahlen einer Energie von 0,511 MeV, der sogenannten Vernichtungsstrahlung.
Für γ-Strahlenenergien unter etwa 2 MeV kann der Gesamtquerschnitt
für die Paarbildung berechnet werden, wie von Overbo
et al. in Physical Review A8, (1973) 688, beschrieben, und
zwar aus dem Ausdruck
worin
Der Paarbildungsquerschnitt steigt rasch mit zunehmender
γ-Strahlenenergie. Es gibt jedoch wenige geeignete Radioisotopenquellen,
die γ-Strahlen deutlich über der Paarbildungsschwelle
emittieren. Einige geeignete Quellen sind
&sup6;ºCo (T1/2=5,3 Jahre, Eq=1,33, 1,17 MeV), ²²&sup8;Th (T1/2=1,9
Jahre, Eγ=2,62 MeV), ¹²&sup4;Sb (T1/2=60 Tage, Eγ=1,69 MeV)
und ²²&sup6;Ra (T1/2=1620 Jahre, Eγ=1,76 MeV). Von diesen
sind &sup6;ºCo und ²²&sup6;Ra die für industrielle Anwendungen am meisten
geeigneten aufgrund ihrer langen Halbwertzeiten und
leichten Verfügbarkeit.
Es kann gezeigt werden, daß die Intensität I der γ-Vernichtungsstrahlung
in einer Rückstreugeometrie proportional dem
Ausdruck
ist, worin ρ die Probendichte, ui, uo die Masseschwächungskoeffizienten
für einkommende und ausgehende Strahlung,
ti, to die Weglängen in der Probe für einkommende und ausgehende
Strahlung, Wi, Zi und Ai Gewichtsanteil, Ordnungszahl
und Atomgewicht des Elements i sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
der eingangs und im Oberbegriff des Patentanspruchs
1 erwähnten Art sowie eine Vorrichtung zur
Durchführung des Verfahrens zu schaffen, das eine geringere
Empfindlichkeit gegenüber Elementen hoher
Ordnungszahl (Z), wie Eisen und Calcium, sowie eine
geringere Empfindlichkeit gegen Feuchtigkeitsschwankungen
und dabei eine größere Eindringtiefe aufweist.
Das Verfahren soll zur Analyse einer Komponente mit
hoher Ordnungszahl Z in einer Matrix mit niedriger
Ordnungszahl Z geeignet sein.
Die Lösung dieser Aufgabe geschieht erfindungsgemäß
mit einem Verfahren, das die Merkmale aus dem kennzeichnenden
Teil des Patentanspruchs 1 aufweist. Vorteilhafte
Weiterbildungen des Verfahrens sind in den
Ansprüchen 2 bis 7 beschrieben. Eine Vorrichtung zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist Gegenstand
des Patentanspruchs 8. Vorteilhafte Weiterbildungen
dieser Vorrichtung sind in den Ansprüchen 9
bis 12 beschrieben. Der Grundgedanke der Erfindung
betrifft die Verwendung der Vernichtungsstrahlung für
die Elementaranalyse. Beim erfindungsgemäßen Verfahren
wird eine Probe mit γ-Strahlen einer Energie über
der Paarbildungsschwelle bestrahlt und gleichzeitig
wird die Vernichtungs- und Compton-Streustrahlung
gemessen. Aus Gleichung (2) ist zu ersehen, daß die
Intensität der Vernichtungsstrahlung etwa proportional
zu Z²/A ist und daß die Dichtekompensation für die
quantitative Analyse erforderlich ist.
Unter manchen Unständen kann, wenn gewünscht, die Genauigkeit
einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
oder mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführten
Analyse durch Kombination mit der Messung der
Vernichtungsstrahlung und der Schüttdichte, einer
oder mehrerer Messungen der Konzentration eines störenden
Elements oder einer Gruppe von Elementen mit
praktisch gleichen Ordnungszahlen, z. B. der Elemente
mit höherer Ordnungszahl der mineralischen Materialkomponente
der Kohle, wie Fe, verbessert werden. Eine
weitere geeignete Messung wäre die der Form des
Compton-Streustrahlungspeaks.
Der in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendete
Detektor kann ein einzelner Detektor oder eine Reihe
von Detektoren sein, deren Ausgangssignale kombiniert
werden, um die Konzentrationsquelle zu ergeben.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung liefert
eine Vorrichtung, in der die Detektoreinrichtung Detektoren
umfaßt, die so angeordnet sind, daß sie
beide entgegengesetzt gerichteten Vernichtungsquanten
zusammen erfassen, wobei die gemessene Koinzidenz-
Zählrate mit einer Messung der Compton-Streustrahlung
kombiniert wird, die mit den gleichen Detektoren oder
separat erfaßt werden kann.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und Methode eignen
sich für die Messung des Aschegehalts von Kohle um
ein Bohrloch herum.
Zur Untersuchung der Empfindlichkeit der Methode zur
Bestimmung der Asche in Kohle wurden Berechnungen
vorgenommen. Diese
Berechnungen gehen von einer Rückstreugeometrie und einer
&sup6;º-Co-Quelle aus. Ferner wurde von einer Kohlezusammensetzung
ausgegangen, die dem Mittel aller Proben australischer
Kohle entspricht, wie vom Joint Coal Board und Queensland
Coal Board Report on Australian Black Coals, September 1976,
angegeben. Der Einfluß von Änderungen verschiedener Parameter
ist in Tabelle 1 wiedergegeben.
Tabelle 1
Diese Berechnungen zeigen, daß für eine Anwendung, bei der
der Aschegehalt innerhalb 1 Gew.-% (tr.) bestimmt werden sollte, die
Vernichtungsstrahlungsintensität zu 0,8% relativ bestimmt
werden müßte. Unter den meisten Umständen wäre eine Korrektur
aufgrund von Schwankungen für Fe oder Wasser nicht erforderlich.
Verglichen mit der oben erörterten Röntgenstrahlentechnik hat
das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil der Verwendung
einer stärker eindringenden Strahlung, was Messungen an
größeren und somit repräsentativeren Kohleproben ermöglicht.
Außerdem ist das erfindungsgemäße Verfahren erheblich weniger
empfindlich gegenüber Schwankungen des Eisens als das mit
Einzelmassen-Schwächungskoeffizient und energiereicher
Röntgenstrahlung arbeitende Verfahren. Die Prüfung der Masseschwächungskoeffizienten
von Kohle, Asche und Eisen zur
Paarbildung und für 50 keV-Röntgenstrahlen zeigt, daß das erfindungsgemäße
Verfahren um einen Faktor von etwa 2,5
weniger empfindlich gegenüber Eisen ist als die Einzel-Röntgenstrahlenstreumethode.
Die Beziehungen zwischen berechneten Vernichtungs-γ-Strahlenausbeuten
und Kohleparametern wurden unter Verwendung von
112 australischen Kohlemassen bestimmt, die vom Joint Coal
Board und Queensland Coal Board veröffentlicht wurden. Die
Wechselbeziehungen zeigen, daß Asche unter Anwendung dieses
Verfahrens auf einen Wert innerhalb 0,77 Gew.-% bestimmt
werden sollte. Dies steht im Vergleich zu Fehlern von etwa
1,8 Gew.-% Asche für nicht-kompensierte Röntgenstrahlenverfahren.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren
weiter beschrieben, von diesen ist
Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer γ-Strahlenrückstreu-
Meßeinrichtung zur Bestimmung der Vernichtungs- und
Compton-Streustrahlungszählraten aus Schüttkohleproben
in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 2 ein Pulshöhenspektrum, erhalten unter Verwendung
der γ-Strahlenrückstreu-Meßeinrichtung der Fig. 1
mit einer 12 Gew.-% Asche enthaltenden Kohleprobe,
Fig. 3 ein Vergleich chemischer Laboruntersuchungen und
experimenteller Analysen der Asche für 13 Schüttkohleproben
mit <18 Gew.-% Asche aus der Utah
Blackwater-Mine. Die experimentellen Analysen wurden
aus den Intensitäten der 0,511-MeV-γ-Vernichtungsstrahlen
und der Compton-γ-Streustrahlen berechnet;
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Meßeinheit für
Zählraten der Compton-Streuung und der Vernichtungsstrahlung
aus einer Kohleprobe auf der Grundlage der
Koinzidenz zwischen entgegengesetzt gerichteten 0,511-
MeV-γ-Strahlen in einer anderen bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung.
Das erfindungsgemäße Verfahren wurde experimentell unter Verwendung
der in Fig. 1 dargestellten Einheit getestet. Gemäß
Fig. 1 wird eine Kohleprobe (1) von etwa 50 kg Masse einer
7,4 GBq &sup6;ºCo-γ-Strahlenquelle (2), abgeschirmt durch einen
Bleischirm (3), einen Uranschirm (4) und einen Wolframschirm
(5), ausgesetzt. Die Quelle (2) emittiert γ-Strahlen mit einem
Weg (6), was zu 0,511-MeV-γ-Vernichtungsstrahlen mit einem
Weg (7) zu einem Natriumjodid (T1)-Detektor (8) von 76 mm
Durchmesser und 76 mm Dicke führt. Der Detektor (8) wird durch
Bleischirme (9) und (10) gegenüber von außen kommender Strahlung
abgeschirmt. Diese Geometrie wurde gewählt, um sicherzustellen,
daß der Winkel für die Compton-Streuung über etwa
90° ist, so daß die Energie der Compton-gestreuten 1,33-MeV-
γ-Strahlung unter etwa 0,37 MeV liegt. Ein typisches Pulshöhenspektrum
einer Kohleprobe ist in Fig. 2 dargestellt. In dieser
Figur sind die Zählimpulse pro Kanal gegen die Kanalzahl aufgetragen,
was zu einem Spektrum führt, das die Compton-Streustrahlung
(12) und 0,511-MeV-Vernichtungsstrahlung (13) zeigt.
Zählraten, gemessen unter Verwendung einer 7,4 GBq &sup6;ºCo-Quelle,
waren etwa 700 Zählimpulse/s im 0,511-MeV-Photopeak (13) und
24 000 Zählimpulse/s im Compton-Streupeak (12).
Messungen erfolgten an 57 Steinkohleproben von jeweils etwa
180 kg aus verschiedenen australischen Kohlebergwerken.
Die Proben enthielten 5,0 bis 32,1 Gew.-% Asche und 0,6 bis
18,8 Gew.-% Eisen in der Asche. Die Probennahme erfolgte nach
dem Australischen Standard As-1676-1975, und die Proben wurden
chemisch analysiert.
Unterproben von jeweils etwa 50 kg Gewicht wurden in Al-
Container (11) zur Messung gebracht. Wenigstens zwei Unterproben
von jeder der 57 Schüttkohleproben wurden analysiert,
sowohl unkompaktiert als auch durch Rütteln und/oder Stochern
kompaktiert. Mittlere Fehlerabweichungen zwischen Asche nach
chemischer Laboranalyse und Asche berechnet aus den Vernichtungs-
und Compton-Streustrahlungsraten lagen zwischen
0,4 und 1,3 Gew.-% Asche, wie in Tabelle 2 gezeigt. Die
Asche wurde unter Anwendung einer Gleichung der Form
Asche = a · P + b · C + c (3)
berechnet, wobei a, b, c Konstanten sind, P die mittlere
0,511-MeV-Zählrate und C die mittlere Compton-Streustrahlungszählrate
ist.
Tabelle 2
Messungen erfolgten auch mit der Einheit der Fig. 1 zur
experimentellen Bestimmung der Einflüsse von Schwankungen
im Querschlag in Kohle, vertikaler Probenbewegung und Feuchtigkeit.
Die Ergebnisse dieser Messungen sind in Tabelle 3
zusammengefaßt:
Tabelle 3
Zu möglichen Anwendungen der Erfindung gehören die Kohleanalyse
im Schüttbetrieb auf einem Förderband oder in
einer Rutsche oder in einem Trichter, die Analyse der Masse
von Kohlebrei, die Analyse von Kohlebohrlochkernen und
die Bohrlochanalyse in situ.
Eine erste bevorzugte Ausführungsform der Erfindung führt
zu einer Ascheanalyse in Kohlemasse im Betrieb unter Verwendung
einer Einheit ähnlich der in Fig. 1 dargestellten.
Diese Einheit eignet sich für die Betriebsanalyse von Kohle
auf einem Förderband oder in einer Rutsche oder einem Trichter.
Die Kohle sollte hinsichtlich der Rückstreustrahlung
vorzugsweise von unbegrenzter Dicke sein (d. h. >20 cm).
Zu möglichen Verbesserungen dieser Einheit gehört die Optimierung
der Abstände Quelle/Detektor und Quelle/Probe und
die Einstellung der Abschirmdicken und die Detektorgröße.
Ebenso kann es wünschenswert sein, einfallende und/oder gestreute
Strahlung parallel zu machen, um entweder das Ansprechen
auf die Tiefe oder die Anpassung der Probenvolumina
zur Paarbildung und Compton-Streuung zu verbessern. Eine
weitere Verbesserung der Einheit in Fig. 1 kann erreicht werden,
wenn eine γ-Strahlenquelle höherer Energie verwendet
wird, wie z. B. ²²&sup8;Th oder ²²&sup6;Ra. Der Paarbildungsquerschnitt
für 2,62 MeV ²²&sup8;Th-γ-Strahlen ist um etwa den Faktor 15 höher
als für 1,33 MeV &sup6;º-Co-γ-Strahlen, wie von Yamazaki und
Hollander in Physical Review 140, (1965) B630, beschrieben.
Ebenso nimmt der differentielle Compton-Streuungsquerschnitt
bei Winkeln über 90° mit zunehmender γ-Strahlenenergie ab.
Die Anwendung von γ-Strahlen höherer Energie führt daher zu
einem viel größeren Verhältnis von Vernichtungs- zu Compton-
γ-Strahlung als für &sup6;ºCo. Die Verwendung einer γ-Strahlenquelle
höherer Energie erfordert Änderungen der Geometrie in
Fig. 1, z. B. eine verstärkte Abschirmung und Optimierung des
Winkels der Compton-Streuung.
Die Verbesserung aufgrund der Verwendung von Quellen höherer
Energie wurde unter Verwendung einer 13 MBq ²²&sup8;Th-Quelle
und einer 920 MBq ²²&sup6;Ra-Quelle in der Geometrie in Fig. 1
gemessen. Die gemessenen Zählraten, normalisiert auf
eine Quelle einer Stärke von 1 GBq, sind in Tabelle 4
für eine Kohleprobe mit 18,7 Gew.-% Asche angegeben. Doch
ist eine ²²&sup8;Th-Quelle einer Aktivität von 1 GBq oder darüber
schwer zu erhalten, und es kann gut sein, daß sich ²²&sup6;Ra
als am meisten zufriedenstellende Alternativquelle erweist.
Weitere Verbesserungen der Leistung der Meßeinrichtung können
mit einem größeren NaI(T1)-Detektor erhalten
werden. Die mit einer 1 GBq ²²&sup6;Ra-Quelle in einer
Rückstreueinheit ähnlich der der Fig. 1, aber unter Verwendung
eines 15 cm Durchmesser×10 cm NaI(T1)-Detektors
erhaltenen Zählraten sind in Tabelle 4 wiedergegeben. Mit
dieser Einheit ist eine Zählzeit von <5 min erforderlich,
um den Aschegehalt auf ± 0,5 Gew.-% zu bestimmen.
Tabelle 4
Im Rahmen dieser Arbeiten erfolgten Messungen in einer
Rückstreugeometrie, in der die Probe hinsichtlich der
Rückstreustrahlung unendlich dick ist (d. h. > 25 cm).
Doch sind aufgrund der engen Anpassung der Vernichtungsstrahlung
und der Compton-Strahlung als Funktion der Probentiefe
Meßfehler mit dünneren Proben nicht groß. Für
Proben einer Dicke > 19 cm weisen unkorrigierte Aschewerte
einen Fehler von weniger als 1 Gew.-% auf, und selbst
für Proben einer Dicke zwischen 12 und 19 cm sind die
Fehler im Aschegehalt nicht größer als 3 Gew.-%.
Separate Tiefenmessungen könnten erfolgen, um diese Werte,
wenn nötig, zu korrigieren.
Eine zweite bevorzugte Ausführungsform der Erfindung führt
zu einer Ascheanalyse in Masse in Kohle unter Anwendung
einer Koinzidenz-Zeittechnik ähnlich der in Fig. 4 veranschaulichten.
In dieser Figur wird eine Kohleprobe (1)
γ-Strahlen aus einer Quelle (19) ausgesetzt, die in einer
Bleiabschirmung (14) liegt. Die γ-Strahlen folgen dem Weg
(15) zur Kohleprobe (1), wo sie zwei entgegengesetzt gerichtete
0,511-MeV-γ-Strahlen (16) und (17) hervorrufen, die
durch Szintillationsdetektoren (18) und (18&min;) gerichtet werden.
Diese Anwendung beruht auf der Tatsache, daß zwei entgegengesetzt
gerichtete 0,511-MeV-γ-Strahlen emittiert werden,
wenn ein Positron zerstrahlt. Wenn sehr schnelle Szintillationsdetektoren
verwendet werden (z. B. plastische Phosphore),
kann eine sehr gute Unterscheidung der 0,511-MeV-γ-Strahlen
gegen den Compton-Streuuntergrund erhalten werden. Die Compton-
Streuzählrate wird entweder gleichzeitig in einem der Detektoren
(18&min;) oder separat unter Verwendung einer Streu-
oder Durchgangsmeßeinrichtung angepaßten Volumens gemessen.
Anspruch[de]
1. Verfahren zur quantitativen Bestimmung der Konzentration
des den Aschegehalt bildenden mineralischen
Materials aus einem ersten Element oder einer
ersten Gruppe von Elementen mit nahe beieinanderliegenden
hohen Ordnungszahlen in Kohle als Matrix
von Elementen mit deutlich von ersteren verschiedenen
niederen Ordnungszahlen mittels Strahlung,
dadurch gekennzeichnet, daß
a) wenigstens eine Messung einer 0,511-MeV-Vernichtungsstrahlung
über einem ausgewählten
Volumen der Matrix und
b) wenigstens eine Messung der oder proportional
zur Schütt- oder Massendichte über dem ausgewählten
Volumen mittels einer Messung der
Compton-gestreuten γ-Strahlen kombiniert
werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß mit den Messungen nach a) und b)
c) wenigstens eine weitere Messung der Konzentration
eines störenden Elements oder einer Gruppe
von Elementen mit im wesentlichen gleichen Ordnungszahlen
über dem gewählten Volumen kombiniert
wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die weitere Messung eine Messung der Form des
Compton-Streupeaks ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Messung der 0,511-MeV-Vernichtungsstrahlen
eine Messung beider entgegengesetzt
gerichteter Vernichtungsquanten ist.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die weitere Messung eine Messung der Konzentration
wenigstens eines Elements des mineralischen
Materials mit höherer Ordnungszahl ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß das Element mit höherer Ordnungszahl Fe ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß der Aschegehalt der
Kohle um ein Bohrloch herum gemessen wird.
8. Vorrichtung zur quantitativen Messung der Konzentration
des den Aschegehalt bildenden mineralischen
Bestandteils aus einem ersten Element oder
einer ersten Gruppe von Elementen mit nahe beieinander
liegenden hohen Ordnungszahlen in Kohle als
Matrix von Elementen mit deutlich von ersteren
verschiedenen niederen Ordnungszahlen mittels
Strahlung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens
gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung folgende
Teile enthält:
(i) eine γ-Strahlen liefernde Quelle (2, 19)
ausreichender Energie für Paarbildung,
(ii) eine mit der Quelle verbundene Detektoreinrichtung
(8, 18) zum Nachweis der 0,511-
MeV-Vernichtungsstrahlung,
(iii) eine erste Detektoreinrichtung (8, 18&min;) zur
Messung der oder proportional zur Schütt-
oder Massendichte mittels Erfassung compton-
gestreuter γ-Strahlen, die im praktisch
gleichen Volumenbereich der Matrix entstehen
wie die Vernichtungsstrahlung,
(iv) Abschirmeinrichtungen (3, 4, 5; 14) zwischen
der Quelle und der Detektoreinrichtung zur
Reduzierung der Intensität der auf die Detektoreinrichtung
prallenden γ-Strahlen der
direkten Quelle und
(v) mit den Ausgangssignalen der Detektoreinrichtung
und der Meßeinrichtung verbundene
Rechnereinrichtungen zum Berechnen der Konzentration.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß sie ferner wenigstens eine zweite Detektoreinrichtung
aufweist, die Messungen der Konzentration
eines störenden Elements oder einer Gruppe
von Elementen mit nahe beieinander liegenden Ordnungszahlen
aufweist, wobei der Ausgang der zweiten
Detektoreinrichtung mit der Rechnereinrichtung
zur Verbesserung der Genauigkeit verbunden ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung
(8, 18) eine Vielzahl von Detektoren aufweist, deren
Ausgänge kombiniert sind.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung
(8, 18) einen einzelnen Detektor aufweist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung
so angeordnete Detektoren (18, 18&min;) aufweist,
daß beide entgegengesetzt gerichteten Vernichtungsquanten
zugleich erfaßbar sind.