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Dokumentenidentifikation DE3047824C2 03.02.1994
Titel Verfahren und Vorrichtung zur quantitativen Bestimmung der Konzentration des den Aschegehalt bildenen mineralischen Materials in Kohle
Anmelder Australian Atomic Energy Commission, Lucas Heights, New South Wales, AU
Erfinder Sowerby, Brian David, Kareela, New South Wales, AU
Vertreter Koepsell, H., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 50672 Köln
DE-Anmeldedatum 18.12.1980
DE-Aktenzeichen 3047824
Offenlegungstag 29.10.1981
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 03.02.1994
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.02.1994
IPC-Hauptklasse G01N 23/00
IPC-Nebenklasse G01V 5/12   

Beschreibung[de]

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. 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
    1. a) wenigstens eine Messung einer 0,511-MeV-Vernichtungsstrahlung über einem ausgewählten Volumen der Matrix und
    2. 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. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit den Messungen nach a) und b)
    1. 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. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Messung eine Messung der Form des Compton-Streupeaks ist.
  4. 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. 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. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Element mit höherer Ordnungszahl Fe ist.
  7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Aschegehalt der Kohle um ein Bohrloch herum gemessen wird.
  8. 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:
    1. (i) eine γ-Strahlen liefernde Quelle (2, 19) ausreichender Energie für Paarbildung,
    2. (ii) eine mit der Quelle verbundene Detektoreinrichtung (8, 18) zum Nachweis der 0,511- MeV-Vernichtungsstrahlung,
    3. (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,
    4. (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
    5. (v) mit den Ausgangssignalen der Detektoreinrichtung und der Meßeinrichtung verbundene Rechnereinrichtungen zum Berechnen der Konzentration.
  9. 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. 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. 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung (8, 18) einen einzelnen Detektor aufweist.
  12. 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.






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