USD 60.7379

+0.36

EUR 62.1245

-0.32

BRENT 89.77

+2.55

AИ-95

0

AИ-98

0

ДТ

0

7 мин
76
0

Забойный автоматический лазерный макроанализатор для комплексного освоения УВ запасов (+ аудио)

Россия занимает одно из ведущих мест в мире по добыче полезных ископаемых, полностью обеспечивая потребности всех отраслей страны собственным минеральным сырьем. От эффективности освоения запасов во многом зависит состояние нефтегазовой и смежных отраслей. ГРР на любой стадии проводятся в комплексе и заканчиваются, прежде всего, определением количества и качества заключенного в месторождении полезного компонента, его формы и размеров. В последнее время прогресс лабораторных исследований идет по линии создания и внедрения аппаратурных методов, способных в короткий срок, с расчетной достоверной вероятностью, определять содержание полезных компонентов. За последнее десятилетие отечественная аналитика накопила богатый опыт по анализу минералов, руд и продуктов, содержащих полезные компоненты в пробах различного и часто весьма сложного физико-химического состава.

Забойный автоматический лазерный макроанализатор для комплексного освоения УВ запасов (+ аудио)

Это статью можно прослушать


За последние годы неоднократно делались попытки разработки экспрессных методов анализа минерального сырья без отбора и подготовки проб, в естественном залегании. Эти приборы особенно необходимы при скоростной проходке подземных горных выработок и механизированной проходке в сложных горнотехнических условиях.

Создание оптического квантового генератора (ОКГ) – источника мощного оптического излучения открыло широкие перспективы использования энергии светового пучка в задачах анализа минерального сырья. Попытки использования лазеров в качестве источника возбуждения спектра предпринимались практически во всех областях применения спектрального анализа. Иногда возбуждение спектра достигается за счет энергии излучения самого лазера, [1] но чаще для этого используют искровой разряд, проходящий сквозь струю газов лазерного факела. Методы эмиссионного спектрального анализа с применением лазеров обеспечивают хорошую воспроизводимость (Sr = 0,10) при содержаниях определенных элементов до 

В области взаимодействия лазерного излучения с веществом за последние годы накоплен богатый теоретический и практический опыт. В широком диапазоне плотностей световых потоков взаимодействие лазерного излучения с сильного поглощающими средами можно описать с помощью тепловой модели, согласно которой весь процесс можно условно разбить на несколько стадий:

  • Поглощение света и передачи энергии тепловым колебанием решетки твердого тепла;

  • Нагревание материала до стадии разрушения;

  • Разрушение материала, разлет расплавленного и испаренного вещества;

  • Остывание после взаимодействия лазерного излучения.

Лазерное излучение, взаимодействуя на вещество частично отражается и частично поглощается, вызывая интенсивный нагрев объекта, на который он сфокусирован. В месте взаимодействия излучения происходит бурный процесс кипения, и испарения вещества по характеру напоминающий термический микровзрыв в фокальной плоскости объектива. Происходит мгновенный выброс расплавленного вещества и паров. Сильный разогрев выброшенных из кратера паров приводит к возбуждению и ионизации атомов исследуемого вещества. Характер процессов, происходящих в момент воздействия лазерного излучения на вещество определяет характер спектрасветящегося пламенного облачка, который по цвету и форме характерен для каждого химического элемента, из которого состоит вещество. В основном, на этом принципе построен лазерный микроспектральный анализ. Поступление вещества при сфокусированном лазерном излучении носит взрывообразный характер, поэтому испарение легко и труднолетучих элементов происходит одновременно без фракционного разделения. Механизм взаимодействия мощного лазерного излучения на вещество иллюстрируется на рис.1.


При взаимодействии лазерного излучения с веществом электромагнитное излучение частично отражается и частично поглощается в зависимости от коэффициента отражения вещества. Поглощенные веществом электромагнитные излучения почти мгновенно превращаются в тепловую энергию. Для этого случая изменение плотности светового потока по глубине подчиняется закону Бугера:

 где


Эта формула применима к различным материалам в широком диапазоне длин волн. Известно, что в металлах и сплавах кванты света в основном поглощаются электронами проводимости, которые рассеивают поглощенную энергию на тепловых колебаниях решетки за время релаксации  

Но так как время релаксации значительно меньше длительности лазерного импульса, можно считать, что нагрев веществ происходит почти мгновенно, после воздействия импульса лазерного излучения на вещество. Температура нагрева зоны воздействия лазерного излучения в основном зависит от мощности источника времени воздействия и теплопроводящей способности вещества [5]. Размеры прогретой зоны    сначала определяется глубиной проникновения излучения в вещество.

δ= 1/α

Потом, по мере нагрева расчет за счет теплопроводимости как   – коэффициент температуропроводности. Скорость роста температуры в лазерном облачке при взаимодействии излучения с веществом, кроме энергетических характеристик источника и свойств вещества определяется глубиной проникновения излучения δ, прогретого слоя  и радиуса зоны воздействия  . Если эти три величины меньше размера облучаемого вещества, то это вещество считают полубезграничной средой. И второе условие, если прогретый путем теплопроводности слой значительно больше глубины проникновения излучения   то источник тепла принято считать поверхностным. В зависимости от этих условий выполняется расчет температур в зоне лазерного воздействия на вещество. При взаимодействии лазерного излучения с горной породой встречается условие δ<<, так и δ>> (полупрозрачные среды). Второе условие в основном встречается только на высококварцевых золотосодержащих рудах. В первом, наиболее часто встречающемся условии , поверхностный источник, расчет температуры центральной зоны облучения производим по формуле,   

T =(2) где, T – температура центра зоныg = g0A – плотность поглощенного светового потокаR – теплопроводность - коэф. температуропроводности - время, длительность импульса- начальная температура

Для второго случая, когда условии   расчеты проводят по формуле (для полупрозрачных сред):

 - плотность- удельная теплоемкость вещества- глубина проникновения излучения

Эта формула не учитывает теплопроводность в направлении лазерного излучения, что очень важно в том условии, когда состав исследуемого вещества заведомо неизвестен. Так же при воздействии лазерного излучения на горную породу при  можно пренебречь теплоотводом, учитывая, что у горных пород довольно низкий коэффициент теплопроводности.

Важной характеристикой на стадии взаимодействия лазерного излучения с веществом является продолжительность свечения паров после окончания лазерного импульса. Продолжительное послесвечение позволяет более линейно зарегистрировать оптическую характеристику спектра исследуемого вещества [4]. Рассмотрев взаимодействие лазерного излучения с веществом можно сделать вывод о целесообразности использования этого вида энергии для создания и диагностики плазмы. Нашей целью является количественное и качественное определение содержаний компонентов в анализируемом веществе. Если для целей металлургии лазерноспектральные методы нашли свое применение, то для определения содержаний неизвестных компонентов в геологических образцах (кроме минералов) вопрос остается еще открытым.

 

Проблема

Известно, что погрешность определения результата выражается между определенным количеством компонента и истинным содержанием его в анализируемом образце. Истинное же содержание компонента в образце остается неизвестным. Основная погрешность получается на стадии отбора и подготовки аналитической пробы, ошибка же самого анализа химико-спектральными и другими методами 

Это в первую очередь вызвано неравномерным распределением изучаемого компонента по всему объекту исследования (рис.2). На основании этого в настоящее время выделяют погрешности, образованные геологическими факторами (отбор пробы, первичная подготовка материала до фракции 1 мм) и погрешности, обусловленные аналитическими факторами (подготовка аналитических проб и сам анализ).



Решение

Разрабатываемый оптический квантовый генератор 1 должен создать мощное когерентное излучение с λ = 1,06 мкм, которое посредством оптической системы 2, через защитное стекло 3 будет фокусироваться на образец или горную породу в естественном залегании (рис.3). Лазер должен работать с частотой следования импульсов ω = 25, 50, 100 гц.

 

Спектр светящегося облачка, через кварцевое защитное стекло 4, объективом 5 должен направляться на интерференционный узконаправленный светофильтр 6, который будет вырезать узкую область спектра (λ = 242,183 мм) для линии золота. А для серебра область (λ = 243.779) поз.13. Оба светофильтра должны быть закреплены в револьверной головке и посредством поворота меняться, в зависимости от того, на какой элемент выполняется анализ; светофильтры 6, 13 будут стоять в параллельном ходе лучей. Линза будет фокусировать оптический сигнал на фотодиод или ФЗУ. Величина электрического сигнала зависит от содержания полезного компонента. Электрический сигнал с ФЭУ будет усиливаться посредством усилителя 9 и поступать на счетно-решающее устройство 10, которое должен выполнять усреднение всех поступающих электрических сигналов в соответствии с количеством импульсов, т.е.


Усредненный по величине сигнал должен поступать через дешифратор на цифровой индикатор 11 и магнитный блок 12.

Заключение

Изображение оптических квантовых генераторов открыло широкие возможности использования очень интенсивного светового излучения в науке и технике. Особенно незаменимы лазеры при изучении взаимодействия мощного светового излучения с веществом. К этому явлению относится множество разнообразных эффектов, часто совершенно различных по своей природе и по методам исследования. Замечательные свойства лазеров – исключительно высокая когерентность и направленность излучения, возможность создания высокой интенсивности в видимой инфракрасной и Уø – области спектров, получение высоких плотностей энергии уже на заре создания квантовых генераторов указывали на возможность их широкого распространения в науке и технике. Появляются новые и усовершенствуются старые типы лазеров, создаются лазерные установки для решения конкретных технических задач, совершенствуются приборы управления лазерным лучом и измерительная техника. Это послужило причиной глубокого проникновения лазеров в науку и технику.

Данная разработка даст возможность делать экспрессный анализ минерального сырья без отбора и подготовки проб, в естественном залегании. Эти приборы необходимы при скоростной проходке подземных горных выработок и механизированной проходке в сложных горнотехнических условиях.



Статья «Забойный автоматический лазерный макроанализатор для комплексного освоения УВ запасов (+ аудио)» опубликована в журнале «Neftegaz.RU» (№7, Июль 2022)

Авторы:
Комментарии

Читайте также