用于确定材料中元素含量的方法
【专利摘要】本发明提供了一种用于确定材料中元素含量的方法，例如诸如煤或精炼油的轻基体材料中的诸如汞、铅、铀、钚、钨或金的重元素，所述方法可以作为在线测量进行，并且所述方法使得可以进行精确地测定甚至非常低的含量，尤其是低于0.1％的含量。根据本发明，使用诸如X射线吸收谱(例如XAS、XANES、EXAFS)的技术测定特征吸收值。此测量利用了以下事实：当照射光束的能量超出元素的特征吸收限时，所述元素的吸收值显著上升。因此，根据本发明，在一个高于所述吸收限的能量区间中和在一个低于所述吸收限的能量区间中的透射的X射线束的强度之间的差值被确定。
【专利说明】用于确定材料中元素含量的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于确定材料中至少一种元素的含量的方法。
【背景技术】
[0002] 在很多工业应用中，必须确定基体材料中一种或多种元素的含量。常常地，需要或 至少希望在在线测量中确定所述含量。例如，一个众所周知的问题是：需要测量煤中的总灰 分含量。这里，总灰分含量一般在1%至50%的范围内。现有如何进行测量以确定总灰分 含量的已确认的技术。最常见的方法是所谓的双能量法。用不同能量的两种X射线或Y 射线束照射样品。测量透射，并确定面积权重和平均原子数。如果已知灰分的组成，那么就 能够计算出煤的灰分含量。在更复杂的方法中，用X射线束照射煤的表面，并测量构成灰分 的金属的荧光峰（所谓的XRF测量）。用这种方法，不仅可以确定总灰分含量，还可以确定 灰分的组成。由于越重的元素的荧光峰的能量越高，较重元素的测量比轻元素的测量更容 易。
[0003] 特别地，因为严格的环境法规，不仅确定煤的总灰分含量是必要的，而且确定一些 有毒元素（尤其是汞）的精确含量也是必要的。因为汞是具有高能量的特征κ α线的重元 素，所以使用上面提到的XRF技术基本上很容易进行汞的测量。但是，事实表明：因为现实 生活中的样品的汞含量非常低，所以使用XRF技术的在线测量的结果不能令人满意。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种用于确定材料中元素含量的方法，所述方法可以作为在 线测量来进行，并且所述方法使得能够对即使非常低的含量、特别是低于0. 1 %的含量进行 准确地确定。
[0005] 根据本发明，不是对感兴趣的元素的特征辐射值进行测量，而是对特征吸收值进 行测量。这种测量利用了以下事实：当照射光束的能量超出元素的特征吸收限时，所述元素 的吸收值显著上升。因此，根据本发明，确定在一个高于所述吸收限的能量区间中和在一个 低于所述吸收限的能量区间中透射的X射线束的强度之间的差异。这种差异在许多应用中 是与所搜索元素的含量在很大范围内直接地成线性关系的。在许多应用中，特别是如果所 搜索元素的含量低，并且如果所搜索元素为高Ζ元素且基体材料为低Ζ材料，则测量由激发 得到的吸收值具有很多与特征辐射测量有关的优势。一个最重要的方面是相关的信号以与 被照射的样品的厚度成线性方式增加至大范围。所以，只要材料在所使用的能量范围内的 吸收足够低，使得辐射可以穿透基体材料从而可以由检测器检测到辐射，那么可以通过使 用更厚的基体材料层加强测量。由于几何结构的原因，当测量荧光时，情况完全不是这样。
[0006] 当确定所搜索元素的含量时，为计入厚度，通常必须保持样品的厚度恒定或必须 测量样品的厚度或面积权重。
[0007] 现在将基于优选实施方式参考附图详细说明本发明。附图示出：
【专利附图】
【附图说明】
[0008] 图1本发明第一实施方案的示意图；
[0009] 图2用于确定煤中的汞的含量的典型频谱，其中X轴表示光子能力，其Y轴表示计 数；
[0010] 图3本发明第二实施方案的示意图；
[0011] 图4如图2中那样的典型频谱，但Y轴表示吸收系数；
[0012] 图5第二实施方案的一种变化；和
[0013] 图6第二实施方案的另一种变化。
【具体实施方式】
[0014] 现在将对本发明进行详细说明。在所描述的实施例中确定了煤中的汞的含量。这 是本发明的一个重要的应用，但需要提及的是很多其它的应用也是可能的。特别地，如果测 量诸如焦炭、煤炭、石油、木材、矿石（例如铁矿石）以及其它低Z矿物质等的具有相对低Z 平均值的基体材料中诸如汞、铅、铀、钚、钨、金等的高Z元素的量，则所述方法非常有用。
[0015] 图1示出了用于进行根据本发明的方法的装置的第一实施方案的所有必需部分。 此装置包括以下元件：x射线源10、X射线源10下游的第一准直仪14、第一准直仪14下游 的第二准直仪42、能量分散型检测器40、连接到所述能量分散型检测器的多道分析器44和 连接到所述多道分析器的计算单元50。X射线源、第一准直仪、第二准直仪和能量分散型检 测器相对于彼此是共线的。可以在X射线源的下游设置过滤器12。过滤材料的原子数应比 所搜索的元素大两个或三个元素。对于汞，可以使用铅过滤器。将用于输送基体材料B-这 里为煤-的传送带30设置在两个准直器之间。输送机，特别是传送带，优选垂直于从X射线 源传播至X射线检测器的X-射线束延伸。提供了用于测量输送机上的基体材料的面积权 重和/或厚度的装置。此装置可以是以由CS 137源和检测器组成的CS137透射线的形式（如 将在后面描述的那样）。如果所述材料的密度是恒定的，则可以测量层厚度t。用于测量所 述层厚度的装置可以是激光扫描器20,但也可以是其它测量装置。用于测量基体材料厚度 的装置也连接到计算单元50上。
[0016] 由于康普顿和/或瑞利散射辐射可能影响测量，特别是由于不完善的准直，可以 提供额外的检测器70。在所示的实施方案中，此检测器被布置在背散射几何结构中，但也可 以将此检测器布置在透射几何结构中。将额外的检测器70的信号传输到计算单元50,使得 可以将所测得的散射的辐射用于校正的目的。
[0017] X射线源在汞的83. IKeV(例如70和90KeV之间）的K吸收限附近产生连续谱。 可以过滤所有其它能量，因为它们对于这个测量没有用。
[0018] 检测器"看到"的、由多道分析器分析并被所述计算单元使用以计算所需信息的典 型光谱示于图2中。人们可以清楚地看到在83. IKeV处的吸收限。在此能量下，由于吸收在 吸收限的变化，透射（以陡阶梯式）急剧下降。只要线性近似适用，则此阶梯的"高度"（以 后称为△计数）直接正比于材料的厚度和所关注元素（此处为汞）的含量。这种线性近 似在本实施例中适用于高达至少5英寸的基体材料的厚度，以及达到至少0. 1 %的汞的含 量。不言而喻的是：这里所描述的方法也适用于非线性范围；在后面将给出非线性公式。但 为了通过简单的运算来解释本发明，以如下步骤使用所述线性近似：
[0019] 在仅低于吸收限的第一能量区间中，以一个确定的时间间隔对光子进行计数。所 述能量区间取决于检测器系统的能量分辨率，并且不是很关键，例如5KeV。所述时间间隔应 该足够长以充分减小统计误差，例如30s。被计数的光子数量被称为计数 <￡。对应地，在仅 高于吸收限的、具有与第一能量区间相同宽度的第二能量区间中对光子进行计数。当然，所 述时间间隔与第一能量区间的时间间隔相同。被计数的光子数量被称为计数胃。只要在基 体材料中不存在所搜索的元素（此处为汞），则计数^和计数e基本上相同。当存在所搜索 的元素时，这会改变。在这种情况下，计数 s小于计数^。其差被称为Λ计数。
[0020] 在线性近似中，应用以下运算：
[0021] Λ计数=计数低-计数高
[0022] 并且
[0023] 计数高=计数低*c*d*const
[0024] 其中
[0025] c =所搜索元素的含量
[0026] d =基体材料的厚度
[0027] const =常数（取决于共振吸收的截面，取决于几何结构并且取决于计算含量所 用的单位）
[0028] 所以
[0029] Δ计数=计数低-计数低*c*d*const
[0030] 并且
[0031]
【权利要求】
1. 一种用于确定材料中元素的含量的方法，其包括下列步骤： -用在待测量元素的吸收限的面积中具有连续谱的X射线束照射所述材料， -用能量分散型检测器（40)测量透射的X射线束的强度， -确定在高于所述吸收限的能量区间中和在低于所述吸收限的能量区间中的透射的X 射线束的强度， -在所述强度的基础上计算所述元素的含量。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中将所述材料在传输装置上输送，并且通过计算手 段进行计算，使得在在线过程中自动地确定所述元素的含量。
3. 根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述元素的原子数高于所述材料的 平均原子数。
4. 根据权利要求3所述的方法，其中所述材料为煤、或从煤精炼的产品、或油、或从油 精炼的产品。
5. 根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述元素为汞、铅、铀、钚、钨或金的 一种。
6. 根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述材料中所述元素的含量为 〇. 1 %或更低。
7. 根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于额外地测量所述被照射材料 的面积权重或厚度。
8. 根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于额外地测量散射的辐射。
9. 用于完成根据权利要求1所述的方法的设备，所述设备包括： -X射线源（10); -以与所述X射线源（10)共线方式被设置的能量分散型X射线检测器（40); -被连接到所述X射线检测器（40)的鉴别器或多道分析器44 ;和 -被连接到所述鉴别器或多道分析器的评估装置。
10. -种用于确定材料中元素含量的方法，其包括下列步骤： -用具有高于待测量元素的吸收限的能量的第一X射线束或Y射线束照射所述材料， -用具有低于待测量元素的吸收限的能量的第二X射线束或Y射线束照射所述材料， -测量透射的第一和第二X射线束或Y射线束的强度， -确定所述透射的第一X射线束或Y射线束的强度和所述第二X射线束或Y射线束 的强度之间的差值或比值， -在所述差值或比值的基础上计算所述元素的含量。
11. 根据权利要求10所述的方法，其中将所述材料在传输装置上输送，并且通过计算 手段进行计算，使得在在线过程中自动地确定所述元素的含量。
12. 根据权利要求10-11中的任一项所述的方法，其中所述元素的原子数高于所述材 料的平均原子数。
13. 根据权利要求12所述的方法，其中所述材料为煤、或从煤精炼的产品、或油、或从 油精炼的产品。
14. 根据权利要求10-13中的任一项所述的方法，其中所述元素为汞、铅、铀、钚、钨或 金的一种。
15. 根据权利要求10-14中的任一项所述的方法，其中所述材料中所述元素的含量为 〇. 1 %或更低。
16. 根据权利要求10-15中的任一项所述的方法，其特征在于额外地测量所述被照射 材料的面积权重或厚度。
17. 根据权利要求10-16中的任一项所述的方法，其特征在于额外地测量散射的辐射。
【文档编号】G01N23/09GK104115005SQ201380008643
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2013年2月4日 优先权日:2012年2月9日
【发明者】A·克莱因 申请人:E·克茨