Диссертация (Радиотехнические приёмно-преобразующие устройства оптико-электронных систем), страница 9

Следует отметить, что форма АЧХ фильтра инвариантна по отношению кперестановке ВШП. Динамический диапазон фильтра в первом DR1 и во втором DR2вариантах определяются выражениями:DR1 DR2 k 2 I biasm2 4kTBk 2 I biasm4 4kTB1126rb m3 f 02 2 a 2 24 f 0a m1 9.9k 2f 0aN 2 hFE1126rb m3 f 02 2 a 2 (1.16)24 f 0a m3N 2 hFE, 9.9k 2f 0aгде введены обозначения: k2 – коэффициент электромеханической связи, а – апертура, f0 –частота акустического синхронизма, В – полоса пропускания фильтра, N1 и N2 – количествопар электродов неаподизованного и аподизованного ВШП, rb – объемное сопротивление базытранзистора,m1  1  0.21 k 2 N 22(1.17)m2  1  0.81k 2 N1  2.1 k 2 N1m3  1  2.4 k 2 N122m4  1  1.3k 2 N 2  2.1 k 2 N 22.Теоретические расчеты приведены для фильтра на подложке из ниобата лития –центральная частота 100 МГц, полоса пропускания 5 МГц.

Вариант 2 обеспечивает шумовоенапряжение на выходе усилителя на 9 дБ ниже, чем в варианте 1, поэтому конфигурация 2обеспечивает наилучшую чувствительность. Динамический диапазон конфигурации 1 на 5 дБбольше ДД конфигурации 2. Этот факт связан с тем, что выходной каскад входного усилителяработает на более низкоомную нагрузку аподизованного ВШП.Таким образом, в литературных источниках, рассматривающих вопросы разработкиметодик расчета и проектирования ППУ на основе акустоэлектронных устройств, неучитываются тепловые шумы пьезоплаты и не рассматривается возможность примененияпротивошумовых коррекций на входе и выходе пьезоплаты. Поэтому достижимый уровень38коэффициента шума при допустимом уровне искажений сигнала при расчетах посуществующим методикам остается высоким.Решению поставленных вопросов посвящена Глава 5 диссертации.1.5. Радиотехнические приемно-преобразующие устройства регистрацииэлектромагнитных волн рентгеновского диапазона в рентгено-абсорбционныхсепараторахИспользуемые в настоящее время технологии извлечения природных минералов из рудытребуют совершенствования в плане повышения целостности извлекаемых особо ценныхминералов.Рентгенолюминесцентнаятехнологияиспользуетмеханическоеизмельчениекимберлитовой руды в мельницах мокрого самоизмельчения.

Алмаз обнаруживается поостаточной люминесценции после облучения рентгеновским излучением многослойногопотока руды только в том случае, если он отделен от кимберлита или находится наповерхностикуска.Недостаткамирентгенолюминесцентнойтехнологииявляетсянеобходимость измельчения руды до выхода алмазов на поверхность кусков. В результатеизмельчения руды минералам алмазов наносятся многочисленные технологические сколы, чтозначительно снижает их ценность.Гравитационная технология использует разницу в плотности алмаза (3,4 – 3,55 г/см3) ипустой породы (около 2,5 г/см3). При подборе плотности жидкости на среднем уровне междуплотностью алмаза и пустой породы (около 3,0 г/см3) куски с алмазами в такой жидкоститонут, а куски без алмазов – всплывают.

Для ускорения процесса разделения используютвращение жидкой среды с кусками породы в гидроциклонах. Куски с алмазами вращаются поорбитам с большими радиусами, чем куски пустой породы. Однако, средняя плотность кускас алмазом лишь немного превышает плотность пустой породы из-за малой объемной долиалмаза в куске, поэтому гравитационная технология требует прецизионного поддерживанияплотностижидкойсреды.Недостаткамигравитационнойтехнологииявляются:принципиальная невозможность селективного выделения алмазов; нанесение экологическоговреда окружающей среде за счет использования больших объемов воды и тяжелых сред(растворов солей); на доводочных операциях все равно приходится использоватьрентгенолюминесцентные сепараторы.Одной из важнейших задач народного хозяйства является разработка и созданиерентгено-абсорбционной технологии извлечения природных минералов в кусках руды.Рентгено-абсорбционная технология может быть применена для извлечения природныхалмазов и минералов бериллиевой группы (в том числе изумрудов) в кусках породы39(кимберлитов).

В диссертации рассматривается применение рентгено-абсорбционнойтехнологии на примере извлечения природных алмазов в кусках кимберлита. В основерентгено-абсорбционнойтехнологиилежитпрохождениеэлектромагнитныхволнрентгеновского диапазона через среды. Рентгено-абсорбционная технология обладает рядомпреимуществ перед используемыми традиционными технологиями, к которым относятсярентгенолюминесцентная и гравитационная технологии.Рентгено-абсорбционная технология в значительной степени снижает недостаткирентгенолюминесцентной и гравитационной технологий.

Метод рентгено-абсорбционнойтехнологии представлен рис. 1-5.Блок управлениярентгеновскойтрубкойРентгеновскаятрубкаИммерсионнаясредаСмеситель рудыи иммерсионнойсредыКусковаярудаКонвейерДетекторрентгеновскогоизлученияБлок управления,регистрации иобработкиинформацииППУРентгено-абсорбционный сепараторРис. 1-5.

Метод рентгено-абсорбционной технологииМетод основан на регистрации прохождения электромагнитных волн рентгеновскогодиапазона через среду, в которой кусковая руда помещена в иммерсионную среду, имеющуюкоэффициент поглощения, близкий коэффициенту поглощения кимберлита. Увеличениеинтенсивности излучения в местах расположения алмазов регистрируется рентгеновскимдетектором, преобразуется в фототок и обрабатывается в блоке управления, регистрации иобработкиинформации(УРОИ).Существеннымотличиемрентгено-абсорбционнойтехнологии от существующих является возможность извлечения алмазов из кусков породы безнанесения техногенных сколов, что существенно повышает качество добываемых алмазов.Важную роль в этой технологии играют вопросы прохождения электромагнитных волнрентгеновского диапазона через среды: кимберлит, алмаз, иммерсионную среду исцинтиллятор, а также вопрос разработки ППУ оптико-электронных систем рентгеноабсорбционных сепараторов, представляющих производственное оборудование даннойтехнологии.1.5.1.

Прохождение электромагнитных волн рентгеновского диапазона через средыПри прохождении электромагнитных волн рентгеновского диапазона через средывозникают процессы рассеяния и поглощения рентгеновского излучения, а также рождения40электронно-позитронных пар. Последний эффект имеет место при жестком рентгеновскомизлучении (1 МэВ и выше), что превышает область рентгено-абсорбционной технологии и вдиссертации рассматриваться не будет.

Основной источник рентгеновского излучения длялабораторных исследований и практического применения – рентгеновская трубка, в которойформируется тормозное и характеристическое излучения. Тормозное рентгеновскоеизлучение – электромагнитное излучение, которое возникает в результате торможенияускоренных электронов в кулоновском поле ядер атомов анода. Ускоренный вэлектромагнитном поле разностью потенциалов между катодом и анодом электрон припопадании в кулоновское поле ядер атомов анода начинает двигаться по криволинейнойтраектории, теряя свою энергию. Большая часть энергии расходуется на нагрев анода, аменьшая (порядка 1%) выделяется в виде электромагнитного излучения, которое и называюттормозным рентгеновским излучением.

Спектр тормозного рентгеновского излучения неможет иметь кванты с энергией больше, чем полная энергия электронов Emax=eVt (e – зарядэлектрона, Vt – напряжение анода трубки). Если разогнавшийся электрон всю свою энергиюпри торможении передаст образующемуся кванту, то квант будет иметь максимальнуюэнергию рентгеновского излучения, то есть Emax  eU a  h hcmin(h – постоянная Планка, ν –частота кванта) .

Максимальной энергии квантов в спектре соответствует минимальная длинаволны, так как длина волны и частота (т.е. энергия) обратно пропорциональны. Таким образом,спектр тормозного рентгеновского излучения имеет коротковолновую границу. Спектральнаяинтенсивность тормозного рентгеновского излучения определяется формулой КрамерсаI ( E )  kiZ ( E0 E  1) , где k – коэффициент пропорциональности  10-9, i – ток, протекающийчерез рентгеновскую трубку, Z – атомный номер материала анода, E 0 – максимальнаяэнергия квантов в спектре тормозного рентгеновского излучения, соответствующаяминимальной длине волны,E0  Vtв электрон-вольтах,Vt - анодное напряжениерентгеновской трубки. Полная интенсивность излучения рентгеновской трубки равнаинтегралу от спектральной интенсивности: I  minХарактеристическоеI ( )d  E0 I ( E )dE .0рентгеновское излучение определяется разностьюэнергийэлектронов на различных орбитах.

Спектр характеристического рентгеновского излученияимеет сложную форму, которая состоит из отдельных пиков или линий излучения. Частоталинии характеристического излучения определяется законом Мозли: 11  2  ,2 n1 n2   cR ( Z  S ) 2 (1.18)41где R = 109737 см-1 - постоянная Ридберга, S – экранирующая постоянная (как правило, близкак единице), Z – атомный номер элемента, в атоме которого происходит переход, n i – главныеквантовые числа уровней, участвующих в переходе. В спектральном смысле линиихарактеристического излучения узкие. Причина их уширения заключается в том, что разностьэнергий между уровнями постоянно слегка меняется, так как уровни размыты из-за того, чтовнутренняя энергия атома не бывает равной нулю.К рассеянию рентгеновского излучения относят когерентное и некогерентное рассеяние.При когерентном рассеянии (эффект Томсона) рассматривается модель положительнозаряженных ядер атомов вещества в переменном электромагнитном поле.

Заряженныечастицы, находясь в электромагнитном поле, совершают гармонические колебания и являютсяисточником электромагнитного излучения. Частота этого излучения равна частотевоздействующего электромагнитного поля, то есть падающего рентгеновского излучения. Принекогерентном рассеянии налетающий квант рентгеновского излучения соударяется сэлектроном, который находится в веществе, и передает ему часть своей энергии.

В итоге этоговзаимодействия, длина волны рентгеновского кванта увеличивается, а его энергия,соответственно, уменьшается. Сдвиг энергии рассеянного рентгеновского излучения зависитот угла падения и атомного номера элемента.Поглощение является одним из наиболее важных процессов, приводящих к ослаблениюпотокарентгеновскогоизлученияприегопрохождениичерезвещество.Подфотопоглощением понимается процесс выбивания рентгеновским квантом электрона изоболочки атома, для чего требуется, чтобы энергия кванта была больше некоторогоминимального значения. Место выбитого при акте поглощения электрона занимает другойэлектрон, при этом испускается излучение с меньшей энергией фотона, происходит т.н.процесс флуоресценции. Спектральная зависимость коэффициентов фотопоглощения имеетвид гиперболы с несколькими резкими скачками фотопоглощения.

Общее уменьшениекоэффициента фотопоглощения с увеличением энергии квантов обусловлено ростом ихпроникающей способности. Если энергия квантов несколько меньше, чем энергия связиэлектрона на K - оболочке, то вырывание электрона с K - оболочки не происходит икоэффициент фотопоглощения мал.Суммарное действие двух процессов: поглощения и рассеяния определяет ослабление(экстинкцию) рентгеновского излучения в веществе. Атомный коэффициент ослабления(экстинкции) рентгеновского излучения  a можно представить в виде суммы a   a   a , где a - атомный коэффициент рассеяния рентгеновского излучения, a - коэффициентпоглощения рентгеновского излучения.