Способ идентификации минералов и идентификатор минералов (его варианты)

 

Использование: изобретение относится к минералогии, геологии и физике твердого тела. Сущность изобретения: для повышения достоверности идентификации минералов без разрушения их образцов используют импульсные потоки или цуги импульсно-периодических потоков электронов, параметры которых выбирают из условий возбуждения импульсной катодолюминесценции, воспроизводимости ее спектрального состава и физического неразрушения идентифицируемого образца. Способ реализуется с помощью устройств - идентификаторов минералов, базирующихся на импульсно-периодических ускорителях электронов. При этом для идентификации отдельного минерала его закрепляют на неподвижном приспособлении на пути электронного потока, диафрагмированного металлической диафрагмой, которая одновременно диафрагмирует и световой поток импульсной катодолюминесценции. Для непрерывного обнаружения конкретных минералов в горной породе последнюю устанавливают на подвижном приспособлении (в виде ленты транспортера), а фоторегистрацию осуществляют после облучения породы по выходе ее из зоны непосредственного воздействия электронного ускорителя. 3 с. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к минералогии и может быть использовано при анализе минерального состава горных пород, для идентификации видов минералов, в ювелирной промышленности и криминалистике.

Известен способ идентификации хрупких минералов, по которому идентификацию осуществляют сравнением измеренных параметров акустической эмиссии с эталонными параметрами чистых минералов. При этом акустическую эмиссию возбуждают путем давления на минерал усилием, равным хрупкой прочности анализируемого минерала. По своей сущности этот способ является разрушающим, что является его существенным недостатком.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является катодолюминесцентный способ анализа минералов [1] по которому минералы облучают квазинепрерывным длительностью до нескольких минут потоком электронов плотностью тока 20-40 мкА/см² при энергии электронов 30 кэВ, а регистрацию осуществляют последовательным сканированием фотоприемником заданного диапазона спектра катодолюминесценции, что заведомо увеличивает время экспозиции.

Недостатками такого способа являются большая длительность облучения образца, низкая информативность из-за использования непрерывного потока электронов при низкой плотности его тока, низкая достоверность результатов из-за модификации поверхности анализируемого образца под действием длительного электронного потока, необходимость предварительной подготовки поверхности облучаемого образца и изменение его свойств под действием электронного потока.

Технической задачей предлагаемого изобретения является обеспечение неразрушаемости образцов и повышение достоверности их идентификации.

Техническая задача достигается тем, что возбуждение импульсной катодолюминесценции осуществляют путем облучения образца одним или цугом импульсов электронного потока, регистрируют спектр катодолюминесценции, сравнивают его со спектром катодолюминесценции эталонов, на основе которого проводят идентификацию образца, причем параметры электронного потока выбирают из условий: 80 ≅ E ≅ 500 (1) i_e ≥ A ˙ Φ_П (2) j_eτ≅ minB c·ΔT (3) Здесь Е средняя энергия электронов в кэВ; j_e амплитуда плотности тока в А/м²; Φ_П- порог чувствительности фотоприемника в Вт; τ длительность импульса электронного потока в с; d,s линейный размер и площадь облучения образца, соответственно в м и м²; ΔТ допустимая температура облучаемой зоны образца, не вызывающая его разрушения в К; Ae ˙( h ν ˙ s ˙ R_e ˙ α ˙ N ˙ σ )^-1 А/Вт ˙м²; В 4 π ε ε_o E_п ˙e^-1 Кл/м; С c ˙ ρ ˙ e ˙ R_e ˙Е^-1 Кл/м²К, здесь h ν- энергия фотона; α- коэффициент ослабления светового потока, включающий в себя квантовый выход люминесценции, ограничение телесным углом приемной системы и потери света в спектральной аппаратуре; е заряд электрона; R_e пробег электрона в образце; N концентрация центров свечения; σ сечение возбуждения электронами излучающих центров; с, ρ теплоемкость и плотность образца; ε_o диэлектрическая постоянная, ε диэлектрическая проницаемость минерала. k₁ и k₂ коэффициенты, учитывающие отвод электрического заряда и тепла соответственно за время между импульсами электронного потока; n число импульсов в цуге.

В предлагаемом способе существенно новым является режим облучения образцов минералов электронными потоками, параметры которых удовлетворяют требованиям (1-3), что ведет к реализации поставленной цели.

На фиг. 1 приведены нормированные на собственный максимум спектры импульсной катодолюминесценции: 1 прозрачного кварца (I₁ 1), 2 апатита (I₂ 32), 3 кальцита (I₃ 7), 4 берилла (I₄ 2,5) (I интенсивность в максимуме спектральной полосы).

На фиг.2 приведена зависимость относительной статистической погрешности измерения максимума интенсивности спектральной полосы от числа импульсов электронного потока, по которым производится усреднение.

Способ основан на возбуждении люминесценции примесных ионов, у которых собственные энергетические уровни расположены в запрещенной энергетической зоне диэлектрического или полупроводникового твердого тела. Расположение и ширина этих уровней определяются сортом примесного иона и свойствами кристалла. Поэтому параметры полос люминесценции индивидуальны для каждого минерала даже в случае одних и тех же примесных ионов. Например, длина волны R-линии Cr³⁺ изменяется в зависимости от типа решетки, в которую внедрены ионы Cr³⁺: в α -корунде λ= 694 нм; в хризоберилле λ= 681 нм; в иттрий-алюминиевом гранате λ=687 нм и т.д.

Как правило, полосы люминесценции на переходах с указанных возбужденных уровней лежат в видимой и непосредственно прилегающих к ней областях оптического спектра, являющихся удобными для регистрации современными фотоприемниками. Способ, по своей сущности, подобен способам спектрального анализа химических элементов и молекул. Последнее подтверждается спектрами видимой импульсной катодолюминесценции, приведенными на фиг.1, зарегистрированных предлагаемым способом.

Наличие соотношения (1) обусловлено следующими причинами. Нижний предел ограничения энергии электронов связан с наличием у поверхности минералов зоны повышенной концентрации примесных атомов с характерным размером зоны 10-100 мкм [2] Для получения объективной информации об образце необходимо обеспечить превышение глубины пробега электронов в образце R_e в несколько раз по сравнению с толщиной примесной зоны. Принимая типичное троекратное превышение и пользуясь известной формулой Бете для тормозных потерь энергии электронов в веществе, получаем нижнюю границу по средней энергии электронов. Выполнение этого условия снимает проблему адсорбированных поверхностью атомных слоев, толщина которых менее 10 мкм, и избавляет от обязательной зачистки поверхности образца. Верхний предел по ограничению энергии электронов обусловлен тем, что при энергии свыше 500 кэВ в минералах идет образование необратимых радиационных дефектов, искажающих спектр люминесценции и модифицирующих свойства анализируемого образца.

Соотношение (2) обусловлено необходимостью регистрации и обработки катодолюминесценции. Для этого амплитуда плотности электронного тока j_eдолжна быть таковой, чтобы пиковое значение импульсной катодолюминесценции превышало значение порога чувствительности фотоприемника Φ_П используемого для реализации способа. Так как способ основан на люминесценции примесных центров и дефектов, возбуждаемых бомбардирующими минерал электронами, то интенсивность светового потока люминесценции I(ν ) на частоте ν достигающая фотоприемник, пропорциональна скорости возбуждения примесных центров N*: I( ν ) hν ˙ S ˙ R_e ˙ α ˙ d N^* / t h ν ˙ S ˙ R_e ˙ α ˙ σ ˙ N ˙ j_e ˙ e^-1 ≥ Φ_П (4) Из этого выражения (4) получается критерий для минимальной амплитуды плотности тока j_e (2). Видно, что интенсивность люминесценции зависит от концентрации примесных ионов и иных люминесцирующих дефектов. Чем чище и совершеннее минерал, тем большая плотность тока электронов требуется для реализации пороговой интенсивности. Для оценки минимального значения j_e выберем характерные для минералов значения: концентрация примесей N 10¹⁷ см^-3 (10^-4% ), σ= 10^-20 см², энергия фотона видимого диапазона спектра 2-4 эВ, пробег электронов в минерале R_e 3 ˙10^-4 м, коэффициент ослабления света α 10^-5 -10^-6, при квантовом выходе излучения 0,1 телесном угле приема 10^-4 стерадиан и потерях в спектральном приборе 0,1. Тогда при типичном пороге чувствительности ФЭУ Ф_п 10^-11-10^-12 Вт имеем согласно (2) j_e ≥10²A/м². Повышение плотности тока будет способствовать увеличению интенсивности катодолюминесценции, расширению ее спектрального диапазона и круга анализируемых образцов, особенно это касается наиболее чистых минералов. К такому же эффекту приводит и снижение потерь света, то есть увеличение коэффициента α.

В соотношении (3) длительность импульса электронного пучка τ выбирается из двух условий, во-первых, из недопустимости разогрева облучаемого объема минерала до температуры, приводящей к необратимым изменениям свойств минерала или его разрушению, во-вторых, из недопустимости возникновения в среде минерала электрического пробоя, обусловленного внедренным в него избыточным электрическим зарядом электронного потока, которое может привести к разрушению минерала. Первое условие для одиночного импульса без учета стока тепла из облучаемого объема за время облучения дает ограничение вида: j_e ˙ τ ˙ S ≅ Δ T ˙ e ˙ c ˙ ρ ˙ S ˙ R_e ˙ E^-1(5) Для минералов, содержащих легкоиспаряемые вещества, например водосодержащие, Δ T ≅ 100^оС. Произведение с˙ ρ при комнатной температуре слабо зависит от сорта минерала и приблизительно равно сρ ≃ 2,5 ˙10⁶ Дж(м³К)^-1. Соотношение eR_e/E определяется через формулу Бете для тормозных потерь и ее минимальное значение для наших параметров электронного потока приблизительно равно 2 ˙10^-9 м/В. В итоге получаем значение коэффициента С в формуле (3): С ≃ 5 ˙10^-3 Кл(м²К)^-1, а длительность импульса электронного потока с учетом минимального значения плотности тока, приведенного выше: τ ≅5 мс.

Второе условие для одиночного импульса требует выполнения ограничения типа: j_e ˙ τ ≅ E_п ˙ 4 π ε ε_o ˙d/S (6)
Принимая ε ≃ 2,5-3 и характерное значение пробойной напряженности поля для диэлектриков Е_п ≃ 10⁷ В/м, получаем значение коэффициента В из формулы (3) В ≃ 5 ˙10^-3 Кл/м и значение τ ≅ 5 мс при d ≃ 1 см и S ≃ 1 см². Для смягчения этого ограничения можно пользоваться плазменными или металлическими заземлителями, позволяющими частично снять заряд с анализируемого образца.

При облучении образцов цугом импульсов электронного потока необходимо учитывать накопление тепла и электрического заряда в образце от предыдущих импульсов. За междуимпульсный период Δt 1/f (f частота следования импульсов) за счет собственного градиента температуры δT/d отвод тепла из образца будет равен:
Δ Q λ ˙ Δ t ˙ δ T/d; δTQ /(c˙ ρ ˙ R_e) (7) а отвод электрического заряда за счет собственного электрического поля Е:
Δ ρ_e γ ˙ E ˙ Δ t E ρ_e ˙ R_e² / (2 ε ε_o d²) (8)
Здесь λ и γ коэффициенты тепло- и электропроводности материала образца соответственно; ρ_e- объемная плотность внедренного заряда. Остальная часть внедренного тепла и заряда к моменту прихода следующего импульса остается в образце. Учет этого остатка осуществляется в (3) посредством коэффициентов k_i, равных:
k₁ [1-(1-1/n) ˙D₁]^-1; k₂ [1-(1-1/n)˙ D₂]^-1, (9) где D₂ λ ˙ (c ˙ ρ ˙ R_e ˙ d ˙ f)^-1 и D₁ γ ˙R_e² ˙ (2 ε ε_o ˙ d² ˙ f)^-1.

В зависимости от λ и γ материала коэффициенты k_i могут принимать значения: 1 ≅ k_i ≅ n. Например, при моноимпульсном режиме (n 1) и при очень низкой тепло- и электропроводности материала образца k_i= 1, в то время как при высоких значениях λ и γ -k_i ≈ n.

Из этих двух условий произведение j_e τ должно удовлетворять минимальному. Следует отметить, что плотность тока, удовлетворяющая неравенству (4), соответствует условию регистрации минимальной интенсивности люминесценции для центра спектральной полосы. Поэтому для спектрального разрешения крыльев полосы требуется большая плотность тока.

Облучение образцов цугом импульсов электронного потока осуществляется с целью обеспечения допустимой величины статистической погрешности измерения путем усреднения спектральной информации по n импульсам катодолюминесценции. Эта погрешность связана со статистическими шумами фотоприемной аппаратуры и со статистической нестабильностью параметров электронного потока. Выбор конкретной величины n можно осуществлять по предварительно полученным экспериментальным графикам, подобным приведенному на фиг.2, или расчетным путем, пользуясь аппаратом математической статистики. Фиг.2 иллюстрирует уменьшение статистической погрешности с ростом числа импульсов n в цуге. При 60-70 импульсах относительная погрешность уже не превышает 5% что приводит к хорошей воспроизводимости спектральной информации и повышает качество идентификации. С другой стороны, режим облучения образцов цугами импульсов позволяет возбуждать люминесценцию с метастабильных уровней чистых минералов путем накопления на них возбуждений.

Предложенный способ по сравнению с прототипом позволяет проводить анализ образцов без их разрушения или модификации и увеличивает достоверность идентификации.

Идентификатор минералов относится к устройствам, обеспечивающим импульсный катодолюминесцентный способ идентификации минералов, и может быть использован в минералогии, геологии, в ювелирной промышленности, в криминалистике.

Известен катодолюминесцентный анализатор типоморфизма минералов, в котором анализируемые образцы минералов помещают в геометрическую камеру и облучают непрерывным электронным потоком с энергией электронов 3-5 кэВ. Существенным недостатком известного анализатора является ограниченность возможности анализа небольшим количеством хорошо люминесцирующих минералов, что связано с источником электронов.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является катодолюминесцентный микроскоп [2] в котором имеется источник электронов, генерирующий квазинепрерывный поток электронов длительностью более минуты, плотностью тока 0,2-0,4 мкА/мм² и энергией электронов 30 кэВ, приспособление для установки образцов, оптический тракт для вывода люминесценции к спектральному прибору, спектральный прибор сканирующий монохроматор, фотоприемник типа ФЭУ и устройство для преобразования сигнала с ФЭУ.

В известном устройстве источник электронов и приспособление для установки образцов располагаются в общем объеме, который после загрузки образцов вакуумируется, что увеличивает время анализа и усложняет работу оператора. Малая плотность тока электронного потока влечет за собой низкую интенсивность катодолюминесценции, что приводит к существенному ограничению круга анализируемых минералов. Низкая энергия электронов позволяет получать информацию только из поверхностных слоев толщиной менее 10 мкм, что влечет за собой обязательное требование тщательной механической и химической предварительной обработки поверхности образца, то есть разрушению первоначального образца, и увеличивает суммарное время анализа. Длительное время регистрации спектра катодолюминесценции методом сканирования спектра фотоприемником требует длительного облучения образца электронным потоком (несколько минут), что приводит к изменению свойств поверхностного слоя минерала и изменению спектра катодолюминесценции во времени уже в процессе регистрации, то есть приводит к искажению информации и понижению точности идентификации минералов. Этот же процесс приводит к необратимым изменениям свойств анализируемого образца, ввиду перегрева облучаемого объема. И, наконец, известное устройство не позволяет идентифицировать минералы по относительным интенсивностям спектральных полос.

Технической задачей изобретения является реализация импульсного катодолюминесцентного способа идентификации минералов, в том числе и драгоценных камней, обеспечивающего простоту операций, неразрушение анализируемых образцов и повышение достоверности идентификации.

Для достижения поставленной технической задачи в идентификаторе, содержащем источник электронов, приспособление для установки анализируемого образца на пути электронного потока, фоторегистрирующую систему и систему обработки информации, в качестве источника электронов используют импульсно-периодический ускоритель электронов, к которому присоединяют блок, управляющий частотой и числом импульсов, генерируемых ускорителем электронов, а на пути электронного потока устанавливают металлическую диафрагму таким образом, чтобы через ее калиброванное отверстие электронный поток поступал на анализируемый образец, а световой поток люминесценции с его поверхности через это же отверстие попадал на спектральный прибор.

Для обнаружения конкретных минералов в горной породе на конвейерных линиях приспособление для установки образцов выполнено в виде движущейся ленты (транспортера), а фоторегистрирующая система установлена так, что она осуществляет прием излучения минералов, вышедших из зоны облучения на расстояние
l ≅ v ˙ τ где v скорость движения ленты транспортера, м/с,
τ- длительность излучения, с.

Новым в предлагаемом устройстве является использование импульсно-периодического ускорителя электронов с блоком, управляющим частотой и числом импульсов, а также металлическая диафрагма и ее расположение в устройстве.

На фиг.3 представлена блок-схема идентификатора минералов; на фиг.4 блок-схема идентификатора минералов для идентификации на конвейере.

Идентификатор по фиг. 3 содержит импульсно-периодический ускоритель 1 электронов, с которым электрически соединен блок 2 управления частотой и числом импульсов электронного потока. К ускорителю 1 пристыковано приспособление 3 для установки образца в виде металлического столика с установленным на нем анализируемым образцом 4. На пути электронного потока 5 на столике 3 жестко установлена металлическая диафрагма 6, являющаяся опорой для крепления образца и пропускающая через свое калиброванное отверстие электронный поток 5 на образец 4 и световой поток 7 в фоторегистрирующую систему 8. Столик 3 с установленными на нем диафрагмой 6 и образцом 4 помещен в камеру 9 локальной защиты от тормозного рентгеновского излучения, охватывающей катодную часть ускорителя с возможностью доступа к анализируемому образцу через крышку 10 и вывода светового потока 7 через окно 11 в систему 8 фоторегистрации. Система 8 фоторегистрации связана с блоком 12 обработки информации (ЭВМ).

В идентификаторе по фиг.4 приспособление 3 для установки образцов выполнено в виде движущейся ленты (транспортера), а система 8 фоторегистрации установлена так, что она осуществляет прием излучения минералов, вышедших из зоны 13 облучения, на расстояние
l≅ v ˙ τ где v скорость движения ленты транспортера,
τ- длительность излучения.

В качестве системы 8 фоторегистрации может выступать телекамера или человеческий глаз, блок 12 обработки информации и диафрагма в этом случае могут отсутствовать.

Идентификатор по фиг.3 работает следующим образом. Открывается крышка 10 камеры 9 локальной защиты и на столик 3 устанавливают анализируемый образец 4 одной из своих поверхностей вплотную к диафрагме 6 таким образом, чтобы его поверхность целиком заполняла калиброванное отверстие диафрагмы 6. После этого крышка 10 закрывается и включается питание ускорителя 1 электронов, управляющего блока 2, системы 8 фоторегистрации и блока 12 обработки информации. Затем на управляющем блоке 2 устанавливается режим облучения (моноимпульсный или импульсно-периодический с заданным числом импульсов в цуге) и подается команда на включение электронного ускорителя 1 в режим генерации импульсов электронного потока 5, который распространяется в воздушной среде и сквозь калиброванное отверстие в диафрагме 6 бомбардирует образец 4. Световой поток 7 катодолюминесценции проходит через то же самое калиброванное отверстие диафрагмы 6, окно 11 и попадает в систему 8 фоторегистрации. В ней световой поток разлагается на спектральные составляющие и информация передается в блок 12 обработки информации (ЭВМ). На экране дисплея ЭВМ по истечении времени экспозиции высвечивается спектр катодолюминесценции анализируемого образца. По истечении заданного на блоке 2 управления времени экспозиции он подает команду на выключение ускорителя электронов. Последний выключается из режима генерирования электронных потоков и запускается ЭВМ в режим идентификации минерала путем сравнения измеренных параметров спектра его катодолюминесценции с параметрами спектров эталонов, хранящихся в банке ЭВМ. Результат поиска высвечивается на экране дисплея ЭВМ.

По окончании идентификации открывается крышка 10, вынимается образец и закладывается, если это необходимо, новый. Процесс повторяется или аппаратура окончательно выключается, если анализ прекращается.

При отсутствии или недостаточности банка спектральных данных импульсной катодолюминесценции анализ проводят по принципу "да-нет" сравнением (автоматическим или визуальным) спектра анализируемого минерала со спектром известного минерала на предмет принадлежности анализируемого минерала к классу известного.

Отличие работы идентификатора по фиг.4 от работы идентификатора по фиг.3 состоит в том, что одновременно включается система 8 фоторегистрации, электронный ускоритель 1 в режим генерации электронного потока 5 и движение ленты транспортера, предварительно загруженной горной породой, а система фоторегистрации обнаруживает в ней наличие конкретного минерала по цветности излучения после выхода горной породы из зоны 13 облучения.

На блоке управления задают частоту повторения импульсов f электронного потока и их число n. Число импульсов в цуге n f ˙t выбирают из условия заданной статистической погрешности измерения интенсивности люминесценции, которая определяет степень объективности идентификации минералов, особенно одного класса. Максимальная частота f определяется скоростью регистрации и обработки спектра фотоприемной и регистрирующей аппаратурой, а также условиями (4) способа. Комбинация этих параметров определяет время экспозиции t n/f.

Статистическая погрешность определяется нестабильностью параметров электронного ускорителя и шумами фотоприемной и регистрирующей аппаратуры. Для современных импульсно-периодических ускорителей электронов и систем фоторегистрации, например многоканального оптического анализатора спектра на базе ПЗС-линейки, статистическая погрешность интенсивности люминесценции на уровне 5% достигается уже при 60-70 импульсах. Быстродействие приемной аппаратуры и условия (4), а также импульсно-периодические ускорители электронов допускают режим работы с частотой повторения импульсов f ≥ 50 Гц. Если основываться на этих параметрах, то время экспозиции одного образца составляет величину 1,2-1,4 с на несколько порядков меньше, чем в известном устройстве. Малое время экспозиции при большой импульсной интенсивности катодолюминесценции в предлагаемом устройстве обеспечивает гораздо меньший, чем в известном устройстве ввод энергии и электрического заряда в ана лизируемый образец. Например, при параметрах электронного потока: Е 200 кэВ, j_e 100 А/см², τ= 3 ˙10^-9 с, f 50 Гц, n 60 за время экспозиции t 1,2 в образец внедряется 1,8 10^-5 Кл/мс² электрического заряда и 3,6 Дж/см² энергии, диссипируемой впоследствии в тепло. В то же время в известном устройстве при Е 30 кэВ, j_e 2 ˙ 10^-5 А/см² и t 90 с внедряемый заряд и энергия составляют соответственно 1,8 ˙10^-3Кл/см² и 54 Дж/см², то есть на два порядка по заряду и более чем на порядок по энергии больше, чем в предлагаемом устройстве.

В предлагаемом устройстве по сравнению с известным существенно увеличена плотность электронного тока. Это приводит к увеличению примерно во столько же раз интенсивности импульсной катодолюминесценции и к возбуждению ее в чистых минералах, в которых классическая катодолюминесценция не возбуждается. Таким образом, предлагаемое устройство позволяет идентифицировать более широкий круг минералов, не являющихся классическими катодолюминофорами.

В предлагаемом устройстве на пути электронного и светового потоков устанавливается металлическая диафрагма с калиброванным отверстием. Она выполняет несколько функций. Во-первых, диафрагмирует электронный поток, во-вторых, диафрагмирует световой поток люминесценции, а также выполняет роль одной из опор образца и является радиационным экраном. Первые две функции позволяют проводить сравнение спектров не только по распределению интенсивности катодолюминесценции по длинам волн, но и по относительной интенсивности спектральных полос и их максимумов без специальной обработки поверхности образца с целью получения одинаковых площадей облучения. Величина относительной интенсивности является важным параметром идентификации, особенно минералов одного класса, у которых спектральные полосы практически совпадают, например минералы класса кварца. При этом диафрагма должна быть металлической для того, чтобы ее поверхность не люминесцировала под воздействием электронного потока.

В предложенном варианте фиг.3 использован в качестве системы фотоpегистрации полихроматор с многоканальным оптическим анализатором спектра, что позволяет осуществлять регистрацию спектра катодолюминесценции во всем заданном диапазоне единовременно. Такой прием исключает искажение спектральной информации за счет деградации спектра во время длительного облучения электронными потоками, присущей известному устройству, и соответственно повышает объективность и надежность идентификации. Возможность вывода информации на ЭВМ обеспечивает быструю обработку информации и сравнение ее с известной заложенной в банк ЭВМ информацией.

В качестве системы фоторегистрации в идентификаторе по фиг.4 можно использовать человеческий глаз или цветную телекамеру с блоком обработки, позволяющим проводить автоматический отбор обнаруженных минералов по спектру или цветности люминесценции. Предлагаемые способ и устройства возбуждают во многих минералах спектральные полосы фосфоресценции с длительностью высвечивания от единиц до десятков минут. Поэтому зоны возбуждения и обнаружения таких минералов могут быть пространственно разнесены на расстояние, не превышающее произведения скорости движения ленты транспортера на время высвечивания минерала.

Высокая по сравнению с известным устройством средняя кинетическая энергия электронов потока позволяет получать спектральную информацию из глубины образца порядка 100-500 мкм, что повышает ее объективность. Такая информация более адекватно отражает структуру минерала и сам минерал, так как его поверхностные слои толщиной 10-100 мкм сильно загрязнены примесями [2] Большая глубина проникновения электронов в минерал (пробег электронов) в предлагаемом устройстве допускает проводить анализ без предварительной специальной обработки его поверхности, то есть не разрушается первоначальный образец. Это особенно важно при идентификации драгоценных камней. Кроме того, большая энергия электронов позволяет проводить облучение образца в воздушной среде, поскольку такие электроны распространяются в воздухе на десятки сантиметров. Эти обстоятельства способствуют существенному упрощению операций по подготовке образца к анализу, установке его в идентификатор при замене образцов и допускают проводить анализ, например, драгоценных камней, не вынимая их из оправ. Наконец, возможность облучения образца электронами в воздушной среде практически снимает ограничение на линейные размеры образца в большую сторону. С помощью предлагаемого устройства могут подвергаться анализу без разрушения образцы размерами от десятых долей сантиметра до десятков сантиметров.

Из-за высокой чувствительности, объективности и хорошей воспроизводимости спектральной информации, неразрушаемости анализируемых образцов, простоты операций, быстроты анализа и возможности полной автоматизации предлагаемые способ и устройство для идентификации минералов могут не только идентифицировать тип минерала, но и определять его модификацию, отличать природные драгоценные камни от синтетических и фальшивых, давать информацию о месторождении минерала.

П р и м е р. Для практической реализации способа и устройства была собрана установка по блок-схеме, приведенной на фиг.3. Использовался электронный ускоритель, генерирующий электронные потоки с параметрами: Е 300 кэВ, j_e 10 А/см², τ=1,2 ˙10^-8 с с возможностью изменения частоты повторения от моноимпульсного режима до 512 Гц. Электронный поток выводился в воздушную среду и на его пути устанавливалась медная диафрагма с калиброванным отверстием площадью 1 см², к которой прижимался анализируемый образец. Световой поток люминесценции от образца через это же отверстие диафрагмы под углом 90^о к электронному потоку выводился на линзу, установленную в полутора метрах от образца. Сфокусированное линзой излучение попадало в двойной дифракционный полихроматор, на выходной диафрагме которого шириной 12,5 мм вырезался участок спектра от 350 до 850 нм. Весь этот участок спектра единовременно регистрировался многоканальным оптическим анализатором спектра на базе 512-элементной ПЗС-линейки. Информация с анализатора спектра подавалась в ЭВМ типа IBM РС, с которой производилось управление режимом работы ускорителя.

На фиг.1 приведены несколько спектрограмм импульсной катодолюминесценции от разных минералов, полученных на этой установке. Они наглядно иллюстрируют возможности предлагаемого способа и устройства. Индивидуальность полос люминесценции каждого минерала позволяет производить не только идентификацию отдельных минералов, но и обнаруживать их в горных породах. Хорошая воспроизводимость спектра (статистическая погрешность измерения интенсивности катодолюминесценции ≅ 5%) на данной установке достигалась при числе импульсов в цуге 60-70 (фиг.2). При частоте повторения импульсов f 32 Гц время экспозиции при этом равнялось t 1,8-2 с. Разрушение образцов и изменение их свойств после облучения не наблюдалось вплоть до частоты f 256 Гц при том же количестве импульсов в цуге.

Формула изобретения

1. Способ идентификации минералов, включающий облучение образца потоком электронов, регистрацию и измерение параметров спектра катодолюминесценции и сравнение их с параметрами спектров катодолюминесценции эталонов и идентификацию образца, отличающийся тем, что образец облучают одним или цугом импульсов электронного потока, причем параметры электронного потока выбирают из условий
80 ≅ E ≅ 500;
j_e ≥ A · Ф_п;

где E - средняя энергия электронов, кэВ;
j_е - амплитуда плотности электронного тока, А/м²:
Ф_п - порог чувствительности фотоприемника, Вт;
τ - длительность импульсов электронного тока, с;
d, S - размер облучаемого образца и площадь облучения, м и м²;
DT - допустимая температура перегрева облучаемой зоны образца, не вызывающая его разрушения, К;
A= e(hν·S·R_e·α·N·a)^-1,
A/(Вт·м²);
B = 4πεε_oE_п, Кл/м ,
C=c·e·ρ·R_e·E^-1, Кл/(м²·K),
где hν - энергия фотона, Дж;
a - коэффициент ослабления светового потока;
e, R_e - заряд электрона и его пробег в образце, Кл и м соответственно;
N, d - концентрация центров свечения и сечение их возбуждения электронами, м^-3 и м² соответственно;
C, ρ - теплоемкость, Дж (кг · К), и плотность образца, кг/м³;
e, ε_o - диэлектрическая проницаемость образца и вакуума;
E_п - напряженность электрического поля статического пробоя образца, В/м;
n - число импульсов в цуге, которое выбирают из условия задаваемой статистической погрешности и измерения интенсивности катодолюминесценции;
K₁ и K₂ - коэффициенты, учитывающие отвод электрического заряда и тепла соответственно.

2. Идентификатор минералов, включающий источник электронов, приспособление для установки анализируемого образца на пути электронного потока, систему светосбора и фоторегистрации, катодолюминесценции, оптически связанную с образцом и подключенную к блоку обработки информации, отличающийся тем, что в идентификатор дополнительно введены металлическая диафрагма с калиброванным отверстием и блок управления частотой и числом импульсов электронного потока, при этом в качестве источника электронов установлен импульсно-периодический ускоритель электронов, к которому присоединен блок управления частотой и числом импульсов, а приспособление для установки образцов снабжено металлической диафрагмой, местоположение которой выбрано из условия поступления на образец через отверстие диафрагмы потока электронов и светосбора импульсной катодолюминесценции с поверхности образца через это же отверстие.

3. Идентификатор минералов, включающий источник электронов, приспособление для установки анализируемого образца на пути электронного потока, систему светосбора и фоторегистрации катодолюминесценции, оптически связанную с образцом и подключенную к блоку обработки информации, отличающийся тем, что в идентификатор дополнительно введен блок управления частотой и числом импульсов электронного потока, при этом в качестве источника электронов установлен импульсно-периодический ускоритель электронов, к которому присоединен блок управления частотой и числом импульсов, а приспособление для установки образцов выполнено в виде движущейся ленты транспортера, причем система светосбора и фоторегистрации катодолюминесценции установлена так, что расстояние l между осью электронного потока и оптической осью системы светосбора фоторегистрации удовлетворяет условию
1≅ V·τ_i,
где V - скорость движения ленты транспортера, м/с;
τ_i- - длительность излучения импульсной катодолюминесценции.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4