Взаимодействие радиоволнового излучения с веществом

Радиоволновое излучение представляет собой распространяющееся в пространстве переменное электромагнитное поле с длиной волны 10^-3÷10⁴ м.

Характер взаимодействия радиоволн с горными породами определяется их электрическими и магнитными свойствами. При попадании в электромагнитное поле каких-либо объѐмов полезного ископаемого (кусков) в зависимости от их структуры могут возникнуть ток сквозной проводимости, вызванный движением свободных зарядов, и поляризация, механизм которой связан со смещением центров электрических зарядов частиц, поворотом осей дипольных молекул, миграцией носителей зарядов в пределах изолированного включения в монофазной породе и т. п. Вещества, в которых преобладает ток проводимости, относят к проводникам, а вещества, в которых преобладает ток смещения, обусловливаемый поляризацией, – к диэлектрикам.

Электрические свойства характеризуются удельным сопротивлением и диэлектрической проницаемостью, а магнитные – магнитной проницаемостью или магнитной восприимчивостью. Различия указанных свойств у минералов и горных пород весьма различны, и этот факт может быть использован в информационных методах обогащения.

В результате взаимодействия радиоволнового излучения с минералами и горными породами происходит потеря энергии электромагнитного поля в них и перераспределение энергии самого поля в зоне создающего его источника.

Существуют два возможных основных направления использования электромагнитного излучения радиоволнового диапазона для обогащения. Первое из них, связанное с использованием эффекта поглощения радиоволн горными породами в системе «источник – порода – приѐмник» (радиоабсорбционный), в обогащении не используется. Второе направление связано с применением для оценки свойств породы лишь источника радиоволн.

С перераспределением энергии электромагнитного поля в зоне создающего источника связаны резонансные методы измерения, заключающиеся в том, что количественная оценка свойств веществ, с которыми взаимодействует электромагнитное поле, производится на измерении реакции, испытываемой источником поля при внесении в него контролируемого вещества. В диапазоне радиоволн указанные методы измерения называют радиорезонансными. Источником поля в этом случае служат катушка индуктивности или конденсатор, являющиеся частью колебательного контура автогенератора. Измерения производятся в режиме резонанса, то есть в том случае, когда возбуждающая частота автогенератора ω совпадает с собственной частотой колебаний контура ω₀, то есть

√

где L – индуктивность катушки; C – ѐмкость конденсатора.

Если требуется идентифицировать различия в электропроводности или удельном электрическом сопротивлении тел, следует использовать автогенератор с индукционным датчиком, в случае выявления различий в диэлектрической проницаемости вещества применяют автогенератор с датчиком емкостного типа. При измерениях с использованием электромагнитных колебаний с частотами 1-100 кГц с индуктивным датчиком идентифицируется различие в магнитных свойствах.

В сепараторах с использованием различий в магнитных свойствах минералов и горных пород в колебательных контурах активным элементом является катушка индуктивности. Колебательный контур настроен на резонансную частоту. Прохождение кусков с различной магнитной восприимчивостью через катушку или вблизи неѐ приводит к изменению индуктивного сопротивления контура и, следовательно, к смене резонансной частоты и добротности контура.

При использовании для получения информации датчиков индуктивного типа метод называется индукционным или индукционным радиорезонансным.

Если минералы отличаются диэлектрической проницаемостью, активный элемент – конденсатор. Кусок, проходя поблизости от обкладок конденсатора, меняет его диэлектрические свойства и, следовательно, ѐмкость, что приводит к изменению добротности колебательного контура и сдвигу резонансной частоты. Метод называется радиорезонансным емкостным.

Информативным параметром при радиорезонансных методах измерения чаще всего является изменение добротности колебательного контура, которая определяется из выражения

√

где R – активное сопротивление контура.

Излучение СВЧ-диапазона радиоволн (λ=10^-3÷1 м), как было описано ранее, при взаимодействии с веществом может приводить к селективному нагреву компонентов с различными электрическими и теплофизическими свойствами.

Электрические и магнитные свойства минералов и горных пород зависят от их химического и минерального состава, структуры и текстуры, пористости

и влажности и существенно меняются с изменением частоты воздействующего электромагнитного поля.

Высокой электропроводностью (низким удельным электрическим сопротивлением) обладают металлы (ρ=10^-8÷10 ^-4 Ом·м). Они имеют электронную проводимость. Металлическая форма кристаллической связи обусловливает наличие нелокализованнных электронов. В соединениях при ковалентно-металлическом и ионно-металлическом видах связи также присутствуют электропроводящие элементы, что определяет высокую электропроводность ряда минералов (ρ=10^-6÷10^-3 Ом·м). Для электронных проводников характерно увеличение сопротивления с ростом температуры и увеличением содержания некоторых химических примесей, что иллюстрируется непостоянством удельного сопротивления рудных минералов, которое может меняться на 2-3 порядка.

Свойства полупроводников имеют некоторые химические элементы, к ним в частности относятся элементарные полупроводники (Si, Ge, C, Te, Se) и целый ряд рудных минералов. В строении многих минералов имеются элементы с электронной проводимостью, однако, находясь в узлах решѐтки, они не создают высокую подвижность электронов, и поэтому такие минералы имеют высокое сопротивление (ρ=10⁴÷10⁸ Ом·м).

Полупроводники могут обладать собственно электронной и дырочной проводимостью. В элементарных проводниках и бездефектных кристаллах минералов количество передвигающихся электронов и дырок одинаково, но при наличии химических примесей даже в ничтожных количествах это равновесие нарушается и наблюдается либо типично дырочная, либо типично электронная проводимость.

Для полупроводников изменение концентрации примеси обусловливает резкое изменение удельного электрического сопротивления. Так, избыток кислорода в 0,1 % уменьшает сопротивление куприта в 10⁴ раз. Полупроводники чувствительны к различного рода облучениям (фотоэффект и др.)

Диэлектрики – это минералы с ковалентной формой связи и наиболее плотными упаковками атомов в решѐтке (островные и цепочные структуры). Удельное сопротивление минералов 10¹²÷10¹⁶ Ом·м, а некоторых элементов – 10²⁴÷10²⁵ Ом·м. В сильных электрических полях диэлектрики обладают электронной проводимостью.

Зависимости сопротивления полупроводников и диэлектриков от температуры аналогичны: сопротивление уменьшается с повышением температуры.

Большинству рудных минералов свойственна электронная проводимость (10^-6÷10^-2 Ом·м). Графит также имеет электронную проводимость. Породообразующие минералы горных пород обладают свойствами полупроводников или диэлектриков (10⁶÷10¹⁶ Ом·м). Удельные электрические сопротивления рудных и породообразующих минералов приведены в табл. 6.14.

Удельное электрическое сопротивление влажных образцов существенно ниже, чем у аналогичных образцов с гигроскопической влажностью.

В зависимости от строения диэлектриков различают два основных вида поляризации: поляризацию смещения (электронного или ионного) и релаксационную поляризацию. Поляризация электронного смещения наблюдается у большинства твѐрдых, жидких и газообразных веществ, она проявляется практически мгновенно. Для диэлектриков с таким типом

поляризации ε близка к квадрату преломления согласно уравнению Максвелла: ε = n².

Для диэлектриков с поляризацией ионного смещения, наблюдаемой в твѐрдых веществах с ионной решѐткой и в аморфных веществах при наличии ионов, ε=4÷15.

В реальном диэлектрике поляризация является результатом различных поляризационных процессов, возникновение любого из которых определяется химико-физическими свойствами вещества и диапазоном используемых частот.

В переменных полях в диэлектриках с релаксационной поляризацией возникают диэлектрические потери, связанные с переходом части электрической энергии в тепло, что обусловливается некоторой проводимостью вещества и медленно устанавливающейся поляризацией. Поляризация смещения потерь не вызывает и устанавливается за 10^-12÷10^-15 с. Время релаксационной поляризации значительно больше, при ней возникает ток i, представляемый активной и реактивной составляющими. Кроме того, существуют токи i_с – ток смещения (емкостной) и i_а – ток проводимости.

По значению токов находят тангенс угла диэлектрических потерь:

Он меняется с частотой и описывается формулой Дебая:

где η – время релаксации, ω – частота; диэлектрическая проницаемость: ε₀ – при

ω=0, ε_∞ – при ω=∞.

Диэлектрическая проницаемость минералов (табл. 6.15, где в скобках указаны оптические оси, а n – показатель преломления) связана с типом катиона и иона, их ионного радиуса и поляризуемости. В меньшей степени она зависит от структурных особенностей минералов. Диэлектрическая проницаемость имеет различные значения в радиочастотном и оптическом диапазонах. Высокая диэлектрическая проницаемость характерна для сульфидов и окислов, а среди них наиболее высокой диэлектрической проницаемостью обладают минералы, содержащие катионы таких металлов, как Pb, Fe и Cu, они имеют повышенные значения поляризуемости.

Диэлектрическая проницаемость горных пород (табл. 6.16) зависит от нескольких факторов, среди которых важнейшие – это соотношения минералов с различной диэлектрической проницаемостью, текстурные и структурные особенности породы и их пористость.

Диэлектрическая проницаемость сухих горных пород с увеличением пористости уменьшается, так как ε_возд=1, что намного меньше ε_{минерала}. Если в порах пород в естественном залегании содержится минерализованный раствор, диэлектрическая проницаемость кусков породы резко возрастает, так как ε_раств≈80, что существенно больше, чем ε_{твѐрдой фазы}.

Таблица 6.15

Диэлектрическая проницаемость некоторых минералов (Пархоменко, 1965; Поваренных, 1979; Кларк, 1969)

Влияние влаги усиливается с понижением частоты электрического поля. Увеличение концентрации солей в поровом растворе приводит к снижению диэлектрической проницаемости породы.

Диэлектрические потери, имеющие место в минералах и горных породах, объясняются медленно устанавливающимися видами релаксации, которые проявляются из-за наличия в веществе полярных молекул, сложных комплексных анионных радикалов, химически связанной воды, границ твѐрдой и жидкой фаз, границ диэлектриков и проводников и т. п. Количественная характеристика диэлектрических потерь – тангенс угла диэлектрических потерь.

Малые диэлектрические потери (tgθ=10^-4÷10^-2 при частотах 10⁵÷10⁷ Гц) характерны для минералов-диэлектриков, обладающих высоким сопротивлением.

Величина tgθ растѐт с увеличением содержания в породе порового электролита и рудных минералов с малым сопротивлением. Глины, пески, песчаник во влагонасыщенном состоянии имеют tgθ в диапазоне 0,1-1 (и выше) при частотах 10²÷10⁶ Гц. В широких пределах от 0,1 до 2 tgθ меняется у

изверженных горных пород и зависит от содержания катионов Fe²⁺

Зернистость рудной фазы или множество чередований зѐрен рудных и породообразующих минералов значительно увеличивает tgθ пород.

Информация о магнитных свойствах минералов и горных пород содержится в табл. 6.17.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какие существуют виды радиоактивных превращений?

2. Физический смысл термина «Эффективное сечение».

3. Виды записи ядерных реакций.

4. Особенности взаимодействия заряженных частиц с веществом.

5. Виды взаимодействия нейтронов с веществом.

6. Понятия фотоэлектрического поглощения и его следствия.

7. Суть γ-флуоресцентного метода измерения.

8. Математическая запись закона Мозли.

9. Сущность фотонейтронного метода измерения.

10. Формула интенсивности прошедшего через слой вещества γ-излучения.

11. Какие физические эффекты учитывает полный массовый коэффициент ослабления γ-излучения веществом?

12. В чем различие рентгеновского и γ-излучений?

13. В чем различие тормозного и вторичного рентгеновских излучений?

14. Дать определение люминесценции.

15. Охарактеризовать признаки разделения при люминесценции.

16. Перечислить эффекты взаимодействия видимого излучения с веществом.

17. Виды индикатрис рассеяния.

18. Каковы длины волны в системе RGB?

19. Перечислить способы нагрева тел.

20. Что такое степень черноты?

21. Какие свойства веществ идентифицируются радиорезонансными методами?

ТЕМА 7