Студопедия

КАТЕГОРИИ:

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника



Взаимодействие радиоволнового излучения с веществом




Читайте также:
  1. R Терапевтическая доза лазерного излучения и методы ее определения
  2. А. Свойства и виды рецепторов. Взаимодействие рецепторов с ферментами и ионными каналами
  3. Билет 8.Магнитное поле. Взаимодействие токов.
  4. Билет № 9. Взаимодействие спроса и предложения. Рыночное равновесие.
  5. Биологическое действие ионизирующего излучения.
  6. Биологическое действие лазерного излучения
  7. Биологическое действие ультрафиолетового излучения
  8. В.Взаимодействие чел-ка и орг-ции.
  9. В27. Взаимодействие международного права и внутригосударственного права Российской Федерации.
  10. Взаимодействие

 

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.

 

        Таблица 6.14  
Удельное электрическое сопротивление минералов и пород  
         
Минерал, Удельное электрическое Минерал, Удельное электрическое  
порода сопротивление, Ом·м порода сопротивление, Ом·м  
Ангидрит 107÷1010 Перидотит 106÷107  
Базальт 5·103÷105 Пирит 10-4÷10-1  
Галенит 10-5÷10-3 Пирротин 10-5÷10-4  
Галит 1012÷1014 Полевой    
        ÷10  
Гнейс 104÷105 шпат    
Гранит 104÷8·107 Сера 1012÷1015  
Графит 10-6÷10-4 Сидерит 10÷103  
Диабаз 5·105÷5·106 Сильвин 1013÷1015  
Кальцит 107÷1012 Скарн 106÷107  
Кварц 109÷1012 Слюда 1014÷1015  
Кварцит 106÷108 Сфалерит 10-6÷10-2  
Лимонит 106÷108 Уголь 10-4÷10-2  
Магнетит 10-1÷10-2 Филлит 104÷105  
Марказит 10-2÷10-1 Халькопирит 10-3÷10-1  
Мрамор 106÷107 Хлориты 2·1010  

 

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 iс – ток смещения (емкостной) и iа – 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 εвозд=1, что намного меньше εминерала. Если в порах пород в естественном залегании содержится минерализованный раствор, диэлектрическая проницаемость кусков породы резко возрастает, так как εраств≈80, что существенно больше, чем εтвѐрдой фазы.

 


Таблица 6.15

 

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

 

  ε в области      
Минерал радиочастот оптических n2  
  частот    
       
Алмаз 5,7   5,76  
Сера 4,1   4,2  
Графит >81,0   4,0  
Галенит 17,0–81,0    
Сфалерит 6,9–12,1 5,6–6,1 5,7  
Пирит 33,7–81,0    
Пирротин >81,0    
Молибденит 33,7–81,0   4,0–18,5  
Арсенопирит >81,0    
Халькозин >81,0    
Цинкит 11,0   4,0  
Куприт 5,65–6,35   8,3  
Гематит 25,0–170,0 8,65 (II) 9,0  
    10,33 (I)    
Рутил 80,0–173,0 6,82 (II) 8,4  
    8,42 (I)    
Касситерит 23,7–24,3 3,98 (II)  
    4,36 (I)    
Галит 5,7–6,2 2,39 2,4  
Сильвин 4,39–6,2 2,2 2,2  
Флюорит 6,26–6,79 2,06 2,05  
Кальцит 7,5–8,7 2,21 (I) 2,2–2,8  
Магнезит 10,6 2,75 (II) 2,2–2,9  
Сидерит 5,2–7,4   2,6–3,5  
Родохрозит 6,8   3,5  
Англезит 14,0 3,52–3,59  
Целестин 7,0 2,62 (a) 2,7  
    2,64 (b)  
Лимонит 3,2   4,0  
Оливин 6,8   2,56  
Диопсид 0,0 2,9 2,9  
Сподумен 8,4   2,7  
Актинолит 6,6    
Роговая обманка 4,9–5,8    
Альбит 5,39–5,63 2,33–2,36 2,5  
Ортоклаз 6,03–6,06 2,39  
Андезит 6,2 2,41  
  6,47 2,41 2,5  

 

 


 
и Fe3+.
                Таблица 6.16  
Диэлектрическая проницаемость горных пород        
                 
Порода f, Гц ε Порода f, Гц     ε  
Песчаник:     Диорит –10   10,8–8,6  
сухой 103–105 4,6–5,9 сухой        
аркозовый сухой 102–107 5,9–5,3 Дацит 3·106     6,8–8,16  
водонасыщенный 7,4–12,1 Габбро 102     15,0  
Аргиллит 5,53 сухое 104     10,2  
Доломит сухой 102–107 11,9–7,7   107     8,8  
Известняк сухой 102–107 15,4–9,2 Диабаз 5·103     11,6  
Сланец     Диабаз              
роговообманковый 102–107 10,3–8,9 сухой 102–107   23,5-8,5  
сухой                    
Кварцит 5·103 4,4–4,9 Базальт 105     18,3  
Амфиболит 105–107 7,9–8,9 Перидотит 105–107   12,4–15,7  
Гнейс сухой 102 9,7 Пироксенит 105–107   6,2–9,5  
Силлиманит 104 8,8 Дунит 105–107   8,5–6  
Гнейс гранатовый 107 8,1 Ювит 105–107   11,1–8,6  
Серпентинит 102–107 10,1–6,2 Уртит 105–107   8,5–7,3  
Гранит 5·105 4,5–5,4 Рисчоррит 105–107   5,8–4,9  
Гранит 102–107 11,1–8,5 Луяврит 105–107   11,45–9,7  
роговообманковый                    

 

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.

 

    Таблица 6.17  
Удельная магнитная восприимчивость некоторых минералов  
       
Минералы Химическая формула Удельная магнитная  
восприимчивость, 10-7 м3/кг  
  Сильномагнитные    
Магнетит Fe3O4; (FeO·Fe2O3) 6300-12000  
Маггемит γ-Fe2O3 5000-6000  
Титаномагнетит Fe(Fe3+, Ti)2O4 3000-4000  
Пирротин FenSn+1 63-700  
  Слабомагнитные    
Гематит Fe2O3 8,8-22  
Лимонит Fe2O3·nH2O 2-3  
Сидерит FeCO3 6-7  
Ильменит (Mg, Fe)TiO3 14-34  
Манганит MnO2·Mn(OH)2 До 6,3  
Пиролюзит MnO2 До 4  
Вольфрамит (Fe, Mn)WO4 8-12  
  Немагнитные    
Кварц SiO2 -0,025  
Полевой шпат (Na, K, Ca)[AlSi3O8] 0,630  
Апатит Ca5(PO4)3(F, OH, Cl) 0,126  
Пирит FeS2 0,1  
Рутил TiO2 0,2-06  

 

 

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

 


Дата добавления: 2014-12-23; просмотров: 45; Нарушение авторских прав







lektsii.com - Лекции.Ком - 2014-2022 год. (0.045 сек.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав
Главная страница Случайная страница Контакты