title-icon
Яндекс.Метрика
» » Взаимодействие радиоволнового излучения с веществом

Взаимодействие радиоволнового излучения с веществом

Радиоволновое излучение представляет собой распространяющееся в пространстве переменное электромагнитное поле с длиной волны 10в3/10в4 м.
Характер взаимодействия радиоволн с горными породами определяется их электрическими и магнитными свойствами. При попадании в электромагнитное поле каких-либо объёмов 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 - приёмник» (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 ? совпадает с собственной частотой колебаний контура ?0, то есть

где L - индуктивность катушки; С - ёмкость 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 неё 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, ёмкость, 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 (? = 10в-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 (? = 10в-8/10в-4 Ом*м). Они имеют электронную проводимость. Металлическая форма кристаллической связи обусловливает наличие нелокализованнных электронов. В соединениях при ковалентнометаллическом и ионно-металлическом видах связи также присутствуют электропроводящие элементы, что определяет высокую электропроводность ряда минералов (? = 10в-6/1в-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, С, Te, Se) и целый ряд рудных минералов. В строении многих минералов имеются элементы с электронной проводимостью, однако, находясь в узлах решётки, они не создают высокую подвижность электронов, и поэтому такие минералы имеют высокое сопротивление (? = 10в4/10в8 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 10в4 раз. Полупроводники чувствительны к различного рода облучениям (фотоэффект и др.)
Диэлектрики - это минералы с ковалентной формой связи и наиболее плотными упаковками атомов в решётке (островные и цепочные структуры). Удельное сопротивление минералов 10в12/10в16 Ом*м, а некоторых элементов -10в24-10в25 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 (10в-6/10в-2 Ом*м). Графит также имеет электронную проводимость. Породообразующие минералы горных пород обладают свойствами полупроводников или диэлектриков (10в6/10в16 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 твёрдых, жидких и газообразных веществ, она проявляется практически мгновенно. Для диэлектриков с таким типом поляризации ? близка к квадрату коэффициента преломления согласно уравнению Максвелла: ? = n2.
Для диэлектриков с поляризацией ионного смещения, наблюдаемой в твёрдых веществах с ионной решёткой и в аморфных веществах при наличии ионов, ? =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 10в-12/10в-15 с. Время релаксационной поляризации значительно больше, при ней возникает ток i, представляемый активной ia' и реактивной ip' составляющими. Кроме того, существуют токи ic - ток смещения (емкостной) и ia - ток проводимости.
По значению токов находят тангенс угла диэлектрических потерь:

Он меняется с частотой и описывается формулой Дебая:

где ? - время релаксации; ? - частота; диэлектрическая проницаемость: B0 - при ?=0, ?? - при ?=?.
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 ?возд=1, что намного меньше ?минерала. Если в порах пород в естественном залегании содержится минерализованный раствор, диэлектрическая проницаемость кусков породы резко возрастает, так как ?раств=80, что существенно больше, чем ?твердой фазы.
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 твёрдой и жидкой фаз, границ диэлектриков и проводников и т. п. Количественная характеристика диэлектрических потерь - тангенс угла диэлектрических потерь.

Малые диэлектрические потери (tg?=10в-4/10в-2 при частотах 10в5/10в7 Гц) характерны для минералов-диэлектриков, обладающих высоким сопротивлением.
Величина tg(p растёт с увеличением содержания в породе порового электролита и рудных минералов с малым сопротивлением. Глины, пески, песчаник во влагонасыщенном состоянии имеют tg(p в диапазоне 0,1-1 (и выше) при частотах 10в2/10в6 Гц. В широких пределах от 0,1 до 2 tg? меняется у изверженных горных пород и зависит от содержания катионов Fe2+ и Fe3+. Зернистость рудной фазы или множество чередований зёрен рудных и породообразующих минералов значительно увеличивает tg? пород.

title-icon Подобные новости