黃向陽， 程道文

（1.南京龍源環(huán)保有限公司，江蘇南京 210012；2.長春工業(yè)大學基礎科學學院，吉林長春 130012）

0 引 言

在用中子感生瞬發(fā)伽馬射線分析方法（NIPGA）分析煤質(zhì)時，中子與待測樣品中的靶核發(fā)生快中子非彈性散射反應和熱中子俘獲反應，并釋放出瞬發(fā)特征伽馬射線［1－4］。利用特征伽馬射線的能量可以確定物質(zhì)中所含元素的種類，利用特征伽馬射線的峰面積可以計算此元素的含量，基本計算公式如下［5－6］：

式中：N——t秒內(nèi)被測元素的特征伽馬射線凈計數(shù)；

G——被測元素的含量。

當測量設備、待測元素以及測量時間確定，NL，α，σ，j，ε，t和A都是常數(shù)，所以式（1）可以簡化為：

如果利用的是快中子非彈性散射反應，φ應該是快中子通量；如果利用的是熱中子俘獲反應，φ應該是熱中子通量。無論是快中子通量還是熱中子通量，φ都應該是待測樣品位置的中子通量，它不僅與中子源的產(chǎn)額有關，還應該與樣品中的元素種類及含量有關，文中用MCNP-4C程序對煤炭所在區(qū)域的快中子通量和熱中子通量進行模擬計算，并找出它們與煤炭元素間的關系。

1 模型結構簡介

在實際應用中，很難測量煤炭內(nèi)部的快中子通量和熱中子通量。為了獲得這兩個通量，我們用MCNP-4C程序進行了模擬計算。為了盡量接近實驗裝置，模擬所用的模型結構如圖1所示［7－9］。

聚乙烯外殼、D-T中子發(fā)生器以及煤炭樣品都是以x軸為軸的圓柱體。D-T中子發(fā)生器的產(chǎn)額為108n／s，其靶位于點O，與煤炭樣品的距離為1 cm，與BGO伽馬射線探測器的距離為16 cm，即煤炭樣品沿X軸的長度為15 cm。

圖1 模型結構示意圖

2 模擬結果

煤炭中主要含有C，H，O，N，S，Si，Al，F(xiàn)e，Ca 9種元素，它們的含量之和超過95%。根據(jù)國內(nèi)主要煤炭的元素含量，文中模擬了30組煤炭樣品。模擬時，用計數(shù)卡F4計算煤炭樣品所在區(qū)域的快中子通量和熱中子通量，D-T中子發(fā)生器產(chǎn)額為108n／s時的模擬結果見表1。

表1 中子通量的模擬結果、計算結果及偏差

續(xù)表1

3 熱中子通量與元素含量間的關系

表1中的C，H，O，N，S，Si，Al，F(xiàn)e，Ca分別表示煤炭中這9種元素的質(zhì)量百分比含量，φT表示煤炭所在區(qū)域的熱中子通量。根據(jù)元素含量和熱中子通量，利用多元線性回歸可以得到：

利用式（3）和表1中的元素值可以計算出煤炭樣品所在區(qū)域的熱中子通量（用φTC表示）和MCNP-4C模擬結果的偏差（見表1中的DT），其中：

由表1可以看出，DT的最大偏差為0.37%，平均值偏差為0.12%，所以，式（3）所描述的熱中子通量與元素含量間的關系是準確的。

4 快中子通量與元素含量間的關系

表1中的φF表示煤炭所在區(qū)域的快中子通量。根據(jù)元素含量和快中子通量，利用多元線性回歸可以得到：

利用式（5）和表1中的元素值可以計算出煤炭樣品所在區(qū)域的快中子通量（用φFC表示）和MCNP-4C模擬結果的偏差（見表1中的DF），其中：

由表1可以看出，DF的最大偏差為0.03%，平均值偏差為0.01%，所以式（5）所描述的快中子通量與元素含量間的關系是非常準確的。

5 結 語

由表1可以看出，用式（3）和式（5）計算出的熱中子通量及快中子通量與MCNP-4C模擬值的偏差非常小，因此可以認為這兩個公式都是比較準確的。在實際應用中可以用此公式修訂煤炭所在區(qū)域的快、熱中子通量，以提高煤炭中主要元素的測量精度。

［1］ M Borsaru，M Biggs，W Nichols，et al.The application of prompt-gamma neutron activation analysis to borehole logging for coal［J］.Applied Radiation and Isotopes，2001，54：335-343.

［2］ S A Jonah，I S Williams.Nutrient elements of commercial tea from nigeria by an instrumental neutron activation analysis technique［J］.The Science of the Total Environment，2000，258：205-208.

［3］ 李鑫，李洪宇，王璐，等.基于Visual C＋＋6.0的毒品檢測程序［J］.長春工業(yè)大學學報：自然科學版，2011，32（6）：570-573.

［4］ A X da Silva，V R Crispim.Use of thermal neutron tomography for the detection of drugs and explosives［J］.Radiation Physics and Chemistry，2001，61：767-769.

［5］ C S Lim，J R Tickner，B D Sowerby，et al.An onbelt elemental analyzer for the cement industry［J］. Applied Radiation and Isotopes，2001，54：11-19.

［6］ 程道文，蘭民，劉林茂，等.NIPGA法檢測煤炭元素含量的環(huán)保意義［J］.長春工業(yè)大學學報：自然科學版，2011，32（2）：187-190.

［7］ 程道文，韋韌，向鵬，等.NIPGA法檢測煤炭元素含量中的煤層厚度研究［J］.東北師大學報：自然科學版，2011，43（2）：80-82.

［8］ 魏曉云，谷德山，程道文，等.中子元素分析中改變探測器屏蔽條件對同一樣品探測結果的影響［J］.核電子學與探測技術，2008，28（3）：654-656.

［9］ 呂俊濤，魏曉云，谷德山，等.中子元素分析中干擾γ射線屏蔽研究［J］.東北師大學報：自然科學版，2009，41（4）：79-81.