（粒子物理与原子核物理专业论文）利用中子感生瞬发γ射线分析方法检测煤的灰分.pdf

摘要 煤炭灰分中硅、铞、铁、钙、镁等j i 素的氧化物含董占次分总量的9 0 以上，因此， 大部分实验室在用中子感生瞬发y 一射线法检测煤质时，用这五种氧化物的含量和束代 替狄分的含量。实际上，此方法的测量精度较低，很难达到工业应用的要求( 灰分的绝 对误差小于1 o o ) 。 由化学方法化验的化验值可知，碳、氢、氧、氮、硫、狄分以及全水的质量百分数 之和为1 0 0 。在化验值中，氢和氧是指有机物中的氢和氧，不包括水中的氢和氧。而 脉冲快热中子法测量出来的氢和氧既包括有机物中的氢和氧，也包括无机物中的氢和 氧。因此，存脉冲快热中子法中，碳、氧、氧、氮、硫、以及灰分的质量百分数之和应 该为1 0 0 。凶此，在实际应用中，只需要测量碳、氢、氧、硫、氮的百分含量，就可 以计算出扶分的百分含量。 在计算碳、氢、氧、硫、氮的百分含量时，需要计算特征r 峰的峰面积。由于统 计误差、系统误差以及数据处理时带来的误差等的影响，测量精度很难达到工业应 用的要求。通过增加中予产额、延长测量时间以及提高系统的稳定性，可以使统计误差 和系统误差降低。但是由于数据处理时带来的误差较大，测量精度仍然达不到t 业应 用的要求，这就是关于此技术的文章多，产品( 能真正达到工、i k 应用的要求) 少的原因。 通过氏划的研究，我们找到了一种较好的数据处理方法，使狄分的百分含量的测量精度 达到i l k 应用的要求。 本文具体介绍了用中子感生瞬发r 一射线分析法的原理、实验装置和数据处理方 法。 关键词：瞬发r 射线，测量精度，平滑，特征峰面积，数据处理 a b s t r a c t t h es u mo fs i l i c o nd i o x i d e ，a l u m i n a ，f e r r i co x i d e ，c a l c i u mo x i d ea n dm a g n e s i ai s m o r et h a n9 0 o ft h ea s hi nc o a l s o ，m a n yl a b o r a t o r i e sr e g a r dt h es u m a st h ec o n t e n to ft h e a s h b u tt h em e a s u r ep r e c i s i o nc a l l tm e e tt h er e q u i r e m e n to f i n d u s t r y a c c o r d i n gt ot h ef i g u r e sg i v e nb yt h ec h e m i cm e a s u r e ，w ec a nk n o w t h a tt h es u mo ft h e c o n t e n t so fc ，h ，0 ，n ，sa n da s hi s 10 0 i nc o a l s o ，w ec a nc a l c u l a t et h ea s hw h e nw e k n o wt h ec o n t e n t so f c ，h ，0 ，na n ds w h e nw ec a l c u l a t et h ec o n t e n t so fc ，h ，0 ，nm a ds ，w eh a v et oc o m p u t et h ea r e ao f c h a r a c t e r i s t i cp e a ko fy r a yo ft h e s ee l e m e n t s b e c a u s eo ft h es t a t i s t i ce r r o r , t h es y s t e m e n d ra n dt h ee r r o ro fd a t ap r o c e s s i n g ，t h em e a s u r ep r e c i s i o nc a l l tm e e tt h er e q u i r e m e n to f i n d u s t r yi nm e a s u r e m e n tp r e c i s i o n t h e r e f o r e ，w eh a v et or e d u c et h ee r r o rw h i c hc a nb eu s e d i ni n d u s t r y n o ww eh a v ed i s c o v e r e d ab e t t e rm e a s u r eo fc o m p u t i n gt h ea r e ao ft h e c h a r a c t e r i s t i cp e a ko fy r a y , w h i c hm a k et h em e a s u r e m e n tp r e c i s i o no ft h ea s ha t t a i nt h e r e q u i r e m e n to fc o a li n d u s t r y t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ea n a l y t i c a lp r i n c i p l e ，t h es y s t e ma n dt h ed a t ap r o c e s s i n go ft h e a s ho fc o a lb ym e a n so fn e u t r o ni n d u c e dp r o m p tg a m m a r a ya n a l y s i sb yp u l s e dn e u t r o n g e n e r a t o r k e yw o r d s ：i n d u c e dp r o m p tg a m m a - r a y , m e a s u r e m e n tp r e c i s i o n ，s m o o t h i n g ，t h e a r e a o f c h a r a c t e r i s t i cp e a k ，d a t ap r o c e s s i n g i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。掘我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得东北师范大学或其他教育机构的学位或证书【i 使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名_ 渺同期：立堑啤 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位沦 文的规定，即：东北师范火学有权保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东 北师范大学r u 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：栏指导教师签名：童悼 r 期：萨q 江同期：专率 f 学位论文作者毕业后去向： 工作单位 通讯地址 长春工业大学 长春】“k 大学物理教研室 电话： 幽! ! ! 1 2 邮编： 1 3 q q ! i 引言 在煤炭工业中，扶分是煤质的一个重要指标，它的存在不仅影响煤炭的热值， 还腐蚀炉膛的表面，燃烧后的煤灰微粒还会对大气环境造成污染。因此，我们必须 及时、准确地分析煤炭的扶分。 传统的化学分析方法是抽样分析，其过程复杂( 需要经过采样、称重、恒温干 燥、测定等繁琐的步骤) ，消耗时问多，不能及时指导生产。另外，由于化学方法 是小体积分析，采样不具备普遍性，无法满足煤炭工业现代化的需要。因此，许多 国家都在寻找快速、准确的检测方法。在这些方法中，中子感生瞬发y 射线分析法 具有其它方法不可代替的优势。 中予感生瞬发y 射线分析方法( n e u t r o ni n d u c e dp r o m p tg a m m a - r a ya a n l y s i s - - n i p g a ) 是基于中子与材料中所含元素的靶核发生热中子俘获反应和快中子非弹性 散射反应时所释放的特征y 射线，根据特征y 射线的能量和特征峰面积可以确定物 质中所含元素的种类以及元素的含量。 出化学方法化验的化验值可知。碳、氮、硫、有机物中的氢、有机物中的氧、 狄分以及全水的质量百分数之和为1 0 0 。如果把水分为氢和氧，则：碳、氢( 有机 物和水中的，也就是煤炭中总的氢) 、有机物和水中的氧、氮、硫以及狄分的质量百 分数之和为1 0 0 。 在中子感生瞬发y 射线分析方法中，只能测量出样品中元素的总质量。所以我 们无法测量出有机物和水中的氧的质量。通过大量的化验数据分析可以发现，同一 地区的煤中，有机氢和有机氧的含量和碳的含量成线性关系。所以，我们可以利用 碳的含量计算出有机氢和有机氧的含量，再用氢的含量减去出有机氢的含量得到水 中氢的含量，从而可阻计算出水的含量和水中氧的含量。 出于氮的百分含量比较小( 在1 0 0 左右) ，并且同一煤矿的煤中，氮的百分含 量可以看作常数。所以，在实际应用中，我们可以通过化验值，知道这个常数，然 后只需要测量碳、氢、氧、硫的含量，就可以计算出灰分的含量。 此实验系统使用的是1 4 m e v 脉冲中子发生器，b g o 探测器和4 0 9 6 道脉冲幅 度分析器。并采用v i s u a lc + + 6 0 等丌发出一套先进的数据处理软件，使狄分的分析 值与化验值的偏差 1 0 0 ，达到了工业应用的要求。 第一章中子感生瞬发r 射线分析方法的研究现状 第一节中子感生瞬发r 射线分析方法的研究历史 中予感生瞬发y 射线分析方法，是利用特征y 射线( 中子与材料中所含元素的 靶核发生热中子俘获反应和快中子非弹性散射反应时所放出的) 的能量和峰面积确 定元素的莘孛类和含量的一种分析方法。它大约是在2 0 世纪7 0 年代发展起来的，美 国马里兰大学d i c kd u d d e y 教授最早研究并使用中子俘获瞬发y 谱分析技术，并 作了许多基础研究和应用研究工作。在他的工作基础上美国s a i c 实验室于1 9 8 1 年 研制出核煤分析( n u c o a l y a z e r ) ，并在热电厂应用至今。这种方法被命名为p g n a a ( p r o m p t g a m m an e u t r o na c t i v a t i o n a n a l y s i s ) ，它是通过元素分析来完成的。 但是，后来人们发现p g n a a 法对煤中的主要元素如c 和o 的测量非常网难。因此， 到了9 0 年代，人们企图利用非弹反应产生的瞬发y 一射线来测量c 和0 的含量。 由于物质中的c 、0 等元素的非弹反应截面是很大，1 9 8 7 年，美国z s a h ig o z a n i 提 出了利用1 4 m e v 快中子与物质发生非弹反应时所产生的y 一射线进行元素分析，即所 谓的p i n a a ( p r o m p t i n e l a s t i cn e u t r o na c t i v a t i o n a n a l y s i s ) 法。但是，美国 的a r t h u r n t h o r p e 利用中子发生器产生的快中子对煤样进行了分析，效果并不 令人乐观。由于非弹反应的计数很高，受康普顿散射坪的影响大，用1 4 m e v 快中子 只对c 和0 分析有利。所以从他们的实验可以看出，煤中相当多的其它元素，必须 依靠热中子俘获y 一射线来分析。到9 0 年代术，利用中子感生瞬发y 一射线分析煤 中元素的含量已进入热中子俘获反应与快中子非弹反应的联合应用阶段，并相继用 了：煤炭、水泥、石油i ”9 】等行业。 第二节中子感生瞬发r 一射线分析法分析煤质的国际研究现状 中子感生瞬发y 一射线分析法的出现，为工业、农业、国防、军工、海关等行 业中进行多方面的物料分析提供了便利，利用此项技术也可对毒品、爆炸物、水泥、 煤炭、陶瓷、玻璃、钢铁、土壤等进行快速、准确测量。以澳大利亚联邦科学与工 业研究组织研究的煤炭灰分在线分析仪为例，它的结构示意图如图l 所示。使用的 中子源是锯( “a m ) ，探测器是n a i ( t 1 ) ，所应用的反应主要是热中子俘获，中子 非弹性散射和中子活化。测量时，煤炭的厚度必须大于2 0 0 毫米，测量时间不低于 5 分钟，测量结果的误差小于0 4 。 图l煤炭扶分在线分析仪结构示意图 第三节中子感生瞬发y 一射线分析法分析煤质的国内研究现状 中子感生瞬发y 一射线分析法在我国虽然刚刚起步，但是发展非常迅速，它不仅 用于煤炭【m 12 1 、水泥【1 3 14 1 、石油盼6 1 、冶刽1 7 l 行业，还用于农业【18 1 。但是，由于 受到各种因素的影响，测量精度低，无法达到应用的要求。现在东北师范大学辐射 技术研究所正致力于利用此技术开发一套适合煤质快速分析的仪器脉冲中子 煤质快速分析仪。它采用脉冲中子发生器做中子源，通过同步门电路控制将多通分 析器采集的y 射线谱分为全谱和俘获谱，实现对煤质进行快速分析。 第二章中子感生瞬发y 射线分析方法的原理 第一节中子与物质的五种主要反应 中子不带电荷，与原子核和电子之问没有库仑相互作用，中子虽然有磁矩，与 电子之间有磁相互作用，但其作用几率与带电粒子相比小1 0 0 多万倍。所以中予与 物质相互作用主要是与原子核的作用。中子与原子核相互作用，有如下几个过程1 9 】。 一、弹性散射 弹性散射过程，即【n ，开】反应，从反应机制看，有两种4 i 同的反应； 种足势散射， 即中子在核力场的作用下改变原来的运动方向：另一种是巾子被原子核吸收，复合 核处于激发念，激发的复合核放出一个中子到基念。从力学的观点看，不论哪一种 机制，弹性散射过程的前后，整个系统的动量和动能守恒，中子能量的减少等于反 冲核所获得的动能，从能量和动量的关系可以得到中子的动能损失和反冲核获得的 动能： = e ；意备毛c o s 2 护 ( 1 ) ( 1 ) 式中e 0 为反冲核的动能，厶和晶“为碰撞前后中子的动能，m 为反冲核 质量，所为中子的质量，0 为实验室坐标系中反冲核的反冲角。从卜式可以看出， 在弹性散射过程中，原子核的质量越小，中子损失的能量或原子核得到的反冲能越 大，所以在中子防护中一般都采用水或石蜡做防护体。 二、非弹性散射 非弹性散射过程，a p n ， l y 】反应，中子把动能的一+ 部分传给原子核，作为原子 核的激发能，激发了的原子核常放出y 射线回到基态。在非弹性散射时，中予损失 的能量较弹性散射时大，非弹性散射是有闽的。 ；e 等 ( 2 ) 4 式( 2 ) 中的e 为放出y 射线的能量。只有当中子的能量超过阈能时，非弹性 散射爿。可能发生。我们在测量煤中的c 、o 两种元素时采用的就是这种反应。其反 应方程式为： ： + 6 2 l = 1 6 2 c + 力、e t = 4 4 3 m e v( 3 ) e v = 6 1 3 m e v ( 4 ) 三、放出带电粒子的棱反应 放出带电粒子的核反应过程，即沁纠、【l q , n 】等放核反应，反应能有正有负。q 0 是放热反应。吸热反应有一个阈。放热反应原则上在任何能量时 都可以发生。但是带电粒子在从核内发出时必须克服库仑势垒的阻碍。因为这个势 垒的高度随着z ( 核电荷) 而迅速增加，所以对于慢中予，只有在轻核情况下才能发 生m p 】、m 口】反应，当中子的能量较高时，还可以放出几个中子的反应，如以知】、 i n , 3 黠1 等。 四、核裂变 核裂变过程，只有中子与重核相互作用时才能发生。有一部分重核素在任何中 子能量下都能发生裂变，这就是所谓的核燃料；另一部分重核素如2 3 8 u 、2 3 2 t h 则存 在阈能。也就是说，只有在能量较高的中子作用下才能裂变。 五、辐射俘获 辐射俘获过程，即h 力反应，是原子核吸收一个中子后，形成激发的复合核， 然后放出一个或几个t 光子而回到基念。辐射俘获的结果，是生产比原来质量数大 一个质量数的同位素，即：石( 聆，y ) 。：x 。生成的核往往是放射性的。由于hy 】反应 截面盯o ce 。“( e 为中子能量) ，因此m 门反应主要发生在热中子区。我们在测量 煤时，除c 、o 两种元素外，其它绝大部分元素都是采用热中子俘获反应来测量的， 如( h ，s ，f e ，a 1 等) 。主要元素h 的反应方程式为： ：聍+ ? 日= ? 日+ ，e r = 2 2 3 m e v( 5 ) 出于生成核处于高激发念，在退激过程中可发出多条y 射线，我们选择产额较 高，受其它y 射线干扰较小的谱线作为特征y 射线。 5 总之，弹性和非弹性散射的结果是中子的能量降低，运动方向的改变，而中子 本身并不消失。中子的能量减低后，一般来说，它的各种核作用截面都增大，即再 产生相互作用的几率增加。而后面三种反应的结果却与前两种不同，中子将被原子 核吸收。但是，这五个过程都会产生其它辐射，如反冲核，y 光子，质子或a 粒子 等。 第二节利用特征r 峰的能量和面积确定元素种类和元素含量 一、利用特征y 峰的能量确定元素种类 当用】4 m e v 中子轰击煤中元素的原子核时，1 4 m e v 快中子在射入煤中最初1 0 8 1 0 s 时间旱主要和煤层发生非弹反应，非弹性散射y 射线是与非弹反应同时产生 的。由于能量的降低，一个中子只要经过一、二次非弹反应后就不能再发生非弹反 应了。在以后的1 0 一1 0 4 s 时间里，中子因与煤层中元素的原子核发生弹性散射反 应而减速，直到转换为热中子为止。通常中子在煤层中经过几微秒的时问便热化了。 热化后的中子一方面通过弹性散射反应在煤层中持续扩散，另一方面通过俘获反应 被煤层吸收，同时放出俘获y 射线。总之，中子与物质发生核反应，无论足中子俘 获反应，还是非弹性散射反应，都伴有瞬发y 射线。不同元素放出的y 射线的能量 一般不同。我们把中子与不同元素发生反应放出的y 射线称为这种元素的特征y 射 线。用高分辨率的y 能谱分析仪探测后，根据y 射线特征峰的能量可以确定元素的 种类。 二、利用特征，峰的面积确定元素含量 在定量计算中，元素特征峰的净面积与该元素的含量有以下的关系 n = g n l 伊a e j a t a ( 6 ) 式中为元素特征峰在测量时间f 内总的净计数，g 为某物质样品巾此 种元素的含量，为洛喜米特常数，a 为该元素的原子量，妒为中子通量密度， 盯为反应截面，e 为探测器的效率，为y 量子产额，吐为某同位素的丰度。在 实际应用中妒，盯，s ，j ，班，t ，a 和均为常数，而为特征峰的总面积，所 以我们可以把和g 之间建立下列关系： g = p n + q( 7 ) 式中的p ，q 为待测常数。测量出几组标准样品中某元素的和g ( g 是 化验值，可以看作真实值) ，通过线性回归求出p ，q 的值，再把p ，q 代入( 7 ) 式，就可以利用( 7 ) 式计算未知样品中该元素的含量，再根据狄分与碳、氢、 氧、氮、硫等元素含量间的关系，计算出狄分的质量百分数。 第三章实验装置 第一节实验装置 本实验系统是由脉冲中予发生器、t 射线探测谱仪、中子监测仪和煤炭样品四 部分组成。其原理图如图2 所示。 图2 实验原理图 其中y 射线谱仪是由b g o ( 锗酸铋) 探头，主放大器和4 0 9 6 道脉冲幅度 分析器( m c a ) 组成：中子检测仪采用z n s ( a g ) 闪烁探头探测中子，主放 大器放大信号，计数器读中子计数。煤样装在铁箱( o 2 0 2 0 1 5m 3 ) 中。 第二节测量装置的几何配置以及屏蔽 中子感生瞬发y 射线分析方法所使用的几何配置一般有反射式和透射式。由于 透射式( 如图3 所示) 的照射立体角与探测立体角都比较大，y 射线的探测效 率高，统计规律好，我们采用的是透射式。而煤箱周围的铅屏蔽板是为了屏 蔽中予与屏蔽体( 含硼石蜡) 相互作用时产生的y 射线。经过实验，我们采用 含硼石蜡和含硼水及铅做为防护体材料，总防护体为含硼石蜡，厚度为5 0 c m ，样品 安装口的防护体采用含硼水厚度5 4 c m ，装置周围的中子和y 射线总计量低于国家标 准。 图3 测量装置的几何配置 第三节脉冲中子发生器的工作原理 脉冲中予发生器主要包括中子管和三路供电电路( 离子源电路，存储器电路， 靶极负高压电路) 。中子管主要由存储器、离子系统、加速系统和靶四部分组成。 离子源电路为离子源提供电离电压，存储器电路给存储器提供加热电流，靶极 负高压电路为加速系统提供f 离子加速电压。脉冲中子发生器的结构框图如图4 所 示。 困霉 图4 脉冲中子发生器原理框图 脉冲中子发生器的基本工作原理是先给离子源加上将近2 k v 、频率为2 0 k h z 的 离子源阳极脉冲电压，然后给存储器加热，存储器就会向离子腔内释放氘气体。氘 气体在离子源阳极脉冲电压的作用下电离形成等离子体。当靶极电压上升到较高电 压时，就有一定的氘离子飞向靶极，形成离子束流，轰击靶极，与靶极上的氚核发 生氘氚反应，生成一个氦核并产生能量为1 4 m e v 的中子。其反应方程式如下： ；胃+ ? 日。；胃+ ：珂 同步脉冲电路的作用是提供频率和占空比一定的脉冲电压，脉冲调制电路是按 同步脉冲电路产生的同步信号产生2 k v 的脉冲电压，该电压加到中子管离子源阳极 和离子源地之问，使离子源腔内的氘气体电离。 9 第四节脉冲中子发生器的工作模式 脉冲中子发生器产生一个3 0 蛳5 周期的工作模式，其中前1 0 0 胪产生中子，后 2 0 吮s 停止产生中子。在打中子期问既产生非弹性散射y 射线谱也产生辐射俘获y 射线谱，而在停中子期间只产生辐射俘获y 射线谱。所以我们采用控制电路把微机 多道卡( 4 0 9 6 ) 道分为两部分，其中静2 0 4 8 道在停中子期间丌通收集辐射俘获y 射线谱，后2 0 4 8 道在打中子期问开通收集全谱( 非弹性散射y 射线谱和辐射俘获7 射线谱) 。 厂 厂 广 if ；厂 ；厂 i !厂 !厂 强 蛐。n2 1 。2 坩掉i3 l e3 如。弛。坤。 us a 脉冲中子形成时间示意图 b 全潜测量时间示意图 c 辐射俘获谱测量时暗示意幽 图5 脉冲中子工作模式及y 射线谱测量时间示意图 0 第四章煤炭中灰分百分含量的测量 第一节灰分百分含量的测量原理 煤炭扶分中主要含硅、铝、铁、钙、镁等元素的氧化物，其中二氧化硅、三氧 化二铝、三氧化二铁、氧化钙和氧化镁的含量占狄分总量的9 0 以上，因此，在用 脉冲快热中子法检测煤质时，大部分实验室都用这五种氧化物的含量和作为狄分的 含量 2 0 , 2 1 】。表l 的数据是两个化验室，十次化验的平均值，可以看作真实值，其中 的“氧化物和”是二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁、氧化钙和氧化镁的质量百分 数和。山表l 我们可以知道，这五种氧化物的含量之和都小于狄分的含量，其中相 差最大的为4 5 2 ，最小的也达到了1 6 0 。而工业应用时要求灰分的绝对误差不 超过1 o o 1 2 2 1 。因此，用五种氧化物的含量和作为狄分的含量，测量精度无法达到 工业应用的要求。 表1 标准煤箱的化验值 由化学方法化验的化验值可知，碳、氮、硫、有机物中的氢、有机物中的氧、 扶分以及全水的质量百分数之和为1 0 0 。如果把水分为氢和氧，则：碳、氢( 有机 物和水中的，也就是煤炭中总的氢) 、有机物和水中的氧、氮、硫以及灰分的质量百 分数之和为1 0 0 。 在中子感生瞬发y 射线分析方法中，只能测量出样品中元素的总质量。所以我 们无法测量出有机物和水中的氧的质量。通过大量的化验数据分析可以发现，同一 地区的煤中，有机氢和有机氧的含量和碳的含量成线性关系。所以，我们可以利用 碳的含量计算出有机氢和有机氧的含量，再用氢的含量减去出有机氢的含量得到水 中氢的含量，从而可以计算出水的含量和水中氧的含量。 由于氮的百分含量比较小( 在1 0 0 左右) ，并且同一煤矿的煤中，氮的百分含 量可以看作常数。由表1 我们可以看出，如果用氮的平均值0 8 6 作为氮的含量， 它引起的最大偏差仅为0 0 3 ，和狄分允许的误差( 1 0 0 ) 相比，可以忽略不计。 所以，在实际应用中，我们可以通过化验值，知道这个常数，然后只需要测量碳、 氢、氧、硫的含量，就可以计算出狄分的含量。 由第二章可知，中子与物质相互作用可发生非弹性散射反应，弹性散射反应和 热中予辐射俘获等。对于不同的核反应，不同元素的反应截面一般不同。表2 为c 、 h 、o 三种元素的热中予俘获截面，表3 是它们快中子非弹性散射的反应截面。 表2c 、h 、o 的热中子俘获截向 7 e 素ch0 反应截面( r o b ) 3 7 3 + 0 0 73 3 2 + 2 o 2 放出y 射线能量( k e v )4 9 4 52 2 2 3 表3c 、h 、o 的快中子非弹性散射的截面 元素cho 反应截面( n a b )1 3 1 + 1 3 4 2 放出y 射线能量( k e v ) 4 4 3 3 6 1 3 0 出表一和表二可以看出：c 、o 两种元素的非弹性散射截面要比它们的热中子 俘获反应的截面大得多，而h 、s 两种元素则是热中子俘获反应的截面大，所以计 算c 、0 两种元素含量是，一般采用快中子非弹性散射反应，而用热中子俘获反应 求h 元素的含量。由于快中子能量较高，所以它与煤中元素首先要发生非弹性散射， 反应的同时要放出非弹性散射特征y 射线，经过一、二次非弹性散射后中子就失去 了大部分能量，这时中子的能量比散射核的最低激发能还低，这以后的过程就以弹 性散射的方式进行，中子进一步损失能量变成热中子，但这只是在约l 蛳5 时间内完 成，之后热中子一方面通过弹性散射在煤中扩散，另一方面与煤中元素发生俘获反 应，同时放出俘获t 射线，这大约会持续1 0 0 叩s 或更长的时间，所以从时间关系上， 我们可以看出：不可能直接测出c 、o 的纯的非弹性散射y 射线谱，谱中必然包含 一些其它元素的热中子俘获y 射线谱，所以我们采用如前所述的脉冲中子发生器的 工作模式和门电路控制系统可以实现对全谱( 非弹性散射y 射线谱和热中子辐射俘 获y 射线谱) 和热中予俘获y 射线谱的分道测量，这样再用全谱减去热中子俘获y 射线谱，就得到了c 、o 的非弹性散射y 射线谱。再根据元素的特征y 射线峰与计 数的关系以及国家电力公司吉林发电用煤质量监督检验中心为我们所制定的煤样 的定值报告数据采用最小二乘法进行多元素线性回归分析，得出c 、h 、s 的含量 与特征y 射线峰的计数的经验公式。再利用碳的含量计算出有机氢和有机氧的含量， 用氢的含量减去出有机氢的含量得到水中氢的含量，用水中氢的含量计算出水的含 量和水中氧的含量。最后用1 0 0 减去c 、h 、s 、n ( 对于同一煤矿的氮的百分含量 可以看作常数，可以由化学方法得到) 以及有机物和水中0 的含量，这就是狄分的 百分含量。 第二节特征y 射线谱的获取 系统采用t 射线透射法，利用门电路控制微机多道进行分道测量技术实现了低 位发热值分析。该探测系统包括脉冲中子发生器、b g o 探头、前置放大器及主放大 器、门电路控制微机多道测量电路。整个探测系统的结构框图如图6 ： 我们采用的v 射线铡谱系统为中国科学院上海原子核研究所研制生产的4 0 9 6 道能谱分析器，该分析器安装在计算机内，由m c a 测谱软件操作控制进行数据采 集和处理。其主要功能有：( 1 ) 定时数据采集；( 2 ) 谱压缩及放大；( 3 ) 可控制光 标移动指示道址和道计数；( 4 ) 谱平滑及自动寻峰；( 5 ) 建立感性区，求感性区峰 总面积及净面积；( 6 ) 能量刻度及存盘、读盘；( 7 ) 不同数据谱比较：( 8 ) 剥谱： ( 9 ) 打印数据谱。 图6 探测装置框图 按照第三章所述的脉冲中子工作模式进行实验，其数据谱如图7 所示：全谱包 括非弹性散射y 射线谱和热中子俘获t 射线谱，但从图中可以看出，只有c 和o 的 特征峰比较明显，其实这些特征峰中还包括一些其它元素的特征峰，只是由于它们 的y 射线计数较少，被c 和o 的非弹性散射峰所掩盖。而热中子7 射线谱元素的特 征峰就明显多，由于b g o 探测器的分辨率有限，我们只能判断出煤中含量较高的 元素的y 射线特征峰，其它含量较低的元素的y 射线特征峰被淹没在这些峰甲而无 法判断。 图7 用b g o 测出的谱形 第三节数据处理 谱数据的处理流程如图8 所示。本文所使用的编程语言是v i s u a l c + + 6 0 ，并以 碳为例进行说明。 图8 谱数据处理流程图 一原始数据的平滑 为了减小统计涨落的影响，同时又要保留能谱形状的最重要特征，我们对实验 数据( 每道计数) 进行了平滑。如果平滑的道数太少，则不足以达到应有的平滑效 果：如果平滑的道数太多，很容易把特征峰拉平，如图9 所示，图a 平滑的道数是 5 道，图b 是1 1 道，图c 是2 l 道。通过多次的实验，我们选择了1 l 道，所用的公 式为： 1 y ，2 赢1 0 2 4 y ，+ 8 1 0 y h + 8 1 0 y “0 0 y - 2 “0 0 y m + 1 8 0 y j - 3( 9 ) + 1 8 0 y ，+ 3 + 1 1 0 y ，一4 + 1 1 0 y ，+ 4 + 3 6 y ，一5 + + 3 6 y 什5 ) 取4 0 9 6 道的计数记作c h a n n e l 4 0 9 6 ，平滑后的计数记为c h 4 0 9 6 ，用下面的 程序对数据进行平滑。 f o r ( i n ti - 3 ；i 4 0 9 3 ；i + + ) c c h i = 1 0 2 4 c h i + 8 1 0 * c h i + 1 十8 1 0 * c h i - 1 + 4 0 0 * c h i + 2 + 4 0 0 * c h i - 2 + 1 8 0 * c h i + 3 + 1 8 0 * c h i - 3 + 1 1 0 * c h i + 4 + 1 i o * c h i - 4 + 3 6 c h i + 5 + 3 6 c h i - 5 4 0 9 6 1 5 籁l o 涮 裕5 0 0 0 乓一1 5 蒜 盘1 0 0 0 粗j 蜡s 0 、 i6 0 、l 札 一、州 、 2 3 2 4 0 02 j 0 0 2 0 02 o 船3 0 0 03 l 3 2 0 0 遭数 图9 a 用5 道计数平滑后的谱形 、 1 厂l v | k q 一一、， 2 4 1 0 02 ，2 6 2 1 0 02 e ，0 0 03 03 i o o o o 遭数 图9 b 用1 1 道计数平滑后的谱形 “l 一 、 - 2 3 0 0 斟0 02 j m 2 7 0 02 8 0 02 9 0 03 0 0 03 1 0 03 2 0 0 遭数 图9 c 用2 1 道计数平滑后的谱形 跚 啪 | 言 。 牛、簸#捌坩 二峰位的确定 通过调整探测器的高压或放大倍数，使碳的特征峰峰位在2 6 0 0 道左右，用_ 卜 面的程序去寻找特征峰的峰位。 f o r ( i = 2 5 7 0 ；i 2 6 4 0 ；i + + ) f o r ( j = i - 4 j = i + 4 0 + + ) s u m 9 【i 】+ = c h 啪；，s u m 9 【i 是( i - 4 ) 与( i “) 问的9 道计数和 ) s u m c = 0 ；s u m c 临时变量，用于寻找碳峰的峰位 f o r ( i = 2 5 7 0 ；i = 2 6 4 0 ；i - h - ) i f ( s u m c s u m 9 i j ) s u m c = s u m 9 i ； m a x c h a r m e l c = i ：m a x c h a n n e l c 是碳的峰位 ) 此寻峰程序采用的数据是多道( 9 道) 的计数和，而不是单道的计数，原因是： 出于统计涨落的影响，峰位附近的某道计数完全有可能突然增大，使其计数超过峰 位处的计数。如果用单道计数去寻找峰位，寻找到的峰位将是此道，而非真正的峰 位，如果用多道计数和去寻找峰位，则受此涨落的影响较小，仍然可以找到真f 的 峰位。通过反复试验，我们最终选用了9 道的计数和来寻找碳的峰位。 三特征峰左右边界的确定 我们利用b g o 探测器测出的典型谱形如图1 0 所示，其中前2 0 4 8 道是俘 获谱，后2 0 4 8 道是全谱。产生如此复杂谱形的原因是：煤炭中含有c 、h 、o 、 n 。s 、s i 、a i 、f e 、c a 、m g 等多种元素。在用中子照射时，由于康普顿散射， 特征7 射线能量高的元素要对能量低的元素产生干扰。 兽 暑 u 誉 由 昌 善 o i 0 02 0 03 0 04 0 05 0 0 6 0 07 0 0b o o9 0 01 0 0 01 1 0 01 ：2 0 01 0 g a m i n a = r a ye ne r g yc h a n n e l 图1 0 a 用b o o 测出的俘获谱谱形 2 i 0 02 2 0 0 2 3 0 02 4 0 02 5 0 026 0 02 7 0 d28 0 02 9 0 0 3 0 0 03 1 0 03 2 0 03 3 0 0 g a m i na - r a ye n 自r g yc h a n n e l 图1 0 b 用b 测出的全谱谱形 伽 珊 枷 如 瑚 啪 甚iioou薯南昌g砖0 很明显，用函数拟合法、曲线拟合法、剥谱法、逆矩阵法和最小二乘法1 6 都不适合解有这么多元素相互干扰的谱。而计数相加法需要知道特征峰左右两 边的峰谷，由图9 我们可以看出，有些特征峰右边的峰谷很难找到。因此，只 能寻找一种新的方法来计算特征峰的峰面积。 重复测量同一煤样，特征峰峰面积的测量值应该不变。但是由于数据处理 时带来的误差、统计误差和系统误差等的影响，每次测量出的峰面积不可能完 全一样。通过改变特征峰的左右边界，利用相对误差可以找到最稳定的特征峰 峰面积，从而确定左右边界。 以碳为例( 碳峰的左右峰谷与峰位问的距离约为4 0 道) ，我们对同一煤样 重复测量五次，碳蜂峰位前3 9 道到后3 9 道之间的计数如表4 所示。 1 9 表4碳峰峰位前3 9 道到后3 9 道之问的计数 谱号 l 3 9厶留l 3 7l 3 6l 3 5厶掰l 3 3l 3 2l 3 1厶，汐厶蹭厶帮 l3 7 1 8 3 7 1 3 3 7 0 3 3 7 1 23 7 1 83 7 2 53 7 3 53 7 4 43 7 5 93 7 5 93 7 6 43 7 9 0 23 7 1 53 7 1 23 6 9 43 6 8 53 6 9 03 6 9 43 6 9 63 6 9 93 7 1 63 7 2 93 7 4 53 7 7 7 33 7 0 93 7 1 6 3 7 2 43 7 4 23 7 4 93 7 6 53 7 8 23 8 0 43 8 2 13 8 3 53 8 4 83 8 7 3 43 6 7 13 6 6 63 6 7 03 6 7 13 6 8 33 7 0 93 7 1 53 7 3 53 7 5 4 3 7 7 7 3 7 9 1 3 7 9 7 53 6 2 83 6 2 13 6 2 83 6 3 73 6 3 53 6 4 43 6 5 63 6 6 93 6 8 73 6 9 73 7 0 83 7 1 9 谱吁 l 2 7厶帮l 2 5l 盟l 2 3删l 2 l工2 口工j 9l 1 8l 1 7上j 6 1 3 7 9 9 3 8 0 7 3 8 1 8 3 8 4 43 8 7 43 8 8 83 9 0 83 9 3 43 9 6 73 9 9 04 0 1 84 0 5 4 23 8 1 13 8 5 03 8 7 43 9 1 23 9 4 73 9 7 54 0 0 54 0 2 l4 0 5 1 4 0 7 64 0 9 54 1 1 5 33 8 9 23 9 1 33 9 2 53 9 5 23 9 8 84 0 1 24 0 3 44 0 6 84 1 0 04 1 3 24 1 5 24 1 6 6 43 8 2 63 8 3 73 8 4 73 8 6 83 8 9 03 9 2 33 9 4 l3 9 6 53 9 9 84 0 2 44 0 6 94 0 9 3 b3 7 2 93 7 3 73 7 5 03 7 7 73 7 9 93 8 2 33 8 4 93 8 9 63 9 1 93 9 3 43 9 7 34 0 0 5 谱号 l 1 5l i 4l 1 3l 1 2l i l上j 口工9工87三6工j工一 l 4 0 9 3 4 1 3 4 4 1 6 7 4 2 0 4 4 2 4 0 4 2 6 54 3 0 14 3 1 94 3 4 64 3 6 04 3 7 54 3 9 5 24 1 3 84 1 7 54 2 0 74 2 3 74 2 5 94 2 9 04 3 2 44 3 4 44 3 6 44 3 7 54 4 0 04 4 1 9 34 2 0 04 2 2 04 2 5 84 2 8 24 3 2 24 3 5 24 3 6 94 3 8 54 3 8 24 3 8 54 3 9 54 4 0 9 44 1 2 l4 1 5 54 1 8 44 2 2 24 2 4 84 2 7 64 3 0 54 3 1 24 3 3 84 3 5 04 3 6 84 3 7 8 54 0 3 84 0 6 34 1 0 24 1 4 24 1 6 34 2 0 24 2 4 14 2 6 44 2 8 94 3 2 04 3 4 84 3 6 3 潜号 j2工z睦r z冠2船删盂5r 6置7r 8 14 3 9 64 4 0 54 4 0 54 4 1 14 4 0 94 3 9 84 3 9 2 4 3 8 24 3 7 14 3 6 34 3 5 14 3 3 5 24 4 3 34 4 4 74 4 6 34 4 7 04 4 5 84 4 4 8 4 4 4 3 4 4 1 64 4 0 34 3 8 4 4 3 7 54 3 3 3 34 4 2 24 4 4 24 4 5 64 4 7 04 4 6 24 4 5 34 4 2 44 3 8 94 3 5 34 2 9 74 2 6 04 2 1 9 哇4 3 8 04 4 0 54 4 1 74 4 1 94 4 1 04 4 0 14 3 9 44 3 7 04 3 4 04 3 2 54 2 9 04 2 6 3 54 3 7 04 3 8 74 3 9 74 3 9 4 4 3 9 7 4 3 8 5 4 3 7 84 3 6 54 3 4 04 3 2 24 2 8 64 2 5 7 谱号r 9置口r i lr 1 2r 1 3r 1 4r l s矗j 6且j 7r i 8r 1 9冠2 口 14 3 1 94 2 9 64 2 6 74 2 2 74 1 8 84 1 4 94 0 9 14 0 3 83 9 7 53 9 1 73 8 5 33 7 8 4 24 2 8 64 2 6 24 】9 54 1 4 94 0 9 04 0 4 43 9 9 43 9 3 23 8 7 63 8 1 63 7 6 03 7 0 0 34 1 8 24 1 4 l4 1 0 84 0 6 94 0 1 l 3 9 4 8 3 8 9 2 3 8 3 03 7 5 63 6 9 53 6 3 43 5 7 5 44 2 3 64 2 0 】4 1 5 54 0 9 64 0 5 04 0 0 13 9 3 83 8 9 23 8 4 23 7 8 73 7 4 53 6 8 4 54 2 2 2 4 1 6 84 1 2 64 0 8 5 4 0 4 0 4 0 0 0 3 9 4 33 9 0 13 8 4 83 7 9 73 7 4 43 6 8 9 谱号r 2 ir 2 2r 2 3r 2 4r 2 sr 2 6r 2 7r 2 8r 2 9r 3 0r 3 lr 3 2 13 7 2 l3 6 6 53 6 2 03 5 5 63 4 9 23 4 4 43 3 9 43 3 4 6 3 2 8 03 2 3 l3 1 8 93 1 4 9 23 6 2 93 5 6 53 5 2 03 4 7 23 4 1 03 3 5 63 3 2 03 2 7 23 2 2 73 1 6 63 1 2 53 0 9 1 33 5 2 13 4 7 33 4 2 43 3 8 13 3 3 03 2 8 33 2 3 63 1 8 83 1 4 13 0 8 93 0 4 93 0 1 8 43 6 3 43 5 7 43 5 1 23 4 5 7 3 3 9 6 3 3 5 23 3 0 23 2 5 23 2 0 23 1 6 03 1 1 23 0 7 3 53 6 4 03 5 8 33 5 2 83 4 6 53 3 9 93 3 2 73 2 7 03 2 2 23 1 6 73 1 1 53 0 8 73 0 5 2 谱号 r 3 3r 3 4r 3 5r 3 6彤7r 3 8r 3 9 l3 1 1 13 0 6 23 0 2 72 9 9 92 9 6 72 9 2 72 8 8 8 23 0 4 23 0 0 62 9 7 32 9 4 22 9 1 82 8 8 02 8 5 9 注1 、