（粒子物理与原子核物理专业论文）pgnaa应用于煤质成份在线检测的方法研究.pdf

兰州大学硕士学位论文 摘要 论文课题来源于国家科技部科技攻关项目“中子活化分析煤质成份在线检测技术研 究与应用”( 2 0 0 4 b a 4 3 7 c ) 。论文主要对该项目的三个子课题进行研究： 1 、慢化防护体优化设计。使用蒙特卡罗中子输运代码系统( m c n p 4 c ) ，对煤质在 线检测系统q u ( d t ) 中予源的慢化和防护单元作了研究，并得到了最优的设计。 2 、b g o 闪烁晶体探测器性能的研究。通过探测热中子俘获核反应产生瞬发特征y 射线的方法得到了探测器宽能量区域的能量刻度函数：使用c o 6 0 标准源，对b g o 探 测响应函数作了模拟计算，计算的结果表明，y 射线能量高于1 m e v ，其模拟得到的 响应函数与实验谱吻合的较理想： 3 、单元素实验标准谱的研究。通过m c n p 模拟计算各种元素不同含量由( d t ) 中子源所形成的中子场分布。根据模拟的结果，使用实验的方法分别测量了f e 、s i 、 a l 、t i 、s 等五种元素的单元素标准谱：同时对f e 、s 元素进行了定量的分析，分析结 果表明按线性增加的元素掺杂量，特征能量峰区域内的计数也呈良好的线性关系，从而 证明了利用最小二乘法的解谱方法是合理的； 本论文从理论、模拟计算、实验技术上对实现瞬发y 射线中子活化分析作了探索 性和开拓性的研究，其研究成果为实现煤质在线检测打下了基础。 关键词：p g n a a ；在线检测；煤：能量刻度；响应函数：标准谱。 兰型查兰堡主堂堡笙苎 a b s t r a c t t h et h e m eo ft h ep a p e ri ss u p p o r t e db y “r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no f t h et e c h n o l o g y a b o u to n l i n e m e a s u r i n gc o a lc o m p o n e n t sb yn e u t r o na c t i v a t i o na n a l y s i s o ft h ek e y t e c h n o l o g i e sr & dp r o g r a mo fm i n i s t r yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo fc h i n a t h ew o r ko f t h i sp a p e ri n c l u d e st h r e es u b p r o j e e t s ： 1 o p t i m i z a t i o nd e s i g no ft h em o d e r a t i n g a n ds h i e l d i n gs y s t e m i nt h i s p a r t ，t h e m o d e r a t i n ga n ds h i e l d i n gs y s t e mo fd - tn e u r o ns o u r c eo no n l i n ep g n a a f o rm e a s u r i n g c o a lc o m p o n e n t si sf i r s t l ys t u d i e db yu s i n gm o n t ec a r l on p a r t i c l et r a n s p o r tc o d es y s t e m ( m c n pc o d e ) a no p t i m a ld e s i g nh a sb e e np r e s e n t e d 2 s t u d yo nt h ep e r f o r m a n c eo fb g o s c i n t i l l a n tc r y s t a ld e t e c t o r t h ee n e r g yc a l i b r a t i o n f u n c t i o nh a sb e e no b t a i n e di nw i d ee n e r g yr e g i o nb yt h em e t h o do fd e t e c t i n gc h a r a c t e r i s t i c g a m m ar a y sf r o mt h et h e r m a ln e u t r o nc a p t u r er e a c t i o n a n du s i n gm c n p c o d eh a ss i m u l a t e d t h er e s p o n s ef u n c t i o no fb g od e t e c t o rs y s t e mf o rc o 一6 0s o u r c e t h er e s u l t ss h o wt h a t s i m u l a t i n gr e s p o n s ef u n c t i o n c a l lb e t t e rm e e tw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t ai nt h eg a m m a e n e r g yg r e a t e rt h a n1m e v 3 r e s e a r c ho nt h ee x p e r i m e n t a ls t a n d a r ds p e c t r u mo ft h es i n g l ee l e m e n t + t h en e u t r o nf i e l d d i s t r i b u t i o n so ft h ec o a lf o r m e db yt h ed tn e u t r o ns o u r c eh a v eb e e ns i m u l a t e df o ras o r to f c o a ls a m p l ew i t hd i f f e r e n te l e m e n tc o n t e n t sb ym c n pc o d e a c c o r d i n gt ot h en u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，a l le x p e r i m e n t a lm e a s u r i n gm e t h o do ns t a n d a r ds p e c t r u mo f e l e m e n ti sg i v e n ，a n d t h es t a n d a r ds p e c t r ao ff e ，s i ，a 1 ，t ia n dsh a v eb e e nm e a s u r e d t h eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i sf o r f ea n dsh a v es h o w nt h a tt h ec o u n t si nt h ec h a r a c t e r i s t i cp e a kr e g i o nh a v eb e t t e rl i n e a r i t y , n a m e l y , t h el e a s ts q u a r e ss p e c t r u ma n a l y s i sm e t h o di sr e a s o n a b l eb yu s i n gs t a n d a r dl i b r a r y p r o b i n gr e s e a r c hw o r ko f p g n a a i sd o n ei nt h i sp a p e rf r o ma s p e c t so f p h y s i c a lt h e o r y - m e t h o do f a n a l y s i ss p e c t r u ma n de x p e r i m e n t a lt e c h n o l o g y t h eg a i n e dr e s u l ts e tu pt h eb a s e f o rt h er e a l i z a t i o no fo n l i n em e a s u r i n ge l e m e n ti nc o a l k e y w o r d ：p g n a a ，o n - l i n em e a s u r e m e n t ，c o a l ，e n e r g yc a l i b r a t i o n ，r e s p o n s ef u n c t i o n ， s t a n d a r ds p e c t r u m v 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属兰州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定， 同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版， 允许论文被查阅和借阅；本人授权兰、i l 大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和 汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相 关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名： 她蛉师签名：遨峰璧，日 期：迎6 、nl 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立 进行研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的 成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内 容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对 本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：洱磋盏日期：五纽6 ，j 矿 兰州大学硕士学位论文 1 课题的背景2 1 1 3 第一章引言 我国电力生产以火力发电为主，截止2 0 0 2 年底，全国的发电装机容量已达到3 5 3 亿千瓦，其中火力发电能力达2 6 4 亿千瓦，2 0 0 2 年全国发电量达1 6 4 0 0 亿千瓦时，火 力发电量1 3 4 2 0 亿千瓦时，占总发电量的8 2 。在火力( 燃煤、燃油、燃气) 发电中， 燃煤发电占据主导地位，是我国煤炭消耗的主要用户。2 0 0 2 年，全国发电用煤近6 亿 吨，占全国煤炭年产量的5 8 。“十五”期间以及到2 0 1 0 年我国将继续扩大火力发电 能力，“十五”期间全国新增火力发电发电容量7 5 0 0 万千瓦，到2 0 1 0 年计划火力发电 装机容量将达到5 4 亿千瓦，并形成以3 0 0 m w - i o o o m w 燃煤发电机组为主体的发电格 局，届时发电用煤量将超过l o 亿吨。 我国煤炭资源储量丰富，分布地域广，煤质差异较大。在火力发电的生产过程中， 煤质的成份和特性对电力生产的经济性、安全性和环境保护有着极其重要的影响。一般 而言，电站锅炉设备按给定的设计煤种进行设计、制造，同时考虑到对煤种变化的适应 性以校核煤种，要保障锅炉机组安全经济运行，必须严格监控锅炉燃煤品质，应尽可能 燃用设计煤种或校核煤种。然而，由于受采购、供应、中转、运输等方面的影响，大多 数火力发电厂的燃煤质量得不到保证，锅炉所燃用的煤种繁多，且经常变化，由煤种变 化造成的锅炉出力不足、热损失较大，制粉能力下降，锅炉结焦，积灰，熄火放炮等情 况时有发生。目前，煤种多变己成为影响火电厂燃煤机组安全经济运行的主要症结之一。 燃煤电厂的煤质分析，现普遍采用离线的实验室分析方法，要经过采样、缩分、制 样、化验等环节，这一过程一般需要比较长的时间。锅炉运行人员获得煤质分析报告延 迟的时间可能会更长，因此大量的原煤是在缺乏煤质数据的状况下被燃烧。在煤种变化 较大的情况下，未及时进行必要的运行调整以及采取相应的措施，极有可能造成严重的 后果。此外，当电厂燃煤品质发生变化时往往因没有快速、有效的煤质分析手段，无法 及时掌握来煤的情况，不能正确地判定该煤是否适合于锅炉燃用，盲目燃用危害极大。 在煤质的化验分析中存在着一个长期以来未能很好地解决的问题，就是取样的代表性问 题，尤其对于燃用混煤，或需在煤场进行混煤的电厂取样代表性问题就更显突出。对不 具代表性的煤样进行实验室分析，其误差将会很大，给运行人员造成假象，对锅炉的安 兰州大学硕士学位论文 全经济运行是一个极大的误导。 因此，无论从能源的可持续利用、可持续发展角度来看，还是煤炭生产者、消费者 的自身利益来看，都迫切需要一种能快速、准确、全元素、全煤流的煤质检测分析设备。 采用煤质成份在线检测，通过对煤质成份、煤质特性的分析与诊断，实现煤种与锅炉燃 烧的动态耦合，提高锅炉运行的经济性安全性有着十分重要的意义。它的使用不仅可提 高锅炉机组运行的安全可靠性，也可从中获得可观的经济效益。根据煤质的变化情况， 进行适当的燃烧调整，使锅炉机组在最佳的工况下运行，可有效地提高锅炉机组效率， 降低发电煤耗。同时，煤质成份在线检测分析技术的应用，对于锅炉低负荷的稳燃，吹 灰器的投运，煤粉细度的调整，磨煤机效率的提高，实现优化运行都具有积极的指导意 义。它的广泛应用在电力工业节能降耗，安全生产等方面将发挥很重要的作用。 由于煤质成份在线检测装置在工业生产过程中具有极其重要的意义和巨大的商业 价值，国外的一些机构在七十年代相继开展了煤质成份在线检测技术的研究和实现方法 的探索。针对煤炭在不同领域的分析要求和应用特点，分别采用微波、红外或核测量技 术对煤质成份实现在线检测，并研究开发了一些离线、在线的煤质成份快速分析产品。 与化验室人工分析方法相比这些产品在一定程度上确实加快了煤质成份的分析速度，但 在分析的代表性、在线性、数据的完整性以及产品工业应用可靠性等方面都存在不足之 处。经过大量的研究表明，能够充分满足煤质成份实时在线检测的唯一可行技术就是核 技术瞬发v 射线中子活化分析( p g n a a ) 技术。美国和澳大利亚已利用同位素中 子源成功开发出同位素源煤质成份在线检测装置，广泛推广应用于煤炭行业，但不能测 定煤炭中的关键核素碳和氧。 本项目主要采用脉冲快热中子活化分析技术，综合利用快中子非弹散射产生的瞬发 特征y 射线( 检测煤炭中的关键核素碳和氧) 和热中子俘获核反应( n ，y ) 产生的瞬 发特征y 射线检测煤流中的其他主要核素，从而对煤流中的所有主要元素进行实时在线 检测。 2p g n a a 发展概况1 4 1 1 5 1 1 6 1 1 7 1 1 8 1 1 9 1 1 1 0 i 瞬发y 射线中子活化分析( p g n a a ) 技术是近二三十年发展起来的一种在线测量 物料元素成份的新方法。 七八十年代中子感生瞬发v 射线分析已进行了工业应用实验。推出的产品有水泥生 兰州大学硕士学位论文 料分析器和核煤分析器，并在水泥厂和火电厂中应用。在7 0 年代初到8 0 年代末主要是利 用热中子俘获瞬发y 射线，即( n ，y ) 反应进行煤的含硫量和灰分分析，但人们发现这种 方法对煤中的主要元素如c 和o 的测量是困难的，因此到9 0 年代人们企图利用非弹反应( n ， n l y ) 产生的瞬发y 射线解决c 和0 的问题。1 9 8 7 年t s a h ig o z a n i 提出利用1 4 m e v 快中子的 非弹反应产生的y 射线进行元素分析，即所谓的p 1 n a a ( p r o m p ti n e l a s t i cn e u t r o n a c t i v a t i o n a n a l y s i s ) 法，认为热中子俘获反应和快中子非弹反应可以彼此互补，某些核 素如c 、o 核素的快中子非弹反应截面比热中子俘获截面要大很多，认为这种方法大有 前途。但1 9 8 8 年a n t h o r p e 用中子发生器产生的快中子分析了煤中各元素的含量， 其结论是利用1 4 m e v 的快中子只对煤中c 和o 分析有利，而对相当多的其它元素还需依 靠热中予俘获y 射线分析；较低能量的中子( 小于或等于2 5 m e v ) 产生的谱，更有利于煤 中许多元素的分析。 1 9 9 6 年陈伯显等人利用镅一铍( a m - - b e ) q b 子源对煤进行过初步分析。其结果表明利 用中子非弹反应可分析煤中的c 、o 核素，快中子非弹反应是对热中子俘获反应分析的 补充，从而更完善了中子感生瞬发射线分析方法。1 9 9 8 年l d e p 等人应用脉冲式中子发 生器和b g o 探测器进行了煤的在线元素分析实验。结果表明，应用脉冲快热中子感生瞬 发y 射线分析技术测量煤中s 的精度可达0 0 5 ，c 的精度可接近1 。他们使用的中子 发生器的寿命超过2 0 0 0h 。1 9 9 9 年d m i c h a e l b e l b o t 等人研制出基于脉冲式的中子煤质元素分析器样机，并到现场进行了实验。结果 表明测量o 、c 和s 的相对误差分别为2 0 、0 6 和0 2 。该样机采用了b g o 探测器和 d t 型脉冲式中子发生器。并用这项技术开展了检测爆炸物的实验研究，通过c o 和c n 可以判断有无爆炸物存在。 随后，p h i l i p p el e t o u m e u r 等人利用快热中予辐射技术在线分析了铝钒土。结果表明 利用中子管的中子脉冲辐射铝钒土产生的特征v 射线可以分析的元素达到原料的9 9 。 2 0 0 2 年他们又利用同样的方法和设备开展了煤质分析实验，2 0 0 1 年c s l i m 等人亦利 用中子非弹散射和俘获技术研制了用于皮带机的新型水泥生料元素分析器。进 行1 0 m i n 的计数分析，c a o 、s i 0 2 、a 1 2 0 3 和f e 2 0 3 的相对误差分别为0 4 9 、o 5 2 、0 3 8 和0 2 3 。他们采用双源双探测器的实验装置，减小了物料成份在皮带上空间分布不均匀引起 的测量误差。 利用热中子俘获y 射线与快中子非弹性散射y 射线谱分析的联合，已经成为 兰州i 大学硕士学位论文 p g n a a 技术的主流。至今为止，瞬发y 射线中子活化分析在国外的研究已经是比较的 成熟，目前都有几种成型的产品装备用于燃煤电厂或者选煤厂，如澳大利亚的 s c a n t e c h 公司的c o a l s c a n 系列。我国这方面还处于落后的地位，从事这一项研究 目前已有不少的企业与高校，如东北师范大学，大陆中电科技股份有限公司等等。虽然 国外已有成型的产品，但仅能从文献中查到其测量方案的基本原理。对于这些产品的具 体实现方法则属于机密，难以获得。从长远来看，根据我国的实际情况，并借鉴国外的 已有实验，自行开发应用于工业现场的在线元素分析技术，具有重要的意义。 3p g n a a 技术的特点及应用i 1 1 1 2 i i ”1 1 1 4 1 1 1 5 i 物料元素成份的在线分析要求能实时、连续在线地给出较大体积内物料的元素组成 及其导出值。目前的一些分析方法如：原子吸收光谱法、x 射线荧光分析、核磁共振法 和化学分析等虽然能够进行元素分析、但是因为这些方法都不能提供实时在线、短时间 的分析大批量的物料，因此不能满足工业实际需求。 由于中子不带电，极易穿透物料与物料中的核素发生核反应，产生瞬发特征y 射线， 不同的核素产生不同的特征y 射线，通过检测这些特征y 射线的能量和强度来分析被测 物料的成份及含量，因i 瞄p g n a a 技术具有快速、准确、不破坏样品的原位体测量的 特点，给物料元素的在线成份测量提供了可能： 1 、 分析大体积物料。中子和中子感生瞬发y 射线由于不带电，在物质中具有 较强的穿透力，因此具有很大体积的分析范围； 2 、分析时间短。能满足工业上在线分析的要求，在较短的时间内给出相应的 结果； 3 、 具有可靠、精度高的分析； 4 、 对物料能实时、连续的全元素在线分析。 技术应用 p g n a a ( 中子活化瞬发y 射线分析) 技术以其快速、准确的特点，使其不仅在煤 炭行业应用具有巨大的发展潜力和广阔的市场前景，且在其他如水泥生产行业、爆炸物 检测、冶金行业等领域也有很好的前景： 1 、 水泥生产行业。近年来，随着我国经济的发展，对于水泥的需求量越来越大。 实现水泥在线检测将大大提高水泥厂生产过程中用料的合理性、提高水泥运行的安全性 4 兰州大学硕士学位论文 与稳定性；控制石灰石成份波动；减少校正原料的添加量；有效降低窑的喂料波动，稳 定窑内工况，减小燃料消耗：延长窑衬寿命，提高窑的运转率；简化工艺操作，降低工 人劳动强度；有效提高矿山的使用寿命，大量节约不可再生资源。该技术应用将改变以 往水泥传统行业的生产与运行模式，提高水泥生产过程中的生产效率与生产效益，将为 水泥行业带来显著的经济效益与社会效益。 2 、可以实时、快速检测水质。- - n 有利于企业控制自己的排放物，二可以加强对 环境的监控。 3 、对爆炸物、毒品等危险品的实时检测。近几十年来，由于世界格局的大改组、 大变动，各种贩毒集团从没停止过他们的贩毒活动。为了防止恐怖事件发生、制制止贩 毒集团的活动，很多国家对爆炸物和毒品的检查、检测都非常重视。 4 、冶金工业的应用。分析余属冶炼中合金的含量、杂质浓度对产品的质量关系， 能进行快速分析。 兰州大学硕士学位论文 第二章p g n a a 的原理 p g n a a 基本原理是利用中子与物料核素的相互作用，主要对快中子非弹性散射反 应和热中子俘获反应产生特征v 射线谱进行分析，从而获取物料元素的成份。本章主要 介绍p g n a a 基本原理，及中子、光子与物质的相互作用机理。 1 中子与物质的相互作用1 1 6 i 中子不带电荷，与原子核和电子之间没有库仑相互作用，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l l d , 1 0 0 多万倍。所以中子与物质相互 作用主要是与原子核的作用。 p g n a a 研究主要关注中子与原子核相互作用的以下几个过程： 1 、弹性散射一( n ，n ) 反应 弹性散射过程，从反应机制看，有两种不同的反应：一种是势散射，即中子在核力场 的作用下改变原来的运动方向；另一种是中子被原子核吸收，复合核处于激发态，激发的 复合核放出一个中子到基态。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： 毛= 毛一毛+ = 面4 丽m m e c 。s 2 目 ( 2 1 ) 其中e 。为反冲核的动能，e 。和e n 为碰撞前后中子的动能，m 为反冲核质量，m 为中子的 质量。0 为实验室坐标系中反冲核的反冲角。从上式可以看出，在弹性散射过程中，原 子核的质量越少，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 都采用聚乙烯、水或石蜡做防护体。 2 、非弹性散射一( n ，n v ) 反应 非弹性散射过程，即( n ，n y ) 反应，中子把动能的一部分传给原子核后，原子核 处于激发态，随后原子核退激放出y 射线而回到基态。显然，非弹性散射是一个闽值反 应，非弹性散射的阈值能量为： 兰州i 大学硕士学位论文 耻e 竽 ( 2 2 ) e y 为靶核的第一激发能、也为放出的y 射线能量。只有当中子的动能高于靶核的第一 激发能与靶核为保持能量守恒而获得的反冲动能之合时，反应才有可能发生。例如我们 在测量煤中的c ，o i g 种元素时就是采用这种反应。其反应方程式为： ：n + 6 c = 一6 c + n e 。= 4 4 3 m e v ( 2 3 ) ni 1 6 一t 1 6 0 “瞒1 3 m e v 3 、辐射俘获反应( n ，y ) 反应 辐射俘获过程，即( n ，y ) 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y 光子而回到基态。( n ，y ) 主要发生于热中子区。在煤的测量中，除 c 、o n 种元素外，其它绝大部分元素( h ，s ，f e ，a 1 ，t i 等) 都是采用热中子俘获反应来测 量的，譬如h 的辐射俘获反应反应方程式为： ：月? 日= - 可+ ， e ，；2 2 3 m e v 由于生成核处于高激发态，在退激过程中可发出多条y 射线 不受其他y 射线干扰的谱线作为特征v 射线。 4 、多中子放出反应 如果中子的能量足够高，中子与核反应可能会放出多个中子 等反应。通常这些反应会伴随y 光子的放出。 5 、带电粒子放出反应 ( 2 5 ) 一般选取产额较高 即发生( n ，2 n ) ，( n ，3 n ) 在中子能量够高的情况下，中子与原子核碰撞，出射粒子可能包含有带电粒子，这 种相互作用称为带电粒子放出反应。如：( n ，a ) ，( n ，n p ) ，( n ，2 n p ) 等反应。 6 、裂变( n ，f ) 反应 中子与靶核碰撞形成的复合核分裂为几个中等质量的原子核，在我们研究范围内， 不考虑裂变反应。 在我们关注的中子能量1 4 m e v 和靶核范围内，中子与物质的相互作用主要有弹性散 射，非弹性散射，辐射俘获三种反应。当用1 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 。l o 、时间里主要和煤层发生( n ，n ，y ) 反应，非弹性散射y 射线是与( n ，y ) 同时产生的。一个中子只要经过一、二次( n ，n ，y ) 反应后，由于能量的 7 兰州大学硕士学位论文 降低就不能再发生( n ，n ，y ) 反应了。在以后的l o 一6 1 0 。5 s 时间里，中子因与煤层中元素 的原子核发生弹性碰撞而减速，直到转换为热中子为止。通常中子在地层中经过几微秒 的时间便热化了。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( n ，y ) 反应被煤层吸收，同时放出俘获y 射线。 2 光子与物质的相互作用1 1 7 j y 光子与各种元素的原子主要发生4 种反应：光电效应、相干散射( 瑞利散射) 、 非相干散射( 康普顿散射) 和电子对效应。 1 、光电效应 靶原子 光子弋。戛曹子 图2 l 光电效应示意图 光子与靶原子作用，光子把全部能量转移给某个束缚电子， 身消失掉，这种过程称为光电效应。光电子的能量为： e 。p c = e ，b 使之发射出去，光子本 式中，e r 为入射光子的能量，b 为束缚电子和靶原子的结合能 动能) 。 当入射光子能量很低( e r = h v m 。c 2 = o 5 1 1 m e v ) 时， o 。z 5 ( 1 h v ) ( 2 6 ) ( 忽略靶原子的反冲 光电作用截面： ( 2 7 ) 光电作用截面： ( 2 8 ) 2 、康普顿散射( 非相干散射) 当入射光子受结合松散的轨道电子散射时，轨道电子获得光子的一部分能量被释放 出来，称之为反冲电子( 康普顿电子) ，同时光子损失部分能量并改变方向称为散射光 子。 。 兰州大学硕士学位论文 光，角 散射光子的能量为 反冲电子的动能为： o 和巾之间的关系为 耻谲e r ( 2 9 ) e = e e = 瓦了e 2 i ( 1 - 刁c = o s 磊t g ) 画 ( 2 1 。) d g 庐：( 1 + 兰乓) 留臼( 2 1 1 ) m ， 康普顿散射光子的角分布由k l e i n - n i s h i n a 公式给出 其中 脚蚓( 铆等一 b 竭 a = c o s o ，是散射光子的散射角余弦 r o = 2 8 1 7 9 8 3 x 1 0 。1 3 c m ，是经典电子半径 非参2 参彤2 是电子的静止臆 当入射光子能量很低( t = h v m e c 2 ) 时，康普顿散射截面： 1 o c z ( 2 1 3 ) 月v 3 、瑞利散射( 相干散射) 瑞利散射是低能光子( 巨= h v 2 m 。c 2 时，电子对效应截面： 盯。cz 2 l n ( h v ) ( 2 1 6 ) 5 、其他作用方式 除上述四种作用方式外，光子与物质还有其他一些作用方式，如： 兰州i 大学硕士学位论文 ( 1 ) 光核反应。大于一定能量的y 光子与物质原子的原子核作用。能发射出粒子，如 ( y ，r 1 ) 反应。但这种互相作用的截面与其他效应相比很小。 ( 2 ) 核共振反应。入射光子把原子核激发到激发态，然后原子核退击时再放出光子。 其他效应相比，这种反应的截面也是可以忽略不计的。 6 、光子与物质的相互作用小结 光子能量在l o o k e v 至2 0 m e v 时，除光电效应，康普顿散射和电子对效应外的其他 作用方式对y 光子的作用截面的贡献小于1 ，所以一般情况下，只需要考虑前三种作 用。不同能量的入射光子和不同原子序数的截面服从的规律可以描述为： ( 1 ) 对于低能y 射线和原子序数高的吸收物质，光电效应占优势。 ( 2 ) 对于中能y 射线和原子序数低的吸收物质，康普顿散射占优势。 ( 3 ) 对于高能y 射线和原子序数高的吸收物质，电子对效应占优势。 3p g n a a 的基本原理2 1 1 1 6 1 1 1 8 i 用快中子及经过慢化后的中子照射物料，物料中的核素与中子发生热中子俘获反应 ( n ，y ) 及快中子非弹散射反应( n ，n ，y ) ，这两种瞬发核反应都在微秒级时间内完成， 并放射出不同能量的特征y 射线。通过检测特征y 射线的能量可辨别物料中元素的种 类，通过检测特定能量y 射线的强度可辨别该元素的含量。这种分析技术称为瞬发y 射 线中子活化分析技术，简称p g n a a ( p r o m p tg a m m a - r a yn e u t r o na c t i v a t i o na n a l y s i s ) 其原 理图如下： 中子 一矿 ，j ”，“镰 y 射缝 兰州大学硕士学位论文 幽2 4p g n a a 原理示意图 当中子照射到物料的时候，产生瞬发v 射线的反应主要是热中子俘获( n ，y ) 和非弹 性散射( n ，r l ，y ) 反应。其中( n ，y ) 反应主要发生在热中子区，( n ，y ) 反应在退激过 程中，可发出多条y 射线，可以选择产额较高，不受其他v 射线干扰的谱线作为特征y 射线。非弹性散射( n ，n ，y ) 仅发生于快中子能量范围，其生成核大多处于第一激发 3 c n 0 0 0 轾 ：七 2 0 0 0 ( 1 0 1 0 0 0 0 0 2 0 04 0 0f 1 0 08 0 0 1 0 0 02 道址 幽2 5p g n a a 实验谱 态，通常只发射单一能量的特征y 射线。( 1 3 ，y ) 反应对h 、s i 、a l 、f e 、t i 、s 、n 等 煤中绝大部分元素都有较大的反应截面，而( n ，n ，y ) 反应对c 、o 等元素有较大的 反应截面。 因此通过( n ，y ) 和( n ，1 3 ，y ) 2 种反应产生的y 射线测量可定量分析煤中几乎所有 的元素。某一特征y 射线的强度可由下式计算： 12 兰i , i 大学硕士学位论文 砟( f ) = 面wn 。叩盯。吆 ( 2 1 7 ) 式中为特征峰在测量时间内的总计数： w 为待测元素的含量： m 为待测元素的原子量， 虬为阿伏伽德罗常数； 叩为待测元素的同位数丰度； 以为俘获截面： o 为单能中子注量率； 厂r 为y 射线分支比： q 为探测器效率。 在中子源和y 射线探测器等各种参数确定后，直接求出核素的百分含量。在实际使 用中，通过n ( ，) 和w 具有近似线性的关系，常采取相对测量法，即将待分析样品与相 同材料但含量已知的标准样品在相同的中子能量、中子注量率条件下辐照，并在相同的 测量条件下测量它们的放射性比较它们的放射性活度就可以求得待分析样品中元素的 含量。相对测量方法的优点是不必知道辐射时的中子注量率绝对值和探测器绝对效率， 具有较高的准确度，可用来对系统参数进行标定，或直接用于测量。 兰州大学硕士学位论文 第三章煤质在线检测系统单元的介绍 p g n a a 煤质成份在线检测系统装置主要由慢化屏蔽防护单元、中子源单元、测量 单元、数据采集单元、谱分析单元组成，如图所示： 群蔽貉 护体 慢化体 中了发 生糟 图3 1 煤质在线检测系统示意图 其机理是由脉冲中子发生器发射出中子，通过慢化单元形成快、热中子，照射到煤 流上，使快中子与煤流中的氧、碳核素发生非弹散射，发出瞬发非弹特征y 射线，使热 中子与煤流中的其他核素发生俘获反应，发出瞬发俘获特征y 射线，利用闪烁晶体b g o 探测器实时接收瞬发非弹特征y 射线和瞬发俘获特征y 射线，最后进入g 谱分析单元进 行谱分析。 1 慢化防护单元 本单元主要由慢化体和屏蔽防护体所组成。目前使用易拼装的聚乙烯、铅块作为主 要的慢化屏蔽防护体的主要材料。 单元实现的功能有以下几点： 1 、慢化中子，经过慢化体的慢化，在煤层达到最佳的快热中子比； 2 、反射中子； 3 、减小周围环境的中子、y 辐射剂量； 兰州大学硕士学位论文 2 中子源单元1 1 6 j l l 7 | 1 1 8 1 1 1 9 唧 工业应用的常用中子源有同位素中子源和脉冲式中子发生器( 中子管) ；同 位素中子源以2 5 2 c f 源为主。下面对这两种中子源作性能的比较： l 、2 5 2 c f 同位素中子源，是自发裂变中子源，它有以下特点 优点： 这种源小巧轻便、防护简单，另外中子强度也较高，可达2 3 1 + 1 0 1 2 中子 ( 克秒) ； 缺点： ( 1 ) 中子平均能量比较低，为2 3 5 m e v ，主要以热中子俘获反应为主，难 于实现多元素分析。例如煤质中有大量的c 和o ，这些核素与中子的作用， 以非弹性散射的截面最大，而非弹性散射反应又是阈能反应，闽值都大于 2 3 5 m e v 。 ( 2 ) 半衰期tl 2 为2 6 5 年，使用的价格也相对比较昂贵。 ( 3 ) i 业应用中、还存在着防护安全的问题；因为同位素中子源为自发裂变 源，在不使用的情况下，无法关断中子源的射线辐射，中子源的运输、更换 都须由专门人员完成，这给维护、检修和拆卸都带来很大的麻烦，存在安全 的隐患。 2 、1 4 m e v 脉冲中子发生器 这是一种小型的氘氚( d t ) 加速器中子源，它有以下特点 优点： ( 1 ) 中子能量高，产生单一能量的1 4 m e v 中子，在这个能量下，对某些核素c 、 o 具有很高的反应截面，因此既可以满足热中子俘获反应又可以满足快中子非弹 性散射反应的要求，对于煤质元素分析来说，能很理想的达到对物料的全元素分 析； ( 2 ) 中予强度可以控制。一般中子管工作电压在9 0 k v 到1 1 0 k v 之间，通过控 制工作电压达到对中子强度的控制，并且中子强度可达2 t 1 0 8 n s ； ( 3 ) 中子强度稳定，提高分析精度： 兰州大学硕士学位论文 ( 4 ) 中子发生器是以脉冲方式工作的，其脉冲频率可达2 0 k h z ，脉冲宽度最小 为5 u s 可以根据需要调节脉冲宽度和频率。根据不同的时间窗可将热中子俘获反 应与快中子非弹性散射反应所产生的y 射线谱分开，从而降低了y 射线的相互干扰： ( 5 ) 运输方便，并且在不需要的情况下，可以关断中子的发射，适合工业的应用。 缺点：使用寿命相对比较短，工业中一般可使用2 年左右。 综上所述，1 4 m e v 脉冲式中子发生器，产生高能量的中子，能同时解决c 、0 非弹 性散射和其它元素俘获反应的问题，因此比同位素中子源更适合于本课题研究煤质成份 检测项目的应用。因此我们实验室所选用的是1 4 m e v 脉冲式中子发生器。 3 测量单元1 2 1 主要由v 探测器、前置放大器、数据采集卡、计算机组成。g a m m a 探测器选用的 是b g o ( 分子式为b i 4 g e 3 0 1 2 ) 闪烁晶体探测器。数据的采集卡使用的是c a n b e r r a 公 司a s a 一1 0 0 多道分析器板，并配套有g e n i e 2 0 0 0 软件处理数据，此软件能在微软 w i n d o w s 2 0 0 0 系统下操作。工作参数和谱处理都是用计算机在g e n i e 一2 0 0 0 软件各功能 键来进行。本节主要对v 射线探测器进行介绍。中子与物料发生相互作用，产生感生瞬 发y 射线，最后被探测器采集。常使用的探测器有闪烁晶体探测器和半导体探测器。而 闪烁晶体探测器主要有：n a i ( t i ) 晶体探测器和b o o ( 锗酸铋) 晶体探测器。半导体探测器 以h p g e ( 高纯锗) 探测器为主。下面作三种探测器性能的比较： 1 、h p g e ( 高纯锗) 探测器 优点：能量分辨率最好，获取的v 射线谱的谱分析简单；适合低能y 射线探测。 缺点： 1 ) 探测效率低，在三种探测器中最差； 2 ) 抗辐射能力差，受到中子辐照损伤时，分辨率会受到严重的影响； 3 ) 工作环境需超低温，工业应用中很不方便。 2 、n a i ( t i ) 晶体探测器 优点：适合高能y 射线的探测，探测效率介于h p g e ( 高纯锗) 探测器和b g o ( 锗酸 铋) 晶体探测器之间，抗辐射能力强。 缺点：分辨率较差，易潮解，探测效率中等。 3 、b g o ( 锗酸铋) 晶体探测器 兰州大学硕士学位论文 优点：适合高能y 射线的探测，探测效率在三种探测器当中最高，并且具有抗辐射 能力强的优点，机械性能好，易加工成各种形状，化学性能稳定不易潮。 缺点：分辨率较差，受温度影响大。 综合比较，h p g e 探测器虽然有着最好的能量分辨率，但由于它有着探测效率底、 抗辐射能力差、需要低温环境使用的缺点，致使它在工业应用中不太适合。b g o 探测 器拥有最高的探测效率，而且抗辐射能力强，能量分辨率在探测高能量y 射线时跟 n a i ( t i ) 晶体探测器相近，虽然使用b g o 探测器，谱的稳定受温度的影响较大，但是在 通过电子学稳谱技术和温度补偿技术完全达到稳谱的效果。由此可见，b g o ( 锗酸铋) 晶 体探测器更适合用于煤质在线分析。 4 谱分析单元( p g n a a 的实现方法) i l l l l 2 4 1 1 2 5 1 1 2 6 经数据采集卡采集到的中子感生y 射线谱，为了从谱中得出物料的具体的元素含 量，需要进行解谱分析。本节主要对谱分析方法做一些介绍。瞬发y 射线中子活化分 析用于在线成份测量的实现方法常用的有：峰面积解谱法和谱库最小二乘法解谱法。 ( 1 ) 特征峰面积解谱法 这种方法就是直接通过特征峰的峰面积获取元素的含量，前面原理已经作了介绍。 由于使用峰面积解谱，这种方法对探测器分辨率的要求很高，只能使用h e g e 探测器或 者g e ( l i ) 探测器。但锗探测器的使用条件苛刻：工作在低温环境下，对电子线路的要求 高，中子辐照会使锗探测器的能量分辨率变坏，因此这个方法的测量不太适台煤质在线 成份分析的工业应用。 ( 2 ) 谱库最小二乘法( l i b r a r yl e a s t - s q u a r e sm e t h o d s ) 谱库最小二乘法的解谱方法，解谱过程用到的是全谱信息，不用担心各种元素之间 的能谱重叠使解谱过程无法进行，即使使用b g o 这样分辨率较低的探测器，也可以使 用。因此谱库最小二乘法，不仅可以回避峰面积解谱法的缺点，而且分析精度也有很大 的提高下面对谱库最小二乘法( l l s ) 将作具体的介绍。 4 1 谱库最小二乘法的解谱原理： 对于某一特定的未知样品，如果y ( 计数秒) 是其瞬发y 谱的第i 道的计数率，那么 y i 可表示为： 兰州大学硕士学位论文 m = x j a o + p 其中，置( 1 c m 3 ) 是未知样品种元素j 的原子数密度，钳是每单位原子数密度的元素j 在第 1 道( 共1 3 道) 贡献的计数率，即元素j 的“标准谱”响应，e 。是由于统计涨落引起的 第1 道的误差。 由上式，使用最小二乘或加权最小二乘方法就可以求解出未知样品中各元素的原子 数密度，进而求出其质量百分比含量和密度等。因此，建立标准谱是使用各种方法进行 解谱的前提，也就是说，将p g n a a 技术应用于工业在线元素成份测量的关键问题在于 标准谱的获取。标准谱的获取主要有两种方法：实验方法和蒙特卡罗方法。 4 2 单元素标准谱库建立的介绍 测量单元素的标准谱。对于绝对测量，单元素的标准谱库是非常重要的必要条件。 一般情况下，如有分析纯的单一元素的材料，可直接利用测量系统测量该单元素的标准 谱：如没有，可利用测量其相关化合物的能谱通过关联关系和解谱的方法来获取单元素 标准谱，这基于其关联的化合物中对应的元素有单元素分析纯材料；对于贵重稀有材料 和无单一分析纯元素的化合物，直接测量不仅费用昂贵，而且测量误差很大。鉴于上述 原因，目前，国际上发展了一种新型方法，该方法所得的单一元素标准谱，其精度很高， 且费用较低，即目前流行的蒙特卡罗最z i p s 乘法库谱。本项目拟采用蒙特卡罗方法模拟 建立单元素的蒙特卡罗标准库谱，必须注意的是，模拟条件需跟现场条件高度一致。 ( 1 ) 实验方法 通过实验获取单元素标准谱库。优点是能够得到更接近于实际情况的单元素谱。但 是实验方法建立谱库是一个巨大的工程，耗时耗材。而且对于一些元素用实验方法测量 是不可能的。 ( 2 ) 蒙特卡罗计算方法 蒙特卡罗方法能够细致地考虑材料中各元素的含量和材料密度对于标准谱的影响。 针对材料成份和密度变化的可能范围，确定出一系列的标准样品，然后利用蒙特卡罗方 法得到每一种标准样品中各元素的标准谱( 样品中所有元