（粒子物理与原子核物理专业论文）快热中子感生瞬发γ射线法检测煤的挥发分（vdaf）.pdf

摘要 快速检钡4 煤质并掌握煤中元素的含量以及挥发分和发热值等参数是有效利用煤的 重要环节。到现在，人们还是采用常规的化学抽样分析方法来获得这些参数。由于化学 方法速度慢，不能及时指导生产，而核技术方法，由于它具有辐射穿透能力，可以提供 一种新的方法来解决化学分析法的困难，可以实现煤的适时分析。中予感生瞬发y 射 线分析法( n i p g a ) 可以快速进行煤质分析。快热中子照射到煤样上发生 n ，n y 和 n ， y 反应，通过分析产生的瞬发y 射线谱，可以得出煤中的各种元素含量，从而计算出 煤的挥发分。脉冲密封中子发生器拥有快速的开一关能力，大大地提高了测量的信嗓比， 所以它非常适合这种方法。本文介绍了利用脉冲中予发生器产生的快、热中子感生的瞬 发y 射线，对煤的挥发分进行分析，得到行之有效的方法、工作原理和测量设备。采 用多元回归分析方法，较好地解决了元素间的干扰问题。n i p g a 挥发分的分析值与化验 值的误差l ，5 。 关键词：挥发分；中子感生：中子俘获；非弹性散射；多元回归；瞬发y 射线。 a b s t r a c t i nt h ec o a li n d u s t r yi ti so r e nn e c e s s a r yt oh a v es u i t a b l eq u a n t i t a t i v ed a t ea v a i t a b l e c o n c e r n i n g t h ec h e m i c a lc o n c e n t r a t i o n s ，v o l a t i l em a t t e ry i e l do rq u a n t i t yo fh e a ti nc o a l u n t i l l t h er e c e n ty e a r s ，t h e s ei n f o r m a t i o nw a so b t a i n e db ym e a n so f s a m p l i n gt e c h n i q u e sa s s o c i a t e d w i t hc o n v e n t i o n a lc h e m i c a la n y l y s i s t h e s em e t h o d sa r ei l l s u i t e dt op l a n ta u t o m a t i o nf o ri t s l o we f f i c i e n c y t h en u c l e a rt e c h n i q u e s ，o w i n gt ot h ep e n e t r a t i o np o w e ro ft h er a d i a t i o n s ，c a n p r o v i d en e wc o n t r o lp r o s p e c t s t h a tc a b e l i m i n a t et h ed i f f i c u l t i e s l i n k i n g t ot h e s a m p l i n g t e c h i n q u e s ，h e r e b ya l l o w i n g d i r e c to n - l i n e a n a l y s i s o ft h ec o a l n e u t r o n i n d u c e d p r o m p t g a m m a - r a ya n a l y s i s ( n i p g a ) c a nb eu s e d f o rf a s t a n a l y s i so fc o a l f a s t t h e r m a ln e u r o n i n t e r a c tw i t lt h en u c l e u so ft h ec o a lt o p r o d u c ei n e l a s t i cs c a t t e r i n g ( n ，ny ) r e a c t i o na n d n e u t r o nc a p p t u r e ( n ，y ) r e a c t i o n w ec a r lo b t a i nt h ec h e m i c a lc o n c e n f f a t i o n si nc o a lb ym e a n s o fi n d u c e dp r o m p tg a m m a r a ys p e c t r u m ，t h e r e b yc a l c u l a t et h eq u a n t i t yo fv o l a t i l em a t t e r y i e l d p u l s e d n e u t r o ng e n e r a t o rb r i n g sv a l u a b l eh e l pi nt h i sm e t h e df o ri t sf a s t o p e n s h u t c a p a b i l i t y a n d i m p r o v i n gs i g n a l t o n o i s e r a t i o t h i s p a p e r i n t r o d u c et h e a n a l y s i s m e t h e d ，p r i n c i p l ea n ds y s t e mo f t h eq u a n t i t yo fv o l a t i l ei nc o a lb ym e a n so ft h ef a s t - t h e r m a l n e u t r o n - i n d u c e dg a m m a r a yb yp u l s e dn e u t r o ng e n e r a t o r w ea v o i dt h ei n t e r f e r eo fd i f f e r e n t e l e m e n t sw i t ht h em u l t i p l el i n e a rr e g r e s s i o no ns p e c t r a t h ed e v i a t i o no ft h eq u a n t i t yo f v o l a t i l ei nc o a lb e t w e e nn i p g aa n dc o n v e n t i o n a lc h e m i c a la n y l y s i si se q u a lt oo rl e s st h a n 】5 。 k e y w o r d s ：v o l a t i l e ；n e u t r o n - i n d u c e d ；n e u t r o nc a p t u r e ；i n e l a s t i cs c a t t e r i n g m u l t i p l er e g r e s s i o n ；p r o m p tg a m m a r a y 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位沧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。据我所知，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而使 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： 鲤在，曰期：趔：= ：垒 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 论文的规定，即：东北师范大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 授权东北师范大学可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：鲤蠢指导教师签名：盔丝生 日 期：妒h 毕日 期：碘阻 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：受蕉扛是逢螂蒯j 彩 通讯地址 电话： 邮编： 引言 挥发分是发电厂用煤的重要指标，挥发分的高低对煤的着火和燃烧有较大影晌。挥 发分高的煤容易着火，火焰大，燃烧稳定，但火焰温度低。相反，挥发分低的煤，不易 点燃，燃烧不稳定，化学和机械不完全燃烧热损失增加，严重时，甚至还能引起熄火。 所以，煤的的挥发分及某些元素的含量等参数的检测是十分重要的，如能及时实现煤中 主要构成元素的含量分析，给出煤质的总体评价，这将对指导锅炉燃烧具有霞大意义。 煤的挥发分产率与煤的变质程度有密切的关系。随着变质程度的提高，煤的挥发分 逐渐降低。如煤化程度低的褐煤，挥发分产率为6 5 3 7 ；变质阶段进人烟煤时， 挥发分为5 5 1 0 ；到达无烟煤阶段，挥发分就降到1 0 甚至3 以下。因此， 根据煤的挥发分产率可以大致判断煤的煤化程度。在我国煤炭分类方案以及苏( 原) 、美、 英、法、波和国际煤炭分类方案中都以挥发分作为第一分类指标。根据挥发分产率和测 定挥发分后的焦渣特征可以初步确定煤的加工利用途径。如高挥发分煤，干馏时化学副 产品产率高，适于作低温干馏或加氢液化的原料，也可作气化原料；挥发分适中的烟煤， 粘结性较好，适于炼焦。在配煤炼焦中，要用挥发分来确定配煤比，以将配煤的挥发分 控制到适宜范围2 5 3 1 。此外，根据挥发分可以估算炼焦时焦炭、煤气和焦油等 产率。在动力用煤中，可根据挥发分来选择特定的燃烧设备或特定设备的煤源。在气化 和液化工艺的条件选择上，挥发分也有重要的参考作用。在环境保护中，挥发分还作为 一个制定烟雾法令的依据。此外、挥发分与其它媒质特性指标如发热量、碳和氢含量都 有较好的相关关系。利用挥发分可以计算煤的发热量和碳、氢、氯含量及焦油产率。 化学抽样分析方法过程复杂( 它需要经过采样、称重、恒温干噪、测定等繁琐的步 骤) ，所以它需要消耗很多时间，不能及时指导生产。所以研制开发一种即时的检测手 段势在必行。而中予感生瞬发y 射线的分析方法则提供了这种可能。应用核技术方法， 由于它具有高强的射线穿透能力，所以它对需要待测的物品不用做特别的准备。中子感 生瞬发y 射线分析( 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 中予与材料中所含元素的靶核发出中子俘获 n ，y 反应和快中子非弹性散射 n ，n y 反应时，放出特征y 射线。根据特征y 射线的能量和特征峰面积来确定物质中所含 元素的种类和含量，从而实现煤的即时分析。 由于煤中的元素对于 n ，y 和 n ，n y 两种反应的截面不相同，比如c 和o 这 两种元素对于 n ，n 。y 反应截面比较大而对于i n ，v 反应截面很小，大部分元素对于 hy 截面大，所以单独采用其中一种反应都不能进行精确的元素分析。9 0 年代后人 们开始采用快热中子的 n ，n + y 和 n ，y 反应联合分析，同位素中子源也被中子发生 器所代替。但是，这两种反应同时存在时测出的y 射线谱是非弹性散射谱和中子俘获_ r 射线谱的混合谱，我们无法读出各元素的特征y 射线峰面积，结果误差较大。所以我们 采用脉冲中子发生器并配合我们研制的线性门电路把全谱( 非弹性散射y 射线谱和中子 俘获y 射线谱) 和中子俘获y 射线谱分离开来，再把它们相减得出纯的非弹性散射y 射 线谱。这样就可以读出各元素的特征峰面积，使分析出的结果更加精确。 我们建立了实验装置，采用1 4 m e v 脉冲中子发生器，b g o 探头进行大量的实验，得 出了可使用的几何条件，又采用多元素回归分析方法，较好地解决了元素间的干扰问题， 煤炭工业分析指标中的挥发分及其元素含量提高了分析精度。 第一章中子瞬发y 射线分析方法的历史 中子俘获瞬发y 射线谱分析技术大约是在2 0 世纪7 0 年代发展起来的。根据调查， 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 谱分析技术的。 他作了许多基础技术研究工作和应用研究工作，曾发表过许多元素的热中子瞬发y 射线 能量和分析灵敏度数据，以及在煤炭、水泥和热电厂方面的应用研究论文。在他的工作 基础上美国s a i c 已于1 9 8 1 年研制了核煤分析器( n u c o a l y a z e r ) l l j ，并在热电厂应用至 今。人们都把这种方法命名为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 ) 【2 i 扪，这是通过元素分析来完成的，比利用r 射线吸收法优越很多，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p g n a a 法对煤中的主要元素如c 和0 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 y 产生的瞬发y 射线解决c 和0 ，以及其它难于用 p g n a a 法测定的问题。美国t s a h ig o z a n i 于1 9 8 7 年较早提出利用1 4 m e v 快中子与物质 发生相互作用的非弹性散射反应 1 1 ，n y 产生的y 射线进行元素分析“1 ，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 na n a l y s i s ) 法，因为 n ，n y 反应对物质中的c 、0 等元素的反应截面是很高的，该作者也做了大量的实验，用1 4 m e v 中子产生的y 一射线的反应截面和热中子作了比较，结果皆比热中子的截面高一个数量 级，所以他认为用这种方法将大有前途，但后来美国的a r t h u rn t h o r p e 曾利用中子 发生器产生的快中子分析了煤旧，发现效果并不令人乐观，由于 n ，n y 反应的计数 很高，受康普顿散射坪的影响，用1 4 m e v 快中子只对c 和0 分析有利，而其它元素的峰 计数却不明显，所以从他们的实验可以看出，煤中相当多的其它元素，还是得依靠热中 子俘获丫射线来分析，即 n ，y 反应，也就是说比较低能的中子( 2 5 m e v 以下) 产生 的谱，更有利于煤中许多元素的分析。所以到9 0 年代末，利用中子感生瞬发y 射线分析 煤中的各元素已进入 n ，y 反应与 n ，n 。y 反应的联合应用阶段。中子感生瞬发y 射 线分析法在我国也刚刚起步“，现在东北师范大学辐射技术研究所( 吉林省科仑辐射 技术有限公司) 正致力于系列中子管研制与开发啪9 1 和中子工业应用方面的研究。 第二章原理和方法 第一节中子与物质的相互作用 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比小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。 中子与原子核相互作用，有如下几个过程“： 1 弹性散射 n ，i q ； 2 非弹性散射 n ，n y 3 放出带电粒子的核反应 n ，p ， i l ，a 等； 4 核裂变 r l ，f ； 5 辐射俘获 r l ，y ： 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，中予能量的减少等于反冲核所获得的动能，从能量 核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： 咄也= 器即o s 2 臼( 2 1 1 ) 其中民为反冲核的动能，e n 和e 。为碰撞前后中子的动能，m 为反冲核质量，m 为中子的 质量，o 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 都采用水箱或聚乙烯材料做防护体。但是由于水的密度大，设备的重量就大，而石蜡在 室温的条件下，容易堆砌，所以采用含硼的聚乙烯颗粒做防护材料比较理想。 非弹性散射过程，即 1 1 ，i l y 反应，中子把动能的一部分传给原子核后为原子核 的激发能，激发了的原子核常放出y 射线而回到基态。在非弹性散射时，中子损失的能 量较弹性散射时大，非弹性散射有阈 ；e ，m f + m ( 2 1 2 ) 1 v 1 e ，为放出的y 射线能量。只有当中予的能量超过阈能时，非弹性散射爿可能发生。我们 在测量煤中的c 、0 两种元素时就是采用这种反应。其反应方程式为： ： + 1 ：c = 1 2 c + 以 e 。= 4 4 3 m e v( 2 1 3 ) 4 ：盯+ 1 8 6 0 = 1 6 , o + n e ，2 6 1 3 m e v( 2 i 4 ) 放出带电粒子的核反应过程，即 n jp 、i n ，n 等放出带电粒子的核反应，是( p ，r 1 、 n ，n 的逆过程，它们的反应能有正有负。同样地q o 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 慢中子，只有在轻核情况下才能发生 1 q ，p 、 n ，n 反应，当中子的能量较高时，还可 以放出几个中子的反应，如 i 2 ，2 n 、 n ，3 n 等。 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“u 、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。 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。其反应示于图l 热中予鞭子鹱数裳棱 豫卷壤，射蠖 图i 中子感生瞬发y 射线分析( n i p g a ) 辐射俘获的结果，是产生比原来质量数大一个质量数的同位素，即；z ( 刀，) 4 ；x 。生成 的核往往是放射性的。辐射俘获是在堆上生产放射性同位素常用的核反应。由于 n ，y 反应截面仃o c e 。1 ( e 。为中子能量) ，因此 n ，y 反应主要发生在热中子区。我们在测 量煤中，除c 、0 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) h 和中予反应方程式为： ：n + l i n = 1 2 日+ ， ev 2 2 2 3 m e v ( 2 1 5 ) 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，我们选择产额较高，不受 其它y 射线干扰的谱线作为特征y 射线。 总括起来说，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。不过中子的能量减低后，一般说来，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，后面三种过程的结果，中子被原子核吸收掉了。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n 粒子，裂变碎片等等。在 各种应用中，无论是中子的探测还是中子的防护，都是以这种相互作用过程为基础的。 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 快中予在射入煤中最初1 0 1 一 1 0 1 s 时间里主要和煤层发生 n ，i n _ y 反应，非弹性散射y 射线是与 n n y 同时产 生的。一个中予只要经过一、二次i n ，n y 反应后，由于能量的降低就不能再发生 n ， 5 n y 反应了。在以后的1 0 1 一i 0 。5 s 时间里，中子因与煤层中元素的原子核发生弹性碰 撞产生 n ，1 3 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 间便热化了。热化后的中予一方面通过 n ，l q 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。热化后的中子能在煤层中持续存在i 0 0 0us 或更长的时间。当热中子被吸收完后，俘获y 射线也就停止辐射了，此时在煤层中就只 有自然y 射线和少数活化y 射线存在。图2 表示脉冲中子源形成的各种y 射线的发射时 间分布。 厂 = 厂 仁! ! ! ! 二竺：!嚣竺二翌3 时间tk 蚪_ _ 一 时间 图2y 射线发射时间分布图 第二节中子在煤介质中的通量 能量分布和空间分布 1 9 9 0 年葡萄牙人c o l n e i r a 和j s a l g a d o 应用蒙特卡罗编码研究了“1 a m b e 中子源 在烟煤装入平行6 面体容器中的热中子通量分布1 。该分析结果表明：应用热中子俘获 y 射线测定煤的元素组成是可能的。对给定的实验装置任意元素的每重量百分比的y 射 线强度都依赖于样品h 成分，因此只要测得h 的成分，并用以校正，则确定其它元素的 含量是该分析结果并指出样品厚度必须大于2 5 c m 。因为多数光子发生在靠近探测器一方 的2 0 c m 宽的范围内。 1 9 9 1 年c o l i v e i r a 和j s a l g a d o 又应用蒙特卡罗编码研究了“a l i l b e 中子源在烟 煤装入6 面体容器中的快中子通量分布“该模拟研究揭示了煤的容重在确定快中子在 样品体积内部的通量分布和估算通过 n ，n y 反应在探测器上检测的y 射线强度时是 6 重要的参量。实际上快中子通量分布不依赖于煤的化学组成，而依赖于煤的容重。但是 适当选择几何结构即样品的厚度，可减小容重效应。分析结果又指出多数光子发生在靠 近中子源的方向1 5 c m 厚的一层内。 1 9 9 3 年c o l i v e i r a 、j s a l g a d 0 和f g c a r v a l h 0 合作又应用蒙特卡罗编码模拟了 “2 c ，中子源在外漫化体的几何条件下( 即将中子源装入漫化体的中心，并放置在样品容 器外边) 热中予在煤样中的通量分布和在探测器上y 射线的强度“”“”。该研究结果表明： 当样品厚度2 0 c m 和漫化体的半径9 7 5 c m 时，在探测器上检测的y 射线计数率是几乎 不依赖于v 一( h 的体积含量) 的变化而变化。2 “a 珈一b e 点源在煤中的中予通量一能量分 布如图3 所示“”，由图3 可见，在煤中中子能量谱分布存在两个峰，一个是快中子峰( 1 1 0 m e v ) ，一个是热中子峰( 1 0 一1 0 e v ) 。而在0 5 e v 一0 1 m e v 区间通量分布较低。 且可见，煤中深度3 0 c m 处中子通量密度较深5 c m 处低一个量级，且谱形相似，煤中中子 引起的反应主要是热中子的俘获反应 n ，y 及快中子的非弹性散射 n ，n y “。 图32 “a i b e 中子源在大体积煤中心时的中子 遥量一能量谱在5 c m 和3 0 c m 的分布 第三节元素的含量与特征峰计数的关系 如前所述，中子与物质发生核反应，无论是中子俘获反应 n ，y 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 射线能量是不同的。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 射线特征峰的位鼍和峰的面积进行定性和定量分析。在定量分析中，测量元 素特征峰的面积( 用测量时间内峰的总计数来表示) 与该元素的含量有以下的关系 = t g n a 恻, 耐 ( 2 3 1 ) 式中n 为元素特征峰在测量时间t 内的总计数，g 为某物质样品中此种元素的含量，n 。 为阿伏加德罗常数，a 为该元素的原子量，为中子通量密度，盯为反应截面，g 为探 测器的效率，j 为y 量子产额，口为某同位素的丰度。在实际应用中毋，盯，f ，j ， t ，a 和n 。均为常数，所以我们可以把n 和g 2 _ n 建立下列关系 g = p n + q( 2 3 2 ) 式中的p ，q 为经验常数，可由实验确定但在多数元素物质的分析情况下，我们考虑到 康普顿散射效应的影响( 即特征y 射线能量高的元素要对能量低的元素产生干扰) 因此 我们采用多元素线性回归方程进行数据处理“7 “1 。 8 第三章实验用仪器、设备介绍 第一节系统组成 本系统是由脉冲中子发生器、_ r 射线探测谱仪、中子监测仪和煤样装置四大部分组 成。其设备框图如下图4 所示。 图4 脉冲中子煤质快速分析仪整体框图 其中y 射线谱仪是由b g o ( 锗酸铋) 探测器，主放大器和4 0 9 6 道脉冲幅度分析器( m c a ) 组成：中子检测仪采用是z n s ( a g ) 闪烁探头探测中子，由主放大器把信号放大在由计 数器读出中子计数，它的探测效率为1 。煤样品装在一个大小为2 0 c m x 2 0 c m x l 5 c m 用 不锈钢板焊接的方箱中。煤首先在夕 面装箱，然后用电动滑车经滑道送入探测位置进行 测量。实验测量所采用的几何配置为透射式，如图5 所示。 9 图5 测量装置的几何配置 煤箱周围的铅屏蔽板是为了屏蔽由于中子与防护体( 含硼聚乙烯) 相互作用产生的 y 射线被y 探测谱仪探测而引起的假计数。透射式的照射立体角与探测立体角都较大， 这样可以提高y 射线的探测效率，统计规律好。经过实验，我们采用含硼聚乙烯和铅做 为防护体材料，总防护体为含硼聚乙烯，厚度为5 0 c m 。经长春市卫生局、卫生监督所监 测结果显示：( 1 ) 该中子活化仪器设计合理，工艺和结构基本符合脉冲中予煤质快速分 析仪企业标准：( 2 ) 种子煤质快速分析仪呈关闭及工作状态时，工作人员位置( 距离装 料口1 5 米) 空气比释动能率均小于1 5 hg y h 。中子剂量当量率小于0 51 ts v h ，合 计低于放射卫生防护基本标准( g b 4 7 9 2 8 4 ) 第九款中关于放射工作场所的控制值要求， 人员在该处活动是安全的；( 3 ) 分析仪样品测试室为封闭状态，加料点距中子发生器1 5 米处，停机操作周围剂量当量( r l + y ) 为本底值( 0 1 + 0 9 = 1 0us v h ) ，低于 ( g b l 6 3 8 6 1 9 9 6 ) 第4 8 款中第二项的安全要求；( 4 ) 该活化分析仪工作或关闭状态仪 器周围，空间未监测到伴生a 、1 3 线。 b g o 探测器使用时发现测量结果精密度与峰位的漂移和能量分辨率的大小有关，峰 位的漂移和能量分辨率的大小在根本上是由于b g o 闪烁体荧光转换效率受温度影响很 大所造成的，这绘实验测量带来很大的误差。所以我们采用蒸汽压缩式制冷方法制作的 b g o 探测器真空保温系统，能使探测器周围的温度保持在实验所要求的范围内，从而减 小温度对探测器的影响。 b g o 探测器恒温系统的制作如图6 所示 1 0 墨皇墨 - - 一攥护屡一一- b g o 擦铡静 o r i i 强露百i i 2 真空层 3 保温幕坑剖葡匿 保温幕抗藏面皤 图6b g 0 探测器恒温系统 保温系统：因为仪器要求具有较强的机械性，所以系统采取不锈钢材料， 利用氩弧焊接技术制成外形尺寸为：长5 8 0 m m ，外直径为1 5 0 m m ，内直径为 1 1 0 m m 的杜瓦瓶，然后用真空泵抽真空【3 】，真空度抽至5 x1 0 。p a ，制好后把制 冷剂( 氟利昂) 充入蒸发器内连同b g o 探测器封装到杜瓦瓶内、外1 ：3 用发泡 剂填充，以达到保温目的。 制冷系统：我们考虑到成本等因素，采用的是单级蒸气压缩式制冷系统， 它由压缩机、冷凝器、毛细管和蒸发器组成。蒸发器用直径6 m m ，长1 5 m 的 铜管制成。制冷剂液体( 氟利昂) 在蒸发器内以低温与被冷却对象发生热交 换，吸收被冷却对象的热量并气化，产生的低压蒸汽被压缩机吸入，经压 缩后以高压排出。压缩机排出的高温高压气态制冷剂进入冷凝器，被常温 的空气冷却，凝结成高压液体。高压液体流经毛细管节流，变成低压低温 的气液两相混合物，进入蒸发器，其中的液态制冷剂在蒸发器中蒸发制冷， 产生的低压高温蒸汽再次被压缩机吸入。如此周而复始，不断循环。从而 达到冷却b g o 探测器的目的。 温度控制系统：我们采用湖北黄石先达公司的温度控制器，温度控制精 度是0 1 ，本仪器经过多次实验，系统温度控制在一4 5 一5 0 c 范围内， 恒温时间在1 5 分钟左右，完全满足b g o 探测器测量y 能谱所要求的时间 1 1 为了保证b g o 探头恒温，制冷恒温系统应该长期运转。 第二节脉冲中子发生器工作原理及脉冲中子工作模式 脉冲中子发生器包括中子管和它的三路供电电路，即离子源电路，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、加速系统和靶等四部分组成。 图7 脉冲中子发生器原理框图 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压，靶极负高 压电路为加速系统提供正离予加速电压。脉冲中予发生器的结构框图如图7 所示。 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3 3 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，与靶极上的氚原子核发生氘氚反应， 生成一个氨核并产生1 4 m e v 的脉冲中子。其反应方程式如下： t h 十j h + ：h + h ( 3 2 1 ) 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脉冲电压，该电压加到中子管离子源阳极和离子源地之间，使 离子源腔内的氘气体电离。 a 脉冲中子形成时间示意图 b 全谱测量时间示意图 c 辐射俘获谱测量时间示意图 图8 脉冲中子工作模式及y 射线谱测量时间示意图 脉冲中予发生器产生一个3 0 0 us 周期的工作模式，其中前1 0 0 “s 产生中予，后 2 0 0ps 停止产生中予。在打中子期间既产生非弹性散射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，其中前2 0 4 8 道在停中子期间开通收集辐射俘获y 射线谱，后 2 0 4 8 道在打中子期间开通收集全谱( 非弹性散射y 射线谱和辐射俘获v 射线谱) 。 第四章煤的挥发分v d a f 测量 第一节测量原理 煤在9 0 0 1 0 t 的温度下，隔绝空气加热1 0 m i n ，其中有机物质和一部分矿物质热 解成为气体，包括常温下生成的液体逸出，使质量减少，以失去的质量占煤样的百分率， 减去煤样的水分后即为挥发分。煤中干燥无灰基氢含量h d a f 与挥发分v d a f 的变化关系 有一定的规律性，即氢含量随挥发分的增高而增加。挥发分小于1 2 时，其氢含量增加 明显；挥发分为1 2 4 5 时，氢含量增加缓慢；但是挥发分大于4 5 时，氢含量又 有所增加。根据二者变化规律，可以推导出来挥发分和氢含量之间的关系“： 对于烟煤 2 2 4 h d a f 对于褐煤 v d a f = v d a f = 1 0 。1 1 4 h d a f ( 4 1 1 ) h d a f - 1 2 0 5 0 0 8 3 5 ， ( 4 1 2 ) 从以上公式可以看出，要想得出煤的挥发分，就必须知道干燥无灰基氢含量h d a f 。 煤中的氢元素有两种存在形式，一种是构成矿物质及水中的氢，它不参与燃烧；另一种 与碳元素构成有机成分，在燃烧时，释放出很高的热量。而干燥无灰基燃煤状态是扣除 水分和灰分的状态，而灰分中氢含量很少，可忽略不计。这样如果我们测出氢含量之后， 在减去水中的氢含量，就可以计算出挥发分v d a f 了。考虑到对一定的成煤年龄或某些 相似的矿，煤中的h c 比符合相同的规律，我们根据一些北方典型的煤矿得出有机h 即干燥无灰基h d a f 和c 元素的近似关系式： h d a f = 0 0 4 3 6 i v l c + 0 2 4 1 3 ( 4 1 f 3 ) 把( 4 1 3 ) 式带入( 4 1 1 ) 、( 4 1 2 ) 式，可得到： 对于烟煤 2 2 4 ( 0 0 0 3 6 m o + 0 2 4 1 3 ) v d a f = 1 0 1 1 4 ( 0 0 0 3 6 m c + 0 2 4 1 3 ) ( 4 】4 ) 对于褐煤 1 4 v d a f = 0 0 4 3 m c - 11 5 4 ( 4 1 5 ) 这样我们用中子活化分析方法直接测碳元素含量就可以计算出煤的挥发分v d a f o 根据国家电力公司吉林发电用煤质量监督检验中心为我们提供北方典型煤矿的数据，含 碳量3 0 的煤为褐煤，含碳量 3 0 的煤为烟煤。 袁1 元素cho 反应截面 3 7 3 + 0 0 73 3 2 + 2( 0 2 ( m b ) 放出y 射线能量 4 9 4 52 2 2 3 ( k e y ) _ 由第二章可知中子与物质相互作用可发生非弹性散射 n ，r l y 反应，弹性散射i n ，n 反应和热中子辐射俘获 n ，y 等核反应。对于不同的核反应不同元素的反应截面也不 相同，表l 为c 、h 、0 三种元素的热中子俘获截面。而1 4 m e v 快中子与c 、h 、0 发生 非弹性散射的反应截面如表2 ： 表2 元素ch0 反应截面 4 21 3 1 + 1 3 ( 皿b ) 放出y 射线能量 6 1 3 04 4 3 3 ( k e v ) 由上二表可以看出：c 、0 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 截面大的多，而h 、0 两种元素则是热中子俘获反应的截面大，所以我们对于c 、0 两种 元素采用快中子非弹性散射反应，用热中子俘获反应去求h 元素。其反应方程式见式 ( 2 1 2 2 1 6 ) 。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1 0 “s 时间内完成，之后热中 子一方面通过弹性散射在煤中扩散，另一方酾与煤中元素发生俘获反应，同时放出俘获 y 射线，这大约会持续1 0 0 0 us 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 、0 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) 和热中子俘获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 、0 的非弹性散 射y 射线谱。再根据第二章第三节所述的元素的特征y 射线峰与计数的关系和国家电力 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 、0 的含量与它们的特征y 射线峰的计数的经 验公式。再代入( 4 1 4 ) 、( 4 1 5 ) 式便可以得出煤的挥发分v d a f 。 第二节特征y 射线谱的获取 系统采用y 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煤的挥 发分的分析。 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9 ： 圈9 探测装置框图 我们采用的y 射线测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 e 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 ) 能量刻度及存盘、读盘；( 6 ) 建立感性区，求 感性区峰总面积及净面积；( 7 ) 打印数据谱：( 8 ) 不同数据谱比较；( 9 ) 剥谱。 我们按照第三章所述脉冲中子工作模式进行煤样的y 射线谱测量，其数据谱如图8 所示：全谱包括非弹性散射y 射线谱和热中子俘获y 射线谱，但从图中可以看出，只有 c 和0 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0 的非弹性散射峰所掩盖。而热中子y 射线谱元素的特 征峰就明显多，由于b g 0 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中而无法判断。 1 6 h g a m m a - r a ye n e r g yc h a n n e 全谱( a ) g a m m a r a ye n e r g yc h a n n e l 全谱( b ) 1 7 一 一一m 一薹| 薹| 一 一。 兽c300巴星e_o 2 0 04 0 0 g a m m a - r a ye n e r g yc h a n n e l 俘获谱( a ) 5 0 06 0 07 0 08 0 0a o o 1 0 0 01 1 0 口2 0 01 3 0 01 4 0 0 g a m m a - r a ye n er g yc h a n n e 俘获谱( b ) 图1 0y 射线谱图 我们在全谱和俘获谱分别选取元素的特征y 射线峰，如表3 所示： o 0 o o o 0 o o o 0 o o o o 0 o o o o o o 0 7 6 5 4 3 2 1 算c】oo巴由ee8 啪 啪 啪 m 啪 舌| m 湖 | 暑 。 牡c300巴誉8 表3 特征y 射线峰选取 序号元素特征峰能量标记符号特征峰能量宽度 l全谱中c4 4 3 m e v n c l 4 2 0 一4 6 7 m e v 2全谱中o6 1 3 m e v n o l 5 8 9 6 3 6m e v 3全谱中p b7 3 6 m e v n p b6 7 8 7 5 9m e v 4 俘获谱中对应c4 4 3 m e vn 0 24 2 0 一4 6 7 m e v 5俘获谱中对应o6 1 3 m e v n 0 2 5 8 9 6 3 6m e v 6俘获谱中h2 2 3 m e v n h 2 0 0 2 4 7m e v 我们再取全谱的总的y 射线计数i 。和俘获谱总的y 射线计数i 。，对各元素的特征 y 射线峰分别除以i 。和i 。所得的值进行回归，这样就可以消除由于中子发生器的不稳 定带来的波动。 第三节数据处理 谱数据处理流程图如图9 ： 图9 谱数据处理流程图 1 9 2 选谱数据 取4 0 9 6 道谱的谱数据记作c h 4 0 9 6 。 平滑 对c h 6 到c h 4 0 9 1 道的原始数据进行处理。平滑后的数据记为c c h 4 0 9 6 。 1 1 点平滑公式： c c h i = ( 1 4 0 9 6 ) 1 0 2 4 c h i + 8 1 0 * c h i + 1 + 8 1 0 * c h i - i + 4 0 0 * c h i 十2 + 4 0 0 * c h i - 2 + 1 8 0 * c h i + 3 + 1 8 0 * c h i 一3 十1 i o * c h i + 4 + 1 1 0 * c h i 一4 + 3 6 c h i + 5 + 3 6 c h i - 5 定峰位 1 ) 先寻h ：和p b 。两峰的最大值所在的道数，设为c h a n n e l l 和c h a n n e l 2 。 算法： t e m p c h a n n e l v a l u e = o ： f o r ( i n ti = 3 4 9 ：i t e m p c h a n n e l v a l u e ) f t e m p c h a n n e l v a l u e = c c h i ： c h a n n e ll = i ： ) ) t e m p c h a n n e l v a l u e = 0 ； f o r ( i n ti = l1 8 5 ：i t e m p c h a n n e l v a l u e ) ( t e m p c h a n n e l v a l u e = c c h i ： c h a n n e l 2 = i ： ) 2 ) 计算出俘获y 射线谱每道所代表的能量： k e v l = ( 7 6 3 8 2 2 2 3 ) ( c h a n n e l 2