程道文， 蘭 民， 劉林茂

（1.長春工業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)科學(xué)學(xué)院，吉林長春 130012; 2.東北師范大學(xué)物理學(xué)院，吉林長春 130024）

0 引 言

煤炭的大量燃燒（產(chǎn)物中的CO2，SOX，NOX，以及有毒重金屬）加劇了溫室效應(yīng)，增加了酸雨量，擴大了酸雨范圍，加劇了有毒重金屬污染。到目前為止，相關(guān)單位主要還是采用化學(xué)方法來測量碳、氮、硫等元素以及重金屬的含量，其測量過程復(fù)雜，時間長，精度低。而“中子感生瞬發(fā)伽馬射線分析（NIPGA）”技術(shù)是利用非彈反應(yīng)或者俘獲反應(yīng)來測量元素含量，與元素存在形式無關(guān)，且是大體積測量，所以測量精度高、速度快[1-3]。此技術(shù)不僅可以分析大體積樣品，還可以實現(xiàn)在線分析，是很有發(fā)展前途的煤質(zhì)測量方法[4-5]。文中具體介紹應(yīng)用NIPGA技術(shù)快速測量煤炭元素含量的原理及其環(huán)境保護意義。

1 檢測煤炭元素含量的環(huán)保意義

1.1 碳、氫、氧含量檢測的環(huán)保意義

由于溫室效應(yīng)，地球變得越來越熱，現(xiàn)在人類所處的氣候點是近萬年來最高的。在溫室效應(yīng)中起主要作用的是二氧化碳，而二氧化碳的主要來源是煤炭的大量燃燒。為了減少二氧化碳的排放，必須準(zhǔn)確地測量出煤炭中碳、氫、氧的含量，計算出煤炭的低位熱值、水分、灰分以及揮發(fā)分等，然后根據(jù)這些值合理地配煤、用煤，提高煤炭的使用效率，減少煤炭的使用量，降低二氧化碳的排放量。如果用化學(xué)方法分析這些參數(shù)，其過程復(fù)雜（需要經(jīng)過采樣、稱重、恒溫干燥、測定等繁瑣的步驟），消耗時間多，不能及時指導(dǎo)煤炭的燃燒，降低二氧化碳的燃燒。另外，由于化學(xué)方法是小體積分析，采樣不具備普遍性，測量精度低，人為誤差大。

1.2 硫、氮含量的檢測及其環(huán)保意義

2010年，我國被監(jiān)測的443個城市中，189個城市出現(xiàn)酸雨。酸雨給環(huán)境和經(jīng)濟帶來的影響和破壞是很大的。酸雨能直接進入水庫、江、河以及海洋，導(dǎo)致水體酸化，給水生生物帶來滅頂性災(zāi)害。如果農(nóng)田土壤被酸雨酸化，本來固定在土壤礦化物中的有害重金屬（如汞、鎘、鉛等）將再溶出，被糧食、蔬菜吸收和富集。人類攝取這些食物時，這些有害重金屬將不斷在人體內(nèi)富集，危害人體健康。

人類活動造成酸雨的成分中，硫酸約占60%～65%，硝酸約占30%，它們主要來源于電廠、鋼鐵廠、冶煉廠等大型單位的煤炭燃燒。2010年被燃燒的氮約為0.4億噸，硫約為0.3億噸。產(chǎn)生的酸性氣體直接排放到大氣中，所形成的酸雨將危及生態(tài)環(huán)境，威脅人體健康。因此，必須測量煤炭中的氮、硫含量，但是由于含氮、硫的物質(zhì)成分復(fù)雜，到目前為止，產(chǎn)煤、用煤單位還是主要采用凱氏法來測量煤炭中氮的含量，用燃燒來測量煤炭中硫的含量。這些方法只能測量出大部分的氮、硫，測量誤差大，很難指導(dǎo)煤炭的合理使用，減少氮、硫氧化物的排放，而NIPGA法是利用熱中子俘獲來測量氮、硫的含量，由于測量速度快，測量精度高[6-7]，可控制氮、硫氧化物的排放。

2 NIPGA法檢測元素含量的原理

中子與元素間的主要作用有彈性散射、非彈性散射、放出帶電粒子的核反應(yīng)、核裂變及輻射俘獲。其中，快中子非彈性散射反應(yīng)和熱中子俘獲反應(yīng)都釋放出瞬發(fā)伽馬射線，選擇產(chǎn)額高、受其它元素伽馬射線干擾小的伽馬線作為元素的特征伽馬射線。然后根據(jù)特征伽馬射線的能量確定元素種類，利用伽馬射線總計數(shù)（通常稱為伽馬射線峰面積）計算元素含量。

2.1 煤炭中主要元素與中子間的核反應(yīng)

碳的非彈截面非常大（為425 mb），釋放出的4.43 MeV伽馬射線受其它射線影響非常小，煤質(zhì)測量中一般用此反應(yīng)來測量碳元素的含量，反應(yīng)方程式為:

氫的熱中子俘獲截面比較大，為332 mb，只能產(chǎn)生能量為2.22 MeV的特征伽馬射線，NIPGA法檢測氫含量只能用此反應(yīng)，反應(yīng)方程式為:

氧的快中子反應(yīng)截面為474 mb，閾值約為6.4 MeV。非彈反應(yīng)后，受激的16O在瞬間退激到基態(tài)，并釋放出能量為6.13 MeV的伽馬射線，NIPGA法一般用此反應(yīng)來測量氧元素的含量，反應(yīng)方程式為:

氮的快中子反應(yīng)截面為430 mb，閾值約為2.44 MeV。非彈反應(yīng)后，受激的在瞬間退激到基態(tài)，并釋放出能量為2.30 MeV的伽馬射線，但是，由于此能量和氫的2.22 MeV非常接近，很難用它來測量氮元素的含量。它的熱中子俘獲反應(yīng)截面雖然小，但是能量為10.83 MeV的伽馬射線所受的干擾非常小，可以用來測量氮元素的含量，反應(yīng)方程式為:

硫的熱中子俘獲截面大約為491 mb，所釋放出來的伽馬射線能量為0.84，2.38，5.42 MeV等，其中，5.42 MeV伽馬射線產(chǎn)生的幾率較高，可以用于硫的測量，反應(yīng)方程式為:

2.2 煤炭中主要元素含量的計算

在定量計算中，單位體積樣品中某元素含量（G）與其特征峰凈面積（N）間有以下關(guān)系[8]:

式中:N——該元素特征峰在測量時間t內(nèi)的凈計數(shù);

G——煤炭樣品中的該元素含量;

NL——洛喜米特常數(shù);

A——該元素的相對原子質(zhì)量;

φ——中子通量密度;

σ——反應(yīng)截面;

ε——探測器的效率;

j——γ量子產(chǎn)額;

α——某同位素的豐度。

在實際應(yīng)用中，φ，σ，ε，j，α，t，A和NL均為常數(shù)，而N為特征峰的總面積，所以N和G間的關(guān)系如下:

式中:p，q——待測常數(shù)。

測量出幾組標(biāo)準(zhǔn)樣品中該元素的N和G（G是計量科學(xué)院的化驗值），通過線性回歸求出p，q的值，再把p，q代入式（7），就可以利用式（7）測量未知樣品中該元素的含量。

3 實驗裝置的設(shè)計

3.1 中子源的選擇

常見的中子源主要有反應(yīng)堆中子源，放射性同位素中子源以及加速器中子源。在檢測煤炭元素含量時，需要同時利用俘獲反應(yīng)和非彈性散射反應(yīng)，所以脈沖D-T中子發(fā)生器具有明顯的優(yōu)勢:中子產(chǎn)額較高且可控，可以提高元素分析的效率;在關(guān)閉電源時沒有中子產(chǎn)生，容易防護;產(chǎn)生的中子能量為14 MeV，有利于非彈反應(yīng)和熱中子俘獲反應(yīng)。

3.2 伽馬射線探測器的選擇

目前，用NIPGA技術(shù)檢測元素含量中，常用的伽馬射線探測器有BGO，NaI以及HPGe探測器。BGO晶體的化學(xué)分子式是Bi4Ge3O12，它是一種無機氧化物，不溶于水。

與NaI晶體相比，BGO晶體具有2個優(yōu)點:

1）平均原子序數(shù)大，密度大，對伽馬射線的探測效率高;

2）不潮解，透明度好，穩(wěn)定性好。

與HPGe探測器相比，BGO探測器具有3個優(yōu)點:

1）探測效率高;

2）不需要液氮冷卻;

3）不怕中子輻照。

所以，BGO探測器更適合在煤炭元素檢測中探測伽馬射線。

3.3 實驗裝置圖

采用NIPGA技術(shù)檢測元素含量的實驗裝置如圖1所示。

圖1 煤炭元素檢測裝置圖

中子源采用的是脈沖D-T中子發(fā)生器，用BGO探測器探測伽馬射線，用聚乙烯防護中子，用鉛室屏蔽周圍介質(zhì)與中子作用釋放的伽馬射線。

4 結(jié) 語

用NIPGA技術(shù)檢測煤炭中C，H，O，N，S的含量，結(jié)果見表1（檢測時間為15 min）。

表1中的“允許誤差”是國家標(biāo)準(zhǔn)所允許的誤差[9]。由表1可以看出，用NIPGA技術(shù)可以快速、準(zhǔn)確地測量出煤炭中主要元素的含量，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的化學(xué)檢測方法，可以為環(huán)境保護，特別是酸雨的防治提供及時可靠的數(shù)據(jù)。

表1 10個標(biāo)準(zhǔn)煤樣的檢測結(jié)果 %

[1] Deshan Gu，Daowen Cheng，Jie Yin，et al.Rapid analysis of coal properties[J].IEEE INST RU M EAS MAG，2005，8（5）:22-27.

[2] 程道文，谷德山，伊杰，等.應(yīng)用于脈沖快熱中子分析技術(shù)中的新解譜方法[J].長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2005，26（1）:66-69.

[3] Cheng Dao-Wen，GU De-Shan，LIU Lin-Mao，et al.Improvement of the determination of hydrogen content in a multicomponent sample by D-T generator[J].Chinese Physics C，2010，34（5）: 606-609.

[4] Sang Haifeng，Wang Fuli，Liu Linmao，et al.Detection of element content in coal by pulsed neutron method based on an optimized back-propagation neural network[J].Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B，2005，239:202-208.

[5] 謝世義，尤文，李峻峰.基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的碳含量建模[J].長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2010，31（1）:6-9.

[6] Borsaru M，Berry M，Biggs M，et al.In situ determination of sulphur in coal seams and overburden rock by PGNAA[J].Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B，2004，213:530-534.

[7] Xu W C，Kumagai M.Nitrogen evolution during rapid hydropymlysis of coal[J].Fuel，2002，81（1）:2325-2334.

[8] Liu Yuren，Lu Yanxin，Xie Yali，et al.Development and applications of an on-line thermal neutron prompt-gamma element analysis system[J].Journal of Radio Analytical and Nuclear Chemistry，1991，151（1）:83-93.

[9] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/T476-2001煤的元素分析方法[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.