程道文，蘭 民，谷德山

（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）

用D-T中子發(fā)射器檢測煤炭含H量的改進(jìn)

程道文1，蘭 民1，谷德山2

（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）

以D-T中子發(fā)生器為中子源分析煤炭中含H量時(shí)，煤炭內(nèi)的熱中子通量不是一個(gè)常數(shù)，含H量與其特征γ射線總計(jì)數(shù)間不再是線性關(guān)系.MCNP程序模擬結(jié)果顯示，含H量三次方與其特征γ射線計(jì)數(shù)呈線性關(guān)系.用此關(guān)系計(jì)算含H量，測量結(jié)果的絕對(duì)誤差小于0.25%，達(dá)到了煤炭工業(yè)應(yīng)用的要求.

NIPGA；D-T中子發(fā)生器；含H量；特征γ射線；非線性

為了充分提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，大型產(chǎn)煤、用煤單位都需要快速檢測煤炭中C，H和O含量以及低位熱值、水分、灰分、揮發(fā)分等工業(yè)值.傳統(tǒng)的化學(xué)分析方法需要經(jīng)過采樣、稱重、恒溫干燥、測試等過程，分析一個(gè)煤炭樣品至少需要10h［1］，耗時(shí)過長，不能及時(shí)指導(dǎo)生產(chǎn).中子感生瞬發(fā)γ射線法（NIPGA）是一種快速分析元素含量的方法，15min左右就可以分析一個(gè)煤炭樣品，因此，在煤炭成分分析中得到較為廣泛的應(yīng)用.

運(yùn)用NIPGA檢測元素含量時(shí)，用非彈譜（原子核與快中子發(fā)生非彈性散射而釋放的瞬發(fā)特征γ射線譜）計(jì)算C和O的含量，用俘獲譜（原子核俘獲熱中子而釋放的瞬發(fā)特征γ射線譜）計(jì)算含H量.如果熱中子通量一定，含H量與其特征γ射線計(jì)數(shù)呈線性關(guān)系.在煤質(zhì)檢測時(shí)，需要同時(shí)測量C，H和O等元素的含量，因此，中子源常采用D-T中子發(fā)生器［2－3］.此時(shí)，快中子通量為常數(shù)，而熱中子通量與煤炭中的元素含量有關(guān).再假定含H量與其特征γ射線計(jì)數(shù)呈線性關(guān)系，將導(dǎo)致測量誤差增大，無法達(dá)到工業(yè)應(yīng)用要求，用中子感生瞬發(fā)γ射線法分析煤質(zhì)將失去應(yīng)用價(jià)值.本文利用MCNP程序模擬出了在快中子通量一定的情況下，含H量與其特征γ射線間的關(guān)系，并利用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、修訂了此關(guān)系.

1 實(shí)驗(yàn)原理

H核俘獲熱中子后，釋放出能量為2.22MeV的特征γ射線.在定量分析中，H元素含量與其特征γ射線數(shù)間有下列關(guān)系［4］：

其中：N為t時(shí)間內(nèi)H元素特征γ射線的凈計(jì)數(shù)；G為樣品中的含H量；NL為Loschmidt常數(shù)；φ為熱中子通量；σ是H的熱中子吸收截面；ε是γ射線的探測效率；j是γ射線的產(chǎn)額；α是H元素的同位素豐度；Ar是H原子的相對(duì)原子質(zhì)量.

很明顯，NL，σ，j，α和t都是常數(shù).γ射線探測器一定，其探測效率（ε）可以看作常數(shù)［5－6］.在實(shí)際應(yīng)用中，無法得到特征γ射線的凈計(jì)數(shù).測得的γ射線總計(jì)數(shù)為Nt，它是N與本底（n）之和.Nt和G之 間的關(guān)系如下

（2）式中p＝NLσεjαt，其值可以用實(shí)驗(yàn)確定.

如果D-T中子發(fā)生器一定，其通量可以作為常數(shù).14MeV中子必須與煤樣中的原子核發(fā)生多次碰撞，才能不斷慢化，最終變?yōu)闊嶂凶?不同原子核慢化中子的能力不同，所以熱中子通量不僅與快中子通量有關(guān)，還與煤炭中的元素含量有關(guān).

假設(shè)靶核是靜止的，質(zhì)量為M，碰撞是彈性的，則碰撞后中子的能量（E2）與碰撞前的能量（E1）之比為：

（3）式中：m是中子的質(zhì)量；θc是質(zhì)心系散射角；Ar為靶核的相對(duì)原子質(zhì)量.θc一定時(shí)E2／E1與Ar之間的關(guān)系如圖1所示.

由圖1可以看出，在中子慢化過程中，質(zhì)量越小的原子核對(duì)中子的慢化作用越強(qiáng).煤炭中含有C，H，O，N，S，Si，Al，F(xiàn)e，Ca和 Mg等多種元素，由圖1可知，H的慢化作用明顯強(qiáng)于其他元素.雖然煤炭中H的質(zhì)量分?jǐn)?shù)只有5%左右.但是，H核的個(gè)數(shù)可達(dá)到煤炭中原子核總數(shù)的50%左右.因此，在快中子數(shù)一定的情況下，熱中子數(shù)與含H量有密切的關(guān)系.為了找到它們之間的關(guān)系，本文用MCNP程序?qū)ζ溥M(jìn)行了模擬.

2 G和N間的關(guān)系

圖1 中子碰撞前后能量比與靶核相對(duì)原子質(zhì)量的關(guān)系圖

用MCNP程序模擬G與N關(guān)系的模型裝置圖如圖2所示.D-T中子發(fā)生器看作點(diǎn)源，放在原點(diǎn)處.為了與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較，煤炭樣品放在一個(gè)長方體（0.2m×0.2m×0.15m）內(nèi).探測器是一個(gè)圓柱體，直徑為76mm，高為76mm.實(shí)驗(yàn)時(shí)，D-T中子發(fā)射器的產(chǎn)額為108個(gè)／s，檢測時(shí)間為900s.所以，在模擬時(shí)，假設(shè)中子能量為14MeV，數(shù)目為9×1010個(gè).含H量和其特征γ射線凈計(jì)數(shù)間的關(guān)系如圖3所示.

圖2 模型裝置圖

圖3 含H量和其特征γ射線凈計(jì)數(shù)的關(guān)系

由圖3可以看出，含H量和其特征γ射線的凈計(jì)數(shù)的三次方成正比，介質(zhì)慢化中子的本領(lǐng)與其原子核數(shù)成正比.由于樣品中H核的慢化本領(lǐng)遠(yuǎn)高于其他原子核，個(gè)數(shù)也遠(yuǎn)多于其他原子核，所以，在快中子通量一定時(shí)，樣品中的熱中子通量近似與H的質(zhì)量成正比.

熱中子被介質(zhì)原子核吸收的幾率近似與原子核數(shù)的二次方成正比.由于樣品中吸收熱中子的原子核數(shù)遠(yuǎn)小于H核數(shù)，所以，可以近似認(rèn)為被吸收的熱中子數(shù)與H核數(shù)的二次方成正比.釋放出的特征γ射線數(shù)應(yīng)該等于被吸收的熱中子數(shù)，所以（

5）式中的k是一個(gè)與快中子通量、γ射線探測效率以及檢測時(shí)間等有關(guān)的系數(shù)，可以用實(shí)驗(yàn)確定其值.

3 實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)裝置包括一個(gè)D-T中子發(fā)生器，一個(gè)BGO探測器以及一個(gè)煤炭樣品，其框圖如圖4所示.D－T中子發(fā)生器主要由D-T中子管和控制系統(tǒng)組成的.D-T中子發(fā)生器是東北師范大學(xué)輻射技術(shù)研究所研制的，產(chǎn)額為108個(gè)／s，壽命超過2 000h，穩(wěn)定性超過0.5%.BGO探測器主要由BGO晶體、放大器、4 096道MCA以及計(jì)算機(jī)組成的.BGO探測器是由上海硅酸鹽研究所提供的，MCA是由上海原子能研究所提供的.煤樣放在鐵箱（0.2m×0.2m×0.15m）里面，測得的γ能譜如圖5所示.

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置框圖

圖5 用BGO探測器得到的典型譜

4 含H量的檢測

國家煤炭質(zhì)量監(jiān)察中心為我們制作了10個(gè)標(biāo)準(zhǔn)煤樣，含H量的化學(xué)分析值（CH）見表1.根據(jù)這些數(shù)據(jù)可以得到下列關(guān)系：

（6）式中的GH是中子法檢測的含H量，NH是特征γ射線計(jì)數(shù).利用此式計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)煤樣中含H量，每個(gè)煤樣檢測10次，取平均值，結(jié)果如表1所示，D是GH與CH之差.

表1 標(biāo)準(zhǔn)樣品測量結(jié)果%

我們對(duì)七臺(tái)河煤礦、鶴崗煤礦、霍林河煤礦和圖們煤礦煤樣進(jìn)行了檢測，結(jié)果如表2所示，每個(gè)煤樣檢測10次，并利用（6）式進(jìn)行了計(jì)算.檢測結(jié)果和化學(xué)分析結(jié)果相比，誤差都沒有超過0.25%，達(dá)到了煤炭應(yīng)用的要求［7］.但是，它們與CH的差異明顯大于表1的檢測結(jié)果，原因是（5）式是由標(biāo)準(zhǔn)煤樣得到的，然后再利用它計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)煤樣，誤差要比計(jì)算其他煤樣小得多.

表2 不同煤礦煤樣測量結(jié)果 %

5 總結(jié)

本文利用MCNP程序模擬了煤炭中含H量與它特征γ射線凈計(jì)數(shù)間的關(guān)系，然后用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證并修正了此關(guān)系，此方法使氫元素的測量誤差小于0.25%，達(dá)到了工業(yè)應(yīng)用的要求，同時(shí)提高了煤炭的熱值，水分以及揮發(fā)分等工業(yè)值的測量精度.

［1］ 程道文，韋韌，蘭民，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(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，43（2）：80-82.

［2］ 白金昌，景士偉，張明睿，等.鈦靶膜厚度對(duì)中子管性能的影響［J］.東北師大學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，42（3）：71-74.

［3］ 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(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，41（4）：79-81.

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［5］ 張建芳，趙廣義，王玉德，等.高純鍺探測器探測效率的 MCNP模擬［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：理學(xué)版，2010，48（5）：843-846.

［6］ 梅雪松，張慧，馬玉剛，等.125I粒子源在水中劑量分布的 Monte Carlo模擬［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：理學(xué)版，2011，49（5）：932-934.

［7］ 陳鵬.中國煤炭性質(zhì)、分類和利用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001：69-72.

Improvement of the determination of hydrogen content in coal by D-T neutron generator

CHENG Dao-wen1，LAN Min1，GU De-shan2
（1.School of Basic Sciences，Changchun University of Technology，Changchun 130012，China；
2.School of Physics，Northeast Normal University，Changchun 130024，China）

A D-T neutron generator is used as a neutron source to measure the hydrogen content in coal，the thermal neutron flux cannot be regarded as a constant value.The relationship between the production of the hydrogen characteristic gamma rays（N）and its content（G）is nonlinear.The results of MCNP simulation had shown that the relationship between the third power ofNandGis linear.The absolute error of hydrogen calculated by that equation was less than 0.25%，which attained the requirement of coal industry.

NIPGA；D-T neutron generator；hydrogen content；characteristic gamma rays；nonlinear

O 571.53

490·10

A

1000-1832（2012）01-0084-04

2011-09-08

吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（20050323）.

程道文（1978—），男，博士，講師，主要從事粒子物理與原子核物理研究；谷德山（1955—），男，教授，主要從事粒子物理與原子核物理研究.

石紹慶）