賈福全

（吉林建筑大學基礎(chǔ)科學部，吉林 長春 130118）

水中總氮主要包括氨氮、有機氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮等，是水中的主要污染物之一.及時、準確地測量污水中總氮含量，可以為污水防治提供數(shù)據(jù)支持.到目前為止，污水中總氮的測量還是利用小體積采樣分析方法.由于采集到的樣品代表性比較差，所以測量誤差大，且此方法只能測量出大部分的氮.目前，國外的很多科研單位利用中子感生瞬發(fā)γ射線分析（NIPGA）方法進行物質(zhì)元素分析.該方法利用快中子非彈性散射反應或者熱中子俘獲反應來測量物質(zhì)中元素的含量，可進行大體積測量，所以測量精度高［1－2］，還可以實現(xiàn)現(xiàn)場的連續(xù)測量，是一種很有發(fā)展前景的測量方法［3－5］.本文采用NIPGA技術(shù)快速檢測污水中總氮的含量，測量結(jié)果精確可靠.

1 檢測原理

中子與靶核可以發(fā)生核裂變、彈性散射、非彈性散射、放出帶電粒子的核反應以及輻射俘獲反應.發(fā)生熱中子俘獲反應和快中子非彈性散射反應時都會釋放出瞬發(fā)γ射線，可以選擇受到干擾小且產(chǎn)額高的γ射線作為待測元素的特征γ射線.根據(jù)特征γ射線能量確定元素的種類，再利用γ射線峰面積計算出待測元素的含量.

（1）核反應的選擇

（2）N元素含量的計算

在實際應用的定量計算中，單位體積樣品中N元素含量（G）與其特征γ射線峰的凈面積（N）之間關(guān)系為［7］

其中：N代表氮元素特征峰在測量時間t內(nèi)的凈計數(shù)；G代表樣品中氮的含量；NL是洛喜米特常數(shù)；A是氮的相對原子質(zhì)量；φ是中子通量密度；ε代表探測器的效率；σ代表反應截面；α是某同位素的豐度；j是光子產(chǎn)額.當設(shè)備和待測元素確定后，φ，σ，ε，j，α，t，A和NL均為常數(shù).因此N和G間的關(guān)系可寫成

（3）式中的p和q是由設(shè)備和待測元素確定的待測常數(shù).先測量出幾組標準樣品中氮元素的N和G（G是計量科學院的化驗值），再通過多元線性回歸求出p和q的值.把p和q代入（3）式，然后就可以利用（3）式測量未知樣品中氮元素的含量.

2 MCNP模擬

MCNP（A general Monte Carlo code for Neutron and Particle transport）是一套模擬程序，主要用于三維空間內(nèi)中子、光子的單獨運輸以及聯(lián)合輸運過程.本文主要利用此程序模擬中子、光子的聯(lián)合輸運，并用模擬結(jié)果研究NIPGA測量污水中總氮的可行性.

（1）模型設(shè)計

在檢測污水中N元素含量時，由于只需要利用俘獲反應，所以使用D－D中子發(fā)生器作為中子源具有以下明顯的優(yōu)勢：關(guān)閉電源后不再產(chǎn)生中子，相對來說更容易防護；中子產(chǎn)額較高且可控，有利于定量計算；釋放的中子能量為2.5MeV，低于大多數(shù)元素非彈性散射反應的閾值，有利于俘獲譜的獲得.

由于D－D中子發(fā)生器產(chǎn)生的中子能量低于大多數(shù)元素非彈性散射反應的閾值，所以不需要特殊的慢化體.為了減輕設(shè)備的重量，可以適當增加D－D中子發(fā)生器靶（產(chǎn)生中子的區(qū)域）與BGO探測器間的距離，利用兩者之間的水來慢化這些中子，使其變?yōu)闊嶂凶樱倥cN元素發(fā)生俘獲反應.MCNP模擬所用的結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 MCNP模擬采樣的模型示意圖

（2）模擬結(jié)果

保持N含量不變，改變D－D中子發(fā)生器靶與BGO探測器間的距離，當中子產(chǎn)額為107個／s，測量時間為120s，BGO探測器探測到的N元素的特征γ計數(shù)如表1所示.

表1 不同距離的N元素的γ計數(shù)

由表1可以看出，在中子總數(shù)一定的情況下，D－D中子發(fā)生器靶與BGO探測器間的距離為17cm時，測得的N元素的特征γ計數(shù)最多.為了得到此方法測量污水中總氮含量的最低限，使D－D中子發(fā)生器靶與BGO探測器間的距離為17cm，改變污水中的N含量，當中子產(chǎn)額為107個／s，測量時間為120s，BGO探測器探測到的N元素的特征γ計數(shù)如表2所示.

表2 不同含量的N元素的γ計數(shù)

由表2可以看出，此方法的檢出限大概為0.2mg／L，如果低于此值，能夠測得的γ計數(shù)太少，測量精度將大大降低.

3 實驗裝置的設(shè)計

目前，用NIPGA技術(shù)檢測元素含量常用的γ射線探測器有3種，即NaI，BGO和HPGe探測器.BGO探測器和NaI探測器相比具有以下兩個優(yōu)點：（1）密度高，平均原子序數(shù)大，對γ射線的探測效率高；（2）穩(wěn)定性好，透明度好，不易潮解.BGO探測器和HPGe探測器相比具有以下三個優(yōu)點：（1）無需液氮冷卻；（2）探測效率高；（3）不怕中子輻照.所以，在本裝置中，BGO探測器更適合探測N元素的特征γ射線，此裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示.D－D中子發(fā)生器和BGO探測器固定在汽車的機械臂上，當汽車停在河堤上時，利用機械臂把它們放入水中，然后開始監(jiān)測水中的總氮含量.

圖2 氮元素檢測裝置圖

4 結(jié)論

用NIPGA技術(shù)可以快速檢測污水中總氮的含量，檢測時間為2min時，其檢測限為0.2mg／L，可以檢測Ⅴ類水中的總氮.如果用此方法監(jiān)測污水中的總氮含量，可快速獲得可靠、連續(xù)的數(shù)據(jù)，將為環(huán)境保護和監(jiān)測工作提供有力支持.

［1］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.

［2］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.

［3］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.

［4］XU W C，KUMAGAI M.Nitrogen evolution during rapid hydropymlysis of coal［J］.Fuel，2002，81（18）：2325－2334.

［5］LIM C S，ABERNETHY D A.On－line coal analysis using fast neutron－induced gamma－rays ［J］.Applied Radiation and Isotopes，2005，63：697－704.

［6］CHICHESTER D L，EMPEY E.Measurement of nitrogen in the body using a commercial PGNAA system－phantom experiments［J］.Applied Radiation and Isotopes，2004，60：55－61.

［7］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.