賈福全

(吉林建筑大學(xué)基礎(chǔ)科學(xué)部，長(zhǎng)春 130118)

水中總磷主要以正磷酸鹽、縮合磷酸鹽及有機(jī)磷的化合物等形式存在，是水中的主要污染物之一.快速、準(zhǔn)確地測(cè)量污水中總磷含量，可以為污水防治提供數(shù)據(jù)支持.迄今為止，污水中總磷的測(cè)量還是利用小體積、采樣分析方法，即把污水放入酸性溶液中，各種形態(tài)的磷被轉(zhuǎn)化成磷酸根(PO43-)，然后用鉬酸銨和酒石酸銻鉀與此溶液反應(yīng)并生成磷鉬銻雜多酸，最后用抗壞血酸把它還原為深色的鉬藍(lán)，最終計(jì)算出總磷的含量.此方法受砷酸鹽、六價(jià)鉻、二價(jià)銅及亞硝酸鹽的影響，測(cè)量誤差大.由于是取樣分析，其檢測(cè)過(guò)程復(fù)雜，時(shí)間長(zhǎng)，采樣普遍性較差.而“中子感生瞬發(fā)伽馬射線分析(NIPGA)”技術(shù)是利用快中子非彈性散射反應(yīng)或熱中子俘獲反應(yīng)來(lái)測(cè)量元素含量，與元素的具體存在形式無(wú)關(guān)，且是大體積測(cè)量，所以測(cè)量精度高、速度快［1-2］.此技術(shù)不僅可以分析大體積樣品，還可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的連續(xù)監(jiān)測(cè)，是很有發(fā)展前途的測(cè)量方法［3-5］.本文利用MCNP-4C程序研究以D-D中子發(fā)生器為中子源，利用NIPGA技術(shù)快速測(cè)量污水中總磷含量的可行性.

1 NIPGA法檢測(cè)元素含量的原理

中子與靶核間的作用能釋放出瞬發(fā)伽馬射線的有熱中子俘獲反應(yīng)和快中子非彈性散射反應(yīng)，可以選擇受其它元素伽馬射線干擾小且產(chǎn)額高的伽馬射線作為該元素的特征伽馬射線.在測(cè)得的伽馬能譜中可以根據(jù)特征伽馬射線能量確定元素的種類，利用伽馬射線的總計(jì)數(shù)(也稱為伽馬射線峰面積)計(jì)算元素含量.

磷和快中子發(fā)生非彈性散射反應(yīng)的截面非常小，無(wú)法用于污水中總磷的測(cè)量.磷的熱中子俘獲反應(yīng)截面比較大，可以用來(lái)測(cè)量磷元素含量，其反應(yīng)方程式為［6］:

在定量計(jì)算中，單位體積樣品中磷元素含量(G)與其特征峰的凈面積(N)之間關(guān)系如下［7］:

式中，a，b是由設(shè)備和待測(cè)元素確定的待測(cè)常數(shù).測(cè)量出幾組污水樣品中磷元素G(G是計(jì)量科學(xué)院的化驗(yàn)值)和N，利用多元線性回歸就可求出a，b的值，(2)式就可用于測(cè)量未知污水樣品中總磷含量.

2MCNP模擬

MCNP是“A general Monte Carlo code for Neutron and Particle transport”的縮寫(xiě)，是一套主要用于模擬三維空間光子、中子的單獨(dú)運(yùn)輸以及聯(lián)合輸運(yùn)過(guò)程的通用模擬程序.本文主要利用此程序模擬光子、中子的聯(lián)合輸運(yùn)，并用模擬結(jié)果研究NIPGA測(cè)量污水中總磷的可行性.

(1)模型設(shè)計(jì). 加速器中子源、反應(yīng)堆中子源和放射性同位素中子源是常見(jiàn)的中子源，在檢測(cè)磷元素含量時(shí)，由于只需要利用熱中子俘獲反應(yīng)，所以D-D中子發(fā)生器具有非常明顯的優(yōu)勢(shì):關(guān)閉電源后無(wú)中子釋放，容易防護(hù);釋放的中子平均能量為2.5MeV，低于多數(shù)元素的非彈性散射反應(yīng)閾值，有利于俘獲伽馬能譜的獲得;中子產(chǎn)額較高且可控，有利于定量計(jì)算.MCNP模擬所用的結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 用MCNP模擬測(cè)量污水總磷含量的示意圖

圖2 磷的特征伽馬射線能譜圖

圖1中D-D中子發(fā)生器和BGO伽馬射線探測(cè)器都是半徑為5cm的圓柱體，D-D中子發(fā)生器的中子產(chǎn)額為107n/s，D-D中子發(fā)生器的靶位于這兩個(gè)圓柱體軸線的交點(diǎn).靶與BGO左側(cè)表面的距離7cm.

(2)特征伽馬射線的選擇. 對(duì)模擬結(jié)果處理后得到磷元素的伽馬能譜圖如圖2所示，由圖2可以看出，能量為1.071MeV的伽馬射線計(jì)數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它計(jì)數(shù)，適合用于計(jì)算磷的含量.

(3)模擬結(jié)果. 當(dāng)D-D中子發(fā)生器的中子產(chǎn)額為107n/s，測(cè)量時(shí)間為120s時(shí)，改變污水中總磷的含量，BGO探測(cè)器探測(cè)到的磷元素的特征伽馬計(jì)數(shù)如表1所示.

表1 不同含量的磷元素的伽馬計(jì)數(shù)

表1 不同含量的磷元素的伽馬計(jì)數(shù)(續(xù))

利用線性回歸以及表2中的“磷含量”和“特征伽馬計(jì)數(shù)”可得到二者之間的線性方程:

利用(3)式和表1中的“特征伽馬計(jì)數(shù)”可以得到“磷含量計(jì)算值”，“絕對(duì)偏差”是“磷含量計(jì)算值”與“磷含量”之差，相對(duì)偏差是“絕對(duì)偏差”除以“磷含量”再乘以100的結(jié)果.

由表1可以看出，當(dāng)污水中總磷含量超過(guò)0.1mg/L時(shí)，磷含量計(jì)算值的絕對(duì)偏差和相對(duì)偏差都非常小，測(cè)量精度較高.當(dāng)磷含量低于0.1mg/L時(shí)，磷含量計(jì)算值的絕對(duì)偏差雖然較小，但相對(duì)偏差較大.如果以相對(duì)偏差不超過(guò)5%為標(biāo)準(zhǔn)，此方法測(cè)量污水中總磷含量的檢出限為0.05mg/L.《中華人民共和國(guó)地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)中規(guī)定每升Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類水中的總磷含量依次不能超過(guò)0.02mg，0.1mg，0.2mg，0.3mg，0.4mg，所以此方法能夠準(zhǔn)確檢測(cè)Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類水中的總磷是否超標(biāo).

3 結(jié)論

用中子感生瞬發(fā)伽馬射線分析技術(shù)可以快速檢測(cè)污水中總磷的含量，當(dāng)檢測(cè)時(shí)間為600s時(shí)，其檢測(cè)限為0.05mg/L，可以準(zhǔn)確檢測(cè)Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類水中的總磷是否超標(biāo).如果用此方法監(jiān)測(cè)污水中的總磷含量，可以為環(huán)境保護(hù)提供及時(shí)、可靠的數(shù)據(jù).

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