用D-T中子發射器檢測煤炭含H量的改進

程道文，蘭 民，谷德山

（1.長春工業大學基礎科學學院，吉林 長春 130012；

2.東北師范大學物理學院，吉林 長春 130024）

用D-T中子發射器檢測煤炭含H量的改進

程道文1，蘭 民1，谷德山2

（1.長春工業大學基礎科學學院，吉林 長春 130012；

2.東北師范大學物理學院，吉林 長春 130024）

以D-T中子發生器為中子源分析煤炭中含H量時，煤炭內的熱中子通量不是一個常數，含H量與其特征γ射線總計數間不再是線性關系.MCNP程序模擬結果顯示，含H量三次方與其特征γ射線計數呈線性關系.用此關系計算含H量，測量結果的絕對誤差小于0.25%，達到了煤炭工業應用的要求.

NIPGA；D-T中子發生器；含H量；特征γ射線；非線性

為了充分提高企業經濟效益，大型產煤、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、揮發分等工業值.傳統的化學分析方法需要經過采樣、稱重、恒溫干燥、測試等過程，分析一個煤炭樣品至少需要10h［1］，耗時過長，不能及時指導生產.中子感生瞬發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煤炭樣品，因此，在煤炭成分分析中得到較為廣泛的應用.

運用NIPGA檢測元素含量時，用非彈譜（原子核與快中子發生非彈性散射而釋放的瞬發特征γ射線譜）計算C和O的含量，用俘獲譜（原子核俘獲熱中子而釋放的瞬發特征γ射線譜）計算含H量.如果熱中子通量一定，含H量與其特征γ射線計數呈線性關系.在煤質檢測時，需要同時測量C，H和O等元素的含量，因此，中子源常采用D-T中子發生器［2－3］.此時，快中子通量為常數，而熱中子通量與煤炭中的元素含量有關.再假定含H量與其特征γ射線計數呈線性關系，將導致測量誤差增大，無法達到工業應用要求，用中子感生瞬發γ射線法分析煤質將失去應用價值.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射線間的關系，并利用實驗驗證、修訂了此關系.

1 實驗原理

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射線數間有下列關系［4］：

其中：N為t時間內H元素特征γ射線的凈計數；G為樣品中的含H量；NL為Loschmidt常數；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射線的產額；α是H元素的同位素豐度；Ar是H原子的相對原子質量.

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

（2）式中p＝NLσεjαt，其值可以用實驗確定.

如果D-T中子發生器一定，其通量可以作為常數.14MeV中子必須與煤樣中的原子核發生多次碰撞，才能不斷慢化，最終變為熱中子.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，還與煤炭中的元素含量有關.

假設靶核是靜止的，質量為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是中子的質量；θc是質心系散射角；Ar為靶核的相對原子質量.θc一定時E2／E1與Ar之間的關系如圖1所示.

由圖1可以看出，在中子慢化過程中，質量越小的原子核對中子的慢化作用越強.煤炭中含有C，H，O，N，S，Si，Al，Fe，Ca和 Mg等多種元素，由圖1可知，H的慢化作用明顯強于其他元素.雖然煤炭中H的質量分數只有5%左右.但是，H核的個數可達到煤炭中原子核總數的50%左右.因此，在快中子數一定的情況下，熱中子數與含H量有密切的關系.為了找到它們之間的關系，本文用MCNP程序對其進行了模擬.

2 G和N間的關系

圖1 中子碰撞前后能量比與靶核相對原子質量的關系圖

用MCNP程序模擬G與N關系的模型裝置圖如圖2所示.D-T中子發生器看作點源，放在原點處.為了與實驗結果比較，煤炭樣品放在一個長方體（0.2m×0.2m×0.15m）內.探測器是一個圓柱體，直徑為76mm，高為76mm.實驗時，D-T中子發射器的產額為108個／s，檢測時間為900s.所以，在模擬時，假設中子能量為14MeV，數目為9×1010個.含H量和其特征γ射線凈計數間的關系如圖3所示.

圖2 模型裝置圖

圖3 含H量和其特征γ射線凈計數的關系

由圖3可以看出，含H量和其特征γ射線的凈計數的三次方成正比，介質慢化中子的本領與其原子核數成正比.由于樣品中H核的慢化本領遠高于其他原子核，個數也遠多于其他原子核，所以，在快中子通量一定時，樣品中的熱中子通量近似與H的質量成正比.

熱中子被介質原子核吸收的幾率近似與原子核數的二次方成正比.由于樣品中吸收熱中子的原子核數遠小于H核數，所以，可以近似認為被吸收的熱中子數與H核數的二次方成正比.釋放出的特征γ射線數應該等于被吸收的熱中子數，所以（

5）式中的k是一個與快中子通量、γ射線探測效率以及檢測時間等有關的系數，可以用實驗確定其值.

3 實驗裝置的設計

實驗裝置包括一個D-T中子發生器，一個BGO探測器以及一個煤炭樣品，其框圖如圖4所示.D－T中子發生器主要由D-T中子管和控制系統組成的.D-T中子發生器是東北師范大學輻射技術研究所研制的，產額為108個／s，壽命超過2 000h，穩定性超過0.5%.BGO探測器主要由BGO晶體、放大器、4 096道MCA以及計算機組成的.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 實驗裝置框圖

圖5 用BGO探測器得到的典型譜

4 含H量的檢測

國家煤炭質量監察中心為我們制作了10個標準煤樣，含H量的化學分析值（CH）見表1.根據這些數據可以得到下列關系：

（6）式中的GH是中子法檢測的含H量，NH是特征γ射線計數.利用此式計算標準煤樣中含H量，每個煤樣檢測10次，取平均值，結果如表1所示，D是GH與CH之差.

表1 標準樣品測量結果%

我們對七臺河煤礦、鶴崗煤礦、霍林河煤礦和圖們煤礦煤樣進行了檢測，結果如表2所示，每個煤樣檢測10次，并利用（6）式進行了計算.檢測結果和化學分析結果相比，誤差都沒有超過0.25%，達到了煤炭應用的要求［7］.但是，它們與CH的差異明顯大于表1的檢測結果，原因是（5）式是由標準煤樣得到的，然后再利用它計算標準煤樣，誤差要比計算其他煤樣小得多.

表2 不同煤礦煤樣測量結果 %

5 總結

本文利用MCNP程序模擬了煤炭中含H量與它特征γ射線凈計數間的關系，然后用實驗驗證并修正了此關系，此方法使氫元素的測量誤差小于0.25%，達到了工業應用的要求，同時提高了煤炭的熱值，水分以及揮發分等工業值的測量精度.

［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］.東北師大學報：自然科學版，2011，43（2）：80-82.

［2］ 白金昌，景士偉，張明睿，等.鈦靶膜厚度對中子管性能的影響［J］.東北師大學報：自然科學版，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］.東北師大學報：自然科學版，2009，41（4）：79-81.

［4］ 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.

［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］.吉林大學學報：理學版，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］.吉林大學學報：理學版，2011，49（5）：932-934.

［7］ 陳鵬.中國煤炭性質、分類和利用［M］.北京：化學工業出版社，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

吉林省科技發展計劃項目（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）