煤炭內中子通量與元素含量關系

黃向陽， 程道文

（1.南京龍源環保有限公司，江蘇南京 210012；2.長春工業大學基礎科學學院，吉林長春 130012）

0 引 言

在用中子感生瞬發伽馬射線分析方法（NIPGA）分析煤質時，中子與待測樣品中的靶核發生快中子非彈性散射反應和熱中子俘獲反應，并釋放出瞬發特征伽馬射線［1－4］。利用特征伽馬射線的能量可以確定物質中所含元素的種類，利用特征伽馬射線的峰面積可以計算此元素的含量，基本計算公式如下［5－6］：

式中：N——t秒內被測元素的特征伽馬射線凈計數；

G——被測元素的含量。

當測量設備、待測元素以及測量時間確定，NL，α，σ，j，ε，t和A都是常數，所以式（1）可以簡化為：

如果利用的是快中子非彈性散射反應，φ應該是快中子通量；如果利用的是熱中子俘獲反應，φ應該是熱中子通量。無論是快中子通量還是熱中子通量，φ都應該是待測樣品位置的中子通量，它不僅與中子源的產額有關，還應該與樣品中的元素種類及含量有關，文中用MCNP-4C程序對煤炭所在區域的快中子通量和熱中子通量進行模擬計算，并找出它們與煤炭元素間的關系。

1 模型結構簡介

在實際應用中，很難測量煤炭內部的快中子通量和熱中子通量。為了獲得這兩個通量，我們用MCNP-4C程序進行了模擬計算。為了盡量接近實驗裝置，模擬所用的模型結構如圖1所示［7－9］。

聚乙烯外殼、D-T中子發生器以及煤炭樣品都是以x軸為軸的圓柱體。D-T中子發生器的產額為108n／s，其靶位于點O，與煤炭樣品的距離為1 cm，與BGO伽馬射線探測器的距離為16 cm，即煤炭樣品沿X軸的長度為15 cm。

圖1 模型結構示意圖

2 模擬結果

煤炭中主要含有C，H，O，N，S，Si，Al，Fe，Ca 9種元素，它們的含量之和超過95%。根據國內主要煤炭的元素含量，文中模擬了30組煤炭樣品。模擬時，用計數卡F4計算煤炭樣品所在區域的快中子通量和熱中子通量，D-T中子發生器產額為108n／s時的模擬結果見表1。

表1 中子通量的模擬結果、計算結果及偏差

續表1

3 熱中子通量與元素含量間的關系

表1中的C，H，O，N，S，Si，Al，Fe，Ca分別表示煤炭中這9種元素的質量百分比含量，φT表示煤炭所在區域的熱中子通量。根據元素含量和熱中子通量，利用多元線性回歸可以得到：

利用式（3）和表1中的元素值可以計算出煤炭樣品所在區域的熱中子通量（用φTC表示）和MCNP-4C模擬結果的偏差（見表1中的DT），其中：

由表1可以看出，DT的最大偏差為0.37%，平均值偏差為0.12%，所以，式（3）所描述的熱中子通量與元素含量間的關系是準確的。

4 快中子通量與元素含量間的關系

表1中的φF表示煤炭所在區域的快中子通量。根據元素含量和快中子通量，利用多元線性回歸可以得到：

利用式（5）和表1中的元素值可以計算出煤炭樣品所在區域的快中子通量（用φFC表示）和MCNP-4C模擬結果的偏差（見表1中的DF），其中：

由表1可以看出，DF的最大偏差為0.03%，平均值偏差為0.01%，所以式（5）所描述的快中子通量與元素含量間的關系是非常準確的。

5 結 語

由表1可以看出，用式（3）和式（5）計算出的熱中子通量及快中子通量與MCNP-4C模擬值的偏差非常小，因此可以認為這兩個公式都是比較準確的。在實際應用中可以用此公式修訂煤炭所在區域的快、熱中子通量，以提高煤炭中主要元素的測量精度。

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