中子物質(zhì)分析技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用概述

侯東彪

(黑龍江工業(yè)學(xué)院 黑龍江雞西158100)

一 主要物理原理

發(fā)現(xiàn)中子八十多年以來，人類對中子自身以及其與物質(zhì)相互作用的研究不斷進(jìn)行，已獲得了很清晰的認(rèn)識。中子進(jìn)入物質(zhì)內(nèi)部與電子的相互作用可忽略，主要考慮與原子核發(fā)生彈性散射、非彈性散射、輻射俘獲、裂變。反應(yīng)類型由元素性質(zhì)和中子的能量決定，在實際應(yīng)用中低能中子的反應(yīng)起主要的作用。在中子物質(zhì)分析中主要分析對象為中子與物質(zhì)感生出來的瞬發(fā)特征γ射線，元素在物質(zhì)中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與元素特征γ射線關(guān)系式可簡化為

當(dāng)中子能量足夠大時，中子入射后與原子核發(fā)生非彈性散射將使原子核處于激發(fā)態(tài)，原子核退激釋放特征γ射線。低能中子與被測原子核形成復(fù)合核，復(fù)合核退激釋放多種特征γ射線，通過對計數(shù)較高特征γ射線的能譜分析，可以反映出被測原子核的特征及含量情況。

二 實驗研究與生產(chǎn)應(yīng)用

1.實驗設(shè)備逐漸完善，實驗室標(biāo)準(zhǔn)基本形成。

在國內(nèi)研究的初期主要應(yīng)用反應(yīng)堆中子源，早在80年代，中國原子能研究院就建立了微型反應(yīng)堆中子源，為開展中子活化分析技術(shù)創(chuàng)造了條件。此外一些天然放射性物質(zhì)也常被作為中子源，如鑭252C?中子源、241Am-Be也常被使用。但由于這些中子源釋放的中子多為快熱中子，不能直接用于活化分析，需要經(jīng)過慢化才能使用。在中子源的小型化和可控性的研究方面東北師范大學(xué)輻射技術(shù)研究所做了大量研究工作解決了技術(shù)難題，較早地生產(chǎn)出了D-D中子發(fā)生器。此外中國石油測井有限公司測井儀器廠也是重要的中子管研制單位，目前已有幾個系列的產(chǎn)品。中子發(fā)生器的可控性、單能性、便攜性等方面，相比傳統(tǒng)同位素中子源有事明顯。

常用的γ射線探測裝置分為閃爍體型和半導(dǎo)體型。碘化鈉（NaI）屬無機(jī)單晶體，容易受潮失效故需嚴(yán)密的封裝。鍺酸鉍（BGO）單晶體因鉍的原子序數(shù)高，密度大，對 射線線性吸收系數(shù)更大探測效率更高，明顯優(yōu)于碘化鈉（NaI）。在中子物質(zhì)分析實驗中往往采用二者結(jié)合使用的方式。

防護(hù)體和測量方法的選擇。 測量時應(yīng)盡量避免其他伴隨生成的干擾γ射線。防護(hù)體材料一般選用聚乙烯、6LiH和吸收γ射線的Pb塊。利用飛行時間技術(shù)和甄別器可提高測量精度。根據(jù)γ射線的速度接近光速c遠(yuǎn)高于中子速度的方法甄別掉由樣品散射進(jìn)入探測器所產(chǎn)生的γ射線。

2.研究成果已應(yīng)用在多個領(lǐng)域。

八十年代初期，在國內(nèi)中子物質(zhì)分析技術(shù)已逐步開發(fā)利用。其無損快速測量的特點優(yōu)勢明顯。

中子活化分析在石油測井中的應(yīng)用。利用可控的中子發(fā)生器做中子源使對中子的利用更加方便可行。在石油勘探領(lǐng)域，已經(jīng)形成了幾種成熟的測量方法，包括： 法測井、脈沖能譜測井方法。東北師范大學(xué)輻射技術(shù)研究所生產(chǎn)的中子發(fā)生器以在大慶油田測井單位得到了長期應(yīng)用，中子石油測井技術(shù)已發(fā)展成為一門成熟的技術(shù)。

煤礦選煤領(lǐng)域中的應(yīng)用，尤其是在線煤質(zhì)分析儀的應(yīng)用更加擴(kuò)展了中子物質(zhì)分析的應(yīng)用范圍。在線煤質(zhì)分析儀利用中子發(fā)生器對樣品元素轟擊產(chǎn)生的非彈和俘獲特征γ射線進(jìn)行分析，為此需應(yīng)用脈沖中子發(fā)生器并研制了配套的電路系統(tǒng)。其分析結(jié)果的精確度與傳統(tǒng)化學(xué)分析相比均達(dá)到了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用價值明顯。在我國西南部一些煤礦企業(yè)中已得到應(yīng)用。

水泥成分在線分析配料，90年的中期，我國開始引進(jìn)國外中子煤質(zhì)分析設(shè)備，湖北新華水泥廠首先引進(jìn)兩臺水泥生料分析設(shè)備。03年左右，北京的兩家水泥企業(yè)也先后引進(jìn)了總計四臺相關(guān)設(shè)備。隨著中子物質(zhì)分析技術(shù)在實驗室研究中不斷取得突破，我國科研部門相繼將科研成果開始轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)力，在水泥原料分析方面，南京大陸中電科技有限公司，東北師范大學(xué)輻射技術(shù)研究所，分別獨立研制成功水泥生料在線分析設(shè)備，并已應(yīng)用于生產(chǎn)。

三 模擬研究

蒙特卡羅模擬方法在中子物質(zhì)分析中被廣泛利用。其中 程序源于美國可以模擬中子光子的輸運(yùn)問題。當(dāng)中子與靶核相遇時，按照統(tǒng)計規(guī)律進(jìn)行隨機(jī)抽樣確定發(fā)生何種反應(yīng)放射何種粒子。MCNP程序中可以利用空間構(gòu)圖來模擬真實的實驗情景，貼近物理實際，便于設(shè)計。設(shè)計實驗防護(hù)體時可以通過測量的方法來檢驗應(yīng)該選擇的尺寸，但需要基本實驗設(shè)備的搭建和組織，帶了人力物力的消耗和安全風(fēng)險。MCNP程序進(jìn)行模擬則可以避免以上風(fēng)險，在充分考慮實驗事實的情況下，只要建立起合理的物理模型即可得到符合實際的可靠結(jié)論。

1.在中子源的相關(guān)特性研究中的應(yīng)用。例如，利用MCNP程序?qū)χ凶庸艿姆雷o(hù)進(jìn)行模擬研究，確定了對于特定能量中子的防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)；對中子源的慢化過程的模擬，為選擇慢化材料提供了依據(jù)。

2.選擇合理樣品尺寸、優(yōu)化探測方法的應(yīng)用。利用MCNP程序模擬煤質(zhì)分析儀中樣品箱的尺寸，通過改變煤層厚度，分析程序獲得的數(shù)據(jù)確定選擇多厚的樣品為宜；通過模擬實驗條件探究中子感γ射線在空間輻射的分布情況，為合理確定探測器位置提供理論依據(jù)。

四 發(fā)展趨勢

中子物質(zhì)分析技術(shù)自傳入我國以來，經(jīng)歷了從學(xué)習(xí)借鑒到自主研發(fā)的過程。設(shè)備不斷改進(jìn)，測量精度不斷提高。研發(fā)出許多新設(shè)備，使得中子物質(zhì)分析技術(shù)成為一項實用的無損分析方法。在生產(chǎn)應(yīng)用方面，中子分析技術(shù)涉及的領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，在油田，礦山，醫(yī)藥，環(huán)境等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。隨著技術(shù)的不斷成熟和創(chuàng)新，將會在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用，發(fā)揮優(yōu)越性。

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