用D－D中子发生器检测煤中氮含量的可行性研究*

贾福全

(吉林建筑工程学院基础科学部，长春 130118)

0 引言

由于人类的生产活动所造成的酸雨中，硝酸含量约占30%，其主要来源于煤炭的燃烧.以我国为例，煤炭中氮含量约为1.35%［1］.2012年，煤炭产量预计为73亿t，被燃烧的氮约为0.87亿t，产生的硝酸约为40亿t.硝酸溶于水后，不仅污染环境、水源，危害生态环境，而且严重威胁到人体健康［2］.所以，必须测量煤中的氮含量，尽量不使用氮含量高的煤炭，以减少酸雨量，保护生态环境.氮主要以亚胺基、胺基、五元杂环(吡咯、咔唑等)、六元杂环(吡咯、咔唑)等形式存在煤炭中.由于含氮物质成分复杂，迄今为止，产煤、用煤单位主要采用凯氏法来测量氮含量，测量误差大，采样代表性差［3］.而“中子感生瞬发伽马射线分析法”是利用热中子俘获反应来测量煤炭中的氮含量，与氮元素存在形式无关，且是大体积测量，测量精度高、速度快［4］.本文以MCNP模拟计算为主，研究用D－D中子发生器作中子源进行快速检测煤炭中氮含量的可行性.

1 中子感生瞬发伽马射线分析法检测氮含量的原理

中子与氮原子核作用时，会发生多种核反应，其中，热中子俘获反应和快中子非弹性散射反应都释放出瞬发伽马射线.氮的快中子非弹散射反应的方程式为:

氮的热中子俘获反应的方程式为:

在定量计算中，单位体积样品中氮含量(PN)与其特征峰净面积(AN)间有以下关系［5］:

(3)式中的k，b为待测常数.可以测量出几组标准样品中氮的AN和PN(PN是计量科学院的化验值)，通过线性回归求出k，b的值，再把k，b代入(3)式，就可利用(3)式测量并计算未知样品中的氮含量.

2 实验装置的设计

2.1 实验装置图

实验装置主要由中子源、中子防护体、煤炭样品箱，以及伽马射线探测系统组成.中子源主要由D－D中子发生器和控制台组成，D－D中子发生器的产额为106n/s，所释放的中子平均能量为2.5 MeV.中子防护体是一个装满水的铁桶，半径为0.5 m，高为1.3 m.煤炭样品箱是一个15cm×15cm×15cm铁箱子，位于D－D中子发生器和BGO探测器之间.伽马射线探测系统主要由BGO晶体(Φ 76 mm×76 mm)、温度控制器、放大器，以及多道分析器组成.实验装置的结构原理图如图1所示.

图1 实验装置结构的原理图

2.2 中子源的选择

常见的中子源主要有反应堆中子源、放射性同位素中子源和加速器中子源.

反应堆中子源是利用原子核裂变反应堆产生大量中子，在反应堆的壁上开孔，即可把中子引出，如果采取一定的措施，可获得各种能量的中子束.反应堆体积庞大、安装复杂、造价高、运行维护费用昂贵，而且各国在核安全方面有严格的管制，因此，反应堆中子源难以在元素分析现场普及使用.放射性同位素中子源体积非常微小，用起来比较方便.但是中子源的强度随着时间的推移会逐渐衰减，且其发出的射线辐射无法关断，给中子源的维护、检修和运输等工作都带来了麻烦.这些缺点影响并限制了其工业应用.加速器中子源是利用加速器加速的带电粒子轰击适当的靶核，通过核反应产生中子，中子产额比放射性同位素中子源大得多.中子发生器属于加速器中子源，也称中子管中子源.加速器中子源在元素分析中的优势体现为:强度大，中子产额较高;安装简单、维护费用低;在停止运行时没有放射性，不会对环境和人体造成危害.

检测氮的含量是利用俘获反应所释放出的瞬发伽马射线，使用D－D中子发生器作中子源具有明显的优势［6］:在关闭电源时没有中子产生，容易防护;中子能量为2.5 MeV，低于大部分元素和中子发生非弹反应的阈值;中子产额较高且可控，可提高元素分析的效率.

2.3 伽马射线探测器的选择

目前，常用的伽马射线探测器主要有NaI，BGO以及HPGe 3种探测器.

NaI探测器含有高原子序数的碘，3种次级效应的作用截面都较大，可制成大块，对伽马射线的探测效率高.但NaI晶体易潮解，稳定性差，限制了它的应用.BGO探测器含锗酸铋(BGO)晶体，BGO晶体具有强阻止射线能力、高闪烁效率、优良的能量分辨率及不潮解等优点，广泛应用于高能物理、核物理、空间物理、核医学、地质勘察和其它工业领域.HPGe探测器的能量分辨率和峰康比要高出NaI探测器和BGO探测器许多，有利于对多种元素的同时测量.但HPGe探测器在工作时需要液氮冷却，工作时会被辐照损伤，这些不足都限制了它在物质元素分析中的应用.

在煤炭中氮含量的检测中，用BGO探测器对伽马射线进行测量有如下优势:具有强阻止射线能力，对伽马射线的探测效率高;透明度好，不潮解;工作时不会被辐照损伤，不需要液氮冷却，可在较差环境中使用.所以，本文选择BGO探测器来探测伽马射线.

3 模拟检测结果

煤炭中除了氮元素外，还含有氢、氧、碳、硫、钙、铁、硅、铝、镁等多种元素，且各含量不定，很难用MCNP程序模拟每一种情况.为了降低模拟难度，本文假定氢的含量为4%，氧为11%，碳含量和氮含量之和为68%，其它元素含量之和为17%.表1是中子产额为106n/s，检测时间为900 s时模拟计算出的检测结果.

表1 检测氮含量的模拟计算结果 (%)

表1中的“氮含量实际值”是指样品中氮的实际含量;“氮含量测量值”是指模拟计算值，“绝对偏差”是“氮含量测量值”与“氮含量实际值”的差.

4 结论

“煤的元素分析方法”(中华人民共和国国家标准，GB/T 476－2001标准)规定，氮含量测量值的绝对误差不能高于0.08%.由表1中的模拟计算数据可以看出，氮含量测量值的绝对误差都不高于0.08%.模拟计算的结果都达到了国家标准的要求，所以，用D－D中子发生器作中子源进行快速检测煤炭中氮的含量是可行的.

［1］陈亚飞，姜 英，陈文敏，秦翠霞.中国煤中氮含量的分布研究［J］.洁净煤技术，2008，14(5):71－74.

［2］尤先锋，刘生玉，吴争鸣，任 军，谢克昌.煤热解过程中氮和硫化合物分配及生成机理［J］.煤炭转化，2001，21(3):1－5.

［3］王 娜，李 文，李保庆.煤多段加氢热解过程的脱硫脱氮效应研究［J］.燃料化学学报，2001，29(1):29－32.

［4］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.

［5］程道文，谷德山，伊 杰，刘林茂.应用于脉冲快热中子分析技术中的新解谱方法［J］.长春工业大学学报(自然科学版)，2005，26(1):66－69.

［6］CHENG Dao － Wen，LU Jing － Bin，YANG Dong，et al.Designing of the 14 MeV neutron moderator for BNCT［J］.Chinese Physics C，2012，36(9):905－908.