用D-T中子发射器检测煤炭含H量的改进

程道文，兰 民，谷德山

（1.长春工业大学基础科学学院，吉林 长春 130012；

2.东北师范大学物理学院，吉林 长春 130024）

用D-T中子发射器检测煤炭含H量的改进

程道文1，兰 民1，谷德山2

（1.长春工业大学基础科学学院，吉林 长春 130012；

2.东北师范大学物理学院，吉林 长春 130024）

以D-T中子发生器为中子源分析煤炭中含H量时，煤炭内的热中子通量不是一个常数，含H量与其特征γ射线总计数间不再是线性关系.MCNP程序模拟结果显示，含H量三次方与其特征γ射线计数呈线性关系.用此关系计算含H量，测量结果的绝对误差小于0.25%，达到了煤炭工业应用的要求.

NIPGA；D-T中子发生器；含H量；特征γ射线；非线性

为了充分提高企业经济效益，大型产煤、用煤单位都需要快速检测煤炭中C，H和O含量以及低位热值、水分、灰分、挥发分等工业值.传统的化学分析方法需要经过采样、称重、恒温干燥、测试等过程，分析一个煤炭样品至少需要10h［1］，耗时过长，不能及时指导生产.中子感生瞬发γ射线法（NIPGA）是一种快速分析元素含量的方法，15min左右就可以分析一个煤炭样品，因此，在煤炭成分分析中得到较为广泛的应用.

运用NIPGA检测元素含量时，用非弹谱（原子核与快中子发生非弹性散射而释放的瞬发特征γ射线谱）计算C和O的含量，用俘获谱（原子核俘获热中子而释放的瞬发特征γ射线谱）计算含H量.如果热中子通量一定，含H量与其特征γ射线计数呈线性关系.在煤质检测时，需要同时测量C，H和O等元素的含量，因此，中子源常采用D-T中子发生器［2－3］.此时，快中子通量为常数，而热中子通量与煤炭中的元素含量有关.再假定含H量与其特征γ射线计数呈线性关系，将导致测量误差增大，无法达到工业应用要求，用中子感生瞬发γ射线法分析煤质将失去应用价值.本文利用MCNP程序模拟出了在快中子通量一定的情况下，含H量与其特征γ射线间的关系，并利用实验验证、修订了此关系.

1 实验原理

H核俘获热中子后，释放出能量为2.22MeV的特征γ射线.在定量分析中，H元素含量与其特征γ射线数间有下列关系［4］：

其中：N为t时间内H元素特征γ射线的净计数；G为样品中的含H量；NL为Loschmidt常数；φ为热中子通量；σ是H的热中子吸收截面；ε是γ射线的探测效率；j是γ射线的产额；α是H元素的同位素丰度；Ar是H原子的相对原子质量.

很明显，NL，σ，j，α和t都是常数.γ射线探测器一定，其探测效率（ε）可以看作常数［5－6］.在实际应用中，无法得到特征γ射线的净计数.测得的γ射线总计数为Nt，它是N与本底（n）之和.Nt和G之 间的关系如下

（2）式中p＝NLσεjαt，其值可以用实验确定.

如果D-T中子发生器一定，其通量可以作为常数.14MeV中子必须与煤样中的原子核发生多次碰撞，才能不断慢化，最终变为热中子.不同原子核慢化中子的能力不同，所以热中子通量不仅与快中子通量有关，还与煤炭中的元素含量有关.

假设靶核是静止的，质量为M，碰撞是弹性的，则碰撞后中子的能量（E2）与碰撞前的能量（E1）之比为：

（3）式中：m是中子的质量；θc是质心系散射角；Ar为靶核的相对原子质量.θc一定时E2／E1与Ar之间的关系如图1所示.

由图1可以看出，在中子慢化过程中，质量越小的原子核对中子的慢化作用越强.煤炭中含有C，H，O，N，S，Si，Al，Fe，Ca和 Mg等多种元素，由图1可知，H的慢化作用明显强于其他元素.虽然煤炭中H的质量分数只有5%左右.但是，H核的个数可达到煤炭中原子核总数的50%左右.因此，在快中子数一定的情况下，热中子数与含H量有密切的关系.为了找到它们之间的关系，本文用MCNP程序对其进行了模拟.

2 G和N间的关系

图1 中子碰撞前后能量比与靶核相对原子质量的关系图

用MCNP程序模拟G与N关系的模型装置图如图2所示.D-T中子发生器看作点源，放在原点处.为了与实验结果比较，煤炭样品放在一个长方体（0.2m×0.2m×0.15m）内.探测器是一个圆柱体，直径为76mm，高为76mm.实验时，D-T中子发射器的产额为108个／s，检测时间为900s.所以，在模拟时，假设中子能量为14MeV，数目为9×1010个.含H量和其特征γ射线净计数间的关系如图3所示.

图2 模型装置图

图3 含H量和其特征γ射线净计数的关系

由图3可以看出，含H量和其特征γ射线的净计数的三次方成正比，介质慢化中子的本领与其原子核数成正比.由于样品中H核的慢化本领远高于其他原子核，个数也远多于其他原子核，所以，在快中子通量一定时，样品中的热中子通量近似与H的质量成正比.

热中子被介质原子核吸收的几率近似与原子核数的二次方成正比.由于样品中吸收热中子的原子核数远小于H核数，所以，可以近似认为被吸收的热中子数与H核数的二次方成正比.释放出的特征γ射线数应该等于被吸收的热中子数，所以（

5）式中的k是一个与快中子通量、γ射线探测效率以及检测时间等有关的系数，可以用实验确定其值.

3 实验装置的设计

实验装置包括一个D-T中子发生器，一个BGO探测器以及一个煤炭样品，其框图如图4所示.D－T中子发生器主要由D-T中子管和控制系统组成的.D-T中子发生器是东北师范大学辐射技术研究所研制的，产额为108个／s，寿命超过2 000h，稳定性超过0.5%.BGO探测器主要由BGO晶体、放大器、4 096道MCA以及计算机组成的.BGO探测器是由上海硅酸盐研究所提供的，MCA是由上海原子能研究所提供的.煤样放在铁箱（0.2m×0.2m×0.15m）里面，测得的γ能谱如图5所示.

图4 实验装置框图

图5 用BGO探测器得到的典型谱

4 含H量的检测

国家煤炭质量监察中心为我们制作了10个标准煤样，含H量的化学分析值（CH）见表1.根据这些数据可以得到下列关系：

（6）式中的GH是中子法检测的含H量，NH是特征γ射线计数.利用此式计算标准煤样中含H量，每个煤样检测10次，取平均值，结果如表1所示，D是GH与CH之差.

表1 标准样品测量结果%

我们对七台河煤矿、鹤岗煤矿、霍林河煤矿和图们煤矿煤样进行了检测，结果如表2所示，每个煤样检测10次，并利用（6）式进行了计算.检测结果和化学分析结果相比，误差都没有超过0.25%，达到了煤炭应用的要求［7］.但是，它们与CH的差异明显大于表1的检测结果，原因是（5）式是由标准煤样得到的，然后再利用它计算标准煤样，误差要比计算其他煤样小得多.

表2 不同煤矿煤样测量结果 %

5 总结

本文利用MCNP程序模拟了煤炭中含H量与它特征γ射线净计数间的关系，然后用实验验证并修正了此关系，此方法使氢元素的测量误差小于0.25%，达到了工业应用的要求，同时提高了煤炭的热值，水分以及挥发分等工业值的测量精度.

［1］ 程道文，韦韧，兰民，等.NIPGA法检测煤炭元素含量中的煤层厚度研究［J］.东北师大学报：自然科学版，2011，43（2）：80-82.

［2］ 白金昌，景士伟，张明睿，等.钛靶膜厚度对中子管性能的影响［J］.东北师大学报：自然科学版，2010，42（3）：71-74.

［3］ 吕俊涛，魏晓云，谷德山，等.中子元素分析中干扰γ射线屏蔽研究［J］.东北师大学报：自然科学版，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］ 张建芳，赵广义，王玉德，等.高纯锗探测器探测效率的 MCNP模拟［J］.吉林大学学报：理学版，2010，48（5）：843-846.

［6］ 梅雪松，张慧，马玉刚，等.125I粒子源在水中剂量分布的 Monte Carlo模拟［J］.吉林大学学报：理学版，2011，49（5）：932-934.

［7］ 陈鹏.中国煤炭性质、分类和利用［M］.北京：化学工业出版社，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

吉林省科技发展计划项目（20050323）.

程道文（1978—），男，博士，讲师，主要从事粒子物理与原子核物理研究；谷德山（1955—），男，教授，主要从事粒子物理与原子核物理研究.

石绍庆）