NIPGA法快速连续检测污水氮含量的可行性研究

贾福全

（吉林建筑大学基础科学部，吉林 长春 130118）

水中总氮主要包括氨氮、有机氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮等，是水中的主要污染物之一.及时、准确地测量污水中总氮含量，可以为污水防治提供数据支持.到目前为止，污水中总氮的测量还是利用小体积采样分析方法.由于采集到的样品代表性比较差，所以测量误差大，且此方法只能测量出大部分的氮.目前，国外的很多科研单位利用中子感生瞬发γ射线分析（NIPGA）方法进行物质元素分析.该方法利用快中子非弹性散射反应或者热中子俘获反应来测量物质中元素的含量，可进行大体积测量，所以测量精度高［1－2］，还可以实现现场的连续测量，是一种很有发展前景的测量方法［3－5］.本文采用NIPGA技术快速检测污水中总氮的含量，测量结果精确可靠.

1 检测原理

中子与靶核可以发生核裂变、弹性散射、非弹性散射、放出带电粒子的核反应以及辐射俘获反应.发生热中子俘获反应和快中子非弹性散射反应时都会释放出瞬发γ射线，可以选择受到干扰小且产额高的γ射线作为待测元素的特征γ射线.根据特征γ射线能量确定元素的种类，再利用γ射线峰面积计算出待测元素的含量.

（1）核反应的选择

（2）N元素含量的计算

在实际应用的定量计算中，单位体积样品中N元素含量（G）与其特征γ射线峰的净面积（N）之间关系为［7］

其中：N代表氮元素特征峰在测量时间t内的净计数；G代表样品中氮的含量；NL是洛喜米特常数；A是氮的相对原子质量；φ是中子通量密度；ε代表探测器的效率；σ代表反应截面；α是某同位素的丰度；j是光子产额.当设备和待测元素确定后，φ，σ，ε，j，α，t，A和NL均为常数.因此N和G间的关系可写成

（3）式中的p和q是由设备和待测元素确定的待测常数.先测量出几组标准样品中氮元素的N和G（G是计量科学院的化验值），再通过多元线性回归求出p和q的值.把p和q代入（3）式，然后就可以利用（3）式测量未知样品中氮元素的含量.

2 MCNP模拟

MCNP（A general Monte Carlo code for Neutron and Particle transport）是一套模拟程序，主要用于三维空间内中子、光子的单独运输以及联合输运过程.本文主要利用此程序模拟中子、光子的联合输运，并用模拟结果研究NIPGA测量污水中总氮的可行性.

（1）模型设计

在检测污水中N元素含量时，由于只需要利用俘获反应，所以使用D－D中子发生器作为中子源具有以下明显的优势：关闭电源后不再产生中子，相对来说更容易防护；中子产额较高且可控，有利于定量计算；释放的中子能量为2.5MeV，低于大多数元素非弹性散射反应的阈值，有利于俘获谱的获得.

由于D－D中子发生器产生的中子能量低于大多数元素非弹性散射反应的阈值，所以不需要特殊的慢化体.为了减轻设备的重量，可以适当增加D－D中子发生器靶（产生中子的区域）与BGO探测器间的距离，利用两者之间的水来慢化这些中子，使其变为热中子，再与N元素发生俘获反应.MCNP模拟所用的结构如图1所示.

图1 MCNP模拟采样的模型示意图

（2）模拟结果

保持N含量不变，改变D－D中子发生器靶与BGO探测器间的距离，当中子产额为107个／s，测量时间为120s，BGO探测器探测到的N元素的特征γ计数如表1所示.

表1 不同距离的N元素的γ计数

由表1可以看出，在中子总数一定的情况下，D－D中子发生器靶与BGO探测器间的距离为17cm时，测得的N元素的特征γ计数最多.为了得到此方法测量污水中总氮含量的最低限，使D－D中子发生器靶与BGO探测器间的距离为17cm，改变污水中的N含量，当中子产额为107个／s，测量时间为120s，BGO探测器探测到的N元素的特征γ计数如表2所示.

表2 不同含量的N元素的γ计数

由表2可以看出，此方法的检出限大概为0.2mg／L，如果低于此值，能够测得的γ计数太少，测量精度将大大降低.

3 实验装置的设计

目前，用NIPGA技术检测元素含量常用的γ射线探测器有3种，即NaI，BGO和HPGe探测器.BGO探测器和NaI探测器相比具有以下两个优点：（1）密度高，平均原子序数大，对γ射线的探测效率高；（2）稳定性好，透明度好，不易潮解.BGO探测器和HPGe探测器相比具有以下三个优点：（1）无需液氮冷却；（2）探测效率高；（3）不怕中子辐照.所以，在本装置中，BGO探测器更适合探测N元素的特征γ射线，此装置的结构示意图如图2所示.D－D中子发生器和BGO探测器固定在汽车的机械臂上，当汽车停在河堤上时，利用机械臂把它们放入水中，然后开始监测水中的总氮含量.

图2 氮元素检测装置图

4 结论

用NIPGA技术可以快速检测污水中总氮的含量，检测时间为2min时，其检测限为0.2mg／L，可以检测Ⅴ类水中的总氮.如果用此方法监测污水中的总氮含量，可快速获得可靠、连续的数据，将为环境保护和监测工作提供有力支持.

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