中子物质分析技术在国内的应用概述

侯东彪

(黑龙江工业学院 黑龙江鸡西158100)

一 主要物理原理

发现中子八十多年以来，人类对中子自身以及其与物质相互作用的研究不断进行，已获得了很清晰的认识。中子进入物质内部与电子的相互作用可忽略，主要考虑与原子核发生弹性散射、非弹性散射、辐射俘获、裂变。反应类型由元素性质和中子的能量决定，在实际应用中低能中子的反应起主要的作用。在中子物质分析中主要分析对象为中子与物质感生出来的瞬发特征γ射线，元素在物质中的质量分数与元素特征γ射线关系式可简化为

当中子能量足够大时，中子入射后与原子核发生非弹性散射将使原子核处于激发态，原子核退激释放特征γ射线。低能中子与被测原子核形成复合核，复合核退激释放多种特征γ射线，通过对计数较高特征γ射线的能谱分析，可以反映出被测原子核的特征及含量情况。

二 实验研究与生产应用

1.实验设备逐渐完善，实验室标准基本形成。

在国内研究的初期主要应用反应堆中子源，早在80年代，中国原子能研究院就建立了微型反应堆中子源，为开展中子活化分析技术创造了条件。此外一些天然放射性物质也常被作为中子源，如镧252Cƒ中子源、241Am-Be也常被使用。但由于这些中子源释放的中子多为快热中子，不能直接用于活化分析，需要经过慢化才能使用。在中子源的小型化和可控性的研究方面东北师范大学辐射技术研究所做了大量研究工作解决了技术难题，较早地生产出了D-D中子发生器。此外中国石油测井有限公司测井仪器厂也是重要的中子管研制单位，目前已有几个系列的产品。中子发生器的可控性、单能性、便携性等方面，相比传统同位素中子源有事明显。

常用的γ射线探测装置分为闪烁体型和半导体型。碘化钠（NaI）属无机单晶体，容易受潮失效故需严密的封装。锗酸铋（BGO）单晶体因铋的原子序数高，密度大，对 射线线性吸收系数更大探测效率更高，明显优于碘化钠（NaI）。在中子物质分析实验中往往采用二者结合使用的方式。

防护体和测量方法的选择。 测量时应尽量避免其他伴随生成的干扰γ射线。防护体材料一般选用聚乙烯、6LiH和吸收γ射线的Pb块。利用飞行时间技术和甄别器可提高测量精度。根据γ射线的速度接近光速c远高于中子速度的方法甄别掉由样品散射进入探测器所产生的γ射线。

2.研究成果已应用在多个领域。

八十年代初期，在国内中子物质分析技术已逐步开发利用。其无损快速测量的特点优势明显。

中子活化分析在石油测井中的应用。利用可控的中子发生器做中子源使对中子的利用更加方便可行。在石油勘探领域，已经形成了几种成熟的测量方法，包括： 法测井、脉冲能谱测井方法。东北师范大学辐射技术研究所生产的中子发生器以在大庆油田测井单位得到了长期应用，中子石油测井技术已发展成为一门成熟的技术。

煤矿选煤领域中的应用，尤其是在线煤质分析仪的应用更加扩展了中子物质分析的应用范围。在线煤质分析仪利用中子发生器对样品元素轰击产生的非弹和俘获特征γ射线进行分析，为此需应用脉冲中子发生器并研制了配套的电路系统。其分析结果的精确度与传统化学分析相比均达到了行业标准，应用价值明显。在我国西南部一些煤矿企业中已得到应用。

水泥成分在线分析配料，90年的中期，我国开始引进国外中子煤质分析设备，湖北新华水泥厂首先引进两台水泥生料分析设备。03年左右，北京的两家水泥企业也先后引进了总计四台相关设备。随着中子物质分析技术在实验室研究中不断取得突破，我国科研部门相继将科研成果开始转变为生产力，在水泥原料分析方面，南京大陆中电科技有限公司，东北师范大学辐射技术研究所，分别独立研制成功水泥生料在线分析设备，并已应用于生产。

三 模拟研究

蒙特卡罗模拟方法在中子物质分析中被广泛利用。其中 程序源于美国可以模拟中子光子的输运问题。当中子与靶核相遇时，按照统计规律进行随机抽样确定发生何种反应放射何种粒子。MCNP程序中可以利用空间构图来模拟真实的实验情景，贴近物理实际，便于设计。设计实验防护体时可以通过测量的方法来检验应该选择的尺寸，但需要基本实验设备的搭建和组织，带了人力物力的消耗和安全风险。MCNP程序进行模拟则可以避免以上风险，在充分考虑实验事实的情况下，只要建立起合理的物理模型即可得到符合实际的可靠结论。

1.在中子源的相关特性研究中的应用。例如，利用MCNP程序对中子管的防护进行模拟研究，确定了对于特定能量中子的防护标准；对中子源的慢化过程的模拟，为选择慢化材料提供了依据。

2.选择合理样品尺寸、优化探测方法的应用。利用MCNP程序模拟煤质分析仪中样品箱的尺寸，通过改变煤层厚度，分析程序获得的数据确定选择多厚的样品为宜；通过模拟实验条件探究中子感γ射线在空间辐射的分布情况，为合理确定探测器位置提供理论依据。

四 发展趋势

中子物质分析技术自传入我国以来，经历了从学习借鉴到自主研发的过程。设备不断改进，测量精度不断提高。研发出许多新设备，使得中子物质分析技术成为一项实用的无损分析方法。在生产应用方面，中子分析技术涉及的领域不断扩大，在油田，矿山，医药，环境等领域发挥着重要作用。随着技术的不断成熟和创新，将会在更多领域得到应用，发挥优越性。

【参考文献】

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