利用PGNAA方法对煤质进行检测的MOCA模拟研究

2017-12-21李韶荣马良义吴安琪景士伟

物理实验 2017年11期

关键词：快中子东北师范大学煤质

庞敏，李韶荣，马良义，吴安琪，景士伟,b

(1.东北师范大学 a.物理学院，b.物理学国家级实验教学示范中心(东北师范大学)，吉林长春130024)

利用PGNAA方法对煤质进行检测的MOCA模拟研究

庞敏a，李韶荣a，马良义a，吴安琪a，景士伟a,b

(1.东北师范大学 a.物理学院，b.物理学国家级实验教学示范中心(东北师范大学)，吉林长春130024)

利用MOCA软件模拟利用PGNAA方法对煤质进行检测的过程. 通过改变屏蔽体的厚度，确定最优铅厚为2 cm；改变泥煤、褐煤、烟煤3种煤样的厚度，模拟优化快中子和慢中子比例；通过改变探测器与源之间的距离来确定探测器放置的合适位置. 根据模拟结果优化实验装置设计，为实际检测分析提供参考.

MOCA模拟；PGNAA；γ谱；H峰；C峰；计数

为了实现对煤炭的更合理且有效地利用，必须对煤炭进行分析检测. 传统的化学分析方法耗时较多、采样不具有普遍性，无法满足现代工业需要. 一些传统煤质在线分析检测方法如 X 荧光分析技术和红外分析技术，都存在相应的局限性[1]. 瞬发γ射线中子活化分析(Prompt Gamma Neutron Activation Analysis， PGNAA)技术能够进行非破坏性全元素分析，灵敏度较高，分析速度快，被广泛应用于煤炭工业[2-3].

蒙特卡罗方法是通过一系列随机数跟踪粒子历程完成对粒子输运的模拟[4]，目前使用较多的是MCNP4C和MCNP5，这些程序在核物理和粒子运输问题中有较多应用[5-6]. MCNP相比于GEANT4和MORSE等程序，携带了很全面的相关数据库并可以给出相应减小误差的方法. 但其也有不足之处，如收敛速度较慢，运行的时间比较长[7]. 与国际通用的蒙特卡罗模拟软件相比，MOCA 软件具有体积小巧、使用简单、专业性强等特点[8]，尤其在模拟 PGNAA 方面，MOCA构建模型简单，运算时间短[9]. 本文利用MOCA软件的这些优势对PGNAA方法煤质检测进行模拟研究.

1 使用MOCA 程序建模

根据实际的煤质在线分析装置的基本结构，构建所要模拟计算的物理模型，如图1所示. 采用14 MeV氘氚源；传送带长120 cm，宽50 cm，厚0.5 cm，含3种元素C，N和H，质量分数分别为47.5%，47.5%和5%. 煤样长80 cm，宽40 cm；探测器为半径5 cm，高8 cm的圆柱形BGO；探测器外是厚度可以改变的屏蔽体铅，高度为8.02 cm；分析仪为76 cm×76 cm的512道的BGO，获取时间为240 s，转换时间为1 s.

(a)xz平面

(b)yz平面

(c)xy平面图1 PGNAA模拟模型平面图

2 优化屏蔽体的厚度

煤样为泥煤，泥煤的元素组成质量分数见表1. 固定源、探测器位置和泥煤厚度，在探测器外加屏蔽体铅屏蔽γ射线. 改变铅的厚度分别设置为0，0.5，1.0，1.5，2.0 cm,模拟结果见图2.

表1 煤样元素组成质量分数

图2 不同厚度铅时的模拟结果

由图2可知屏蔽体越厚探测器探测到的γ射线越少. 选择C峰计数和H峰计数分别衡量非弹性散射反应和俘获反应后进入探测器的γ射线数量，然后确定探测器外最适宜的铅厚度，铅的厚度对C峰和H峰计数的影响见图3.

图3 铅厚度对C峰和H峰计数的影响

由图2～3所示模拟结果可知BGO探测器外加2 cm厚度的铅可以有效地屏蔽干扰γ射线. 根据模拟结果，实验中采用2 cm厚铅为探测器进行屏蔽，以下模拟工作也是对探测器外加2 cm厚铅的实验装置进行模拟.

3 优化慢化体厚度

由于14 MeV快中子和煤主要发生热中子俘获反应和快中子非弹性散射反应，非弹性散射反应对C和O等元素具有较大的散射截面，而H,N,S,Si,Al,Fe和Ti等煤样中大部分元素对热中子俘获反应具有很大的散射截面. 快中子和慢中子的数量和比例会直接影响俘获γ谱的强弱和模拟精度. 为使快中子和慢中子的比例合适，可以在源和煤样之间加快中子的慢化体如聚乙烯、铅等对中子慢化效果比较明显且吸收小的材料，然后通过改变所用材料的厚度，找出使快中子和热中子比例合适的最佳厚度.

由于煤样本身是慢化体，因此本文通过改变不同煤样的厚度，寻找煤的最佳厚度. 用于模拟的煤样有泥煤、褐煤、烟煤，每种煤中的元素组成的质量如表1所示. 模拟时探测器距离氘氚源的距离为40 cm，每种煤的厚度分别设置为10，15，20，25，30 cm. 3种煤样的模拟结果如图4～6所示.

从图4～6的模拟结果可知改变泥煤、褐煤、烟煤的厚度不影响谱的形状，但会影响谱的强弱. 选择煤样的C峰计数和H峰计数分别衡量热中子俘获反应和非弹性散射反应的多少，找出每个煤样的最佳厚度，然后得出对3种煤样均比较合适的厚度，模拟结果如图7～9所示.

图4 泥煤的厚度对计数的影响

图5 褐煤的厚度对计数的影响

图6 烟煤的厚度对计数的影响

图7 泥煤的厚度对C峰和H峰计数的影响

图8 褐煤的厚度对C峰和H峰计数的影响

图9 烟煤的厚度对C峰和H峰计数的影响

由图7～9可知C峰计数随着煤的厚度的增加而减小，H峰计数随着煤厚度的增加而增大. 15 cm是泥煤的最佳厚度，22 cm是褐煤的最佳厚度，20 cm是烟煤的最佳厚度. 由于煤种不同等因素，考虑把最佳厚度选择在20 cm. 由图7～9还可看出O元素的特征峰(6.13 MeV)没有C元素的特征峰(4.43 MeV)和H元素的特征峰(2.22 MeV)明显，理论上O元素和C元素一样对非弹性散射反应具有较大的散射截面，O元素的特征峰的计数随煤样中含氧量的变化如图10所示. 由图10和表1可推知O元素的特征峰计数不明显，可能是受到O元素含量的限制.

图10 煤样中含氧量对O元素的特征峰的影响

4 探究探测器的合适位置

任意选择一种煤样，将其厚度设置为最佳厚度，模拟实验选择了烟煤，最佳厚度为20 cm. 改变探测器距离煤上表面的距离，分别设置为2.5，5.0，7.5，10，15，20，25 cm，模拟结果如图11所示. C峰计数和H峰计数随探测器位置改变的模拟结果如图12所示. 由图11～12可知，探测器距离煤样上表面的距离越近，探测到的快中子和慢中子的计数都越大. 实际检测分析时考虑探测器距离煤样上表面的距离近一些.

图11 探测器的位置对计数的影响

图12 探测器的位置对C峰和H峰的影响

5 结论

通过以上模拟结果可知，对于14 MeV中子

探测器外加2 cm的铅就能有效地屏蔽外界的γ射线的干扰. 经验证煤本身确实具有慢化中子的作用，对于不同的煤样，用于检测的煤的厚度最好选择在20 cm，且探测器与煤上表面的距离越近探测到的γ射线越多，越有利于煤质分析.

[1] 黑大千. PGNAA在线分析技术的发展与现状[J]. 科技资讯,2014，12(6):63-64.

[2] 陈晓文. PGNAA应用于煤质成份在线检测的方法研究[D]. 兰州：兰州大学,2006.

[3] 王二永. 14MeV 脉冲中子活化分析中煤样厚度及元素含量的蒙特卡罗模拟[D]. 长春：吉林大学,2015.

[4] 郑华. MCNP3B使用教程[M]. 大庆测井研究所，1998.

[5] 裴鹿成. 蒙特卡罗方法及其在粒子运输问题中的运用[M]. 北京：科学出版社,1980:1-6.

[6] 徐淑艳. 蒙特卡罗方法在实验核物理中的运用[M]. 北京：原子能出版社，1996.

[7] 董焕. 反射式煤质分析中中子源和探测器之间慢化屏蔽体研究[D]. 长春：东北师范大学,2014.

[8] Pinaul J L. Moca training [C]// IAEA : Training organized in the framework of the ARCAL Project , 2002. 2.

[9] 杨丽芳. 大批煤料PGNAA的蒙特卡罗研究[R]. 中国核科学技术进展报告(第一卷),2009.

MOCAsimulationstudyonthedetectionofcoalqualitybyPGNAAmethod

PANG Mina， LI Shao-ronga， MA Liang-yia， WU An-qia， JING Shi-weia,b

(a.School of Physics; b. National Demonstration Center for Experimental Physics Education (Northeast Normal University)，Northeast Normal University， Changchun 130024， China)

An experimental device for detecting coal quality was developed by constructing PGNAA method with MOCA software. By changing the thickness of the shield, the optimal Pb thickness was determined to be 2 cm. The ratio of fast neutron and slow neutron was simulated and optimized by changing the height of coal samples of peat, lignite and bituminous coal. By changing the distance between the detector and the source, the appropriate location of the detector was determined. The experimental device design was optimized by the simulated result to provide a reference for the actual detection and analysis.

MOCA simulation; PGNAA; γ spectrum; H peak; C peak; count

O4-39; O571.56

1005-4642(2017)11-0052-04