煤炭内中子通量与元素含量关系

黄向阳， 程道文

（1.南京龙源环保有限公司，江苏南京 210012；2.长春工业大学基础科学学院，吉林长春 130012）

0 引 言

在用中子感生瞬发伽马射线分析方法（NIPGA）分析煤质时，中子与待测样品中的靶核发生快中子非弹性散射反应和热中子俘获反应，并释放出瞬发特征伽马射线［1－4］。利用特征伽马射线的能量可以确定物质中所含元素的种类，利用特征伽马射线的峰面积可以计算此元素的含量，基本计算公式如下［5－6］：

式中：N——t秒内被测元素的特征伽马射线净计数；

G——被测元素的含量。

当测量设备、待测元素以及测量时间确定，NL，α，σ，j，ε，t和A都是常数，所以式（1）可以简化为：

如果利用的是快中子非弹性散射反应，φ应该是快中子通量；如果利用的是热中子俘获反应，φ应该是热中子通量。无论是快中子通量还是热中子通量，φ都应该是待测样品位置的中子通量，它不仅与中子源的产额有关，还应该与样品中的元素种类及含量有关，文中用MCNP-4C程序对煤炭所在区域的快中子通量和热中子通量进行模拟计算，并找出它们与煤炭元素间的关系。

1 模型结构简介

在实际应用中，很难测量煤炭内部的快中子通量和热中子通量。为了获得这两个通量，我们用MCNP-4C程序进行了模拟计算。为了尽量接近实验装置，模拟所用的模型结构如图1所示［7－9］。

聚乙烯外壳、D-T中子发生器以及煤炭样品都是以x轴为轴的圆柱体。D-T中子发生器的产额为108n／s，其靶位于点O，与煤炭样品的距离为1 cm，与BGO伽马射线探测器的距离为16 cm，即煤炭样品沿X轴的长度为15 cm。

图1 模型结构示意图

2 模拟结果

煤炭中主要含有C，H，O，N，S，Si，Al，Fe，Ca 9种元素，它们的含量之和超过95%。根据国内主要煤炭的元素含量，文中模拟了30组煤炭样品。模拟时，用计数卡F4计算煤炭样品所在区域的快中子通量和热中子通量，D-T中子发生器产额为108n／s时的模拟结果见表1。

表1 中子通量的模拟结果、计算结果及偏差

续表1

3 热中子通量与元素含量间的关系

表1中的C，H，O，N，S，Si，Al，Fe，Ca分别表示煤炭中这9种元素的质量百分比含量，φT表示煤炭所在区域的热中子通量。根据元素含量和热中子通量，利用多元线性回归可以得到：

利用式（3）和表1中的元素值可以计算出煤炭样品所在区域的热中子通量（用φTC表示）和MCNP-4C模拟结果的偏差（见表1中的DT），其中：

由表1可以看出，DT的最大偏差为0.37%，平均值偏差为0.12%，所以，式（3）所描述的热中子通量与元素含量间的关系是准确的。

4 快中子通量与元素含量间的关系

表1中的φF表示煤炭所在区域的快中子通量。根据元素含量和快中子通量，利用多元线性回归可以得到：

利用式（5）和表1中的元素值可以计算出煤炭样品所在区域的快中子通量（用φFC表示）和MCNP-4C模拟结果的偏差（见表1中的DF），其中：

由表1可以看出，DF的最大偏差为0.03%，平均值偏差为0.01%，所以式（5）所描述的快中子通量与元素含量间的关系是非常准确的。

5 结 语

由表1可以看出，用式（3）和式（5）计算出的热中子通量及快中子通量与MCNP-4C模拟值的偏差非常小，因此可以认为这两个公式都是比较准确的。在实际应用中可以用此公式修订煤炭所在区域的快、热中子通量，以提高煤炭中主要元素的测量精度。

［1］ M Borsaru，M Biggs，W Nichols，et al.The application of prompt-gamma neutron activation analysis to borehole logging for coal［J］.Applied Radiation and Isotopes，2001，54：335-343.

［2］ S A Jonah，I S Williams.Nutrient elements of commercial tea from nigeria by an instrumental neutron activation analysis technique［J］.The Science of the Total Environment，2000，258：205-208.

［3］ 李鑫，李洪宇，王璐，等.基于Visual C＋＋6.0的毒品检测程序［J］.长春工业大学学报：自然科学版，2011，32（6）：570-573.

［4］ A X da Silva，V R Crispim.Use of thermal neutron tomography for the detection of drugs and explosives［J］.Radiation Physics and Chemistry，2001，61：767-769.

［5］ C S Lim，J R Tickner，B D Sowerby，et al.An onbelt elemental analyzer for the cement industry［J］. Applied Radiation and Isotopes，2001，54：11-19.

［6］ 程道文，兰民，刘林茂，等.NIPGA法检测煤炭元素含量的环保意义［J］.长春工业大学学报：自然科学版，2011，32（2）：187-190.

［7］ 程道文，韦韧，向鹏，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.

［8］ 魏晓云，谷德山，程道文，等.中子元素分析中改变探测器屏蔽条件对同一样品探测结果的影响［J］.核电子学与探测技术，2008，28（3）：654-656.

［9］ 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.