NIPGA法快速連續(xù)檢測污水氮含量的可行性研究

賈福全

（吉林建筑大學(xué)基礎(chǔ)科學(xué)部，吉林 長春 130118）

水中總氮主要包括氨氮、有機(jī)氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮等，是水中的主要污染物之一.及時(shí)、準(zhǔn)確地測量污水中總氮含量，可以為污水防治提供數(shù)據(jù)支持.到目前為止，污水中總氮的測量還是利用小體積采樣分析方法.由于采集到的樣品代表性比較差，所以測量誤差大，且此方法只能測量出大部分的氮.目前，國外的很多科研單位利用中子感生瞬發(fā)γ射線分析（NIPGA）方法進(jìn)行物質(zhì)元素分析.該方法利用快中子非彈性散射反應(yīng)或者熱中子俘獲反應(yīng)來測量物質(zhì)中元素的含量，可進(jìn)行大體積測量，所以測量精度高［1－2］，還可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場的連續(xù)測量，是一種很有發(fā)展前景的測量方法［3－5］.本文采用NIPGA技術(shù)快速檢測污水中總氮的含量，測量結(jié)果精確可靠.

1 檢測原理

中子與靶核可以發(fā)生核裂變、彈性散射、非彈性散射、放出帶電粒子的核反應(yīng)以及輻射俘獲反應(yīng).發(fā)生熱中子俘獲反應(yīng)和快中子非彈性散射反應(yīng)時(shí)都會(huì)釋放出瞬發(fā)γ射線，可以選擇受到干擾小且產(chǎn)額高的γ射線作為待測元素的特征γ射線.根據(jù)特征γ射線能量確定元素的種類，再利用γ射線峰面積計(jì)算出待測元素的含量.

（1）核反應(yīng)的選擇

（2）N元素含量的計(jì)算

在實(shí)際應(yīng)用的定量計(jì)算中，單位體積樣品中N元素含量（G）與其特征γ射線峰的凈面積（N）之間關(guān)系為［7］

其中：N代表氮元素特征峰在測量時(shí)間t內(nèi)的凈計(jì)數(shù)；G代表樣品中氮的含量；NL是洛喜米特常數(shù)；A是氮的相對(duì)原子質(zhì)量；φ是中子通量密度；ε代表探測器的效率；σ代表反應(yīng)截面；α是某同位素的豐度；j是光子產(chǎn)額.當(dāng)設(shè)備和待測元素確定后，φ，σ，ε，j，α，t，A和NL均為常數(shù).因此N和G間的關(guān)系可寫成

（3）式中的p和q是由設(shè)備和待測元素確定的待測常數(shù).先測量出幾組標(biāo)準(zhǔn)樣品中氮元素的N和G（G是計(jì)量科學(xué)院的化驗(yàn)值），再通過多元線性回歸求出p和q的值.把p和q代入（3）式，然后就可以利用（3）式測量未知樣品中氮元素的含量.

2 MCNP模擬

MCNP（A general Monte Carlo code for Neutron and Particle transport）是一套模擬程序，主要用于三維空間內(nèi)中子、光子的單獨(dú)運(yùn)輸以及聯(lián)合輸運(yùn)過程.本文主要利用此程序模擬中子、光子的聯(lián)合輸運(yùn)，并用模擬結(jié)果研究NIPGA測量污水中總氮的可行性.

（1）模型設(shè)計(jì)

在檢測污水中N元素含量時(shí)，由于只需要利用俘獲反應(yīng)，所以使用D－D中子發(fā)生器作為中子源具有以下明顯的優(yōu)勢：關(guān)閉電源后不再產(chǎn)生中子，相對(duì)來說更容易防護(hù)；中子產(chǎn)額較高且可控，有利于定量計(jì)算；釋放的中子能量為2.5MeV，低于大多數(shù)元素非彈性散射反應(yīng)的閾值，有利于俘獲譜的獲得.

由于D－D中子發(fā)生器產(chǎn)生的中子能量低于大多數(shù)元素非彈性散射反應(yīng)的閾值，所以不需要特殊的慢化體.為了減輕設(shè)備的重量，可以適當(dāng)增加D－D中子發(fā)生器靶（產(chǎn)生中子的區(qū)域）與BGO探測器間的距離，利用兩者之間的水來慢化這些中子，使其變?yōu)闊嶂凶樱倥cN元素發(fā)生俘獲反應(yīng).MCNP模擬所用的結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 MCNP模擬采樣的模型示意圖

（2）模擬結(jié)果

保持N含量不變，改變D－D中子發(fā)生器靶與BGO探測器間的距離，當(dāng)中子產(chǎn)額為107個(gè)／s，測量時(shí)間為120s，BGO探測器探測到的N元素的特征γ計(jì)數(shù)如表1所示.

表1 不同距離的N元素的γ計(jì)數(shù)

由表1可以看出，在中子總數(shù)一定的情況下，D－D中子發(fā)生器靶與BGO探測器間的距離為17cm時(shí)，測得的N元素的特征γ計(jì)數(shù)最多.為了得到此方法測量污水中總氮含量的最低限，使D－D中子發(fā)生器靶與BGO探測器間的距離為17cm，改變污水中的N含量，當(dāng)中子產(chǎn)額為107個(gè)／s，測量時(shí)間為120s，BGO探測器探測到的N元素的特征γ計(jì)數(shù)如表2所示.

表2 不同含量的N元素的γ計(jì)數(shù)

由表2可以看出，此方法的檢出限大概為0.2mg／L，如果低于此值，能夠測得的γ計(jì)數(shù)太少，測量精度將大大降低.

3 實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

目前，用NIPGA技術(shù)檢測元素含量常用的γ射線探測器有3種，即NaI，BGO和HPGe探測器.BGO探測器和NaI探測器相比具有以下兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）密度高，平均原子序數(shù)大，對(duì)γ射線的探測效率高；（2）穩(wěn)定性好，透明度好，不易潮解.BGO探測器和HPGe探測器相比具有以下三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）無需液氮冷卻；（2）探測效率高；（3）不怕中子輻照.所以，在本裝置中，BGO探測器更適合探測N元素的特征γ射線，此裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示.D－D中子發(fā)生器和BGO探測器固定在汽車的機(jī)械臂上，當(dāng)汽車停在河堤上時(shí)，利用機(jī)械臂把它們放入水中，然后開始監(jiān)測水中的總氮含量.

圖2 氮元素檢測裝置圖

4 結(jié)論

用NIPGA技術(shù)可以快速檢測污水中總氮的含量，檢測時(shí)間為2min時(shí)，其檢測限為0.2mg／L，可以檢測Ⅴ類水中的總氮.如果用此方法監(jiān)測污水中的總氮含量，可快速獲得可靠、連續(xù)的數(shù)據(jù)，將為環(huán)境保護(hù)和監(jiān)測工作提供有力支持.

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