中子物質分析技術在國內的應用概述

侯東彪

(黑龍江工業學院 黑龍江雞西158100)

一 主要物理原理

發現中子八十多年以來，人類對中子自身以及其與物質相互作用的研究不斷進行，已獲得了很清晰的認識。中子進入物質內部與電子的相互作用可忽略，主要考慮與原子核發生彈性散射、非彈性散射、輻射俘獲、裂變。反應類型由元素性質和中子的能量決定，在實際應用中低能中子的反應起主要的作用。在中子物質分析中主要分析對象為中子與物質感生出來的瞬發特征γ射線，元素在物質中的質量分數與元素特征γ射線關系式可簡化為

當中子能量足夠大時，中子入射后與原子核發生非彈性散射將使原子核處于激發態，原子核退激釋放特征γ射線。低能中子與被測原子核形成復合核，復合核退激釋放多種特征γ射線，通過對計數較高特征γ射線的能譜分析，可以反映出被測原子核的特征及含量情況。

二 實驗研究與生產應用

1.實驗設備逐漸完善，實驗室標準基本形成。

在國內研究的初期主要應用反應堆中子源，早在80年代，中國原子能研究院就建立了微型反應堆中子源，為開展中子活化分析技術創造了條件。此外一些天然放射性物質也常被作為中子源，如鑭252C?中子源、241Am-Be也常被使用。但由于這些中子源釋放的中子多為快熱中子，不能直接用于活化分析，需要經過慢化才能使用。在中子源的小型化和可控性的研究方面東北師范大學輻射技術研究所做了大量研究工作解決了技術難題，較早地生產出了D-D中子發生器。此外中國石油測井有限公司測井儀器廠也是重要的中子管研制單位，目前已有幾個系列的產品。中子發生器的可控性、單能性、便攜性等方面，相比傳統同位素中子源有事明顯。

常用的γ射線探測裝置分為閃爍體型和半導體型。碘化鈉（NaI）屬無機單晶體，容易受潮失效故需嚴密的封裝。鍺酸鉍（BGO）單晶體因鉍的原子序數高，密度大，對 射線線性吸收系數更大探測效率更高，明顯優于碘化鈉（NaI）。在中子物質分析實驗中往往采用二者結合使用的方式。

防護體和測量方法的選擇。 測量時應盡量避免其他伴隨生成的干擾γ射線。防護體材料一般選用聚乙烯、6LiH和吸收γ射線的Pb塊。利用飛行時間技術和甄別器可提高測量精度。根據γ射線的速度接近光速c遠高于中子速度的方法甄別掉由樣品散射進入探測器所產生的γ射線。

2.研究成果已應用在多個領域。

八十年代初期，在國內中子物質分析技術已逐步開發利用。其無損快速測量的特點優勢明顯。

中子活化分析在石油測井中的應用。利用可控的中子發生器做中子源使對中子的利用更加方便可行。在石油勘探領域，已經形成了幾種成熟的測量方法，包括： 法測井、脈沖能譜測井方法。東北師范大學輻射技術研究所生產的中子發生器以在大慶油田測井單位得到了長期應用，中子石油測井技術已發展成為一門成熟的技術。

煤礦選煤領域中的應用，尤其是在線煤質分析儀的應用更加擴展了中子物質分析的應用范圍。在線煤質分析儀利用中子發生器對樣品元素轟擊產生的非彈和俘獲特征γ射線進行分析，為此需應用脈沖中子發生器并研制了配套的電路系統。其分析結果的精確度與傳統化學分析相比均達到了行業標準，應用價值明顯。在我國西南部一些煤礦企業中已得到應用。

水泥成分在線分析配料，90年的中期，我國開始引進國外中子煤質分析設備，湖北新華水泥廠首先引進兩臺水泥生料分析設備。03年左右，北京的兩家水泥企業也先后引進了總計四臺相關設備。隨著中子物質分析技術在實驗室研究中不斷取得突破，我國科研部門相繼將科研成果開始轉變為生產力，在水泥原料分析方面，南京大陸中電科技有限公司，東北師范大學輻射技術研究所，分別獨立研制成功水泥生料在線分析設備，并已應用于生產。

三 模擬研究

蒙特卡羅模擬方法在中子物質分析中被廣泛利用。其中 程序源于美國可以模擬中子光子的輸運問題。當中子與靶核相遇時，按照統計規律進行隨機抽樣確定發生何種反應放射何種粒子。MCNP程序中可以利用空間構圖來模擬真實的實驗情景，貼近物理實際，便于設計。設計實驗防護體時可以通過測量的方法來檢驗應該選擇的尺寸，但需要基本實驗設備的搭建和組織，帶了人力物力的消耗和安全風險。MCNP程序進行模擬則可以避免以上風險，在充分考慮實驗事實的情況下，只要建立起合理的物理模型即可得到符合實際的可靠結論。

1.在中子源的相關特性研究中的應用。例如，利用MCNP程序對中子管的防護進行模擬研究，確定了對于特定能量中子的防護標準；對中子源的慢化過程的模擬，為選擇慢化材料提供了依據。

2.選擇合理樣品尺寸、優化探測方法的應用。利用MCNP程序模擬煤質分析儀中樣品箱的尺寸，通過改變煤層厚度，分析程序獲得的數據確定選擇多厚的樣品為宜；通過模擬實驗條件探究中子感γ射線在空間輻射的分布情況，為合理確定探測器位置提供理論依據。

四 發展趨勢

中子物質分析技術自傳入我國以來，經歷了從學習借鑒到自主研發的過程。設備不斷改進，測量精度不斷提高。研發出許多新設備，使得中子物質分析技術成為一項實用的無損分析方法。在生產應用方面，中子分析技術涉及的領域不斷擴大，在油田，礦山，醫藥，環境等領域發揮著重要作用。隨著技術的不斷成熟和創新，將會在更多領域得到應用，發揮優越性。

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