修正快中子通量以提高碳氧測量精度的研究

程道文，蘭 民，李 鑫

（1.長春工業大學基礎科學學院，吉林長春130012；2.長春工業大學應用技術學院，吉林長春130012）

修正快中子通量以提高碳氧測量精度的研究

程道文1，蘭 民1，李 鑫2

（1.長春工業大學基礎科學學院，吉林長春130012；2.長春工業大學應用技術學院，吉林長春130012）

用MCNP-4C程序模擬了30個煤炭樣品，并找出快中子通量與元素含量間的關系.利用文獻方法計算出元素含量，并以此含量修正快中子通量，修正后可以提高元素的測量精度，提高精度后的元素含量反過來可以修正中子通量.結果表明，經過多次修正后，測量精度得到較大的提高，能夠達到煤炭工業應用的要求.

D-T中子發生器；快中子通量；MCNP-4C；煤質

在用中子感生瞬發伽馬射線分析方法（NIPGA）測量煤炭元素含量時，中子與靶核所發生的快中子非彈反應和熱中子俘獲反應都釋放出瞬發特征伽馬射線［1－3］.特征伽馬射線的能量可以用于確定樣品所含元素的種類，特征伽馬射線凈計數可以用于計算元素含量［4－5］，即

其中：N是t秒內被測元素的特征伽馬射線凈計數；G是該元素的含量；NL是Loschmidt常數；φ是中子通量；α是被測元素的同位素豐度；σ是反應截面；j是伽馬射線的產額；ε是伽馬射線的探測效率；A是相對原子質量.如果測量裝置、測量時間和待測元素確定，NL，α，σ，j，ε，t和A都是常數.因此上式可以簡化為

（2）式中k＝NLσεjαt／A，k是一個待測常數.如果是利用非彈反應所釋放的瞬發伽馬射線，φ是快中子通量；如果是利用俘獲反應所釋放的瞬發伽馬射線，φ是熱中子通量.無論是快中子通量還是熱中子通量，φ都是待測樣品所在區域的中子通量，它不僅與中子源的產額有關，還與樣品中的元素含量有關，需要用元素含量來修正.煤炭中碳、氫和氧的質量分數之和超過70%，對快中子通量分布起決定作用.因此，本文忽略其他元素的影響，主要研究快中子通量與這3種元素含量的關系以及利用此關系提高元素含量的測量精度.

1 實驗裝置簡介

實驗裝置主要包括D-T中子發生器，BGO伽馬射線探測器和聚乙烯外殼，其框圖如圖1所示.煤炭樣品盛放在鐵箱內，鐵箱位于D-T中子發生器與BGO伽馬射線探測器之間，其厚度為15cm.D-T中子發生器是由東北師范大學輻射技術研究所自主研制，主要由D-T中子管和控制系統組成，產額為1× 108個／s，壽命約為4 000h，穩定性超過0.50%.伽馬射線探測系統主要由BGO晶體、放大器、4 096道MCA以及計算機組成.BGO晶體由上海硅酸鹽研究所提供，MCA由北京紫方啟研科技有限公司提供.

2 快中子通量與碳、氫和氧含量間的關系

在實際應用中，很難測量煤炭內部的快中子通量.為了獲得此關系，我們用MCNP-4C程序進行了模擬計算.為了盡量接近實際裝置，模擬所用的模型結構示意圖如圖2所示.D-T中子發生器、煤炭樣品以及聚乙烯外殼都是以x為軸的圓柱體，煤炭樣品沿x軸的長度為15cm.D-T中子發生器的靶核位于點O，其產額為1×108個／s，用計數卡F4計算煤炭樣品所在區域的快中子通量，模擬結果如表1所示.

圖1 實驗裝置框圖

圖2 模型結構示意圖

表1 中子產額為1×108個／s時煤炭樣品所在區域的快中子通量模擬結果

表1中的PC，PH和PO分別是煤炭樣品中的碳、氫和氧的質量分數，φM是模擬計算得到的煤炭樣品所在區域快中子通量，可以看做真實值.根據表1數據，利用多元線性回歸可以得到煤炭樣品所在區域快中子通量與元素含量間的關系為

利用（3）式和表1中的元素含量計算出來的快中子通量（φC）以及與φM間的偏差100%）.在實際應用中，（3）式中的相關系數與實驗設備及中子產額有關，還需要調整.

3 元素含量的粗略計算

文獻［6］已經具體介紹了氫含量的計算方法，其公式為

其中MH是氫含量，NH是氫的特征伽馬射線總計數.此公式已考慮氫對快中子的慢化作用，測量結果比較準確，本文以此值作為氫含量的測量值，不再修正.

文獻［7］具體介紹了碳和氧2種元素含量的計算方法和公式：

其中：MC和MO分別是碳、氧2種元素所占的百分比；AC和AO分別是其特征伽馬射線的相對峰面積，即特征伽馬總計數除以煤炭樣品區域的快中子通量再乘以10.由于公式（5）和（6）未對快中子通量進行修正，測量結果的誤差較大.但是可以利用公式（4）—（6）的計算結果修正快中子通量，從而提高碳、氧含量的測量精度.

4 碳、氧含量的精確計算

由表1可知，在不考慮碳、氫和氧含量的情況下，煤炭所在區域的快中子通量約為80 188s－1·cm－2，所以在第一次計算時假設此值為快中子通量，計算出碳、氧2種元素特征伽馬射線的相對峰面積，最后計算出它們的含量.此結果的偏差雖大，但可用于快中子通量的修正.以修正后的快中子通量替代80 188s－1·cm－2，計算出精度較高的相對峰面積和碳、氧含量.然后再用提高精度后的元素含量修正快中子通量，并替代上次的通量，計算出精度較高的元素含量.

總之，修正后的快中子通量可以提高元素含量的測量精度，提高精度的元素含量可以進一步修正快中子通量.以碳、氫和氧質量分數分別為67.83%，4.15%和9.76%的17號煤炭樣品為例，其特征伽馬射線計數分別為38 652，232 523和26 928個／s.利用（4）式可以計算出氫質量分數為4.09%，和實際值的絕對偏差為0.06%，已達到煤炭工業應用的要求（氫的最大允許絕對偏差為0.23%），不需要修正.假定煤炭樣品所在區域的快中子通量為80 188s－1·cm－2，可以計算碳、氧2種元素的特征伽馬射線相對峰面積，利用（5）式和（6）式計算出碳、氧質量分數分別為64.49%和8.97%（見表2）.

表2 第17號煤炭樣品的計算結果

表2中的φC是利用碳、氫和氧含量修正后的快中子通量，第一行的80 188是假定值，其他行的計算公式為

表2中的NC和NO分別表示碳、氧2種元素特征伽馬射線的總計數，AC和AO分別表示它們的相對峰面積，即伽馬射線總計數除以快中子通量再乘以10，PC和PO分別表示碳、氧2種元素的質量分數，ΔPC和ΔPO分別表示本次PC和PO的計算值與上次計算值之差的絕對值.

由表2可以看出，快中子通量未修正的碳、氧含量計算值和實際值的偏差分別為3.34%和1.21%，未達到煤炭工業應用的要求（碳、氧允許的最大絕對偏差都為1.00%）.在修正過程中，當循環到第9次，ΔPC和ΔPO的值都為0，之后的循環結果基本不變.此時碳、氧含量計算值和實際值的偏差遠遠小于1.00%，達到煤炭工業應用的要求.

5 結論

在用D-T中子發生器快速分析煤質中，煤炭內部的快中子通量主要與碳、氫和氧的含量有關.利用其他文獻介紹的方法可以初步計算出元素含量，此結果雖然誤差較大，但是可以用于修正快中子通量.修正后的快中子通量可以提高元素含量的測量精度，提高精度的元素含量可以進一步修正快中子通量.經過多次循環后，可以得到測量精度較高的碳、氧含量，能夠滿足煤炭工業應用的要求.

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Study on modifying neutron fluxes to improve the measurement accuracy of carbon and oxygen

CHENG Dao-wen1，LAN Min1，LI Xin2
（1.School of Basic Sciences，Changchun University of Technology，Changchun 130012，China；2.Institute of Applied Technology，Changchun University of Technology，Changchun 130012，China）

Thirty coal samples were simulated by MCNP-4Ccode.The relationship between the fast neutron flux and the contents was discovered by multiple linear regressions analysis.The contents were calculated by other formulas and used to modify the fast neutron flux.Then，the measurement accuracy can be increased by the fast neutron flux which was modified and the fast neutron flux can be modified by the contents whose measurement accuracies were raised.The measurement accuracy can be greatly enhanced by several times modify，which can meet the requirement of the coal industry.

D-T generator；fast neutron flux；MCNP-4C；coal quality

O 571.53 ［學科代碼］ 490·10

A

（責任編輯：石紹慶）

1000-1832（2015）03-0096-04

10.16163／j.cnki.22-1123／n.2015.03.020

2013-12-17

國家自然科學基金資助項目（11305019，11205069）；吉林省教育廳“十二五”科學技術研究項目（2015102）.

程道文（1978—），男，博士，副教授，主要從事核技術應用研究.