利用PGNAA方法對煤質進行檢測的MOCA模擬研究

龐 敏，李韶榮，馬良義，吳安琪，景士偉,b

(1.東北師范大學 a.物理學院，b.物理學國家級實驗教學示范中心(東北師范大學)，吉林 長春130024)

利用PGNAA方法對煤質進行檢測的MOCA模擬研究

龐 敏a，李韶榮a，馬良義a，吳安琪a，景士偉a,b

(1.東北師范大學 a.物理學院，b.物理學國家級實驗教學示范中心(東北師范大學)，吉林 長春130024)

利用MOCA軟件模擬利用PGNAA方法對煤質進行檢測的過程. 通過改變屏蔽體的厚度，確定最優鉛厚為2 cm；改變泥煤、褐煤、煙煤3種煤樣的厚度，模擬優化快中子和慢中子比例；通過改變探測器與源之間的距離來確定探測器放置的合適位置. 根據模擬結果優化實驗裝置設計，為實際檢測分析提供參考.

MOCA模擬；PGNAA；γ譜；H峰；C峰；計數

為了實現對煤炭的更合理且有效地利用，必須對煤炭進行分析檢測. 傳統的化學分析方法耗時較多、采樣不具有普遍性，無法滿足現代工業需要. 一些傳統煤質在線分析檢測方法如 X 熒光分析技術和紅外分析技術，都存在相應的局限性[1]. 瞬發γ射線中子活化分析(Prompt Gamma Neutron Activation Analysis， PGNAA)技術能夠進行非破壞性全元素分析，靈敏度較高，分析速度快，被廣泛應用于煤炭工業[2-3].

蒙特卡羅方法是通過一系列隨機數跟蹤粒子歷程完成對粒子輸運的模擬[4]，目前使用較多的是MCNP4C和MCNP5，這些程序在核物理和粒子運輸問題中有較多應用[5-6]. MCNP相比于GEANT4和MORSE等程序，攜帶了很全面的相關數據庫并可以給出相應減小誤差的方法. 但其也有不足之處，如收斂速度較慢，運行的時間比較長[7]. 與國際通用的蒙特卡羅模擬軟件相比，MOCA 軟件具有體積小巧、使用簡單、專業性強等特點[8]，尤其在模擬 PGNAA 方面，MOCA構建模型簡單，運算時間短[9]. 本文利用MOCA軟件的這些優勢對PGNAA方法煤質檢測進行模擬研究.

1 使用MOCA 程序建模

根據實際的煤質在線分析裝置的基本結構，構建所要模擬計算的物理模型，如圖1所示. 采用14 MeV氘氚源；傳送帶長120 cm，寬50 cm，厚0.5 cm，含3種元素C，N和H，質量分數分別為47.5%，47.5%和5%. 煤樣長80 cm，寬40 cm；探測器為半徑5 cm，高8 cm的圓柱形BGO；探測器外是厚度可以改變的屏蔽體鉛，高度為8.02 cm；分析儀為76 cm×76 cm的512道的BGO，獲取時間為240 s，轉換時間為1 s.

(a)xz平面

(b)yz平面

(c)xy平面圖1 PGNAA模擬模型平面圖

2 優化屏蔽體的厚度

煤樣為泥煤，泥煤的元素組成質量分數見表1. 固定源、探測器位置和泥煤厚度，在探測器外加屏蔽體鉛屏蔽γ射線. 改變鉛的厚度分別設置為0，0.5，1.0，1.5，2.0 cm,模擬結果見圖2.

表1 煤樣元素組成質量分數

圖2 不同厚度鉛時的模擬結果

由圖2可知屏蔽體越厚探測器探測到的γ射線越少. 選擇C峰計數和H峰計數分別衡量非彈性散射反應和俘獲反應后進入探測器的γ射線數量，然后確定探測器外最適宜的鉛厚度，鉛的厚度對C峰和H峰計數的影響見圖3.

圖3 鉛厚度對C峰和H峰計數的影響

由圖2～3所示模擬結果可知BGO探測器外加2 cm厚度的鉛可以有效地屏蔽干擾γ射線. 根據模擬結果，實驗中采用2 cm厚鉛為探測器進行屏蔽，以下模擬工作也是對探測器外加2 cm厚鉛的實驗裝置進行模擬.

3 優化慢化體厚度

由于14 MeV快中子和煤主要發生熱中子俘獲反應和快中子非彈性散射反應，非彈性散射反應對C和O等元素具有較大的散射截面，而H,N,S,Si,Al,Fe和Ti等煤樣中大部分元素對熱中子俘獲反應具有很大的散射截面. 快中子和慢中子的數量和比例會直接影響俘獲γ譜的強弱和模擬精度. 為使快中子和慢中子的比例合適，可以在源和煤樣之間加快中子的慢化體如聚乙烯、鉛等對中子慢化效果比較明顯且吸收小的材料，然后通過改變所用材料的厚度，找出使快中子和熱中子比例合適的最佳厚度.

由于煤樣本身是慢化體，因此本文通過改變不同煤樣的厚度，尋找煤的最佳厚度. 用于模擬的煤樣有泥煤、褐煤、煙煤，每種煤中的元素組成的質量如表1所示. 模擬時探測器距離氘氚源的距離為40 cm，每種煤的厚度分別設置為10，15，20，25，30 cm. 3種煤樣的模擬結果如圖4～6所示.

從圖4～6的模擬結果可知改變泥煤、褐煤、煙煤的厚度不影響譜的形狀，但會影響譜的強弱. 選擇煤樣的C峰計數和H峰計數分別衡量熱中子俘獲反應和非彈性散射反應的多少，找出每個煤樣的最佳厚度，然后得出對3種煤樣均比較合適的厚度，模擬結果如圖7～9所示.

圖4 泥煤的厚度對計數的影響

圖5 褐煤的厚度對計數的影響

圖6 煙煤的厚度對計數的影響

圖7 泥煤的厚度對C峰和H峰計數的影響

圖8 褐煤的厚度對C峰和H峰計數的影響

圖9 煙煤的厚度對C峰和H峰計數的影響

由圖7～9可知C峰計數隨著煤的厚度的增加而減小，H峰計數隨著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是煙煤的最佳厚度. 由于煤種不同等因素，考慮把最佳厚度選擇在20 cm. 由圖7～9還可看出O元素的特征峰(6.13 MeV)沒有C元素的特征峰(4.43 MeV)和H元素的特征峰(2.22 MeV)明顯，理論上O元素和C元素一樣對非彈性散射反應具有較大的散射截面，O元素的特征峰的計數隨煤樣中含氧量的變化如圖10所示. 由圖10和表1可推知O元素的特征峰計數不明顯，可能是受到O元素含量的限制.

圖10 煤樣中含氧量對O元素的特征峰的影響

4 探究探測器的合適位置

任意選擇一種煤樣，將其厚度設置為最佳厚度，模擬實驗選擇了煙煤，最佳厚度為20 cm. 改變探測器距離煤上表面的距離，分別設置為2.5，5.0，7.5，10，15，20，25 cm，模擬結果如圖11所示. C峰計數和H峰計數隨探測器位置改變的模擬結果如圖12所示. 由圖11～12可知，探測器距離煤樣上表面的距離越近，探測到的快中子和慢中子的計數都越大. 實際檢測分析時考慮探測器距離煤樣上表面的距離近一些.

圖11 探測器的位置對計數的影響

圖12 探測器的位置對C峰和H峰的影響

5 結 論

通過以上模擬結果可知，對于14 MeV中子

探測器外加2 cm的鉛就能有效地屏蔽外界的γ射線的干擾. 經驗證煤本身確實具有慢化中子的作用，對于不同的煤樣，用于檢測的煤的厚度最好選擇在20 cm，且探測器與煤上表面的距離越近探測到的γ射線越多，越有利于煤質分析.

[1] 黑大千. PGNAA在線分析技術的發展與現狀[J]. 科技資訊,2014，12(6):63-64.

[2] 陳曉文. PGNAA應用于煤質成份在線檢測的方法研究[D]. 蘭州：蘭州大學,2006.

[3] 王二永. 14MeV 脈沖中子活化分析中煤樣厚度及元素含量的蒙特卡羅模擬[D]. 長春：吉林大學,2015.

[4] 鄭華. MCNP3B使用教程[M]. 大慶測井研究所，1998.

[5] 裴鹿成. 蒙特卡羅方法及其在粒子運輸問題中的運用[M]. 北京：科學出版社,1980:1-6.

[6] 徐淑艷. 蒙特卡羅方法在實驗核物理中的運用[M]. 北京：原子能出版社，1996.

[7] 董煥. 反射式煤質分析中中子源和探測器之間慢化屏蔽體研究[D]. 長春：東北師范大學,2014.

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

[9] 楊麗芳. 大批煤料PGNAA的蒙特卡羅研究[R]. 中國核科學技術進展報告(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

A

1005-4642(2017)11-0052-04

2017-06-13

龐 敏(1996-)，女，四川達州人，東北師范大學物理學院2014級本科生.

指導教師：景士偉(1975-)，男，遼寧葫蘆島人，東北師范大學物理學院副教授，博士，主要研究方向為中子發生器研制及射線應用.

[責任編輯：郭 偉]