利用中子活化分析技術模擬測量土壤Cu、Ni元素含量*

張 偉 劉永超

(丹東東方測控技術股份有限公司)

近年來由于農藥、化肥的大量使用和工農業污染物的排放，土壤污染問題已引起社會的日益關注。農田、蔬菜地、茶園、果園、牧場、林地、自然保護區等地土壤中Cu、Ni等元素的檢測對于控制其含量至關重要，而傳統的實驗室化學化驗方式，檢測周期較長，不能滿足快速檢測的需要。

瞬發伽馬中子活化分析技術能快速檢測樣品成分，無需對樣品進行預處理，數分鐘就能給出檢測結果，檢測精度高[1]，現已廣泛應用于工業、農業、醫藥等各個領域。采用中子活化分析技術對土壤中Cu、Ni元素的測量進行蒙特卡洛模擬計算，利用兩種元素的特征峰探測概率進行二元回歸擬合標定，進而得出Cu、Ni元素含量。

1 測量方法

1.1 模擬仿真測量結構

蒙特卡洛模擬仿真測量裝置為透射式結構(圖1)，土壤標準樣品位于中子源與探測器之間，中子源為Cf-252自發裂變中子源，探測器為閃爍體探測器，慢化體為聚乙烯[2]。

1.2 土壤標準樣品設計

土壤主體元素是O、Si、Al、Fe、Ca、Mg、K、Na、Ti等，Cu、Ni元素在土壤中屬微量元素，我國土壤Cu、Ni環境背景值見表1[3]。

圖1 蒙特卡洛模擬模型示意

表1 中國土壤Cu、Ni元素環境背景值 ×10-6

模擬試驗共設計5組土壤標準樣品，Cu、Ni元素含量見表2。

表2 設計樣品Cu、Ni元素含量 ×10-6

1.3 中子活化能譜模擬

由于土壤中其他元素也具有較大的熱中子俘獲截面，因此在低能區域內γ能譜平臺較高，受樣品中其他元素影響較大，因此只選擇能量大于7 MeV的能量特征峰作為仿真計算的能量區間。5個土壤標準樣品仿真能譜見圖2。

2 試驗結果與討論

Cu、Ni元素都具有較高的熱中子俘獲反應截面，Cu熱中子俘獲截面為3.795 barn，Ni的為4.49 barn。為消除其他元素對Cu、Ni特征峰的影響，選取高能部分7.915 MeV(Cu)、8.533 MeV(Ni)熱中子俘獲瞬發伽馬特征峰進行計數統計。Cu、Ni元素高能特征峰中子俘獲截面見表3，樣品模擬特征峰探測概率見表4。

圖2 土壤標準樣品仿真能譜

表3 Cu、Ni元素高能特征峰中子俘獲截面

表4 樣品模擬特征峰探測概率

為提高土壤Cu、Ni元素含量檢測精度，消除或減弱兩種元素特征峰相互干擾的影響，利用兩種元素的特征峰計數進行二元回歸擬合，建立聯合校正曲線：

Y=AX1+BX2+C

以Cu為例，式中：Y為樣品設計的Cu元素含量，%；X1為模擬的Cu特征峰探測概率；X2為模擬的Ni特征峰探測概率；A、B、C為待定系數。經擬合得出Cu標定曲線，A、B、C值分別為67 350 593，-50 000 000，0.000 538，相關系數R2=0.974。應用標定曲線公式對Cu含量進行計算，同樣運用該方法對Ni含量進行計算[4]，兩種元素標定結果見表5。

表5 5個樣品Cu、Ni元素標定結果 ×10-6

據此繪制Cu、Ni元素標定值與設計值相關性曲線(圖3、圖4)，可以看到相關性均良好，Cu元素相關系數R2=0.973 9，RMSD=2×10-6；Ni元素相關系數R2=0.912 3，RMSD=4×10-6。

圖3 Cu元素標定值與設計值相關性曲線

圖4 Ni元素標定值與設計值相關性曲線

《土壤環境質量標準》規定了Cu、Ni三級限值見表6。

表6 土壤環境質量標準值 ×10-6

土壤等級劃分以標準中特定元素含量的限值作為判定依據。根據模擬計算結果，理論上中子活化分析技術可以應用到土壤Cu、Ni元素檢測分析中，測量精度完全可以達到土壤環境質量分級標準的限定值要求。

3 結 論

中子活化分析技術理論上可實現對土壤中Cu、Ni元素的快速檢測，取代傳統化學化驗方式，結果準確、可靠，檢測誤差滿足土壤環境質量三級等級劃分限定值要求。模擬測量試驗結果可為中子活化土壤分析儀樣機的相關設計、試驗測試提供技術依據，通過調整優化樣機關鍵部件參數等手段可將其用于測量土壤中Cu、Ni元素及其他元素含量的快速測定，劃分土壤環境質量等級，預防土壤污染。

[1] 宋青鋒，張 偉，龔亞林，等.利用瞬發γ中子活化分析技術對銅鎳礦石進行在線檢測的應用研究[J].世界有色金屬，2014(2):72-73.

[2] 陶俊濤，盧元利，李劍鋒，等.中子活化元素在線分析儀的結構與應用[J].煤質技術,2016(1):11-13.

[3] 巍復盛，陳靜生,吳燕玉，等.中國土壤環境背景值研究[J].環境科學,1991(4):14-16.

[4] 宋青鋒，龔亞林，張 偉,等.利用PGNAA系統對鋁土礦石進行在線檢測的可行性研究[J].中國礦業,2015(10):172-173.