PGNAA方法测量元素的非线性规律研究

瞬发伽玛中子活化分析(prompt gamma neutron activation analysis,PGNAA)在线分析仪广泛应用于水泥、煤炭等工业控制领域,由于工业现场产量的变化,导致皮带上物料的厚度不恒定,当物料厚度变化时,在线分析仪的测量结果会出现偏差。为消除在线分析仪测量不同厚度物料的测量偏差,通过理论分析和蒙特卡罗模拟(MCNP)研究中子自屏蔽和伽玛自衰减影响,并寻求修正模型。根据探测器接收特征伽玛射线的计算公式进行理论分析,利用蒙特卡罗软件建立PGNAA在线分析仪装置模型,分别模拟Al_2O_3、SiO_2、CaO、Fe和水泥生料等物料随厚度变化的特征射线计数,以水泥在线分析仪为例,寻求修正模型。结果表明,特征伽玛射线强度不随物料厚度增加而线性增长,按照线性标定方法的在线分析仪测量误差增大,各元素平均相对误差大于10%;根据水泥生料各元素的特征射线计数与物料厚度之间的关系,建立适用于测量水泥生料的多项式厚度修正模型。与线性标定相比,修正后分析仪测量误差降低30%以上,可为煤质、烧结料、铝土矿等块状物料的PGNAA元素检测提供修正方法。     

中子方法快速分析水泥生料的实验装置研究

应用中子感生瞬发γ射线分析技术(PGNAA)设计开发出一种适合水泥生料快速分析的装置—中子水泥生料多元素分析仪,它采用D—D中子发生器做中子源,用BGO探测器及多道分析器采集γ射线谱。通过不断改进实验确定了装置的各项具体参数,并在此装置上进行了水泥生料单组分元素γ射线特征峰的寻找,定出各元素的特征峰,从而可确定该元素成分和含量,实现对水泥生料的快速分析。     

中子场及γ射线自吸收在PGNAA测量中的影响研究

在中子活化瞬发γ射线分析(PGNAA)技术测量中,被测样品内部中子场分布及γ射线自吸收对测量结果有一定影响。针对一套水溶液样品中有害元素的检测装置,通过对两种效应统一考虑并进行了理论计算,建立了一套相应的理论修正模型,并将其应用于检测装置的蒙特卡罗模拟计算结果中。结果表明,经该理论模型修正后,样品中中子场分布及γ射线自吸收对分析结果所造成的影响得到了显著改善。     

用D-D中子发生器测量水泥生料中的元素含量

以D-D中子发生器作为中子源,用瞬发γ中子活化分析（PGNAA）检测水泥生料中主要元素Si、Al、Fe和Ca及其氧化物的百分含量。水泥生料中各元素被中子辐照而释放瞬发γ射线,通过测量γ射线的能量和强度,可对其进行定性和定量分析。测量结果与化学化验方法所得结果的相对偏差好于7.0％,在允许范围内,有较好的重复性。与化学化验方法相比,该方法不破坏样品、用时短、可同时测量多种元素、精确度和准确度高,能满足工业生产的要求。     

应用MOCA程序设计煤料PGNAA实验装置

为促进国内煤料瞬发γ中子活化分析（prompt gamma neutron activation analysis, PGNAA）技术开发，本研究使用基于蒙特卡罗模拟方法的MOCA程序对煤料PGNAA技术常用中子源²⁵²Cf进行模拟建模，并对²⁵²Cf中子源在煤料和常用慢化体聚乙烯中的中子场分布进行模拟计算，得到了源距与中子通量的关系曲线。通过模拟计算的结果，结合煤料PGNAA的测量过程和实验室情况，设计了既可表征大批煤料PGNAA过程又可实现辐射防护的实验装置。使用该装置开展实验室实验，取得了具有明显特征峰的实验谱图和良好线性的灰分标定系数，表明设计的实验装置具有适宜性，可利用该装置对煤料PGNAA进行进一步实验室研究。     

样品均匀性对PGNAA技术元素分析影响的初步研究

采用蒙特卡罗模拟技术,从样品自吸收和中子场在样品中分布特性两个角度,对中子活化瞬发γ射线分析(Prompt Gamma-ray Neutron Activition Analysis,PGNAA)技术中γ射线能谱受样品均匀性的影响进行了初步研究。结果表明,因样品均匀性不同引起的样品自吸收及中子场分布的变化,对γ射线能谱有一定的影响。由于样品均匀性的变化,部分元素特征峰计数变化可达20%以上,从而在一定程度上影响了元素成分分析的准确度。     

PGNAA水泥分析系统中原料水含量影响分析及自校正技术研究

水泥原料中Ca、Fe、Si、Al等元素含量的高低决定着水泥的品质,而元素的含量与其对应的峰面积呈正比。由于氢元素既影响快中子慢化效率,同时又具有很高的热中子俘获截面,因此,本工作利用蒙特卡罗软件MCNP建立了基于252 Cf中子源的瞬发γ中子活化分析(PGNAA)水泥在线分析系统模型,分别对0%~5%水含量下的水泥原料进行模拟分析。通过解谱分析分别得到各关键元素的峰面积,分析了水含量变化对关键元素峰面积的影响,并建立了水含量自校正模型。结果显示,本文所建立的自校正模型能将未知水含量状况下各关键元素的峰面积校正为不含水状况下的峰面积,有效剔除了原料中水含量的影响,从而提高了各关键元素的测量精度。     

GdI3:Ce闪烁体中子探测性能测试与改进研究

为改善GdI₃:Ce闪烁体在探测中子过程中的γ抑制能力，使用Geant4和XCOM计算了其γ线性吸收系数，并通过模拟计算与实验测量研究了铅屏蔽法抑制γ的有效性。结果表明：GdI₃:Ce闪烁体在探测中子过程中易受低能γ射线的干扰；随着铅层厚度的增加，100 keV~1 MeV的γ射线对中子探测的干扰减小，而3~10 MeV的γ射线的干扰呈先增加后减小的趋势。对²⁵²Cf中子源的实验测试发现，在碘化钆闪烁体外围添加铅层后，中子峰得以显现；随着铅层厚度的增加，中子峰内净计数减小，而净计数与本底计数的比值上升。模拟和实验结果均表明，在使用GdI3:Ce闪烁体探测中子时，应根据中子探测效率和信噪比的优化确定γ屏蔽铅层的厚度。     

应用MOCA程序设计煤料PGNAA实验装置

为促进国内煤料瞬发γ中子活化分析(prompt gamma neutron activation analysis,PGNAA)技术开发,本研究使用基于蒙特卡罗模拟方法的MOCA程序对煤料PGNAA技术常用中子源252 Cf进行模拟建模,并对252 Cf中子源在煤料和常用慢化体聚乙烯中的中子场分布进行模拟计算,得到了源距与中子通量的关系曲线。通过模拟计算的结果,结合煤料PGNAA的测量过程和实验室情况,设计了既可表征大批煤料PGNAA过程又可实现辐射防护的实验装置。使用该装置开展实验室实验,取得了具有明显特征峰的实验谱图和良好线性的灰分标定系数,表明设计的实验装置具有适宜性,可利用该装置对煤料PGNAA进行进一步实验室研究。     

瞬发伽玛活化分析中3种探测器性能比较

利用中国先进研究堆(CARR)热中子束流孔道首次开展了瞬发伽玛中子活化分析(PGNAA)实验。对NH4Cl、Si、Fe、Al等4种样品进行了辐照,同时采用HPGe、LaBr_3、BGO 3种探测器对样品进行实时测量,在瞬发伽玛射线的能量为0.002~10 MeV范围内研究了3种探测器在宽能区的能量线性、能量分辨率、探测效率等性能。     

在线中子活化分析系统关键参数的蒙特卡罗模拟

针对在线瞬发γ中子活化分析（PGNAA）系统的要求,利用MCNP程序对不同慢化材料（重水、石蜡、聚乙烯等）厚度、铅屏蔽厚度、样品厚度及大小进行模拟计算分析。计算结果表明,以厚9cm的石蜡作慢化材料,厚2cm的铅作γ屏蔽层,厚7cm、半径10cm的硫、钙和水泥类样品为最优设计方案,从而为实际设计在线PGNAA系统提供了科学依据。     

瞬发γ射线中子活化分析的现状与发展

概述了瞬发γ射线中子活化分析(PGNAA)的现状与发展，重点介绍了PGNAA的基本原理，国际上已建的PGNAA装置概况、PGNAA方法学中的单比较器k0法和高能γ射线的效率刻度技术，以及PGNAA在新材料、环境样品、生物和药物以及矿物中H、B、N、Cl等轻元素分析测定方面的日益发展的应用状况。此外，还介绍了在中国原子能科学研究院重水研究堆上建立的热中子束PGNAA实验装置。     

Prompt Gamma-Ray Analysis of Steel Slag in Concrete

Blast furnace slag (BFS) is added to Portland cement concrete to increase its durability, particularly its corrosion resistance. Monitoring the concentration of BFS in concrete for quality control purposes is desired. In this study, the concentration of BFS in concrete was measured by utilizing an accelerator-based prompt gamma-ray neutron activation analysis (PGNAA) setup. The optimum size of the BFS cement concrete specimen that produces the maximum intensity of gamma rays at the detector location was calculated through Monte Carlo simulations. The simulation results were experimentally validated through the gamma-ray yield measurement from BFS cement concrete specimens having different radii. The concentration of BFS in the cement concrete specimens was assessed through calcium and silicon gammaray yield measurement from cement concrete specimens containing 5 to 80 wt% BFS. The yield of calcium gamma rays decreases with increasing BFS concentration in concrete while the yield of silicon gamma rays increases with increasing BFS concentration in concrete. The calcium-to-silicon gamma-ray yield ratio has an inverse relation with BFS concentration in concrete.     

PGNAA方法学的发展与现状

瞬发伽马中子活化分析(PGNAA)为非破坏性、在线测量的核分析方法。目前国际上有30多座研究堆建立了PGNAA实验室。本文介绍了三种定量瞬发伽马活化分析方法:相对法、校准曲线法、k0因子法,阐述了基本原理及其应用领域,以及针对短寿命核素高精度测量的束流斩波器技术,针对大样品测量带来的中子自吸收和伽马自屏蔽效应的内标法。此外还简介了基于CARR堆的热中子瞬发伽马活化分析装置进展情况,对国内的PGNAA问题进行了探讨。     

Monte Carlo simulations of a portable prompt gamma system for nondestructive determination of chloride in reinforced concrete

In this work, the MCNP code was used to perform Monte Carlo simulations of the operation of a portable prompt gamma neutron activation (PGNA) system for chloride detection in reinforced concrete. The system consists of a moderated ²⁵²Cf neutron source, a high purity germanium (HPGe) gamma ray detector and a portable multichannel analyzer. The system maximum weight is 23 kg with a largest dimension of 31 cm. The simulations utilized a hybrid approach, which consisted of using MCNP simulations to model neutron transport and ray tracing for gamma ray transport, which considerably reduces computation time in comparison to a fully coupled neutron/photon Monte Carlo simulations. The simulations have shown that the current moderator design effectively thermalizes the neutron energy spectrum. At low to moderate chloride concentrations, the hybrid simulation model of the PGNA chloride detector shows very good agreement with experimental data. The MCNP computations predicted that for a standard error of 10% in counting statistics, the detection of a 2000 ppm chloride concentration (the corrosion threshold) in reinforced concrete can be achieved in a seven minute counting period. This represents a significant improvement over the current standard destructive method of measuring chlorides in concrete. Over the range of water to cement (w/c) ratios normally found in concrete mixes (0.38-0.55), the chloride signal strength shows very little variation especially at the lower chloride concentrations. Thus for all practical purposes the chloride signal remains insensitive to the w/c ratio. Similarly, the chloride signal strength does not vary significantly if limestone coarse or fine aggregate is used in place of quartz.     

The Monte Carlo code CEARCPG for coincidence prompt gamma-ray neutron activation analysis

Prompt gamma-ray neutron activation analysis (PGNAA) is widely used to determine the elemental composition of bulk samples. The detection sensitivities of PGNAA are often restricted by the inherent poor signal-to-noise ratio (SNR). There are many sources of noise (background) including the natural background, neutron activation of the detector, gamma-rays associated with the neutron source and prompt gamma-rays from the structural materials of the analyzer. Results of the prompt gamma-ray coincidence technique show that it could greatly improve the SNR by removing almost all of the background interferences. The first specific Monte Carlo code (CEARCPG) for coincidence PGNAA has been developed at the Center for Engineering Application of Radioisotopes (CEAR) to explore the capabilities of this technique. Benchmark bulk sample experiments have been performed with coal, sulfur, and mercury samples and indicate that the code is accurate and will be very useful in the design of coincidence PGNAA devices.     

CARR堆瞬发伽马活化分析系统的初步设计

基于中国先进研究堆（CARR），采用蒙特卡罗方法设计并优化了瞬发伽马中子活化分析系统，确定了该分析系统的整体结构、关键组成部件的物理和几何参数。20 cm的单晶铋过滤器能够提高中子束中热中子的份额， 也极大地屏蔽了来自堆芯的伽马射线；多层材料单段柱型准直的设计能够保证照射位置较高的中子注量和较低的本底。整个装置的屏蔽设计充分考虑到了材料的质量、体积和成本等因素，通过MCNP模拟结果最终确定了各屏蔽材料的尺寸。模拟结果显示，所设计的装置能满足辐射防护和低本底的要求，达到了最初的设计目标。