基于快中子激发γ射线活化分析的柱状金属元素分布检测研究

利用氘-氚中子发生器结合高纯锗探测器搭建了平台,选取不锈钢柱状作为样品进行测量,对Fe和Cr元素的含量以及分布进行分析.通过蒙特卡罗模拟计算分析了样品处的有效快中子通量,并对标准样品进行了测量.结果显示,Fe和Cr的含量与特征峰净面积成线性变化关系,检测限分别为24.98%和11.54%,平台对Fe和Cr的空间分辨率分别为1.65和1.83 cm.该平台对未知样品中的Fe和Cr的分析结果与X荧光分析结果的偏差在7%之内.研究结果为该技术在后续实际应用提供了研究基础.

基于EJ-301液闪的快中子多重性测量装置对Pu样品质量的测量研究

快中子多重性测量技术(FNMC)可以对保密封装或者非固定状态的核裂变材料的质量进行无损检测,且不需要标准样品刻度,在核保障领域,特别是核材料衡算方面具有重要的意义。该文研究了EJ-301液体闪烁体探测器组成的快中子多重性测量装置对Pu样品质量测量的准确性。利用Geant4模拟软件搭建了1×6 EJ-301液体闪烁体探测器组成的快中子多重性测量系统,并对Pu-240自发裂变中子源的方向、能量、时间分布进行了模拟。通过对不同质量的Pu-240源进行多重性质量计算,得到其相对质量偏差均在10%以下,但随着裂变材料质量的增加,相对质量偏差也相应增加。对钚金属进行多重性测量,得到其平均相对质量偏差为15.5%左右,偏差相对于模拟结果较大的原因可能由n/γ甄别误差导致。该结果比中子多重性测量装置的相对质量偏差降低了16%。结果表明,基于EJ-301液闪的快中子多重性测量装置能够较好地实现对钚金属的质量测量。

γ辐照-腐蚀后硼硅酸盐玻璃的形貌及元素行为

硼硅酸盐玻璃是现有综合性能最好的深地处置高放废物固化材料,其辐照稳定性是影响放射性核素向生物圈泄漏的重要因素。对此,在室温下分别以8 kGy和800 kGy的γ射线辐照三组分硼硅酸盐玻璃(NBS),并对辐照后的样品在不同时间下的浸出行为展开研究。采用光学显微镜和扫描电子显微镜(SEM)对实验样品的表面形貌进行分析,利用能量色散X射线谱仪(EDS)分析元素分布,并用电感耦合-等离子体光发射光谱仪(ICP-OES)对溶液元素进行表征。结果表明:γ射线在8~800 kGy的吸收剂量范围内会对硼硅酸盐玻璃的浸出行为产生影响。此外,随着腐蚀时间的延长,玻璃腐蚀效应逐渐覆盖了辐照效应。与8 kGy辐照相比,NBS玻璃样品在800 kGy辐照下的元素行为变化更为明显。在高剂量辐照后,腐蚀对表面形貌的影响更为显著,而腐蚀7 d后NBS玻璃的元素浸出率更高。

^(60)Co-γ射线辐照预处理聚乳酸改善厌氧发酵性能

聚乳酸(PLA)塑料垃圾沼气生产潜力大,但降解速率低,对其进行预处理可以提高其厌氧发酵效率,促进资源化。本文采用^(60)Co-γ射线对聚乳酸塑料杯样品进行辐照预处理,研究吸收剂量为0 kGy、20 kGy、40 kGy和60 kGy的照射下PLA分子结构及可溶性物质含量变化,并通过蛋白酶酶解实验和厌氧发酵产气量的变化研究电离辐照对其厌氧发酵性能的影响。结果表明:PLA样品经^(60)Co-γ射线辐照,PLA样品上清液中乳酸含量在0~60 kGy范围内随吸收剂量增加略微上升,样品的分子结构未发生明显改变,但辐照后其分子量和结晶度明显下降;辐照后样品在酶解过程中乳酸浓度和质量损失较未辐照样品有明显提升,其中吸收剂量为60 kGy的PLA样品在第4天的乳酸浓度达到最大值并比未辐照样品高17.4%,其质量损失随时间增加,在第7天比未辐照样品提升68.7%;辐照后的样品厌氧发酵达到产气平衡的时间明显缩短,总产气量提升3.0%。研究结果表明,γ射线辐照作为PLA塑料的预处理技术具有潜在的应用价值,本研究可为PLA塑料的资源化处置提供理论参考。

基于生物启发神经网络的核辐射场区全覆盖路径规划

核辐射场区全覆盖路径规划对于辐射环境下区域作业者的辐射安全有重要意义。本研究基于生物启发神经网络算法,提出一种进行辐射剂量最优控制的全覆盖路径规划算法。首先,利用福岛核电站部分地形以及蒙特卡罗粒子输运程序分别构建模拟核辐射场区的障碍物分布和辐射剂量场,然后,采用Python语言进行算法仿真试验,模拟核辐射场区的每一个栅格定义为一个神经元,建立起生物启发神经网络,将栅格剂量率与神经元活性耦合实现路径规划的辐射剂量最优控制,分别采用单个、4个和8个移动单元进行仿真试验。结果表明:单个移动单元的规划路径在实现100%覆盖率,4%覆盖重复率的同时,能够优先覆盖低剂量区,延后覆盖高剂量区,实现了过程剂量和累积剂量的最优控制。为提高全覆盖的时间效率和获得更低的单体累积剂量,对算法进行多单元协同搜索的改进,结果表明:4单元和8单元仿真的覆盖重复率分别为5.72%和6.29%,1单元、4单元和8单元仿真完成全覆盖时间分别为30 min、9 min和4 min,时间效率成倍提高;最大单体累积剂量分别为4.11×10^(-3)mSv、1.28×10^(-3)mSv和0.85×10^(-3)mSv,也在显著降低。本文提出的算法能实现过程剂量和累积剂量最优控制的全覆盖路径规划,另外算法可以协同规划多单元路径,显著降低单体累积剂量,对辐射环境下区域作业的辐射防护有重要意义。

基于可移动中子源的瞬发γ活化成像研究进展

瞬发γ活化成像技术基于瞬发γ射线中子活化分析,结合准直测量或者伴随粒子测量手段,以实现对样品内部中元素位置分布的测量。当前大多数相关研究都是基于大型中子源开展的,这限制了该技术的应用场景,可移动小型化中子源是该技术现场应用的必然要求。基于可移动中子源的瞬发伽马活化成像技术按照准直方式可分为基于单孔准直、编码孔准直及伴随粒子测量三类,对其技术原理、研究进展及仍存在的问题进行介绍与讨论。目前的技术在空间分辨率上还需要进一步提升,未来将进一步结合图像处理算法提高成像质量并降低测量时间。

热中子屏蔽性能测试平台设计优化及影响因素分析

材料热中子屏蔽性能测试是评价新型中子屏蔽材料屏蔽性能的重要手段,并为材料的改进和应用提供重要指导,在中子辐射屏蔽领域具有重要的研究意义。目前,基于同位素中子源的纯热中子场不易获得,而常用的热中子探测器能量响应范围较宽,导致材料的热中子屏蔽性能测试结果的准确性较差。针对此问题,提出一种基于“镉差法”的热中子屏蔽性能方法并建立相应的测试平台。该平台基于252Cf同位素中子源与3He正比计数器,以误差最小化为设计原则,利用蒙特卡罗模拟方法对该平台的辐射屏蔽体、中子慢化体、准直体及探测器屏蔽体的材料及尺寸进行优化。对常用辐射防护材料的热中子屏蔽性能进行测试以验证测试方法可行性与准确性,并对探测系统类型、中子源强度、探测系统远近距离、探测系统偏移及中子源类型5种影响因素进行了实验分析。研究表明,该平台的材料热中子屏蔽性能测试结果重复性高、再现性强,可实现对材料热中子屏蔽性能的准确测试。

基于中子/瞬发γ射线联合测量的中子剂量监测模拟研究

辐射场下的中子周围剂量当量率监测具有重要意义,其可以反应核设施运行状况以及辐射防护信息。目前常用的监测仪器为基于单探测器、单慢化体的A-B型剂量当量率仪,其响应曲线与“中子注量-周围剂量当量转换系数”有较大的差异,导致测量结果误差较大。为提升中子剂量仪测量结果的准确性,对基于中子和瞬发γ射线联合监测中子剂量率开展研究。利用铅块、含硼聚乙烯、有机玻璃和氯化钠组合而成的转换材料,通过蒙特卡罗模拟计算B、H、Cl、Pb、C和O元素对不同能量中子的响应,利用响应曲线结合LB6411型剂量仪的响应曲线进行线性拟合,得到与“中子注量-周围剂量当量转换系数”更为接近的响应曲线。通过差分进化算法计算得到线性拟合系数,结果显示,新的响应曲线在1×10^(-8)~16 MeV能量区间内与h_(φ)响应曲线更贴近,二者的相对偏差在50%之内。联合测量中子与瞬发γ射线对中子周围剂量当量率进行监测可行,为中子剂量仪校准和研发提供了新的方向和支持。

面向PGNAA技术的碘化钠探测器MCNP模拟计算

碘化钠(NaI)探测器因其优秀的探测效率和相对较低的成本在瞬发γ射线中子活化分析技术(prompt gamma-ray neutron activation analysis,PGNAA)中具有广泛应用。为了获取PGNAA测量过程中探测器对γ射线的响应,针对NaI探测器建立了蒙特卡罗模型,基于该模型对中子以及γ射线输运过程进行模拟计算。对^(60)Co、^(137)Cs、^(152)Eu、^(133)Ba和^(241)Am标准点源以及^(137)Cs水体源进行了测量分析,并与MCNP模拟计算进行对比,结果显示两者吻合。之后结合D-D中子发生器对水溶液进行测量,并分析H元素辐射俘获反应产生的2.223 MeV特征γ射线。研究结果表明,MCNP模拟计算的H元素特征峰计数与测量的结果偏差为13%,证明了MCNP建立的NaI测量系统模型能够实现对γ和中子混合输运过程的模拟仿真,可为后续系统优化工作的开展奠定基础。

基于瞬发伽马活化分析技术对大体积样品Er元素的测量研究

在大多数反应堆中,为了增加堆芯寿命和提高经济效益,考虑在燃料棒中掺入一部分可燃中子毒物来增加其燃耗深度。铒(Er)是一种常见的可燃中子毒物,为了解决这类燃料棒生产过程中Er元素含量的在线监测问题,使用瞬发伽马活化分析技术(Prompt Gamma-ray Neutron Activation Analysis,PGNAA)对大体积样品进行了在线检测研究。利用镅铍(AmBe)同位素中子源和高纯锗搭建试验测量平台,选用氧化铒(Er_(2)O_(3))作为样品,同时结合MCNP进行模拟计算。结果显示,样品的质量和特征峰净面积在经过中子自屏蔽修正后成线性变化关系。该平台对铒元素的质量检测限为24.2 g,相对标准偏差为3.65%,相对误差为3.47%;准确度和精密度受数据统计涨落的影响,后续将对设备进行优化,以增加监测准确度和精密度。研究结果证明了利用该方法进行在线监测的可行性,并为后续使用热中子测量铒元素含量和修正大体积样品中子自屏蔽效应奠定了基础。

中子多芯硼管探测器热中子灵敏度检测研究

中子探测器用于测量未知中子辐射场的中子信息时,热中子灵敏度是中子探测器的一项重要参数,需提前对其进行热中子灵敏度的检测,以保证数据的可靠性。此外热中子灵敏度也是中子探测器性能优劣的一个重要指标,指导着探测器的改进和应用。为检测某中子多芯硼管探测器样件的热中子灵敏度,提出一种在非标准中子场下测量热中子灵敏度的实验方法。该方法通过慢化同位素中子源建立含有热中子的中子场,利用活化箔法对探测器所在空间处的热中子注量率进行绝对测量,进而求得该中子探测器的热中子灵敏度。此外,对于不同几何布置下该中子多芯硼管探测器的热中子灵敏度检测结果进行实验分析,确定优选的几何布置。结果表明:该中子多芯硼管具有良好的热中子灵敏度,且测量结果与厂家在标定的结果吻合良好,验证该热中子灵敏度检测方法的可行性与准确性。此实验方法为后续开展探测器的结构设计、优化等提供便利。

基于PGNAA技术的掩埋爆炸物检测装置设计及分析研究

针对土壤中掩埋地雷的位置探测,开发了一种基于瞬发伽马射线中子活化分析技术(PGNAA)的多探测器地雷检测装置及检测方法。首先通过蒙特卡洛模拟,以D-T中子发生器以及BGO探测器作为核心部件进行装置设计,分别对探测器与中子发生器的相对位置、中子屏蔽层进行优化,并对仪器周围剂量进行模拟分析。在源与探测器的距离为21 cm,中子屏蔽层选择16 cm厚的含硼聚乙烯,D-T中子发生器中子产额为1×10^(8) n/s条件下,装置周围设置2 m安全范围即可满足辐射剂量安全要求。基于优化模型进行装置平台搭建,蒙特卡洛MCNP模拟计算及实验测试结果表明,计算的地雷位置坐标与预设位置坐标之间的相对偏差处于可接受范围内,说明采用多探测器地雷检测装置以及多探测器检测方法进行地雷位置检测具有可行性。同时,针对复杂的土壤环境,基于蒙特卡洛MCNP模拟计算考察了土壤含水率、土壤本底元素、地雷质量等环境因素对于装置检测地雷位置的影响。模拟结果表明,土壤含水率在正常范围内变化时,对地雷检测系统检测精度的影响较小,但会对装置的可探测范围产生一定的影响。当土壤含水率由0%增加至35%时,“有效中子”通量降低13.8%左右,最终导致装置可探测范围降低至45 cm区间内。当土壤中的氮元素含量为1%~5%时,土壤中本底元素对地雷检测装置的测量精度及装置的可检测范围影响较小。装置的最小可检出样品质量约为1100.8 g,随着样品质量的增大,其可检测范围随之增大,对于质量为3317.5 g的地雷样品,装置的可检测范围达73 cm。最后,基于上述多探测器地雷检测装置及检测方法,对单探测器地雷检测系统及检测方法进行了初步探究,结果显示利用单探测器响应可实现地雷位置的有效检出。

基于快中子激发γ射线活化的铒元素测量研究

在核燃料的生产过程中会添加中子毒物提高性能,铒是一种常见的中子毒物,在这类核燃料生产过程中需要对铒的含量进行测量分析,而瞬发γ射线中子活化分析(Prompt Gamma-ray Neutron Activation Analysis,PGNAA)是一种适用于大体积样品检测的无损检测技术。针对PGNAA技术对大体积铒样品检测的可行性进行了研究,利用氘-氚(D-T)中子发生器和高纯锗探测器搭建了测量平台,选取氧化铒作为样品,利用快中子与铒元素反应发射的815.9 keV特征峰进行测量分析,对样品处的中子能谱信息进行了模拟计算和实验分析,并对样品的校准曲线进行了刻度。结果显示,特征峰含量与铒元素的质量呈现良好的线性关系,该测量平台对铒元素的检测限为28 g,同时发现238U的伴生γ射线对于特征峰测量无干扰,研究结果为后续的核燃料中铒元素分析奠定了研究基础。

偏振X射线荧光分析尾矿薄层样品的散射校正方法研究

了解尾矿浆中的重金属元素含量能为矿物浮选提供决策依据,不仅可以提高矿物的利用率,还可减少环境污染。X射线荧光光谱法是一种常用的重金属元素分析技术,对于地质类样品的分析,康普顿散射内标法是一种常用的定量方法。但对于薄层沉积样品,其康普顿散射峰强度会受到支撑滤膜的散射影响。由于样品紧密附着在支撑滤膜上,难以直接获得来自样品本身的康普顿散射强度,不利于直接应用康普顿散射峰强度进行定量分析。以尾矿薄层样品为分析对象,研究了不同聚丙烯滤膜厚度对康普顿散射峰强度的影响,并对薄层样品的康普顿散射强度进行了校正。实验结果表明,在0.34~3.06 mm厚度范围内,康普顿散射峰强度随聚丙烯滤膜厚度的增加线性增加,通过建立探测器获得的总康普顿散射强度与滤膜厚度的线性关系,计算出样品的净康普顿散射峰强度。为验证该修正方法的可靠性,利用蒙特卡洛方法模拟研究了无滤膜的尾矿样品和带有不同厚度滤膜的尾矿样品,结果显示经滤膜厚度影响修正后的净康普顿散射峰强度与无滤膜样品康普顿散射峰强度基本一致,相对偏差为0.41%。同时通过实验和模拟计算了0.34 mm厚聚丙烯滤膜时修正后的净康普顿散射峰强度占总康普顿散射峰的比例,分别为91.31%和89.91%,二者基本一致。最后,利用了上述基于滤膜厚度康普顿散射影响的校正方法,建立了基于康普顿散射内标法的定量校准曲线,对两种尾矿浆中的Cu,Zn和Pb元素的定量分析结果显示,未经滤膜厚度修正的康普顿内标校正相比校正前,部分元素定量结果与ICP-OES结果相比,其相对偏差反而增加3.18%~9.00%。而经滤膜厚度修正的康普顿内标方法的定量结果与ICP-OES结果的相对误差在1.14%~11.15%之间,相比于校正之前,相对偏差减少了0.30%~8.97%。

山杏组织培养研究进展

山杏营养丰富,是很多加工产品的原材料。山杏不仅有生态效应,还有经济价值。组织培养技术是植物种质资源保存、快速繁育与工厂化育苗的重要技术手段。概述了近年来山杏组织培养的研究进展,重点对外植体的选择与灭菌、直接途径培养、间接途径培养、生根培养等方面的研究成果进行了总结,并提出山杏组织培养中存在的问题及需要解决的关键问题。

n/γ双粒子反应深度探测器设计与性能表征

n/γ射线双粒子反应深度(Depth of Interaction,DOI)探测器可以实现中子与γ射线甄别并记录粒子在探测器中的反应位置,在对特殊核材料等危险放射性物质的定位成像研究中发挥着重要作用。传统的放射性定位成像装置都依赖具有n/γ射线甄别能力的探测器阵列,从而导致成像测量装置结构复杂、成本高。针对此问题,设计了一种基于EJ276塑料闪烁体(Φ3 cm×15 cm)的双粒子反应深度探测器,采用硅光电倍增管在闪烁体两端进行信号读出,并综合利用两端信号幅度与飞行时间对比进行粒子反应位置确定。利用Am-Be中子源和137Cs γ源对探测器进行参数优化和分辨率刻度,结果显示:该探测器在灵敏区内探测效率均匀性较好,反应位置分辨率约4.4 cm。

PGNAA-XRF联合检测水溶液中重金属的研究

重金属污染越来越受到人们的关注,迫切需要开发具有高精度的原位检测技术。瞬发伽玛中子活化分析(PGNAA)技术具有原位、无损、快速等优点而被广泛应用于重金属测量,但由于目前原位检测装置中使用的中子源通量相对较低,因此对一些重金属元素分析精度相对不高。为提高测量精度,直接利用PGNAA技术中的瞬发特征γ射线充当传统X荧光光谱分析的激发源,来激发重金属元素的特征X射线荧光(XRF)信息,提出了一种PGNAA-XRF联合检测水溶液中重金属元素的方法,并设计了一套由BGO和带铍窗的NaI组成的双探测器联合检测装置,分别用来探测PGNAA中瞬发特征γ射线和特征X荧光信息。通过MCNP分别模拟研究了Cr,Cd,Hg和Pb的浓度(ci)对瞬发特征γ射线强度(Iγ)和特征X荧光强度(IX)的影响,模拟结果表明该装置中Cr,Cd,Hg和Pb元素的Iγ和IX均与ci成良好的线性关系,并建立了联合检测方法的经验公式。比较重金属元素特征X射线荧光发现,该联合方法对Hg和Pb等高原子序数重金属的检测较灵敏,最后计算得到该装置对Hg和Pb等重金属元素的检测限分别为17.4和24.2mg·kg-1。

用于传输带上的中子测水系统的密度厚度补偿研究

系统地研究了安装在传输带上的透射式中子测水系统．用密度厚度之乘积（即面密度）进行补偿的办法，实现了无法整形的几何不连续、不规则的运动物料中质量分数湿度的在线测量．对质量分数湿度在６％～１６％的黄河洗砂的测量表明，当料厚在２～１６ｃｍ范围内，质量分数湿度测量的误差在±２．５％以内．如果对运动着的一块一块物料的测量结果作长时间的厚度加权统计平均。

全反射X射线荧光分析植物粉末样品的制样方法研究

全反射X射线荧光光谱(TXRF)分析是一种应用广泛、经济快捷的多元素显微与痕量分析方法。随着现代科技机器自动化的快速发展,样品制备成为TXRF分析定量的关键问题。本实验以茶叶粉末为分析对象,探讨了在TXRF分析过程中分散剂、样品量及粒径对粉末悬浮样品的制样效果、制样过程重复性及测量准确性的影响。结果表明:(1)通过分析粒径范围大于180目的茶叶粉末样品的五个独立重复试样,测试了TXRF法的整体精密度,分析了仪器的稳定性与样品制备过程中的不确定度,结果表明不论在何种元素与浓度范围下,与样品制备步骤相关的不确定度对获得的结果的全局精度都有显著贡献(>60%),样品的制备是分析误差的主要来源;(2)通过将粒径范围大于180目的茶叶粉末样品分散于1%Triton X-100与去离子水两种分散剂中,对分散剂的影响进行了研究,相较于非离子型表面活性剂,去离子水重复性更好,RSD在2.45%~11.64%之间,更适合作为粒径大于180目的茶叶粉末样品的分散剂,使得中、高Z元素的定量更为准确;(3)通过添加不同质量的粉末样品于5 mL去离子水中对样品量进行分析。样品量过低会导致制样重复性较差,而过高的进样量会导致样品薄膜厚度超过射线的测量厚度,有可能不再处于全反射条件下。对于植物粉末样品20 mg/5 mL是一个较为合适的样品量;(4)通过对7种粒径范围的粉末样品进行测量分析,研究了粒径对测量结果的影响。在粒径小于180目的范围内净计数随粒径的减小而增大;在粒径小于200目的范围内精密度随粒径的减小而提升;除Mn之外的元素粒径对准确性未有显著影响;在80~200目的范围内,不确定度迅速降低,大于200目后不确定度低于10%。综合考虑净计数、精密性与准确性,在制样过程中粒径范围建议研磨至200~300目之间,该研究结果可为植物粉末样品制样方法提供有效借鉴。

γ辐照处理垃圾填埋场渗滤液的初步探索

利用γ辐照技术对填埋场垃圾渗滤液进行处理,试验研究了辐照剂量、初始pH对渗滤液COD、BOD5、BOD5/COD、氨氮以及浊度的影响。结果表明,在不同初始条件下γ辐照对垃圾渗滤液的处理效果存在很大差异。其中,渗滤液原液与pH=12的渗滤液的γ辐照处理效果并不明显;而pH=3的渗滤液,γ辐照的处理效果较好。当pH=3,辐照剂量为40 kGy时,COD、BOD5、浊度的去除效率分别为40%、51%、80%,且pH=3的渗滤液经辐照后能一直保持较高的可生化性。但是,在各种条件下,γ辐照对氨氮的去除效果都不明显。