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。

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。20cm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。

利用瞬发γ中子活化分析技术对铜镍矿石进行在线检测的应用研究

利用瞬发γ中子活化分析技术对矿石中的铜和镍两种元素含量进行测量,测量结果表明,仪器对于Cu和Ni的检测精度以及仪器对这两种元素的检测稳定性和重复性等关键指标,均能够满足工业现场对矿石进行在线检测的要求。

中子感生瞬发γ射线能谱的蒙卡模拟

中子感生瞬发γ射线分析(PGNAA)中使用蒙卡技术模拟物料与中子反应后产生的瞬发光子在NaI(Tl)探测器中的响应一直是一个难点。介绍了用于PGNAA的专用蒙卡程序NPTrans,NPTrans能够进行中子、光子级联输运并能够给出光子在NaI(Tl)探测器中的响应。给出了蒙卡模拟能谱与实验数据的比较。NPTrans的开发经验为其他研究开发专用的蒙卡程序提供了一定的借鉴。

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。

基于瞬发伽马中子活化分析技术的工业物料成分实时在线检测仪器

为满足我国资源密集消耗型工业企业节能降耗、提升效益的重大需求,南京航空航天大学牵头联合中国科学技术大学、兰州大学、苏州大学、东北师范大学、武汉科技大学、北京宏信核诚仪器设备有限公司以及(中核)北京核仪器厂等9家单位共同完成了国家重大科学仪器设备开发专项项目“工业物料成分实时在线检测仪器的开发和应用”(项目编号:2013YQ040861)。

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在线分析仪的中子源选型分析

中子源是基于瞬发伽玛中子活化分析(PGNAA)方法的在线分析仪的核心部件,主要有252Cf,241Am-Be,D-D和D-T等4种,本文重点对这4种中子源进行测量性能的选型分析。构建一套在线分析仪测量装置,通过蒙特卡罗模拟,分别计算不同测量结构下4种中子源产生的热中子通量和特征伽玛通量分布情况。模拟结果表明,采用252Cf中子源和5cm厚高密度聚乙烯慢化结构的测量装置,热中子通量和元素特征伽玛通量最大,此时测量装置性能最佳。在相同源强情况下进行PGNAA测量时,优先选择252Cf中子源。与其它放射源相比,采用252Cf中子源可获得较高的元素特征伽玛通量,且由装置产生的本底射线通量最小,因此有利于提高PGNAA测量装置的整体测量性能。

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。

利用MCNP程序模拟测量污水的总磷含量

为了快速、准确检测污水中的总磷含量,采用了中子感生瞬发伽马射线分析技术.中子源选用D-D中子发生器,利用BGO探测器测量磷元素的特征伽马射线.MCNP程序的模拟结果表明:磷的检测限为0.05mg/L,能够满足Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类及Ⅴ类水中的总磷含量的测量要求,所以此方法可用于污水中总磷含量的快速检测.

MC simulation of thermal neutron flux of large samples irradiated by 14 MeV neutrons

The response of a 14 MeV neutron-based prompt gamma neutron activation analysis (PGNAA) system,i.e.the prompt gamma-rays count rate and the average thermal neutron flux,is studied with a large concrete sample and with a homogeneous large sample,which is made of polyethylene and metal with various concentrations of hydrogen and cadmium using the MCNP-5 (Monte Carlo N-Particle) code.The average thermal neutron flux is determined by the analysis of the prompt gamma-rays using the thermal neutron activation of hydrogen in the sample,and the thermal and fast neutron activation of carbon graphite irradiation chamber of the PGNAA-system.Our results demonstrated that the graphite irradiation chamber of the PGNAA-system fairly operates,and is useful to estimate the average thermal neutron flux of large samples with various compositions irradiated by 14 MeV neutrons.