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煤的中子瞬发伽玛能谱分析

pizy

2004/08/01

其他仪器综合讨论

煤的中子瞬发伽玛能谱分析

中国原子能科学研究院老科协

孙汉城

　　20世纪90年代初，我国某大型钢铁公司为正在建设中的京九铁路生产的一批钢轨，由于硫含量超标而全部退货，损失很大。因为硫含量超标的钢发脆，用在铁路上可能会造成重大事故。

　　钢中硫含量为什么超标呢？问题出在进入炼焦炉的煤的质量上。煤中硫含量如果超过千分之一，所炼出的焦炭硫含量也就超标。用这样的焦炭炼出的钢也就不会合格了。

　　要保证钢轨质量，就必须对炼焦所用煤的质量严格把关。

　　煤中硫含量是可以用化学方法分析测定的。可惜，化学分析太慢，该钢铁公司每天炼焦所用煤要装500节火车厢运来。要对每节车厢的煤作化学分析，来不及。因此，大型钢铁企业很需要建立煤质快速分析方法。

　　20世纪末，煤质快速分析方法在更大范围内提上了日程。环保要求，大型热电厂所用燃料煤中的硫含量要小于千分之五，否则城市空气中的二氧化硫含量就要超标。

　　生活在北京市西南远郊区的人们不难发现，近几年来，每天晚上都有许多运煤大卡车在公路上迅跑。原来因为房山区磁家务煤矿产的煤含硫量极低，但发热量差些。将这样的煤与其他煤矿产的含硫量偏高的煤混合使用，就可达到含硫小于千分之五的环境保要求。

　　北京每天空气质量报告表明，近来三级(轻微污染)或使空气质量更坏的罪魁祸首大多是“可吸入颗粒物”。二氧化硫含量经常是优良的一、二级，只有极少数日子才是三级。这其中就有发电厂用低硫煤的贡献。

　　我国现有600多个市（包括县级市），其中大多数靠燃煤的热电厂供电。这些热电厂大多需要陆续安装煤质快速分析装置以达到环保要求。这是我国特有的国情，因为我国是燃煤大国。发达国家大多烧石油。

　　发达国家的大型铝厂、大型水泥厂、钢厂等近年来用中子瞬发伽玛能谱仪在生产流水线上对原料的元素成分作在线分析以保证产品的质量，同时也可用于煤质分析。

　　中子瞬发伽玛能谱仪由中子源、伽玛射线能谱仪、物料传送系统、射线屏蔽准直系统、控制与剂量安全系统等部分组成。其基本原理是，中子与物料中的各种元素的原子核作用，使原子核处于激发状态。这些激发态的寿命很短，即刻发射出特征伽玛射线。不同类的原子核发出来不同能量的伽玛射线。特征伽玛射线的强度与物料中该种原子核的含量成正比。这与光谱分析相仿，不同元素的原子发射出不同能量（波长）的光。两者差别只是发出光子的能量不同，光谱分析的可见光子能量只有几电了伏，而伽玛光子的能量是兆电子伏左右。再就是激发方式不同，光谱分析的激发源是加热燃烧，伽玛能谱分析的激发源是中子。

　　为什么用中子去轰击物质呢？因为物料是大块物质，用中子才能穿透到大块物质的深部。

　　瞬发伽玛能谱分析所用中子源有二类。一是锎-252自发裂变源。锎-252是人造的，原子序数高达98。它会自动分裂成两个较轻的原子核，同时放出3个中子。它的半衰期是2.64年，即10000个锎-252原子核经2.64年后就只剩5000个了。锎自发裂变中子的平均能量是2.4兆电子伏。另一类是中子管。中子管是小型的真空密封式加速器。由一个质子与一个中子组成的氘原子核加速到10万电子伏左右，打到由一个质子与二个中子组成的氚原子核上。氘氚核反应变成一个中子与一个氦核。中子的能量是14兆电子伏。

　　锎源发出的中子与煤中各种原子核碰撞后损失能量（这一过程叫做慢化），很快就成为能量只有0.0253电子伏左右的热中子。所谓“热” 中子，就是其速度与周围物质的气体分子运动速度平衡的中子。室温时，其速度是2200米/秒。热中子在物质中扩散，然后被某原子核俘获吸收。中子从产生到被吸收的时间一般是数百毫秒。热中子被原子核吸收后立刻又发射出特征伽玛射线。这种伽玛射线叫做俘获伽玛射线，打到伽玛谱仪的探测器上就被记录下来。从中子的产生到俘获伽玛射线的产生不到1秒的时间，所以叫做“瞬发伽玛”。

　　锎源的中子能量不高，较易屏蔽，而且运行维护简单。用锎源的瞬发伽玛分析装置可以测得煤中的硫含量与灰分含量。关于灰分，仪器直接测得的是钙、硅、镁、铁等元素的含量，再按其各自的氧化物计算，即得到灰分含量，因为灰分就是这些氧化物的总和。

　　由于氧和碳的热中子俘获概率极低，用此方法测不到煤中氧和碳的总量。氢的热中子俘获概率较高，容易测到其俘获伽玛（2.2兆电子伏），但由于通常用石蜡、聚乙烯或水作屏蔽物质，周围物质产生的氢俘获伽玛本底太强，很难测准煤中氢的贡献，因而得不到煤中的水含量。要测水含量还要加别的装置。

　　近年来开展起来用用中子管作源的瞬发伽玛谱仪系统，除了利用中子慢化后产生的俘获伽玛测定硫和灰分含量以外，还可以直接测得煤中碳与氧的总量，因为14兆电子伏的快中子可以与碳和氧核发生非弹性碰撞，使碳和氧核分别激发到4.43与6.13兆电子伏的激发态，并迅速退激发到基态而发射出4.43与6.13兆电子伏的特征伽玛射线。总碳量决定了煤的发热量，而总氧量减去灰分中的氧量就是煤中水的含氧量，由此可以得到煤中含水量。

　　用中子管比之用锎源的优点是可以得到煤质的更全面的数据。缺点是14兆电子伏的中子的屏蔽准直装置比较庞大，运行维护复杂，所用中子管必需是长寿命的优质品，所用探测器也需有较强的抗辐照损伤的能力。

　　我国南京某单位于20世纪90年代中期，与国外同期独立开发了用锎源的瞬发伽玛能谱分析系统，分析钢厂的煤，对硫含量与灰分含量的测定达到了使用要求，但未能完成煤中水分测定。

　　20世纪90年代后期至今，南京另一单位进行了电厂用煤的中子管瞬发伽玛分析系统开发研究，并在此基础上与法国某公司合作开发研究，并在此基础上与法国某公司合作开发实用装置。

　　21世纪初，长春某单位又用其自制中子管开发出电厂用煤的瞬发伽玛分析系统，正在电厂试用。

　　由当前市场需求推动的中子瞬发伽玛能谱分析装置必将在我国生根、开花，结出丰硕成果，为经济建设和环保作出应用的贡献。

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