1 南京航空航天大学核分析技术研究所 南京 211106
2 江苏省高校放射医学协同创新中心 苏州 215031
3 兰州大学核科学与技术学院 兰州 730000
4 苏州冠锐信息科技有限公司 苏州 215008
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。
生物启发神经网络 核辐射场区 全覆盖路径规划 多单元协同 剂量控制 Bio-inspired neural network Nuclear radiation field Complete coverage path planning Multi-unit collaboration Dose control 辐射研究与辐射工艺学报
2024, 42(1): 010601
1 南京航空航天大学材料科学与技术学院, 核科学与技术系, 江苏 南京 211106
2 内蒙古自治区计量测试研究院, 内蒙古 呼和浩特 010030
3 北京师范大学核科学与技术学院, 射线束技术教育部重点实验室, 北京 100875
4 兰州大学核科学与技术学院, 甘肃 兰州 730000
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%。
偏振X射线荧光光谱分析 尾矿浆 康普顿散射 定量方法 Polarized X-ray fluorescence spectrometry Tailingslurry sample Compton scattering Quantitative method
1 南京航空航天大学材料科学与技术学院核科学与技术系, 江苏 南京 211106
2 兰州大学核科学与技术学院, 甘肃 兰州 730000
在合金材料的生产过程中, 不同金属元素的含量改变对产品的性能以及可靠性有重要的影响, 通过在线检测技术能够对产品中不同元素含量进行实时分析, 从而指导其工业生产过程, 提高产品质量。 目前常规的无损检测方法受限于分析深度, 无法对样品内部成分进行分析, 从而影响测量结果的准确性。 瞬发伽马中子活化分析(PGNAA)技术是一种高灵敏度、 多元素同时分析的无损检测技术, 可以对大块样品进行快速分析。 针对PGNAA技术在大体积金属样品检测的可行性进行研究, 通过测量快中子与样品发生非弹性散射反应激发的伽马射线对样品成分进行分析。 搭建了一套测量系统, 包括D-T中子发生器, 中子反射体, 中子准直体, 高纯锗(HPGe)探测器及探测器屏蔽防护。 首先, 对Fe, Ti, Cr, Ni和Cu等5种金属元素进行了分析研究。 对不同质量下的样品进行测量, 通过伽马能谱处理软件GAMMAFIT对HPGe探测器测量到的特征伽马峰进行拟合, 获得全能峰的净面积。 分析全能峰净面积与样品质量之间的响应, 对探测器的探测效率变化造成的非线性响应进行修正, 得到不同元素的校准曲线, 结果显示各元素修正后的校准曲线均具有良好的线型关系。 对不同元素的质量检测限进行分析, 不同金属元素的质量检测限分别为Fe(44 g), Ti(25 g), Cr(33 g), Ni(108 g)和Cu(72 g)。 利用测量系统对不锈钢合金样品中的Fe和Cr元素含量测量开展了研究, 通过测量标准样品建立了Fe和Cr元素的定标曲线, 并对未知样品进行了测量分析。 同时与X射线荧光光谱(XRF)测量结果进行了对比分析, 结果表明两种方法的Fe元素和Cr元素测量值偏差分别为4.08%和2.97%。 研究结果表明, 利用PGNAA技术可以对多种金属元素和合金样品进行测量分析, 为后续其他金属样品的检测奠定了研究基础。
瞬发伽马中子活化分析 大块金属样品 元素分析 中子发生器 PGNAA Bulk metallic samples Element analysis Neutron generator 光谱学与光谱分析
2022, 42(6): 1928
1 南京航空航天大学 南京 210000
2 兰州大学 兰州 730000
3 核技术应用教育部工程研究中心 东华理工大学 南昌 330013
瞬发γ射线活化成像（Prompt Gamma-ray Activation Image，PGAI）技术可对大体积样品内部元素分布进行无损测量，具有广阔的应用前景。目前，PGAI测量平台主要集中在能够提供高中子通量的反应堆中子源上，限制了该技术的现场应用，基于中子发生器和同位素中子源的PGAI技术可用于现场测量，但其较低的中子通量使得测量图像分辨率差。针对此问题，提出一种基于多编码版准直器的PGAI成像方法，采用36块编码准直板和最大似然期望最大化（Maximum Likelihood Expectation Maximization，MLEM）算法对板状样品中的氯（Cl）元素空间分布进行测量分析，编码板的开孔大小为1 cm×1 cm。利用蒙特卡罗程序MCNP对6 cm×6 cm×1 cm（长×宽×厚）样品进行了模拟实验，结果显示：重建图像与原图像的相对偏差为0.065 8，结构相似性（Structural Similarity，SSIM）为0.952 1；表明利用该方法可以对Cl元素的分布进行测量，重建图像与设置的样品图像吻合。
元素成像 瞬发γ射线活化成像 编码板准直器 蒙特卡罗模拟 Elemental imaging PGAI Coded-aperture collimator Monte Carlo simulation 
1 南京航空航天大学材料科学与技术学院, 核科学与技术系, 江苏 南京 211106
2 北京师范大学核科学与技术学院, 射线束技术教育部重点实验室, 北京 100875
3 兰州大学核科学与技术学院, 甘肃 兰州 730000
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。
全反射X射线荧光光谱分析 粉末样品 制样方法 分散剂 粒径 Total reflection X-ray fluorescence spectrometry Powder sample Sample preparation method Dispersant Particle size 光谱学与光谱分析
2021, 41(12): 3815
1 南京航空航天大学核分析技术研究所, 江苏 南京 211106
2 江苏省高校放射医学协同创新中心, 江苏 苏州 215000
未知化学**弹药的定性识别在犀护社会安全方面是十分重要的, 可指导化学**的分类处理。 瞬发伽马射线中子活化分析(PGNAA)技术利用分析活化产生的伽马射线能谱可以实现对物质中元素的无损, 快速检测, 在化学**识别中具有独特的优势。 因此, 本研究基于PGNAA技术进行了化学**弹药类型识别装置的设计, 同时使用逻辑树判别方法对化学**样品进行定性分析。 首先, 基于高纯锗(HPGe)探测器与Cf-252中子源, 使用蒙特卡罗MCNP程序对装置结构进行设计优化, 主要包括中子源容器尺寸、 伽马屏蔽体厚度以及探测器相对位置等。 为了最大化样品活化产生的特征伽马射线, 需要提高样品位置处的热中子通量, 采用聚乙烯作为慢化体, 模拟结果显示聚乙烯厚度达到6 cm, 宽度达到12 cm时, 样品中热中子通量达到较高水平。 为了降低周围材料活化噪声的干扰, 选择铅作为屏蔽结构, 模拟显示铅屏蔽厚度达到5 cm时, 可满足屏蔽要求。 同时, 探测器与样品之间的距离也会影响对伽马射线的探测, 最终模拟确定探测器与样品之间的距离为28 cm时, 特征信号计数最高。 根据优化结果搭建测量装置, 使用分析纯试剂根据真实化学**元素含量配制化学**模拟样品, 通过对5种化学**模拟样品的测量获得伽马能谱。 对能谱中的特征峰处理过程中, 基于特征峰对元素进行分析, 针对计数统计性较好的元素(如H, Cl, S)的特征峰, 使用高斯及多项式拟合的方式对特征峰处的高能量康普顿平台进行扣除, 获得特征伽马射线的全能峰信息。 而对统计性较差的元素特征峰(如N元素的10.829 MeV), 采用能量区间加和法, 对该能量下的全能峰至单逃逸峰之间的计数求和, 进而可确定该元素在样品中的存在情况, 最后利用建立的逻辑树判别方法根据元素存在信息对样品类型进行判别。 实验结果表明, 利用该优化的装置可以获得5种模拟样品的能谱, 结合能谱分析方法可以得到化学**模拟样品中的H, Cl, S和N等元素的存在信息, 最后使用逻辑树判别方法可以对化学**样品种类进行判别。
化学** 核素识别 装置优化设计 特征峰拟合分析 Chemical weapon PGNAA PGNAA Nuclide identification Device optimization Characteristic peak fitting analysis 光谱学与光谱分析
2019, 39(12): 3653
1 南京航空航天大学 核科学与工程系, 南京 210016
2 江苏省高校放射医学协同创新中心, 江苏 苏州 215021
生活垃圾组分中的有毒有害元素易造成填埋场周围土壤和地下水污染。填埋场中有害元素成分的原位在线检测, 可为填埋场安全稳定运行提供必要的技术支持。提出一种基于瞬发伽马射线中子活化分析技术的填埋场中有害元素检测方法, 针对填埋场中气体导排管的实际环境构建检测装置研究模型, 采用聚乙烯球、玻璃球和超纯水混合物混合的替代方案制备不同成分的填埋垃圾样品。围绕氢元素特征峰强度的变化规律, 采用蒙特卡罗方法模拟计算优化检测模型的各项几何参数并以活度为300 mCi的镅铍中子源和4 in(约10 cm)BGO探测器等主要部件构建实验研究平台。蒙特卡罗模拟和实验结果表明, 垃圾填埋场中氯、锰、镍、铬元素特征峰强度均随着元素容重的增加而增强, 且呈现良好的线性变化关系。
填埋场 有害元素 蒙特卡罗方法 在线检测 landfill harmful elements PGNAA PGNAA Monte Carlo method online measurement 强激光与粒子束
2018, 30(2): 026002
1 南京航空航天大学 材料科学与技术学院, 南京 211106
2 江苏省高校放射医学协同创新中心, 南京 211106
为了讨论PGAI技术分析的准确性，并验证冷中子和热中子应用于PGAI技术的可行性，通过蒙特卡罗模拟计算软件对PGAI技术理想化模型进行了研究，采用高准直的冷中子及热中子束和高纯锗探测器，对一块5 cm× 5 cm×1 cm均匀铁单质样品进行了模拟计算及图像重建，选取的等效体积大小为1 cm×1 cm×1 cm。结果显示：两种能量中子可以用于PGAI技术实现元素分布测量，但无论使用何种能量中子，由于物料体效应带来的中子自屏效应、中子散射效应以及伽马射线自吸收作用，即便在对均匀单质样品进行测量时，图像重建结果也无法保证各位置元素响应的一致性。因此，在后续工作中，需理清PGAI物理机制，建立相应的修正模型。
瞬发伽马射线成像 蒙特卡罗 图像重建 中子散射 中子自屏 prompt gamma activation imaging Monte Carlo reconstruction image neutron scatter neutron self-absorption 强激光与粒子束
2018, 30(1): 016005
1 南京航空航天大学材料科学与技术学院, 江苏 南京 210016
2 江苏省高校放射医学协同创新中心, 江苏 苏州 215000
瞬发伽玛中子活化分析(PGNAA)技术用于溶液中重金属元素原位检测时, 由于样品成分复杂, 中子俘获截面较大的中子毒物(汞)元素, 对截面较小的元素(铅)检测精度干扰很大, 因此分析精度相对不高。 为实现混合样品中多种重金属的高精度原位检测, 提出了一种提高热中子俘获截面较低元素检出限的PGNAA-XRF联合检测方法, 设计了一套联合检测混合样品中重金属元素的装置; 使用MCNP软件, 根据重金属元素的特征γ射线和特征X荧光的计数对样品的尺寸进行优化, 得到较合适的样品尺寸高度和半径分别为33和16 cm; 并模拟研究了Hg和Pb混合样品中的不同浓度(ci)对瞬发特征γ射线强度(Iγ)和特征X荧光强度(IX)的影响, 模拟结果表明该混合样品中, Hg和Pb元素的Iγ和IX均与ｃi成良好的线性关系, 通过探测Pb的X荧光信息, 克服混合样品中高低热中子俘获截面元素间的竞争问题, 能显著的改善Pb的检出限, 最后拟合给出了PGNAA-XRF联合检测方法的经验公式, 计算得到该装置对Hg和Pb元素的检出限分别为3.89和4.80 mg·kg-1。
瞬发伽玛中子活化分析 X荧光 重金属 蒙特卡罗 PGNAA XRF Heavy metals MCNP 光谱学与光谱分析
2016, 36(7): 2271
