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, 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
南京航空航天大学材料科学与技术学院, 江苏 南京 210016
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24.2 mg·kg-1。
瞬发伽玛中子活化分析 X射线荧光 重金属 蒙特卡罗 PGNAA XRF Heavy metals MCNP 光谱学与光谱分析
2014, 34(11): 3123
