PGNAA在线分析技术的发展与现状.docx

1、PGNAA在线分析技术的发展与现状PGNAA在线分析技术的发展与现状摘要:瞬发伽马射线中子活化分析技术(PGNAA)技术由于其分析精度高、在线原位测量等众多技术优势,近年来被广泛用于工业、环境、安全等诸多领域。本文就其技术原理、同类技术比较及其近年来在各领域的发展与现状进行了梳理与讨论。关键词:PGNAA 在线分析 元素测量1 PGNAA基本原理及优势瞬发射线中子活化分析(prompt gamma-ray neutron activation analysis,PGNAA)技术利用中子源产生的中子流轰击靶样品中各种元素的原子核,原子核发生辐射俘获、非弹性散射等反应,并在小于10-14 s时间内

2、退激释放出能量为2 keV10 MeV的射线,通过探测器探测,根据各特征射线的能量和强度(峰面积)对元素进行在线定性和定量分析。传统的一些检测方法包括X荧光分析技术、红外分析技术和中子活化分析(neutron activation analysis,NAA)技术。X荧光分析技术只能测量物料近表层的元素成分,对物料和表面的平整度具有很高的要求;而红外技术也只能测量物料的近表面成分含量,同时容易受到粉尘、湿度等环境条件的影响;NAA技术具有高准确度、高灵敏度和非破坏性分析等特点而被广泛应用于科研和工农业生产。然而,对于一些轻元素(如H、B、N、P等)的测定,常规NAA技术显得无能为力,同时,NAA

3、技术是一种离线的分析方式,无法实现在线测量,因此无法应用于工业在线测量分析。由于中子穿透能力极强,与绝大多数的元素反应都很灵敏,因此可以实现高灵敏度、高准确度、非破坏性、对较大体积物料分析的实时在线测量分析（见表1）。2 PGNAA技术国内外研究现状目前PGNAA技术按照中子源的类型主要分为两大类:基于反应堆和大型加速器的PGNAA技术和适于工业现场的大块物料成分在线检测的微型中子发生器和同位素中子源的PGNAA技术。反应堆中子源是利用原子核裂变反应堆产生大量中子,反应堆是最强的热中子源,通过在反应堆的壁上开孔可以把中子流引出。引出的中子流能量是接近麦克斯韦分布的连续分布,通过对其进行一定的处

4、理可获得各种能量的中子束。由于反应堆中子源具有中子通量高、热中子慢化率高等特点,因此利用其对元素进行分析的精度要明显高于非反应堆中子源的分析精度。从20世纪60年代以来,随着探测器、电子学以及软件的迅速发展,基于反应堆的PGNAA技术也得到快速发展。迄今为止,世界上至少已在反应堆上建立了30个PGNAA设备,中子注量率为1061011/cm2s。利用大型加速器的中子源主要应用在散裂中子源上,散裂中子源通过高能强流质子加速器产生能量在1GeV以上的质子束轰击重元素靶(如钨或铀),在靶中发生散裂反应,产生大量的中子。它的特点是在较小的体积内可产生较高的脉冲中子通量,能提供的中子能谱更加宽广,具有高

5、脉冲通量和优越的脉冲时间结构,低本底,且不使用核燃料,只产生极少量活化产物。利用散裂中子源来进行PGNAA技术的研究在国际上很早就已经开展。其中,瑞士保罗谢勒研究所(Paul Scherrer Institute,PSI)在1997年建立了散裂中子源SINQ,利用质子加速器将质子加速到590 MeV并用质子束轰击铅靶。并在随后的实验中利用其对一系列的元素进行了测量分析包括H、N、B和Cl等元素。由于利用反应堆中子源无法用于被检测现场,且仍需要取样制样,无法实现原位在线分析,满足实际测量需求。因此,针对其局限性,近几年许多国家的研究者将目光投向了基于非反应堆的PGNAA技术在环境领域的应用,其主

6、要利用的是放射性同位素中子源和中子发生器。放射性同位素中子源体积小,制备简单,使用方便,如Am-Be中子源,Cf中子源;中子发生器主要利用加速器加速的带电粒子轰击适当的靶核,通过核反应产生中子,最常用的中子发生器有(D,D)和(D,T)中子管等,中子发生器的产额比放射性同位素中子源大得多,并且可以在很宽的能区上获得单能中子,采用脉冲调制后,可成为脉冲中子源。基于此,利用同位素中子源Am-Be中子源、Cf中子源等,以及D-D、D-T小型密封中子管等可以应用于环境、工业和安全等方面。3 基于PGNAA技术的在线测量技术的国内外应用研究现状3.1 煤炭检测美国早在20世纪70年代后期就开始对PGNA

7、A如何应用于煤炭工业进行了研究。利用Cf中子源和一套高计数率同轴锗探测器谱处理系统对其进行在线检测分析。在1995年美国Womble等人提出利用脉冲快热中子来进行无损检测分析并且对煤炭在线分析进行了研究,1998年L.Dep等人针对该问题,提出利用中子发生器来对煤炭进行在线分析,脉冲调制快中子发生器和BGO探测器进行了煤的在线元素分析实验,将其称为脉冲快热中子分析(Pulsed Fast Thermal Neutron Analysis,PFTNA)技术。结果表明,应用PFTNA技术测量煤中S的精度可达0.05%,C的精度可接近1%。3.2 水泥研究在1995年阿根廷的学者Daniel L.等

8、人就利用Am-Be源和高纯锗探测器对水泥中的元素进行了分析研究,其结果显示可以测出样品中Fe、Si、Ca和Cl元素的相对浓度。1999年R.Kheli等人也利用5Ci的Am-Be中子源和高纯锗探测器对水泥中的Si和Ca进行了测量分析,得到Ca/Si的比率。同时,Saleh H.等人也利用Cf源和高纯锗探测器研制了一套装置对钢筋混凝土中的Cl元素进行检测分析。从2004年,Naqvi等人对水泥利用中子发生器进行了很多的研究,利用D-D中子发生器对水泥中的Ca、Si和Cl等元素进行一系列的测量分析,在2009年和2011年先后对水泥粉尘和水泥中的氯元素进行了研究,其通过PGNAA技术对水泥粉尘进行

9、分析得到其中氯元素的检测限。3.3 安全方面的研究在对化学武器的检测方面,1995年EG&ORTEC公司和INEEL设计制造的PINS系统利用Cf源和高纯锗探测器进行检测分析20。2000年德国BrukerSaxoniaAnalytik公司发明的NIGAS系统利用D-D中子发生器和高纯锗探测器对Cl和P等元素检测分析。然而对C、H、O、N等元素的检测并不灵敏。一些机场也利用中子活化分析技术对爆炸物进行检测分析,其利用中子发生器的设备,该设备最早与1989年已得到利用,并在美国多家航空公司装备用来检测行旅箱子中是否有炸药。3.4 环境检测方面1996年埃及的A.S.ABDEL-HALEE

10、M等人就利用Cf源和高纯锗探测器对当地的一些环境样品进行分析检测,认为利用放射性源可以在实验室和现场对环境中的样品进行多元素检测分析,在1998年S.L. Shue等人利用不同的中子源对土壤中的元素进行了检测研究。2000年美国的克莱姆森大学的研究人员利用Cf中子源通过水慢化后对土壤中的氯元素进行检测研究,利用高纯锗探测器进行测量。同时,美国西屋科学和技术中心的学者Dulloo利用中子发生器研究了固体中Hg、Cd和Pb元素的检测效果。2006年Borsaru等人利用PGNAA技术对土壤盐化进行了研究,通过测量Cl元素来判断土壤的盐化程度。Khelifi和Idiri等学者在20072010年Am

11、-Be中子源对水中的污染物进行了研究分析,包括Cd、Cl、Hg、Pb和Cr等元素。Naqvi等学者的团队在此方面做了大量的工作,其课题组在20092013年之间利用D-T中子发生器配合NaI、BGO、LaBr3、LaCl3等多种常用探测器对水泥、水溶液中进行了一系列的研究工作。2011年,澳大利亚研究人员利用中子发生器和伽马探测器对土壤表面进行了分析研究并搭建了一套检测装置,结果表明在土壤表层,许多元素都可以很好的被检测到。综上可见,PGNAA技术具有成熟的理论基础和广泛的应用范围,欧美国家在该方面技术具有雄厚的实力,且从未停止相关研究活动,并在近年呈现逐渐重视的局面。此外,更多的科研成果出于

12、技术封锁或商业秘密等原因未做深入报道,但研究成果已出现在商业化产品及实际使用中。因此,我国应在PGNAA在线分析技术方向尽快开展更多的应用研究,缩小与国外先进国家水平的差距,突破技术封锁。参考文献1 Baechler S,Kudejova P,Jolie J,et al. Prompt gamma-ray activation analysis for determination of boron in aqueous solutionsJ.Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A:Accelerators,Sp

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