摘要：为解决当前基于热分析技术对煤炭质量检测存在效率低、周期长的问题，提出基于瞬发伽马射线中子活化方法对煤质进行分析的思路。在对瞬发伽马射线中子活化方法基础理论研究的基础上，验证了该分析方法的可行性；而后根据理论基础完成中子源和伽马射线探测器的选型；最后，通过试验得出不同元素含量与不同特征伽马射线数目之间的换算公式，为实现煤质的快速、高效分析奠定了扎实的理论基础。

　　关键词：瞬发伽马射线中子活化；中子源；伽马射线探测器；煤质分析；中子

　　0引言

　　煤炭是我国目前乃至未来很长一段时间内能源结构的主导，主要应用于电力、化工以及钢铁等行业中。近年来，随着人们生活水平的提高，对煤炭的使用量逐年增加，为实现煤炭的等级划分利用，准确快速地掌握煤炭的质量非常重要。目前，主要通过基于热分析技术的煤质分析仪对煤炭质量进行检测，虽然此方法的检测准确性较高，但是其时效性较差。因此，提出一套快速且高效的煤质检测方法尤为重要。本文基于瞬发伽马射线中子活化对煤质进行检测的方法开展研究，具体研究如下。

　　1基础理论研究

　　本章节将从理论和数值模拟仿真层面对基于瞬发伽马射线中子活化分析方法对煤质进行检测的可行性进行研究。在实际的工业应用中，准确掌握煤炭中的碳、氢以及氧等元素的比例，对于合理的配煤以及所采取的预处理的措施尤为重要，对提高煤炭的燃烧效率，有效降低二氧化碳的排放量具有重要意义。本文拟通过所研发的瞬发伽马射线中子活化分析装置对煤炭中的碳元素、氧元素以及氢元素进行快速高效的检测。

　　1.1检测基础分析

　　1.1.1检测碳元素的基础

　　对于煤炭中的碳元素而言，其质量分数在50%~90%之间，占比较高，碳元素可以与中子发生非弹性散射反应和热中子辐射俘获反应、活化反应。

　　其中，基于快中子非弹性散射反应可将在4.8 MeV能量以上的伽马射线对煤炭进行激发，其中的碳元素会被瞬间退激，并释放出4.43 MeV的伽马射线。

　　在热中子辐射俘获反应中，会释放出多种能量等级的伽马射线，包括3.68、4.95 MeV等；但是，由于碳元素的中子辐射俘获截面非常小，导致很难检测出碳的含量。

　　在活化反应中，虽然可产生阿尔法离子，但是该粒子会继续与Be反应形成中子，从而影响碳元素的检测。

　　因此，针对煤炭中碳元素的检测可通过其与中子的快中子非弹性散射反应检测所得。

　　1.1.2检测氢元素的基础

　　氢元素在煤炭中的质量分数在1%～5%之间，其可与快中子发生弹性散射反应和辐射俘获反应。但是，在弹性散射反应发生过程中并不能够产生具有特征的伽马射线。因此，仅能通过辐射俘获反应对其中的氢元素进行监测。

　　1.1.3检测氧元素的基础

　　氧元素在煤炭中的质量分数在10%～30%之间，其与碳元素相似，能够与中子发生快中子非弹性散射、热中子辐射俘获反应以及活化反应。通过对比上述三种反应的机理得出，可通过氧元素与中子的非弹性散射反应所产生特征伽马射线的检测判断氧元素的含量，但需要保证入射中子的能量大于6.4 MeV。

　　1.2仿真实验分析

　　通过上述研究可知，为了保证对煤炭中碳元素、氢元素以及氧元素的快速检测，需要快中子源和热中子源作为基础。因此，拟采用脉冲D-T中子发生器作为分析煤质的中子源，该中子源可释放14 MeV的中子束。基于上述中子源所发射的快中子源与煤炭中碳元素和氧元素发生非弹性散射反应进行检测；热中子原与氢元素发生热中子辐射俘获反应进行检测。根据上述原理设计如图1所示的模型。

　　基于图1的仿真模型，对非弹性散射与辐射俘获所产生的不同特征的伽马射线谱以及仅辐射俘获所产生的不同特征伽马射线谱进行仿真分析，仿真结果如图2所示。

　　由图2可知，基于瞬发伽马射线中子活化可清晰地在全谱和辐射俘获谱中看出不同元素与中子反应所获得的不同特征的伽马射线。因此，充分证明了瞬发伽马射线中子活化分析煤质的可行性。

　　2瞬发伽马射线中子活化分析装置的设计

　　基于上述原理分析的基础上，对瞬发伽马射线中子活化分析装置的中子源、伽马射线探测器进行选择。

　　2.1中子源的选择

　　本装置的中子源通过脉冲D-T中子发生器进行获取，该发生器具有明显的优势，不会造成辐射，而且便于安装和使用。其内部结果如图3所示。

　　2.2伽马射线探测器的选择

　　在检测过程中需要对不同特征谱的伽马射线进行探测；由于伽马射线本身不带电荷，因此需要将所产生不同特征的伽马射线与相关物质相互作用后进行探测，可采用的探测器类型包括有气体探测器、闪烁探测器以及半导体探测器。对比上述四种探测器的优劣势，本装置采用闪烁探测器对不同特征谱的伽马射线进行探测，其内部结构如图4所示。

　　3实验数据的分析与处理

　　根据瞬发伽马射线中子活化分析原理，本装置所选型的D-T中子发生器配套电源的周期为300μs，在前100μs只能够有中子产生，而在后200μs中无中子产生。因此，在前100μs中可通过非弹性散射反应和辐射俘获反应进行检测；而在后200μs中只能够通过辐射俘获反应进行检测，对应的检测时间如图5所示。

　　对煤炭中碳、氢、氧元素进行检测后所得的不同特征的伽马谱如图6所示。

　　从图6中可以得出碳、氢、氧等元素在瞬发伽马射线中子活化反应后所得到的不同特征伽马射线的数目，根据不同特征伽马射线的数目可以换算得出不同元素的含量（质量），对应的换算公式如式（1）ℴ式（3）所示。

　　碳元素w（C）：

　　w（C）=2.9102×10-4×AC-2.01×102.（1）

　　氧元素含量w（O）：

　　w（O）=2.158 82×10-4×AO-1.313 6×102.（2）

　　氢元素含量w（H）：

　　w（H）=2.044 02×10-4×AH-2.579 5.（3）

　　式中：AC为碳元素伽马射线数目；AO为氧元素伽马射线数目；AH为氢元素伽马射线数目。

　　4结语

　　煤炭质量关乎着煤炭生产单位的销售利用和煤炭应用单位的直接成本。因此，实现对煤炭的精准检测非常关键。目前，基于热分析法对煤炭质量的检测存在周期过长的缺陷。因此，本文基于瞬发伽马射线中子活化分析原理设计快速、高效检测煤质装置。总结如下：

　　1）从理论上讲，碳元素、氢元素以及氧元素可以与中子发生非弹性散射反应和热中子辐射俘获反应、活化反应；基于瞬发伽马射线中子活化可清晰地在全谱和辐射俘获谱中看出不同元素与中子反应所获得的不同特征的伽马射线。

　　2）本装置采用的中子源为D-T中子发生器，采用闪烁探测器对不同特征伽马射线的数目进行探测。

　　3）根据不同特征伽马射线的数目可以换算得出不同元素的含量，并得出了相应的换算公式。

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