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基于瞬发伽马中子活化分析技术的金属样品检测研究

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光谱学与光谱分析 2022年第6期42卷 1928-1933页

作者：程璨黑大千贾文宝单卿凌永生赵冬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 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... 详细信息

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。

关键词：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

瞬发伽马中子活化分析技术在重介分选智能控制中的研究与应用

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选煤技术 2021年第3期49卷 91-94页

作者：梁椿豪赵洪涛宋青锋连春宇山西焦煤集团华晋焦煤有限责任公司山西吕梁033000 丹东东方测控技术股份有限公司辽宁丹东118000

精准可靠的煤质在线检测是稳定商品煤质量、提高精煤产率、实现煤炭分选智能控制的关键一环。为实现重介精煤灰分的在线检测,设计了一套基于瞬发伽马中子活化分析(PGNAA)技术的煤质在线检测系统。测试结果表明:将该系统用于重介块精煤... 详细信息

精准可靠的煤质在线检测是稳定商品煤质量、提高精煤产率、实现煤炭分选智能控制的关键一环。为实现重介精煤灰分的在线检测,设计了一套基于瞬发伽马中子活化分析(PGNAA)技术的煤质在线检测系统。测试结果表明:将该系统用于重介块精煤灰分测量的动态标准差可达到0.105%;与人工控制系统相比,基于PGNAA技术的重介分选智能控制系统将重介精煤灰分的动态标准差降低了0.18个百分点,精煤产率提升了0.95个百分点。

关键词：灰分在线检测重介分选智能控制瞬发伽马中子活化分析动态标准差

基于瞬发伽马中子活化分析技术的工业物料成分实时在线检测仪器

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科技成果管理与研究 2020年第11期15卷 84-85页

作者：贾文宝黑大千单卿凌永生南京航空航天大学兰州大学

为满足我国资源密集消耗型工业企业节能降耗、提升效益的重大需求,南京航空航天大学牵头联合中国科学技术大学、兰州大学、苏州大学、东北师范大学、武汉科技大学、北京宏信核诚仪器设备有限公司以及(中核)北京核仪器厂等9家单位共同完... 详细信息

为满足我国资源密集消耗型工业企业节能降耗、提升效益的重大需求,南京航空航天大学牵头联合中国科学技术大学、兰州大学、苏州大学、东北师范大学、武汉科技大学、北京宏信核诚仪器设备有限公司以及(中核)北京核仪器厂等9家单位共同完成了国家重大科学仪器设备开发专项项目“工业物料成分实时在线检测仪器的开发和应用”(项目编号:2013YQ040861)。

关键词：资源密集科学仪器设备东北师范大学实时在线检测武汉科技大学瞬发伽马中子活化分析中国科学技术大学消耗型

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瞬发γ中子活化分析及其k0法研究

瞬发γ中子活化分析及其k0法研究

作者：张兰芝中国原子能科学研究院

学位级别：硕士

瞬发伽马中子活化分析(PGNAA)是重要的核分析方法之一，该方法通过测量中子轰击靶元素产生的寿命约10秒的复合核所释放出来的瞬发伽马射线进行定性定量分析。瞬发伽马中子活化分析在理论上可以分析任何元素，但在实际工作中主要用于难... 详细信息

瞬发伽马中子活化分析(PGNAA)是重要的核分析方法之一，该方法通过测量中子轰击靶元素产生的寿命约10秒的复合核所释放出来的瞬发伽马射线进行定性定量分析。瞬发伽马中子活化分析在理论上可以分析任何元素，但在实际工作中主要用于难于用其他方法准确测定的轻元素测定。尤其是对非破坏大样品中部分微量和痕量轻元素分析具有独特优势，近年来其应用范围和重要性不断的增加，是传统中子活化分析技术(INAA)的重要补充。本论文的主要内容包括瞬发伽马中子活化分析技术简单设备的建立以及其方法学研究，具体包括以下四方面的内容： 1、PGNAA设备的建立：本工作首先在中国原子能科学研究院15 MW重水反应堆的一条水平中子孔道，建立了一套简易的瞬发伽马中子活化分析设备，它主要由测量系统、屏蔽系统和样品支持架等部分组成。其测量系统包括勘培拉公司的高纯锗探测器，ADC和8192道多道分析器，高压等组成。利用这套设备首次在国内开展了一些PGNAA的预研性工作。 2、HPGe(高纯锗)伽马谱仪100 keV～8 MeV能区全能峰的效率刻度：由于现有的同位素标准源的衰变伽马射线能量都不高于3.5 MeV，不能对高能区进行全能峰效率刻度。因此本研究工作在充分利用放射性同位素γ源的基础上，结合使用核反应生成Ga多伽马射线源和Cl(n，γ)Cl的热中子核反应的高能瞬发γ射线对宽伽马能区的效率进行了相对刻度，并进行了分区段与整区段两种方法多项式拟合，实现了100 keV～8 MeV的宽范围伽马全能峰绝对效率刻度。结果显示，使用分区段拟合方法所得到的效率的准确度要好于整区段拟合方法，在低定能区的效率不确定度好于2％，而在高能区的不确定在3％左右。 3、PGNAA k标准化法研究：本工作选用Cl(Cl的1951 keV γ射线)作为比较器，对瞬发伽马活化分析k标准化法的12种核素的25条伽马射线的k值进行了测定。其化学试剂绝大多数采用了含氯化合物，这样利用样品本身的氯作为比较器，可以大大降低由化合物组成的差异或重量差异所带来的误差，同时也减少了实验次数以及中子注量率不稳定所带来的误差。本工作的实验结果与布达佩斯和日本等中国原子能科学研究院硕士学位论文实验小组发表的ko值在误差范围内基本一致。 4、PGNAA定量分析研究:本工作对深海锰结核样品进行了瞬发伽马中子活化分析。该分析使用了一种简便的元素含量的分析方法，即计数率比直接测量法:这种方法是根据瞬发伽马中子活化在线分析的特点，在固定的实验测量条件下，样品中各种元素单位质量的全能峰计数率比应为一个定值。因此只要知道样品中任意一种元素的含量以及各种元素之间的单位质量计数率比，就可以由此得到其它元素的含量。本工作利用一个深海锰结核标准物质进行照射，获得PGNAA伽马谱，由于其元素含量己知，计算出各伽马射线的元素的单位质量计数率，如果采用Mn 元素作为参照标准，再由此计算出各种伽马射线的单位质量计数率与Mn的单位质量的计数率之比。因而对其它样品，只要我们知道样品中的Mn的含量，而且测量的几何条件一样，我们就可以利用样品中Mn的单位质量的计数率计算出其它元素的含量。我们利用这种方法测定了另一个锰结核样品中的11种元素的含量，结果得到了很好的实验验证。事实上，只要准确知道各元素的单位质量的瞬发伽马射线计数率，对其它样品中，只要获得任一元素的含量，就可以计算出其它元素的含量。关键词:瞬发伽马中子活化分析，高能伽马效率刻度，k0标准法，计数率直接测量法

关键词：瞬发伽马中子活化分析高能伽马效率刻度 k0标准法计数率直接测量法

PGNAA煤质在线测量中同时提高C、O和其它元素测量精度的慢化体模拟（英文）

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计算物理 2016年第5期33卷 625-630页

作者：单卿蔡平坤褚胜男南京航空航天大学材料科学与技术学院核科学与工程系南京210016 江苏省高校放射医学协同创新中心苏州215000

提出两种慢化体设计方案,第一种方案直接在原有慢化体中引入孔道,第二种方案在慢化体中增加一层铅之后再引入孔道.利用蒙特卡罗方法对两种方案进行研究.计算结果表明,采用第一种方案可以有效地提升C、O元素的测量精度,但同时会降低H、S... 详细信息

提出两种慢化体设计方案,第一种方案直接在原有慢化体中引入孔道,第二种方案在慢化体中增加一层铅之后再引入孔道.利用蒙特卡罗方法对两种方案进行研究.计算结果表明,采用第一种方案可以有效地提升C、O元素的测量精度,但同时会降低H、Si等元素的测量精度;采用第二种方案可提高C元素和O元素的测量精度,同时也可以提高H、Si等其它元素的测量精度.

关键词：瞬发伽马中子活化分析慢化体蒙特卡罗方法

基于PGNAA技术的铜矿品位分类装置模拟优化与神经网络解谱研究

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基于PGNAA技术的铜矿品位分类装置模拟优化与神经网络解谱研究

作者：尤瀚庭东华理工大学

学位级别：硕士

矿石是一种不可再生资源,是人类生存和发展过程中的重要物质基础。现有的铜矿石分析方法,如化学分析法、原子光谱法等都不具备体分析能力。瞬发伽马中子活化分析技术具有无损、非接触、体分析、粉尘环境无影响等优点,并已经成功应用于... 详细信息

矿石是一种不可再生资源,是人类生存和发展过程中的重要物质基础。现有的铜矿石分析方法,如化学分析法、原子光谱法等都不具备体分析能力。瞬发伽马中子活化分析技术具有无损、非接触、体分析、粉尘环境无影响等优点,并已经成功应用于水泥、煤炭等领域,但该技术在金属矿探测方面仍处于空白。本文基于瞬发伽马中子活化分析技术,使用蒙特卡洛方法对检测装置进行设计优化,采用神经网络算法对获得的伽马能谱进行分析,最终实现了铜矿石的品位分类与铜矿石中伴生有益组分的识别,为瞬发伽马中子活化分析技术应用于铜矿探测提供了参考。本论文的主要工作如下:(1)通过MCNP模拟软件建立了基于瞬发伽马中子活化分析的铜矿石品位分类系统,对装置的高、宽、慢化体、反射体、屏蔽体进行优化。(2)分析江西铜矿石的基本情况,通过组合不同含量的多种矿石与脉石的真实测量数据构建元素含量与真实铜矿类似的多个样品,基于MCNP模拟建立用于机器学习训练的数据集,确定铜矿石品位分类和伴生有益组分识别两个任务。(3)使用多种机器学习方法对铜矿石伽马能谱进行分析。提出一种分段格拉姆角场变换的能谱二维化方法,将一维能谱转换为保留了道址信息与计数信息的二维矩阵,结合Res Net神经网络,在模拟数据集上对铜矿石品位分类任务准确率超过94%,对伴生有益元素识别任务准确率超过93%,在所有尝试的机器学习方法中表现最好。(4)搭建实验平台,对铜矿石进行实际测量。提出的两种神经网络对实测伽马能谱进行分析时准确率均有下降,对原因进行分析并通过补充训练数据的方法提高了准确率。

关键词：铜矿瞬发伽马中子活化分析蒙特卡洛模拟神经网络解谱

PGNAA技术在稀土渗浸液处理过程的应用研究

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PGNAA技术在稀土渗浸液处理过程的应用研究

作者：陈建文南京航空航天大学

学位级别：硕士

稀土元素具有广泛应用,已经成为全球的战略性资源。由于我国前期对于稀土矿的粗放式开采,高品位和易浸出的稀土矿被优先开采,导致现有原矿内稀土品位下降,采用传统分离技术会存在资源利用率低下、分离浸出率低和分离效率低等缺陷。针对... 详细信息

稀土元素具有广泛应用,已经成为全球的战略性资源。由于我国前期对于稀土矿的粗放式开采,高品位和易浸出的稀土矿被优先开采,导致现有原矿内稀土品位下降,采用传统分离技术会存在资源利用率低下、分离浸出率低和分离效率低等缺陷。针对稀土分离过程中稀土元素的在线检测能够及时获取不同阶段的元素浓度和含量,从而通过动态调整工况提高分离效率。本论文面向稀土工业领域在线检测技术的应用需求,结合PGNAA技术的特点,分别针对稀土溶液的元素含量和稀土离子树脂饱和度的在线检测开展研究,探究PGNAA技术在稀土开采及分离过程中应用的可行性,其主要成果如下:（1）针对分离过程稀土溶液快速、准确检测的需求,设计了一套基于源强为300m Ci的Am-Be中子源的稀土溶液检测装置,对混合稀土硫酸盐溶液中的钐、钆和钕元素含量进行检测,并通过HPGe和BGO探测器分别对瞬发伽马能谱采集后进行分析。对高分辨率的HPGe探测器能谱数据进行单峰分析,通过宏观中子吸收截面法和氢峰内标法修正了元素特征峰计数与浓度的刻度曲线,减小了自屏蔽效应的影响,和修正前结果相比线性相关性得到显著提升;对于分辨率较低的BGO探测器,利用了一种全谱分析方法进行求解,结果表明该方法对于钐和钆含量的解谱效果较好,而钕的含量很难通过全谱分析方法解出。将MCNP模拟后的结果和HPGe检测结果对比分析,验证了装置的可靠性。最后,基于HPGe能谱数据对该装置下三种元素的最小可检测浓度进行计算,得出三种元素的最小可检测浓度分别为27.94 mg/L（钆）、4.77 mg/L（钐）和1077 mg/L（钕）。（2）针对分离过程中树脂饱和度的判断需求,设计了一套基于中子产额为1×10～7n/s的D-T中子发生器的离子交换树脂的原位分析检测装置,通过出射方向热中子通量的变化对慢化体和反射体进行优化。基于蒙卡模拟结果搭建了实验装置,并对离子交换树脂进行动态检测研究,分别采用He-3和BGO探测器对透射中子计数和伽马计数进行收集分析。随着离子交换过程的进行,树脂柱内中子吸收截面增大,透射中子计数降低,伽马计数升高,可通过透射中子计数和伽马计数的变化趋势进行树脂饱和情况的判断,同时通过X荧光光谱分析法对吸附余液的检测结果和上述结果对比分析,验证了PGNAA技术在树脂饱和度检测的可行性。

关键词：稀土元素离子交换树脂元素检测瞬发伽马中子活化分析树脂饱和度最小检测浓度

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CARR堆瞬发伽马活化分析系统的初步设计

同位素 2012年第3期25卷 182-188页

作者：孙洪超倪邦发肖才锦张贵英王平生袁国军田伟之中国原子能科学研究院核物理研究所北京102413

基于中国先进研究堆(CARR),采用蒙特卡罗方法设计并优化了瞬发伽马中子活化分析系统,确定了该分析系统的整体结构、关键组成部件的物理和几何参数。20cm的单晶铋过滤器能够提高中子束中热中子的份额,也极大地屏蔽了来自堆芯的伽马射线;... 详细信息

基于中国先进研究堆(CARR),采用蒙特卡罗方法设计并优化了瞬发伽马中子活化分析系统,确定了该分析系统的整体结构、关键组成部件的物理和几何参数。20cm的单晶铋过滤器能够提高中子束中热中子的份额,也极大地屏蔽了来自堆芯的伽马射线;多层材料单段柱型准直的设计能够保证照射位置较高的中子注量和较低的本底。整个装置的屏蔽设计充分考虑到了材料的质量、体积和成本等因素,通过MCNP模拟结果最终确定了各屏蔽材料的尺寸。模拟结果显示,所设计的装置能满足辐射防护和低本底的要求,达到了最初的设计目标。

关键词：瞬发伽马中子活化分析 PGNAA装置设计

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基于镅铍中子源的核素分析探测系统优化

现代应用物理 2015年第4期6卷 244-247,280页

作者：卢毅宋朝晖谭新建苗亮亮马燕西北核技术研究所西安710024 强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室西安710024

基于镅铍中子源及瞬发伽马分析技术,构建了核素分析探测系统,对系统进行了优化设计;实验测量了屏蔽设计对瞬发伽马能谱的影响,评估了LaBr_3:Ce探测系统的探测下限。结果表明,设计的慢化屏蔽结构有效提高了待测样品中的热中子密度,同时... 详细信息

基于镅铍中子源及瞬发伽马分析技术,构建了核素分析探测系统,对系统进行了优化设计;实验测量了屏蔽设计对瞬发伽马能谱的影响,评估了LaBr_3:Ce探测系统的探测下限。结果表明,设计的慢化屏蔽结构有效提高了待测样品中的热中子密度,同时降低了伽马本底;系统能够实现核素的定性分析测量,对C、H、O、N等常见核素的探测下限约在千克量级。

关键词：镅铍中子源瞬发伽马中子活化分析核素分析