本发明专利技术公开了属于核技术应用领域的一种中子活化瞬发缓发伽马射线结合的元素分析装置。本发明专利技术使用快中子源和溴化镧探测器组合测量样品的非弹性散射瞬发特征γ能谱，慢中子源和高纯锗探测器组合测量中子俘获瞬发特征γ能谱，最后用碘化钠探测器测量样品中子活化缓发特征γ能谱。本发明专利技术相对于传统中子活化元素分析装置，不仅利用了中子活化产生的瞬发特征γ射线，也将缓发特征γ射线收集起来，相对瞬发射线，缓发射线数量少但不受中子干扰且少有γ射线特征峰位重叠，对特定元素分析计算方便准确。快中子与慢中子分别照射样品增加了照射时间，提高了非弹性散射γ射线和中子俘获γ射线的产生效率和收集效率。
【技术实现步骤摘要】
一种中子活化瞬发缓发伽马射线结合的元素分析装置
本专利技术属于核技术应用领域，是利用中子活化原理进行元素分析的装置。技术背景中子活化元素分析技术，是利用中子对待测样品进行辐照，中子与样品内原子核会发生相互作用，如非弹性散射、弹性散射、中子俘获等，原子核被活化为带有放射性的核素，释放出特定能量的γ射线，根据特征γ射线的能量和强度，可以计算出样品中的元素种类和对应的元素含量。以中子活化煤质元素在线分析装置为例，传统的中子源是选用D-T中子发生器，产生能量为14MeV的快中子，快中子照射到煤炭样品后在100微秒内发生非弹性散射，产生高能特征γ射线，对H、C、N、O等轻元素的分析有较好的效果，快中子在煤炭样品中碰撞、反应100微秒后，大部分散失，小部分中子能量被降低为慢中子，慢中子与煤炭样品中Na、Mg、Al、Si、S、K、Ca、Fe等元素发生中子俘获反应，产生能量较低的特征γ射线，可以进行煤炭灰分的元素分析。通常通过控制D-T中子发生器出射中子的频率，比如以300微秒为周期，D-T中子发生器在前100微秒出射中子，后200微秒停止出射中子，而收集特征γ射线的探测器在第0～100微秒开启，记录非弹性散射产生的γ射线，给出一个独立能谱，然后关闭100微秒后在第200～300微秒再次开启，记录中子俘获产生的γ射线，给出另一个独立能谱，利用两个能谱对煤炭中所有元素的含量进行分析。在这种中子出射模式下，每个周期只有1/3的时间出射中子，且有1/3时间探测器处于关闭状态，即一个周期里只有1/3的时间收集非弹性散射γ能谱和1/3的时间收集中子俘获γ能谱，中子的有效照射时间和探测器的有效工作时间不足，而且只有约百分之一数量级的快中子能够能量降低为慢中子，发生中子俘获产生的γ射线数量太少，这些原因导致探测器收集到的特征γ射线数量太少统计性不够，在实际工作过程中由于不同元素原子核发生中子非弹性散射的能量阈值不同，非弹性散射γ能谱与中子俘获γ能谱并不能很严格的分开，特别是中子俘获γ能谱常混有大量非弹性散射γ射线，因此元素含量分析的精度、稳定性和探测下限较差。
技术实现思路
本专利技术的目的在于在相同时间内提高瞬发特征γ射线的产生与收集效率，提高中子俘获γ射线的产生数量，避免中子俘获γ能谱受到非弹性散射γ射线的干扰，并且利用半衰期较长的活化核素的产生的缓发γ射线对部分元素进行精细测量。为实现上述目标本专利技术采用14MeV快中子照射样品，为增加照射样品的中子通量，用反射体包裹中子源，在反射过程中会产生一定量的慢中子，用慢中子吸收体将慢中子吸收，快中子会透过慢中子吸收体与样品发生非弹性散射，产生的瞬发γ射线能量集中在3～12MeV,被高分辨率闪烁体探测器收集输出非弹性散射γ能谱，样品被传送带传送到下一个中子源处，该中子源出射的中子能量较低，大部分中子能量低于5MeV，但也有部分中子能量超过5MeV与C、O等元素发生非弹性散射，用反射体增加中子通量，并用中子慢化体进一步降低照射的中子能量使所有中子能量低于5MeV并且中子能量集中在3MeV以下，此时中子由于能量低于非弹性散射能量阈值因此不会发生非弹性散射而与样品主要发生俘获反应即(n,γ)反应，原子核吸收一个中子达到激发态，退激释放瞬发特征γ射线，γ射线能量集中在3～12MeV,被高纯锗探测器收集输出中子俘获γ能谱，快中子与样品中一些核素会发生(n,p)、(n,2n)、(n,α)等核反应，(n,p)反应即原子核获得一个中子失去一个质子，(n,2n)反应即获得一个中子失去两个中子，(n,α)反应即原子核获得一个中子失去一个α粒子，和慢中子与样品中发生的俘获反应一起，产生的部分核素仍有放射性，半衰期在分钟到小时数量级，释放缓发特征γ射线，能量在3MeV以下，在半导体探测器后面放置一高探测效率闪烁体探测器收集缓发γ射线并输出能谱。所述出射14MeV快中子的中子源选用D-T中子管，出射慢中子的中子源选用锎-252中子源或镅-铍中子源，其中锎-252中子源出射中子平均能量2.35MeV，能量符合麦克斯韦分布，镅-铍中子源能谱较为复杂，能量集中在2～6MeV。所述高分辨率闪烁体探测器为溴化镧探测器，分辨率约3％@662keV，耐中子辐照，高纯锗探测器为同轴N型高纯锗探测器，高纯锗探测器的探头被中子吸收体包裹，防止对探头锗晶体的中子辐射损伤，高纯锗探测器分辨率极高，能够将俘获γ特征峰完全分开避免重峰，高探测效率闪烁体探测器为5英寸碘化钠探测器，并有中子吸收板阻挡中子射线干扰，大尺寸碘化钠探测器探测效率高分辨率良好，能够记录强度较弱的γ射线。所述中子的反射体材质为铅，慢化体材质为聚乙烯、水或石蜡，中子吸收体、中子吸收板为含硼聚乙烯或碳化硼，既不影响γ射线进入探测器，又能吸收慢中子。所述传送带材质为尼龙帆布或聚酯帆布，特别的不能含有氯元素和铁元素，中子与氯反应会产生0.5～8MeV的数十条干扰γ射线影响非弹谱和俘获谱，中子与56Fe发生(n,p)反应生成56Mn，56Mn半衰期为2.58小时，产生0.85MeV、1.81MeV、2.11MeV的干扰γ射线。本专利技术相对于传统中子活化元素分析装置，不仅利用了中子活化产生的瞬发特征γ射线，也将缓发特征γ射线收集起来，相对瞬发射线，缓发射线数量少但不受中子干扰且少有γ射线特征峰位重叠，对特定元素分析计算方便准确。快中子与慢中子分别照射样品增加了照射时间，提高了非弹性散射γ射线和中子俘获γ射线的产生效率和收集效率。附图说明图1为本专利技术实施例1的示意图。1-快中子反射体，2-快中子源，3-薄中子吸收板，4-慢中子反射体，5-慢中子源，6-中子慢化体，7-传送带，8-样品，9-高分辨率闪烁体探测器，10-中子吸收体，11-高纯锗探测器，12-厚中子吸收板，13-高探测效率闪烁体探测器。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步说明：实施例1一种中子活化瞬发缓发伽马射线结合的元素分析装置如图1所示，快中子源(2)位于快中子反射体(1)的槽内，薄中子吸收板(3)盖在快中子反射体(1)上，在传送带(7)和样品(8)上方与快中子源(2)同一轴线上有高分辨率闪烁体探测器(9)；传送带(7)带动样品(8)匀速运动至慢中子源(5)处，慢中子源(5)位于慢中子反射体(4)槽内，上面有中子慢化体(6)覆盖，在传送带(7)和样品(8)上方与慢中子源(5)同一轴线上有高纯锗探测器(11)，高纯锗探测器(11)的探头被中子吸收体(10)包裹；传送带(7)带动样品(8)继续匀速运动，到达高探测效率闪烁体探测器(13)下方，高探测效率闪烁体探测器(13)靠近慢中子源(5)一侧有厚中子吸收板(12)。传送带(7)带动样品(8)匀速运动，待测样品区域到达快中子源(2)上方后，快中子源(2)出射的14MeV快中子被快中子反射体(1)反射，中子向上飞行，小部分中子反射失去能量变成慢中子，经过薄中子吸收板(3)时慢中子被吸收，到达样品(8)的只有快中子，快中子与样品发生非弹性散射，产生大量瞬发特征γ射线，部分快中子与样品发生(n,p)、(n,2n)、(n,α)等核反应，生成放射性核素，因为这些放射性核素半衰期在分钟到小时数量级，释放缓发特征γ射线，此时瞬发特征γ射线强度远远高于缓发特征γ射线，本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种中子活化瞬发缓发伽马射线结合的元素分析装置，其特征在于，快中子源(2)位于快中子反射体(1)的槽内，薄中子吸收板(3)盖在快中子反射体(1)上，在传送带(7)和样品(8)上方与快中子源(2)同一轴线上有高分辨率闪烁体探测器(9)，传送带(7)带动样品(8)匀速运动至慢中子源(5)处，慢中子源(5)位于慢中子反射体(4)槽内，上面有中子慢化体(6)覆盖，在传送带(7)和样品(8)上方与慢中子源(5)同一轴线上有高纯锗探测器(11)，高纯锗探测器(11)的探头被中子吸收体(10)包裹，传送带(7)带动样品(8)继续匀速运动，到达高探测效率闪烁体探测器(13)下方，高探测效率闪烁体探测器(13)靠近慢中子源(5)一侧有厚中子吸收板(12)。
【技术特征摘要】
1.一种中子活化瞬发缓发伽马射线结合的元素分析装置，其特征在于，快中子源(2)位于快中子反射体(1)的槽内，薄中子吸收板(3)盖在快中子反射体(1)上，在传送带(7)和样品(8)上方与快中子源(2)同一轴线上有高分辨率闪烁体探测器(9)，传送带(7)带动样品(8)匀速运动至慢中子源(5)处，慢中子源(5)位于慢中子反射体(4)槽内，上面有中子慢化体(6)覆盖，在传送带(7)和样品(8)上方与慢中子源(5)同一轴线上有高纯锗探测器(11)，高纯锗探测器(11)的探头被中子吸收体(10)包裹，传送带(7)带动样品(8)继续匀速运动，到达高探测效率闪烁体探测器(13)下方，高探测效率闪烁体探测器(13)靠近慢中子源(5)一侧有厚中子吸收板(12)。2.根据权利要求1所述一种中子活化瞬发缓发伽马射线结合的元素分析装置，其特征在于，所述快中子源(...
【专利技术属性】
技术研发人员：许旭，陆景彬，刘玉敏，孙远明，唐婉月，常艺，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22
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