賈福全

(吉林建筑大學基礎科學部，長春 130118)

水中總磷主要以正磷酸鹽、縮合磷酸鹽及有機磷的化合物等形式存在，是水中的主要污染物之一.快速、準確地測量污水中總磷含量，可以為污水防治提供數(shù)據(jù)支持.迄今為止，污水中總磷的測量還是利用小體積、采樣分析方法，即把污水放入酸性溶液中，各種形態(tài)的磷被轉化成磷酸根(PO43-)，然后用鉬酸銨和酒石酸銻鉀與此溶液反應并生成磷鉬銻雜多酸，最后用抗壞血酸把它還原為深色的鉬藍，最終計算出總磷的含量.此方法受砷酸鹽、六價鉻、二價銅及亞硝酸鹽的影響，測量誤差大.由于是取樣分析，其檢測過程復雜，時間長，采樣普遍性較差.而“中子感生瞬發(fā)伽馬射線分析(NIPGA)”技術是利用快中子非彈性散射反應或熱中子俘獲反應來測量元素含量，與元素的具體存在形式無關，且是大體積測量，所以測量精度高、速度快［1-2］.此技術不僅可以分析大體積樣品，還可實現(xiàn)現(xiàn)場的連續(xù)監(jiān)測，是很有發(fā)展前途的測量方法［3-5］.本文利用MCNP-4C程序研究以D-D中子發(fā)生器為中子源，利用NIPGA技術快速測量污水中總磷含量的可行性.

1 NIPGA法檢測元素含量的原理

中子與靶核間的作用能釋放出瞬發(fā)伽馬射線的有熱中子俘獲反應和快中子非彈性散射反應，可以選擇受其它元素伽馬射線干擾小且產(chǎn)額高的伽馬射線作為該元素的特征伽馬射線.在測得的伽馬能譜中可以根據(jù)特征伽馬射線能量確定元素的種類，利用伽馬射線的總計數(shù)(也稱為伽馬射線峰面積)計算元素含量.

磷和快中子發(fā)生非彈性散射反應的截面非常小，無法用于污水中總磷的測量.磷的熱中子俘獲反應截面比較大，可以用來測量磷元素含量，其反應方程式為［6］:

在定量計算中，單位體積樣品中磷元素含量(G)與其特征峰的凈面積(N)之間關系如下［7］:

式中，a，b是由設備和待測元素確定的待測常數(shù).測量出幾組污水樣品中磷元素G(G是計量科學院的化驗值)和N，利用多元線性回歸就可求出a，b的值，(2)式就可用于測量未知污水樣品中總磷含量.

2MCNP模擬

MCNP是“A general Monte Carlo code for Neutron and Particle transport”的縮寫，是一套主要用于模擬三維空間光子、中子的單獨運輸以及聯(lián)合輸運過程的通用模擬程序.本文主要利用此程序模擬光子、中子的聯(lián)合輸運，并用模擬結果研究NIPGA測量污水中總磷的可行性.

(1)模型設計. 加速器中子源、反應堆中子源和放射性同位素中子源是常見的中子源，在檢測磷元素含量時，由于只需要利用熱中子俘獲反應，所以D-D中子發(fā)生器具有非常明顯的優(yōu)勢:關閉電源后無中子釋放，容易防護;釋放的中子平均能量為2.5MeV，低于多數(shù)元素的非彈性散射反應閾值，有利于俘獲伽馬能譜的獲得;中子產(chǎn)額較高且可控，有利于定量計算.MCNP模擬所用的結構如圖1所示.

圖1 用MCNP模擬測量污水總磷含量的示意圖

圖2 磷的特征伽馬射線能譜圖

圖1中D-D中子發(fā)生器和BGO伽馬射線探測器都是半徑為5cm的圓柱體，D-D中子發(fā)生器的中子產(chǎn)額為107n/s，D-D中子發(fā)生器的靶位于這兩個圓柱體軸線的交點.靶與BGO左側表面的距離7cm.

(2)特征伽馬射線的選擇. 對模擬結果處理后得到磷元素的伽馬能譜圖如圖2所示，由圖2可以看出，能量為1.071MeV的伽馬射線計數(shù)遠遠高于其它計數(shù)，適合用于計算磷的含量.

(3)模擬結果. 當D-D中子發(fā)生器的中子產(chǎn)額為107n/s，測量時間為120s時，改變污水中總磷的含量，BGO探測器探測到的磷元素的特征伽馬計數(shù)如表1所示.

表1 不同含量的磷元素的伽馬計數(shù)

表1 不同含量的磷元素的伽馬計數(shù)(續(xù))

利用線性回歸以及表2中的“磷含量”和“特征伽馬計數(shù)”可得到二者之間的線性方程:

利用(3)式和表1中的“特征伽馬計數(shù)”可以得到“磷含量計算值”，“絕對偏差”是“磷含量計算值”與“磷含量”之差，相對偏差是“絕對偏差”除以“磷含量”再乘以100的結果.

由表1可以看出，當污水中總磷含量超過0.1mg/L時，磷含量計算值的絕對偏差和相對偏差都非常小，測量精度較高.當磷含量低于0.1mg/L時，磷含量計算值的絕對偏差雖然較小，但相對偏差較大.如果以相對偏差不超過5%為標準，此方法測量污水中總磷含量的檢出限為0.05mg/L.《中華人民共和國地表水環(huán)境質量標準》(GB3838-2002)中規(guī)定每升Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類水中的總磷含量依次不能超過0.02mg，0.1mg，0.2mg，0.3mg，0.4mg，所以此方法能夠準確檢測Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類水中的總磷是否超標.

3 結論

用中子感生瞬發(fā)伽馬射線分析技術可以快速檢測污水中總磷的含量，當檢測時間為600s時，其檢測限為0.05mg/L，可以準確檢測Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類水中的總磷是否超標.如果用此方法監(jiān)測污水中的總磷含量，可以為環(huán)境保護提供及時、可靠的數(shù)據(jù).

［1］M.Borsaru，M.Berry，M.Biggs，et al.In situ determination of sulphur in coal seams and overburden rock by PGNAA［J］.Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B，2004，213:530-534.

［2］CHENG Dao-Wen，GU De-Shan，LIU Lin-Mao，et al.Improvement of the determination of hydrogen content in a multicomponent sample by D-T generator［J］.Chinese Physics C，2010，34(5):606-609.

［3］Xu WC，Kumagai M.Nitrogen evolution during rapid hydropymlysis of coal［J］.Fuel，2002，8l(18):2325-2334.

［4］Sang Haifeng，Wang Fuli，Liu Linmao，et al.Detection of element content in coal by pulsed neutron method based on an optimized back-propagation neural network［J］.Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B，2005，239:202-208.

［5］CS Lim，DA Abernethy.On-line coal analysis using fast neutron-induced gamma-rays［J］.Applied Radiation and Isotopes，2005，63:697-704.

［6］Liu Yuren，Lu Yanxin，Xie Yali，et al.Development and applications of an on-line thermal neutron prompt-gamma element analysis system［J］.Journal of Radio analytical and Nuclear Chemistry，1991，151(1):83-93.

［7］DL Chichester，E Empey.Measurement of nitrogen in the body using a commercial PGNAA system-phantom experiments［J］.Applied Radiation and Isotopes，2004，60:55-61.