CN106338531A - 一种基于pgnaa技术的在流液浆中元素成分分析检测结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于PGNAA技术的在流液浆中元素成分分析检测结构，具体是一种利用瞬发伽玛中子活化分析技术检测分析在流液浆元素成分分析的检测结构。由分析装置和能谱采集处理系统组成，其特征在于：分析装置包括检测管道、放射源、放射源伽玛屏蔽室、探测器、放射源反射体、辐射屏蔽体组成；能谱采集处理系统由多道处理器和计算机组；分析装置产生的核脉冲信号送至能谱采集处理系统进行数据处理，最终得到液浆中各元素的含量。本发明结构以独特的构造增强了中子源的使用效率、优化了分析区域的热中子场、提升了系统检测精度、消除了液浆沉淀的误差影响，并且降低了装置周围的辐射剂量当量率。

Description

一种基于PGNAA技术的在流液浆中元素成分分析检测结构
技术领域：
本发明涉及一种基于PGNAA技术在液态检测领域中的应用，是一种基于PGNAA技术的在流液浆元素分析检测结构。
背景技术：
瞬发伽玛中子活化分析技术(PGNAA)，是一种快速、无接触多元素分析技术，目前已经成熟应用于水泥、煤炭等工业在线检测领域，可同时快速分析传送带上物料中的Ca、Si、Fe、Al、Mg、K、Na、S等元素成分，配合工业自动控制极大地提升了工厂的工业自动化程度，在提升工业应用指标的同时也为企业创造了丰厚的利润。目前液浆在线元素分析主要采用XRF技术，但XRF技术无法同时检测轻Z元素，而Ca、Si、Al、Na、S、K、Mg等轻质元素在液浆过程控制中又非常重要，目前较为通用的方式是管道人工取样、送化验室分析，这样的检测方式一般需要2个小时以上的时间，对工业指标的控制存在严重的滞后性。
发明内容：
为解决XRF技术的不足已经化验室分析方法的严重滞后性，本发明将PGNAA技术应用于在流液浆的实时检测领域，实时分析液浆中的元素成分及含量，将分析结果实时传送给工厂控制系统，指导工厂优化生产。
本发明所采用的技术方案是：
一种基于PGNAA技术的在流液浆中元素成分分析检测结构，包括中子放射源、伽玛射线探测器、计算机等，被测液浆实时流过分析管道，在分析管道左右两侧安装两枚中子放射源，在管道上下两端安装两套伽玛射线探测器，放射源发射出中子射线，中子在液浆中被水慢化成为热中子，热中子与液浆中元素发生俘获反应放出特征伽玛射线，伽玛射线探测器收集特征伽玛射线形成核脉冲信号，核脉冲信号经多道处理器形成伽玛能谱，对能谱进行解谱运算得出液浆中各元素含量。
本发明设计除具有通常PGNAA技术的通用特征外还具有以下特征：
1、分析管道采用耐磨聚乙烯材料，分析管道设计尺寸为直径40cm，管道材料只含有C、H、O三种元素，不会对其它检测元素产生误差影响。
2、在分析管道两侧安装两枚15ug的Cf-252中子放射源，使得管道内的热中子场更加均匀，检测结果更具有代表性。
3、放射源安装在有效半径为2.5cm厚的高密度钨合金腔体内，有效屏蔽了中子放射源自身的伽玛射线，降低特征能谱的本底。
4、在管道上下两侧安装两套伽玛射线探测器，增加了系统的精确度，同时去除了液浆在输运过程中沉淀对分析结果的误差影响。
5、加入中子反射体模块，提高了中子放射源的利用效率。
6、为防止散射中子进入伽玛射线探测器发生活化反应产生额外的本底，在探测器周围设置了中子屏蔽体。
7、装置左右两侧加装22cm厚中子防护材料，上下两端加装14cm厚中子防护体材料，辐射屏蔽材料为含有45％B4C的复合聚乙烯材料，确保距装置1米处辐射剂量当量率小于2.5μsv/h。
有益效果：
1、实时在线分析液浆内元素成分含量，将分析结果实时传送给工厂，指导工厂优化生产。
2、非接触检测，本发明中除耐磨聚乙烯管道之外，其它部件均未与液浆发生接触。
3、热中子场分布均匀，检测结果代表性更强。
4、上下两套伽玛射线探测器，提升了检测精度，同时也消除了管道输送过程中料液沉淀造成的分析误差。
附图说明：
图1为本发明示意图.
图2为测量装置XY方向切面示意图(左右方向为X轴方向、上下方向为Y轴方向、垂直纸面为Z轴方向)。
图3为测量装置YZ方向切面示意图。
图4为测量装置XZ方向切面示意图。
图5为装置仿真计算能谱图。
图6为仿真计算能谱图中7M—8M能量区域局部放大图。
图7为仿真计算能谱图中4.6M—5.2M能量区域局部放大图。
图8为Fe元素仿真标定结果。
图9为Si元素仿真标定结果。
图中：1.耐磨聚乙烯管道2.检测区域3.左侧放射源伽玛屏蔽室4.聚乙烯5.中子反射体6.顶部伽玛射线探测器7.右侧放射源伽玛屏蔽室8.中子反射体9.底部伽玛射线探测器10.中子屏蔽体11.中子屏蔽体12.顶部辐射屏蔽体13.底部辐射屏蔽体14.右侧辐射屏蔽体15.左辐射屏蔽体
具体实现方式：
被测液浆经耐磨聚乙烯管道(1)实时流过检测区域(2)，两枚15ug Cf-252中子放射源分别安装在左侧放射源伽玛屏蔽室(3)和右侧放射源伽玛屏蔽室(7)内，左侧放射源伽玛屏蔽室(3)和右侧放射源伽玛屏蔽室(7)尺寸结构相同，均为有效半径为2.5cm厚的高密度钨合金腔体，用于屏蔽放射源裂变自身产生的伽玛射线，Cf-252放射源中子能量分布可近似为maxwell分布，平均能量约为3.5MeV。
左右放射源发射的中子部分进入检测区域(2)，中子被液浆中的水分子慢化转变成热中子，热中子与液浆中的Ca、Si、Fe、Al、Mg、K、Na、S、Zn、Cl、Cu、Hg等元素发生俘获反应，发射出相应的特征伽玛射线；左右放射源发射的中子部分经中子反射体(5)(8)反射后进入检测区域，被水分子慢化成热中子后与被测元素发生俘获反应发射出特征伽玛射线；
顶部伽玛射线探测器(6)和底部伽玛射线探测器(9)收集特征伽玛射线形成核脉冲信号，核脉冲信号经多道处理器采集存储，然后送入计算机形成伽玛特征射线能谱，对能谱进行解析得出液浆内所含元素的种类及含量。
为防止散射中子进入顶部伽玛射线探测器(6)和底部伽玛射线探测器(9)形成探测器活化本底，本发明设计在顶部伽玛射线探测器(6)周围设置了中子屏蔽体(10)，在底部伽玛射线探测器(9)周围设置了中子屏蔽体(11)，中子屏蔽体材料为聚乙烯。
为减少检测设备周围的辐射剂量，本发明在装置四周设置了辐射屏蔽体，装置顶部辐射屏蔽体(12),厚14cm；装置底部辐射屏蔽体(13),厚14cm；装置右侧辐射屏蔽体(14),厚22cm；
装置左侧辐射屏蔽体(15),厚22cm；辐射屏蔽材料为含有45％B4C的复合聚乙烯材料。
本发明设计除具有通常PGNAA技术的通用特征外还具有以下特征：
1、分析管道采用耐磨聚乙烯材料，分析管道设计尺寸为直径40cm，管道材料只含有C、H、O三种元素，不会对其它检测元素产生误差影响。
2、在分析管道两侧安装两枚15ug的Cf-252中子放射源，使得管道内的热中子场更加均匀，检测结果更具有代表性。
3、放射源安装在有效半径为2.5cm厚的高密度钨合金腔体内，有效屏蔽了中子放射源自身的伽玛射线，降低特征能谱的本底。
4、在管道上下两侧安装两套伽玛射线探测器，增加了系统的精确度，同时去除了液浆在输运过程中沉淀对分析结果的误差影响。
5、加入中子反射体模块，提高了中子放射源的利用效率。
6、为防止散射中子进入伽玛射线探测器发生活化反应产生额外的本底，在探测器周围设置了中子屏蔽体。
7、装置左右两侧加装22cm厚中子防护材料，上下两端加装14cm厚中子防护体材料，辐射屏蔽材料为含有45％B4C的复合聚乙烯材料，确保距装置1米处辐射剂量当量率小于2.5usv/h。
Fe矿浆中主要成分是Fe的氧化物、H2O、SiO2，通过使用蒙特卡洛计算机模拟仿真技术对本发明结构进行模拟仿真计算，模拟仿真5种不同品位Fe矿浆，Fe矿浆成分见表1，模拟仿真得到的5种不同品位的Fe矿浆能谱图见图5；Fe峰局部放大图见图6；Si峰局部放大图见图7；Fe矿浆中主要成分是Fe、SiO2、H2O，Fe元素特征峰主要有5.9MeV、7.6MeV等，而Si元素主要特征峰有3.5MeV、4.9MeV等。在仿真能谱上截取7.6MeV特征峰的波峰与波谷的差值做为变量与Fe品位值进行拟合，其线性相关性为0.99，其拟合直线见图8；在仿真能谱上截取4.9MeV特征峰的波峰与波谷的差值做为变量与Si品位值进行拟合，其线性相关性为0.99，其拟合直线见图9。
表1仿真矿浆Si、Fe设计品位

Claims (8)

1.一种基于PGNAA技术的在流液浆中元素成分分析检测结构，由分析装置和能谱采集处理系统组成，其特征在于：分析装置包括检测管道、放射源、放射源伽玛屏蔽室、探测器、放射源反射体、辐射屏蔽体组成；能谱采集处理系统由多道处理器和计算机组成；分析装置产生的核脉冲信号送至能谱采集处理系统进行数据处理，最终得到液浆中各元素的含量。
2.根据权利要求1所述的一种基于PGNAA技术的在流液浆中元素成分分析检测结构，其特征在于中子放射源采用Cf-252裂变中子源，放射源安装在有效半径为2.5cm厚的高密度钨合金腔体内。
3.根据权利要求1所述的一种基于PGNAA技术的在流液浆中元素成分分析检测结构，其特征在于检测管道采用耐磨聚乙烯材料。
4.根据权利要求1所述的一种基于PGNAA技术的在流液浆中元素成分分析检测结构，其特征在于在检测管道两侧安装两枚中子放射源。
5.根据权利要求1所述的一种基于PGNAA技术的在流液浆中元素成分分析检测结构，其特征在于在检测管道上下两端安装两套伽玛射线探测器。
6.根据权利要求1所述的一种基于PGNAA技术的在流液浆中元素成分分析检测结构，其特征在于加装中子反射体。
7.根据权利要求1所述的一种基于PGNAA技术的在流液浆中元素成分分析检测结构，其特征在于加装中子屏蔽体。
8.根据权利要求1所述的一种基于PGNAA技术的在流液浆中元素成分分析检测结构，其特征在于装置左右两端加装22cm厚的辐射屏蔽材料，装置上下两端加装14cm厚辐射屏蔽材料。
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