基于PGNAA技术的水溶液元素成分分析方法及其物理机制研究

From the principles of neutron interactions with materials, based on the optimization of PGNAA setup developed for element determination in aqueous solution, the project is proposed to study the physical mechanism of the mutual interference in multi-element spectrum using theoretical calculation and experimental study, to make further improvement on measurement accuracy and nuclear information utilization for element analysis in aqueous solution using PGNAA technique. A method to remove the influence of background will be developed to establish a series of single element spectrums towards high generality and fundamental, which cannot be disturbed by environment. In parallel with complicated spectrum analysis, combined with perturbation theory, a physical model to describe the rules between the variety from multi-component aqueous solution and variable spectrum will also be created. Thus, in this project, a new spectrum analysis method will be accomplished to improve the accuracy of the element analysis significantly by analyzing the full spectrum, which possesses high accuracy, low environmental impact and suitability for scintillator detector. The project will provide the support of physical mechanism, comprehensive physical model and accurate data analysis method for water environment on-line measurement with PGNAA technique.

针对PGNAA（瞬发伽马射线中子活化分析）技术应用于水环境元素分析领域中存在的分析准确度不佳、有效核信息利用率低等难题。本项目在对基于PGNAA技术的水溶液测量平台进行优化的基础上，从中子与物质相互作用的基本原理出发，采用理论计算和实验研究相结合的研究手段，揭示溶液中各元素间互为背景的深层次物理机制，掌握去除水溶液中多组分间相互影响的方法，建立不受测量基体环境干扰的高通用性基础单元素谱；结合微扰理论构建水溶液组分多样性对能谱复杂性产生影响的物理模型，对水溶液中多组分元素复杂能谱进行处理，研究一种分析准确度高、受测量背景影响小、适用于能量分辨率较差的闪烁体探测器的谱处理分析方法，实现对全谱信息的充分利用，有效地提高元素分析的准确性和检测水平。该项目的顺利实施将为PGNAA技术在水质成分检测的成功应用提供原理机制、物理模型以及数据分析方法等理论支撑。

瞬发伽马射线中子活化分析（Prompt Gamma-ray Neutron Activation Analysis，PGNAA）技术由于具有非破坏性、在线原位测量、多元素同时分析等特点，其针对水环境检测具有巨大优势。本项目以复杂水溶液样品作为研究对象，对PGNAA技术测量过程中的准确度不佳及提升有效信息利用率等问题进行了研究分析，开展了以下工作：模拟优化并搭建了一套水溶液测量装置；对水溶液中多种元素特征能谱相互干扰的原理进行了分析，对主要影响因素进行修正；构建新的水溶液能谱解析技术。项目按照原计划顺利进行，取得以下主要研究进展：（1）基于一套D-T中子发生器和一套4×4英寸BGO探测器，利用蒙特卡罗软件优化设计并搭建了一套水溶液测量平台，对碳氮元素进行了测量实验；（2）针对俘获反应的元素，利用之前设计的装置，构建不同的测量环境，揭示了中子场分布改变对能谱相互干扰的影响；（3）从中子和伽马射线与样品的基础原理出发，建立了适用于复杂条件下的能谱解析方法并对复杂样品进行了检测分析。通过这些研究，揭示了基于PGNAA技术的水溶液测量过程中，不同元素之间相互干扰的机理并提出了新的能谱解析方法对其进行分析，为后续深入研究PGNAA装置的设计和优化准则和更加复杂的应用场景提供了必要的实验和理论基础。本项目实施期间以第一作者和通讯作者共发表SCI论文5篇；发明专利1项；共培2名硕士生，其中2名硕士生已经完成学位论文答辩；在国际学术会议做报告1次，在国内学术会议做报告2次。