利用MCNP程序模拟测量污水的总磷含量*

贾福全

(吉林建筑大学基础科学部，长春 130118)

水中总磷主要以正磷酸盐、缩合磷酸盐及有机磷的化合物等形式存在，是水中的主要污染物之一.快速、准确地测量污水中总磷含量，可以为污水防治提供数据支持.迄今为止，污水中总磷的测量还是利用小体积、采样分析方法，即把污水放入酸性溶液中，各种形态的磷被转化成磷酸根(PO43-)，然后用钼酸铵和酒石酸锑钾与此溶液反应并生成磷钼锑杂多酸，最后用抗坏血酸把它还原为深色的钼蓝，最终计算出总磷的含量.此方法受砷酸盐、六价铬、二价铜及亚硝酸盐的影响，测量误差大.由于是取样分析，其检测过程复杂，时间长，采样普遍性较差.而“中子感生瞬发伽马射线分析(NIPGA)”技术是利用快中子非弹性散射反应或热中子俘获反应来测量元素含量，与元素的具体存在形式无关，且是大体积测量，所以测量精度高、速度快［1-2］.此技术不仅可以分析大体积样品，还可实现现场的连续监测，是很有发展前途的测量方法［3-5］.本文利用MCNP-4C程序研究以D-D中子发生器为中子源，利用NIPGA技术快速测量污水中总磷含量的可行性.

1 NIPGA法检测元素含量的原理

中子与靶核间的作用能释放出瞬发伽马射线的有热中子俘获反应和快中子非弹性散射反应，可以选择受其它元素伽马射线干扰小且产额高的伽马射线作为该元素的特征伽马射线.在测得的伽马能谱中可以根据特征伽马射线能量确定元素的种类，利用伽马射线的总计数(也称为伽马射线峰面积)计算元素含量.

磷和快中子发生非弹性散射反应的截面非常小，无法用于污水中总磷的测量.磷的热中子俘获反应截面比较大，可以用来测量磷元素含量，其反应方程式为［6］:

在定量计算中，单位体积样品中磷元素含量(G)与其特征峰的净面积(N)之间关系如下［7］:

式中，a，b是由设备和待测元素确定的待测常数.测量出几组污水样品中磷元素G(G是计量科学院的化验值)和N，利用多元线性回归就可求出a，b的值，(2)式就可用于测量未知污水样品中总磷含量.

2MCNP模拟

MCNP是“A general Monte Carlo code for Neutron and Particle transport”的缩写，是一套主要用于模拟三维空间光子、中子的单独运输以及联合输运过程的通用模拟程序.本文主要利用此程序模拟光子、中子的联合输运，并用模拟结果研究NIPGA测量污水中总磷的可行性.

(1)模型设计. 加速器中子源、反应堆中子源和放射性同位素中子源是常见的中子源，在检测磷元素含量时，由于只需要利用热中子俘获反应，所以D-D中子发生器具有非常明显的优势:关闭电源后无中子释放，容易防护;释放的中子平均能量为2.5MeV，低于多数元素的非弹性散射反应阈值，有利于俘获伽马能谱的获得;中子产额较高且可控，有利于定量计算.MCNP模拟所用的结构如图1所示.

图1 用MCNP模拟测量污水总磷含量的示意图

图2 磷的特征伽马射线能谱图

图1中D-D中子发生器和BGO伽马射线探测器都是半径为5cm的圆柱体，D-D中子发生器的中子产额为107n/s，D-D中子发生器的靶位于这两个圆柱体轴线的交点.靶与BGO左侧表面的距离7cm.

(2)特征伽马射线的选择. 对模拟结果处理后得到磷元素的伽马能谱图如图2所示，由图2可以看出，能量为1.071MeV的伽马射线计数远远高于其它计数，适合用于计算磷的含量.

(3)模拟结果. 当D-D中子发生器的中子产额为107n/s，测量时间为120s时，改变污水中总磷的含量，BGO探测器探测到的磷元素的特征伽马计数如表1所示.

表1 不同含量的磷元素的伽马计数

表1 不同含量的磷元素的伽马计数(续)

利用线性回归以及表2中的“磷含量”和“特征伽马计数”可得到二者之间的线性方程:

利用(3)式和表1中的“特征伽马计数”可以得到“磷含量计算值”，“绝对偏差”是“磷含量计算值”与“磷含量”之差，相对偏差是“绝对偏差”除以“磷含量”再乘以100的结果.

由表1可以看出，当污水中总磷含量超过0.1mg/L时，磷含量计算值的绝对偏差和相对偏差都非常小，测量精度较高.当磷含量低于0.1mg/L时，磷含量计算值的绝对偏差虽然较小，但相对偏差较大.如果以相对偏差不超过5%为标准，此方法测量污水中总磷含量的检出限为0.05mg/L.《中华人民共和国地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中规定每升Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类、Ⅴ类水中的总磷含量依次不能超过0.02mg，0.1mg，0.2mg，0.3mg，0.4mg，所以此方法能够准确检测Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类、Ⅴ类水中的总磷是否超标.

3 结论

用中子感生瞬发伽马射线分析技术可以快速检测污水中总磷的含量，当检测时间为600s时，其检测限为0.05mg/L，可以准确检测Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类、Ⅴ类水中的总磷是否超标.如果用此方法监测污水中的总磷含量，可以为环境保护提供及时、可靠的数据.

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