利用中子活化分析技术模拟测量土壤Cu、Ni元素含量*

张 伟 刘永超

(丹东东方测控技术股份有限公司)

近年来由于农药、化肥的大量使用和工农业污染物的排放，土壤污染问题已引起社会的日益关注。农田、蔬菜地、茶园、果园、牧场、林地、自然保护区等地土壤中Cu、Ni等元素的检测对于控制其含量至关重要，而传统的实验室化学化验方式，检测周期较长，不能满足快速检测的需要。

瞬发伽马中子活化分析技术能快速检测样品成分，无需对样品进行预处理，数分钟就能给出检测结果，检测精度高[1]，现已广泛应用于工业、农业、医药等各个领域。采用中子活化分析技术对土壤中Cu、Ni元素的测量进行蒙特卡洛模拟计算，利用两种元素的特征峰探测概率进行二元回归拟合标定，进而得出Cu、Ni元素含量。

1 测量方法

1.1 模拟仿真测量结构

蒙特卡洛模拟仿真测量装置为透射式结构(图1)，土壤标准样品位于中子源与探测器之间，中子源为Cf-252自发裂变中子源，探测器为闪烁体探测器，慢化体为聚乙烯[2]。

1.2 土壤标准样品设计

土壤主体元素是O、Si、Al、Fe、Ca、Mg、K、Na、Ti等，Cu、Ni元素在土壤中属微量元素，我国土壤Cu、Ni环境背景值见表1[3]。

图1 蒙特卡洛模拟模型示意

表1 中国土壤Cu、Ni元素环境背景值 ×10-6

模拟试验共设计5组土壤标准样品，Cu、Ni元素含量见表2。

表2 设计样品Cu、Ni元素含量 ×10-6

1.3 中子活化能谱模拟

由于土壤中其他元素也具有较大的热中子俘获截面，因此在低能区域内γ能谱平台较高，受样品中其他元素影响较大，因此只选择能量大于7 MeV的能量特征峰作为仿真计算的能量区间。5个土壤标准样品仿真能谱见图2。

2 试验结果与讨论

Cu、Ni元素都具有较高的热中子俘获反应截面，Cu热中子俘获截面为3.795 barn，Ni的为4.49 barn。为消除其他元素对Cu、Ni特征峰的影响，选取高能部分7.915 MeV(Cu)、8.533 MeV(Ni)热中子俘获瞬发伽马特征峰进行计数统计。Cu、Ni元素高能特征峰中子俘获截面见表3，样品模拟特征峰探测概率见表4。

图2 土壤标准样品仿真能谱

表3 Cu、Ni元素高能特征峰中子俘获截面

表4 样品模拟特征峰探测概率

为提高土壤Cu、Ni元素含量检测精度，消除或减弱两种元素特征峰相互干扰的影响，利用两种元素的特征峰计数进行二元回归拟合，建立联合校正曲线：

Y=AX1+BX2+C

以Cu为例，式中：Y为样品设计的Cu元素含量，%；X1为模拟的Cu特征峰探测概率；X2为模拟的Ni特征峰探测概率；A、B、C为待定系数。经拟合得出Cu标定曲线，A、B、C值分别为67 350 593，-50 000 000，0.000 538，相关系数R2=0.974。应用标定曲线公式对Cu含量进行计算，同样运用该方法对Ni含量进行计算[4]，两种元素标定结果见表5。

表5 5个样品Cu、Ni元素标定结果 ×10-6

据此绘制Cu、Ni元素标定值与设计值相关性曲线(图3、图4)，可以看到相关性均良好，Cu元素相关系数R2=0.973 9，RMSD=2×10-6；Ni元素相关系数R2=0.912 3，RMSD=4×10-6。

图3 Cu元素标定值与设计值相关性曲线

图4 Ni元素标定值与设计值相关性曲线

《土壤环境质量标准》规定了Cu、Ni三级限值见表6。

表6 土壤环境质量标准值 ×10-6

土壤等级划分以标准中特定元素含量的限值作为判定依据。根据模拟计算结果，理论上中子活化分析技术可以应用到土壤Cu、Ni元素检测分析中，测量精度完全可以达到土壤环境质量分级标准的限定值要求。

3 结 论

中子活化分析技术理论上可实现对土壤中Cu、Ni元素的快速检测，取代传统化学化验方式，结果准确、可靠，检测误差满足土壤环境质量三级等级划分限定值要求。模拟测量试验结果可为中子活化土壤分析仪样机的相关设计、试验测试提供技术依据，通过调整优化样机关键部件参数等手段可将其用于测量土壤中Cu、Ni元素及其他元素含量的快速测定，划分土壤环境质量等级，预防土壤污染。

[1] 宋青锋，张 伟，龚亚林，等.利用瞬发γ中子活化分析技术对铜镍矿石进行在线检测的应用研究[J].世界有色金属，2014(2):72-73.

[2] 陶俊涛，卢元利，李剑锋，等.中子活化元素在线分析仪的结构与应用[J].煤质技术,2016(1):11-13.

[3] 巍复盛，陈静生,吴燕玉，等.中国土壤环境背景值研究[J].环境科学,1991(4):14-16.

[4] 宋青锋，龚亚林，张 伟,等.利用PGNAA系统对铝土矿石进行在线检测的可行性研究[J].中国矿业,2015(10):172-173.