中子吸收法测定岩石样品中的硼

(地质部地球物理勘探研究所)

一、原则和方法

不同的原子核对中子的吸收作用不同，硼核的有效热中子俘获截面比主要造岩元素大几个数量级。因此，当中子流通过含硼样品时，其强度减弱，减弱的程度取决于样品中的硼含量。这一物理现象提供了通过中子吸收测定岩石样品中硼含量的可能性。由于原子核的中子特性与其化学状态无关，同时硼原子核的中子特性与其他造岩元素的中子特性有非常显著的不同，因此用这种方法测定样品的硼含量，不需要经过化学处理。

该方法使用PO-BE中子源，其最大能量为11 MeV，大部分中子的能量在3-5 MeV之间。PO-BE中子源中中子的能量比热中子高106 ~ 109倍。为了获得热中子，快中子必须减速，含氢物质(如水和石蜡)可以作为中子的良好慢化剂。在这个实验中，石蜡被用来减慢中子的速度。

在中子吸收法中，主要研究物质对热中子的吸收。当减慢的热中子流通过样品时，一部分被吸收。各种原子核的中子俘获截面变化很大，可能低至10-1，也可能高达103。从表1可以看出，主要造岩元素的中子俘获截面很小，一般不超过65438+。此外，一些稀土元素具有较大的中子俘获截面。通常硼矿中Hg、Cd和稀土元素的含量都很少，所以可以肯定含硼岩石对中子的吸收主要是由硼含量决定的，所以可以通过测量岩石对热中子的吸收作用来确定硼含量。

表1

关于岩石化学成分(硼除外)的变化对中子吸收的影响，为便于比较，元素或岩石对热中子的吸收按硼(或B2O3)的当量百分比计算:

张玉军论地质勘探新方法

式中，CB-当量硼含量，CI-某元素的实际含量，σb-硼核的中子俘获截面，σI—I-I元素的中子俘获截面，a b-硼原子量，AI-I元素原子量。

表2

利用上述公式得到表2，计算中忽略了氧对中子的吸收。

从表2可以看出，在这些主要氧化物中，H2O、K2O3、Fe3O4和Fe2O3对中子吸收具有显著影响。利用这个表，我们可以估算岩石主要化学成分的变化对中子吸收的影响。岩石中Fe3O4的含量为50%，相当于B2O3的0.07%。上表也可用于估算岩石的总中子吸收特性，仍以硼的当量百分比为单位:

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几种岩石的中子吸收特性由公式(2)计算，如表3所示。从该表可以看出，只有铁对岩石成分影响较大，除磁铁矿外其他岩性变化引起的中子特征变化小于0.05%B2O3，可以认为除铁外其他化学成分变化引起的系统误差小于0.05%。可以减少这种系统误差。如果按照化学成分对样品进行分类，这一目的可以通过比较法来实现。适当选择标准样品也可以减少铁的干扰。

表3

上述计算中，只考虑了岩石对中子的吸收，没有考虑散射效应。由于不同元素的中子散射截面不同，岩石中高散射截面元素的变化也会造成一定的测量误差。这里要考虑H的干扰，必须消除。

二、测量设备和仪器

中子吸收法使用的仪器设备比较简单，主要包括:PO-BE中子源、中子源慢化装置和防护设备、慢中子探测器和记录仪器等。

在实验中，我们使用了强度为3× 106 ~ 6× 106中子/秒的PO-BE中子源。中子源被放在一个石蜡保护盒中，该盒也用作慢化剂。在保护盒中间开一个洞，用5 cm厚的石蜡盖塞住，如图1所示。中子流通过石蜡盖后变慢，作用于样品；当然，也有部分中子流通过通道周围的石蜡层散射减速，然后作用于样品。为了加强保护，在源箱周围和上方用石蜡砖搭建辅助保护层，保护层总厚度为50 cm。

两个记录热中子的BF3比例中子计数管固定在一个由胶木和有机玻璃制成的管架上，用于同时固定样品托盘的位置，第四个管架用铝板包裹，屏蔽电磁场的干扰。管架顶部和两侧有石蜡保护层，沿计数管方向只向外开一个通道，以更换样品。

图1测量装置示意图

样品盘采用铝盒，样品盘盖采用2 mm厚的有机玻璃板。粉状样品用这种有机玻璃罩压平压实，可以防止样品散落。在测量过程中，中子源、计数管和样品之间的相对位置应保持不变。

测量仪器包括慢中子探测器、放大器、甄别器、阴极输出装置、定标器、稳定高压电源和屏压电源(见图2)。除了定标器，测量仪器都是我们自己做的。

图2测量仪器原理框图

中子探测器是两个国产三氟化硼正比慢中子计数管。中子计数管输出的负脉冲经两极放大后传输到脉冲幅度鉴别器。如果计数管的输出线很长，也可以通过阴极输出装置传输到放大器。鉴别器用于消除与伽马射线相关的干扰脉冲。鉴频器输出的负极性矩形脉冲通过差分电路形成正负两个三角形脉冲，正极性脉冲通过阴极输出装置传输到定标器进行记录。

实验中使用了两批不同工作电压的中子计数管，工作电压分别为3000-3600伏和2000-2300伏。计数管高压电源采用高频振荡电路，长时间工作后稳定性达到0.2%以上。

每个真空管的屏压电源为DC稳压器，长期工作稳定性达到0.3%。

定标器采用64位或10位定标器。

三、测试技术和工作方法

实验中测定了三种样品:标准样品、测试样品和含有干扰元素的样品。各种样品都是粉末。样品粉碎后通过80 ~ 100目，用分析天平称量样品。如果样品是湿的，称重前应在烘箱中干燥，以去除表面水分。样品一般取100g或50g。

标准样品由空白矿物样品和不同比例的纯硼试剂均匀混合而成。所谓空白样品是在矿区采集的非矿物样品，其化学成分与测试样品相似，但其硼含量很低，应低于该方法的敏感阈值。测试样品是从A和B两个矿区采集的，每个样品都进行了化学分析，以便比较测试结果。为了了解铁和氢的干扰，用Fe2O3和Na2CO3 10H2O制备了两组含有干扰元素的样品。

为了分析样品中硼的含量，必须确定两个值:n和nn；n为中子流过含硼样品的计数率，Nn为中子流过空白样品的计数率。使用或测定样品中B的含量。

开始测量前，应正常调整仪器，特别注意保持各种工作电压的稳定，固定一个空白样品作为检验样品，仪器调整后测量检验样品的读数。在测量条件不变的情况下，该读数在不同工作日的变化符合中子源的衰减规律，从而检验仪器的正常性。然后就可以开始分析了。

将测量样品放入样品盘中，用有机玻璃板平整、压实并覆盖样品。更换样品时，用刷子清洁样品容器以防止相互干扰。测量时，将样品盘放入孔中，即可开始读数，并读数两次，每次读数为2 ~ 3分钟。相对标准误差为:其中a为测量次数，t为计数时间。

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如果计数率为n=10000脉冲/分钟，则上述条件下的相对标准误差为0.5%。根据误差理论，95.5%的读数将在n 2 σ的范围内。因此，所需读数的重复性一般为65438±0%，最大不超过2%。

测量过程中，每小时测量一次空白样品，以检查仪器是否正常工作，平均每小时可测量十个样品。

四、测试结果

中子通量的吸收随硼含量的增加而增加，中子通量的衰减率随硼含量的增加而减小，二者呈非线性关系，如图3所示。该方法对低含量样品的灵敏度高于高含量样品。测试结果表明，在B2O3%时，该函数在0.03%和3%之间，接近线性函数。因此，在分析时，高含量样品的标准曲线可以使用普通坐标，而低含量样品的标准曲线应使用双对数坐标。

图3标准曲线

根据测量结果计算的和是一个相对值，不随中子源的衰减而变化。由于中子流量的衰减对Nn和N值的影响是相同的，所以不同测量日期的数据可以用同一条标准曲线解释，不需要中子源衰减校正。

Fe和H对中子吸收测定硼的干扰试验结果表明，Fe和H的存在降低了中子计数率，N代表无干扰元素样品的读数，N？指示含有干扰元素的样品的读数，并指示受干扰元素影响而减弱的中子流量的百分比。铁的干扰随着铁含量的增加而增加，在Fe2O3含量10% ~ 30%范围内稳定。当Fe2O3含量超过30%时，Fe的干扰随着Fe2O3含量的增加而迅速增加。当样品中Fe2O3含量为50%时，干扰为2.5%，相当于0.19%B2O3。当Fe2O3含量< 10%时，干扰较小，< 1.2%。因此，根据Fe2O3的含量可将样品分为三类:Fe2O3含量分别为0 ~ 10%；10~30%;30~50%。

结晶水的干扰随其含量的增加而增加，但增长率随其含量的增加而降低。样品中水含量的变化对方法有非常显著的影响，尤其是在分析外源硼样品时。

为了消除Fe、H等化学成分变化的影响，应选择与被测样品成分相似的样品作为空白样品。各具体矿区样品化学成分的变化有一定的规律性，可采用有代表性的空白样品制作标准样品，减少化学成分变化对方法的干扰。

实验中对两个矿区的七个空白样品制备的标准样品进行了测试，七组标准曲线的吻合性较好，均在允许的测量误差范围内，且与石英粉制备的标准曲线非常相似。这说明只要空白样品选择得当，其值只与样品中的硼含量有关，而与样品的化学成分无关，因为化学成分的变化对N和n N的作用程度相同。上述结果表明，同一石英粉标准曲线可以用来解释这两个矿区的分析结果。

实验证明，该方法受样品厚度变化的影响很小，不超过允许的测量误差范围。由于测量中取的样品重量相同，因此可以忽略样品比重变化引起的厚度变化对测量结果的影响。

不同重量样品的测试结果如图4所示。100g样品的标准曲线与50g样品的标准曲线有内在联系。如果横坐标换成B2O3的绝对含量，图4中1和2两条曲线可以完全重复。这个结果说明，被测样品不必具有相同的重量，只要将标准曲线改为B2O3的绝对含量，不同重量的样品也可以使用相同的标准曲线。该方法的准确度和灵敏度与样品中三氧化二硼的绝对含量有关。样品重量减少后，准确度和灵敏度也随之降低。因此，高含量样品的重量应等于50克，而在分析低含量样品时，为了提高方法的准确度和灵敏度，最好使用100克样品。

图4不同重量样品的标准曲线

在上述技术条件下，用1-2居里的PO-BE中子源辐照100g样品，用两个BF3正比中子计数管记录。该方法达到的灵敏度阈值为0.005%B或相当于0.017%B2O3。

测定了两个矿区的生产样品，并对方法的准确度和精密度进行了检验。

中子吸收法和化学法的结果对比良好，如图5所示，证明中子吸收法测硼准确可靠。只有个别样品的分析结果不能很好的比较；采用“加入法”，即在样品中加入已知量的硼，反复测定，证明两种方法分析结果差异显著的数据是化学分析误差造成的。外检比对结果表明，对于B2O3含量> 1%的样品，两种方法分析结果的符合率为10%，对于B2O3含量< 1%的样品，符合率为20%。

两种分析方法分析的柑橘和水果对比图。

通过两次以上的中子吸收法重复测量(内部检查)验证了该方法的准确性，如图6所示。重复测量结果重复性好；对于B2O3含量> 1%的样品，测量结果的准确度以相对均方差表示，为3.16%。对于B2O3含量小于1%的样品，以相对均方误差计，测量结果的准确度为9.22%。

图6重复分析结果对比图

动词 （verb的缩写）结论

中子吸收硼测量方法已经试验成功，自制的测量仪器可以满足方法的要求。达到的灵敏度阈值为0.005%B或0.017%B2O3，当B203含量大于1%时，方法的准确度为3.16%，当B203含量小于1%时，方法的准确度为9.22%。该方法测定效率高，每台仪器每天8小时可测定80个样品。该方法成本低，可替代硼矿样品的硼化学分析。

参考

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НЕЙТРОННЫЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ БОРА В ОБРАЗЦАХ ГОРНЫХ ПОРОД

Чжан Юй-цзюнь

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Резюме В данной работе привелены результаты исслелований нейтронного методаопределениябора в образцах горныхпород.Основой метояаявпяетсяяислользованиев ысокогосеченияпоглощенидмедленных нейтроновяпрами бора.Длдпроведенидопыга была изготовленаспециальнаяустановка, в которую входят полонево-бериллиевый источник нейтроно вактивностью 106Нейтр./сек.、парафиновыйзамедлигель·прибордлярегистрациимедленныхнейтронов.вкачестве·применяются·пропорциональныхсчётчика、наполненныхтрехфгористым·оботащеннымСушность методики анализазаключаетсяв относительных измерениях степенейуменышенияинтенсивности нейтронного потокапри про пускании медленных нейтронов черезисследуемуюи зталоннуюпробы при одинаковыхгеометрических условиях.0.05%的B2O3。

地球物理学杂志，1962，№.1。