中子活化煤质在线分析及β辐射伏特核电池能量输运研究

21世纪随着核科学的发展及相关材料科学、制造工艺的进步，核技术应用在我国得到快速的发展，目前在国防、工业、农业、材料、生命、信息科学、环保和人类健康等方面核技术应用发挥着重要的作用。核技术总体分为两大类：核能利用类和非核能利用类。核能利用主要有核电、核武、核动力、核电池等。非核能利用主要有核分析技术、核成像技术、放射性药物、辐射加工、辐射检查、放射性示踪等。本论文课题方向为核技术应用，具体研究内容有两部分：核分析技术应用于煤质在线分析的课题：中子活化煤质在线分析研究；核电源应用于MEMS能源的课题：β辐射伏特核电池能量输运研究。一、中子活化煤质在线分析研究本论文针对国内燃煤电厂煤质成分实验室分析存在的不足，调研了国内外中子活化煤质在线分析设备，分析其性能、工业化等方面的优、缺点，研制了中子活化煤质在线分析系统。首先，对中子活化煤质在线分析测量系统进行设计：（1）增加了平煤器，减少煤流波动过大对测量稳定性的影响，同时防护煤流过高对系统的损伤；增加水份仪，直接测量煤质水份,解决在煤质工业指标计算过程中由氢元素到水份含量计算时存在的问题。（2）采用大体积BGO探测器，提高探测效率，同时为BGO探测器安装温控系统，减小温度变化对BGO性能的影响，提高系统的稳定性和测量精度。（3）采用了反射式的测量模式，与透射式测量模式相比，能有效消除煤流厚度对测量结果的影响；（4）采用蒙卡模拟方法，设计测量系统的辐射防护单元。本工作的核心是建立了一种新的实验谱库最小二乘法，该方法用于热中子俘获和快中子非弹的煤质在线分析，能有效降低谱库非线性的影响。在这种方法中，首先根据我国各大矿区煤种的元素含量，设置60个能代表全国煤种的煤样，通过这60个煤样的中子活化测量谱，采用最小二乘法建立20套单元素谱库，每套单元素谱库对应一个常见煤种。基于以上的20套单元素谱库，采用最小二乘法分析一个未知煤样，获得该煤样的初始估值。以初始估值为基础，采用谱库创建和样品分析的迭代方法建立一个新单元素谱库，建立该谱库的煤样与分析煤样的元素含量非常接近。因此这种实验谱库最小二乘法能尽可能的降低谱库非线性的影响。建立的实验谱库最小二乘法使用在本论文设计的煤质在线分析测量系统上，系统测量精度达到：灰份、水份、挥发、分热值分别为1.0wt%,0.5wt%,1.0wt%,350KJ/Kg。二、β辐射伏特核电池能量输运研究近年来，国内外对β辐射伏特核电池进行了大量研究，主要集中于换能器件的三维结构和新型半导体材料方面。β辐射伏特核电池的能量输运是电池设计、优化的重要依据之一。本文采用蒙特卡罗模拟程序Geant4，研究了β粒子在辐射伏特核电池中的能量输运,模拟分析主要为五个方面：（1）研究了单能电子在靶材料中的射程。分析得到了射程与能量、靶材料的经验公式。研究结果为设计核电池换能器件敏感区域厚度及核电池防护材料的最低厚度提供指导。（2）研究单能电子在靶材料表面的能量反散射系数与电子能量、入射角和靶材料的关系。结果表明①能量反散射系数随电子能量的增大而缓慢减少，核电池设计中以增大β源能量来减少反散射引起的能量损失是有限的；②能量反散射系数随入射角的增大而增大，入射角在00到250之间，能量反散射系数较小，增速也很慢，因此在核电池源的设计时，可以通过控制β粒子在换能器件表面的入射角尽可能的小，这样使更多的能量进入换能器件；③能量反散射系数随靶材料的平均原子序数增大而增大，在换能器件的材料选择时，低原子序数的靶材料更能获得较高的能量转换效率。（3）研究了放射源的自吸收。①给出了3H（1.2、1.8、2.0吸氚比的钛化氚）、63Ni(20%、80%、100%的63Ni丰度)、147Pm（100%的147Pm丰度）β面源的表面最大活度、表面最大输出功率；②给出了以上源的最佳质量厚度及相应的表面出射活度和表面出射功率；③研究结果表明随源质量厚度的增加，表面出射粒子能谱中心向高能偏移。以上结果有助于核电池放射源的制备以及换能器件设计。（4）研究了单能电子在靶材料中的能量沉积规律。结果表明：①单能准直电子在材料中的能量沉积率随入射深度先增大后减少，有一个明显的能量沉积主要区域；②随电子能量增加，电子能量沉积的主要区间所在的深度增大；③随电子能量增加，电子在材料中的能量沉积率降低。该结果能指导核电池换能器件的几何尺寸设计，让电子能量沉积的主要区域与换能器件敏感区域尽量吻合。（5）研究了3H（1.8吸氚比的钛化氚）、63Ni(80%的63Ni丰度)和147Pm(100%的147Pm丰度)β面源在半导体材料（Si、SiC、GaAs）中的能量沉积。①结果表明随靶材料的深度增加，β射线的能量沉积率下降，源平均能量越低下降越快；②三种源在Si材料中的能量沉积表明：在常规核电池几何设计下63Ni有最高的能量沉积率；③3H在三种材料中的能量沉积表明：SiC较适合作为3H的换能器件材料。本工作系统地从粒子输运和能量沉积的角度对辐射伏特核电池的几何尺寸、转换效率和输出功率进行详细研究。得到常规β辐射伏特核电池的理论参数和β粒子能量损失分布，总结出β辐射伏特核电池在结构和材料方面的一些优化方向。