基于PGNAA的土壤重金属测量技术模拟研究
摘要
随着我国社会经济的发展，土壤重金属污染问题日益突出，对人们的生活环境和
身体健康造成了严重威胁。土壤重金属污染测量是土壤重金属污染防治的重要一环，
因此土壤重金属污染测量技术的发展和完善具有重要意义。传统的实验室测量方法耗
时、低效，随着现场快速排查、应急测量、大面积地块初步调查等土壤重金属现场测
γ
量分析的需求的增加，土壤重金属污染现场测量技术的发展逐渐被关注。瞬发射线中
子活化反应（PromptGammaNeutronActivationAnalysis,PGNAA）技术具有无损、多
元素、连续在线测量、大体积测量等独特优势。通过Geant4模拟程序对基于PGNAA的
土壤重金属原位测量技术进行了研究。
使用Am-Be同位素中子源和D-D中子发生器作为PGNAA土壤重金属原位测量的中
子源，提出了基于这两种中子源的测量系统结构设计，并对测量系统的性能进行了研
究和比较。使用Geant4程序构建了基于这两种中子源的土壤重金属原位测量系统的模
型。以提高中子利用率为目标，对测量系统的的慢化层、反射层和屏蔽层的材料和厚
度进行优化设计。计算评估了测量系统在工作过程中的周围剂量当量率，在中子产
Am-BeD-D
额、测量点距离等条件相同的情况下，中子源测量系统的剂量当量率大于中
子发生器测量系统。通过设置和改变测量系统工作状态下中子与土壤发生相互作用的
土壤范围、土壤层深度，分析测得的重金属元素特征γ射线强度的变化趋势，得到了两
测量系统进行PGNAA土壤重金属原位测量的测量范围、测量深度。
使用谱库最小二乘法对土壤的特征γ能谱进行全谱分析计算出土壤重金属元素含
量。为了提升解谱的准确性，引入了一种加权优化方法。对特征γ能谱的2.2MeV能谱
7.2MeV7.7MeV
峰与、等能谱峰的峰高比、单元素能谱的反解结果和重金属元素含量
的测量结果进行了优化前后的对比。对比结果表明了加权优化方法能提高特征γ能谱解
谱结果的准确性。构建了一个小型的标准土壤样品能谱库，并设置了五组待测土壤。
模拟对土壤中不同含量的铁、锰、铜、镍、铬等重金属元素进行原位测量的过程，得
到了各个重金属元素含量在不同量级时的测量相对误差，证明了PGNAA应用于土壤重
金属污染原位测量的可行性。
关键词：土壤重金属原位测量；瞬发γ射线中子活化分析；Geant4模拟；活化中子源；γ
能谱解谱
基于PGNAA的土壤重金属测量技术模拟研究
Abstract
WiththedevelopmentofChinassocialandeconomicprogress,theproblemofsoil
heavymetalpollutionhasbecomeincreasinglyprominent,posingaseriousthreattopeoples
livingenvironmentandhealth.Soilheavymetalpollutionmeasurementisanimportantpart
ofsoilheavymetalpollutionpreventionandcontrol.Therefore,thedevelopmentand
improvementofsoilheavymetalpollutionmeasurementtechnologyareofgreatsignificance.
Traditionallaboratorymeasurementmethodsaretime-consumingandinefficient.Withthe
increasingdemandforon-siterapidinvestigation