一种针对指定能谱形态的x射线能谱调制方法
【专利摘要】本发明涉及一种针对指定能谱形态的X射线能谱调制方法，根据指定调制的X射线目标能谱形态，选择调制采用的射线源参数和滤波片参数，生成子谱集合，再根据调制要求选取合适的一致性评价参数，并设定评价阈值；再从子谱集合中任选k个子谱，根据最小二乘原理计算调制能谱，得到各子谱的调制系数{N(x)}；再根据调制系数和对应子谱组合生成调制能谱，计算调制能谱的一致性参数；最后选择最优的调制能谱。本发明旨在解决复杂能谱形态的X射线调制问题，适用于X射线源参数可调，输出能谱已知或可通过其他测量计算方法获得的应用场合。
【专利说明】一种针对指定能谱形态的X射线能谱调制方法
【技术领域】
[0001]该发明涉及一种新的X射线能谱调制方法。该方法利用最小二乘原理，基于X射线滤波调制技术，实现对指定形态X射线能谱的调制输出，
【发明内容】
涉及X射线能谱调制，X射线辐射场测量以及X射线辐射效应测量等【技术领域】。
【背景技术】 [0002]在当前X射线辐射效应研究中，对电子元器件等研究对象进行X射线辐照是最为重要的手段，辐照采用的X射线是单一能量的X射线和X射线连续谱。这两种X射线能谱都是通过对X射线源输出的初级能谱进行简单的滤波和分光调制得到，和研究对象在真实辐射环境中辐照的X射线能谱在形态上有较大的区别，难以直观的反映出真实辐射环境中研究对象工作状态的变化和辐射效应的影响。如何在研究过程中建立接近真实辐射环境的X射线辐射场，实现近似真实环境X射线辐射能谱的输出是一个亟待解决的问题。
[0003]X射线滤波技术是最为普遍的X射线能谱调制方法之一，利用材料对不同能量X射线的不同透过率，对X射线初级能谱进行调制。该方法使用简单，无需复杂设备和繁琐的调试过程，但是受到滤波材料自身性质的限制，能谱形态的调制能力有限。基于最小二乘方法的X射线能谱调制方法，是实现复杂形态X射线能谱调制，建立接近真实X射线辐射环境的一种可行的技术方案。
【发明内容】
[0004]本发明旨在解决复杂能谱形态的X射线调制问题。在滤波调制的基础上，采用最小二乘法，叠加不同滤波调制能谱，实现对指定X射线能谱的调制。本发明适用于X射线源参数可调，输出能谱已知或可通过其他测量计算方法获得的应用场合。
[0005]本发明的技术解决方案为:
[0006]一种针对指定能谱形态的X射线能谱调制方法，包括以下步骤
[0007]I】根据指定调制的X射线目标能谱形态，选择调制采用的射线源参数和滤波片参数，生成子谱集合{g(X)};所述子谱集合{g(X)}中的子谱同时满足以下两个条件:A.任意两个子谱的能量区间不完全重叠目标能谱能量区间中任意一段子区间被至少一个子谱的能量区间所包含；
[0008]2】根据调制要求选取合适的一致性评价参数，并设定评价阈值；所述一致性评价参数包括最小二乘误差、能谱积分非重叠面积比；
[0009]3]从子谱集合{g(x)}中任选k个子谱，根据最小二乘原理计算调制能谱，得到各子谱的调制系数{N(x)}，k为大于等于I的整数；具体计算过程如下:
[0010]3.1】分别计算各个子谱与其他子谱和目标能谱的内积，作为计算调制系数的矩阵方程系数；
[0011]3.2】检查矩阵的非奇异性，若满足，则求解方程组，得到一组调制系数解；若不满足，直接执行步骤5;[0012]3.3】检查调制系数解，如果其中存在负数项，则将该项数值归零；
[0013]4]根据调制系数和对应子谱组合生成调制能谱，计算调制能谱的一致性参数；
[0014]5】重新选取子谱，重复以上步骤直至遍历所有子谱组合；
[0015]6】比较一致性参数和单位时间的辐射剂量，在满足最小二乘误差不超过阈值的情况下，按照采用子谱数量由少到多的原则选择最优的调制能谱；
[0016]7】目标能谱通过滤片滤波调制得到一次调制能谱，然后再通过叠加得到最终的调制能谱。
[0017]上述步骤4]还可包括以下步骤:根据调制系数和对应子谱组合生成调制能谱，计算调制能谱的单位辐照时间的辐射剂量；
[0018]上述步骤6]还可包括以下步骤:若采用子谱数量一致的情况下，按照单位时间辐射剂量由大到小的原则选择最优的调制能谱。
[0019]上述步骤7中的叠加是采用并行或串行方式。
[0020]上述射线源参数包括电子加速电压U、管电流I ;上述滤波片参数包括组成材料的质量衰减系数u和厚度d。
[0021]本发明所具有的有益效果:
[0022]1、本发明方法基于最小二乘法，通过对滤波得到的一次调制能谱进行线性叠加，对复杂形态连续X射线能谱进行 调制，实现了对指定能谱形态X射线的输出，为真实X射线辐射环境的模拟提供了可行的实现方法。
[0023]2、本发明方法基于最小二乘法，各个子谱的叠加调制在空间上与时间上相互独立，整个调制过程可以由单台X射线源串行完成，也可由多台X射线源并行实现。
[0024]3、本发明方法不涉及X射线源硬件的改动，可在常见的X射线源上直接应用，具有广泛的实用性和极高的经济性。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1是基于最小二乘法的X射线能谱调制流程示意图；
[0026]图2是部分调制子谱能谱；其中(a)为I号构造子谱；(b)为7号构造子谱；(C)为13号构造子谱；(d)为19号构造子谱；(e)为25号构造子谱；(f)为31号构造子谱；
[0027]图3 Ca)和(b)是不同目标能谱的能谱调制结果；
[0028]图3 (c)和(d)是不同目标能谱的能谱调制结果；
[0029]图4是目标能谱、调制能谱与测量能谱比较；其中(a)为调制能谱与目标能谱；(b)为调制能谱与测量能谱；(C)为测量能谱与目标能谱；
[0030]图5是目标能谱的能谱构造及实际测量结果差异比较，其中(a)为调制能谱与实际测量能谱对应能量X光子计数比；(b)为目标能谱与实际测量能谱对应能量X光子计数比。
【具体实施方式】
[0031]一种针对指定能谱形态的X射线能谱调制方法，它具体可描述为:
[0032]I]根据指定调制的X射线目标能谱形态，选择调制采用的射线源参数和滤波片参数，生成子谱集合{g (x) }，子谱集合中的子谱满足以下两个条件:任意两个子谱的能量区间不完全重叠；目标能谱能量区间中任意一段子区间被至少一个子谱的能量区间所包含。
[0033]2]根据调制要求选取合适的一致性评价参数，包括最小二乘误差，能谱积分非重叠面积比等，并设定阈值。
[0034]3]从子谱集合中选取k个子谱，根据最小二乘原理计算调制能谱，得到各子谱的调制系数{N(x)}。具体计算过程如下:
[0035]3.1分别计算各个子谱与其他子谱和目标能谱的内积，作为计算调制系数的矩阵方程系数。
[0036]3.2检查矩阵的非奇异性，若满足，则求解方程组，得到一组调制系数解。调制系数解代表辐照时间；若不满足，直接执行步骤5。
[0037]3.3检查调制系数解，如果其中存在负数项，则将该项数值归零。
[0038]4]根据调制系数和对应子谱组合生成调制能谱，计算调制能谱的一致性参数和单位辐照时间的辐射剂量。
[0039]5]重新选取子谱，重复以上步骤直至遍历所有子谱组合。
[0040]6]比较一致性参数和单位时间的辐射剂量，按照一致性由高到低、单位时间辐射剂量由大到小以及采用子谱数量由少到多的原则选择最优的调制能谱。
[0041]各个子谱的调制系数采用最小二乘法计算得到，由于调制系数反映各子谱的辐照时间，因此调制系数必须为正值。
[0042]能谱调制过程中，对所有可能的子谱集合进行遍历，分别计算出各自的调制能谱最小二乘解，即在不考虑调制系数合理性的条件下，每个子谱集合都对应一个调制能谱。
[0043]在多个调制能谱解中选择最优解的过程中，以最小二乘误差，单位时间辐射剂量以及调制采用的子谱数量作为选择的标准，在满足最小二乘误差不超过预设阈值的情况下，优先选择单位辐射剂量大，子谱数量少的解作为最终的调制能谱。
[0044]本发明所提出的X射线能谱构造方法具有如图1所示的调制流程，具体描述如下:
[0045]步骤1:选择调制采用的射线源参数和滤波片参数，生成子谱集合{g(x)}。
[0046]射线源参数主要包括电子加速电压U和管电流I，滤波片参数包括组成材料的质量衰减系数μ和厚度d。电子加速电压控制子谱能量区间的上限，而滤波材料的质量衰减系数和厚度控制子谱能量区间的下限。通过调整参数，使得子谱集合中任意两个子谱能量区间不完全重叠，并且各子谱能量区间的合集完全包含目标能谱的能量区间，最大限度保证在最小二乘法计算过程中系数矩阵非奇异。测量各个子谱的能谱，并根据测量时间做归一化处理。子谱集合中子谱的数量由参数组合确定，应包含尽可能多不同能量区间、不同形态的子谱以适应不同形态目标能谱的调制需要。
[0047]步骤2:选取合适的一致性评价参数。设置评价参数的阈值。
[0048]由最小二乘法给出的调制能谱解满足调制能谱与目标能谱的差值平方和最小。采用调制能谱与目标能谱的差值平方和来表征两者之间的误差，以及用调制能谱与目标能谱积分面积的比值，前者用于在多个针对同一目标能谱的最小二乘结果中选择最优的解，后者则作为调制能谱与目标能谱一致性程度的直观表述。
[0049]步骤3:遍历所有可能的子谱组合，采用最小二乘法计算调制能谱。
[0050]设置调制子谱数量的上限，然后从子谱集合中选取子谱，计算与其他子谱和目标能谱的内积，计算得到满足最小二乘解的一组调制系数。调制系数在物理上表示对应子谱的辐照时间，因此调制系数中不能有负数值的存在。若在计算得到的调制系数中出现负数值，则将该数值做归零操作，避免对选取最优调制能谱过程的干扰。重复这一过程直到子谱集合中所有可能的子谱组合均完成最小二乘法计算。
[0051]步骤4:根据计算结果，选择最优调制能谱输出。
[0052]在一致性参数满足预设阈值的前提下，选择单位时间辐射剂量大，参与能谱调制的子谱数量最少的调制能谱解作为最优的调制能谱，记录调制采用的子谱以及对应的调制系数。根据记录的信息。最后在X射线源上并行或串行地按照调制系数确定的辐照时间输出调制子谱。
[0053]本发明原理:
[0054]对于给定能谱形态的X射线，令其能谱形态为f(x)，由于X射线输运过程中光子没有相互作用，f(X)可以被分解为多个处在相同能量区间的能谱{gi(x)}的叠加，即
[0055]
【权利要求】
1.一种针对指定能谱形态的X射线能谱调制方法，其特征在于:包括以下步骤 I】根据指定调制的X射线目标能谱形态，选择调制采用的射线源参数和滤波片参数，生成子谱集合{g(X)}； 所述子谱集合{g(x)}中的子谱同时满足以下两个条件: A.任意两个子谱的能量区间不完全重叠； B.目标能谱能量区间中任意一段子区间被至少一个子谱的能量区间所包含； .2】根据调制要求选取合适的一致性评价参数，并设定评价阈值；所述一致性评价参数包括最小二乘误差、能谱积分非重叠面积比； .3]从子谱集合{g(x)}中任选k个子谱，根据最小二乘原理计算调制能谱，得到各子谱的调制系数{N(x)}，k为大于等于I的整数；具体计算过程如下: .3.1】分别计算各个子谱与其他子谱和目标能谱的内积，作为计算调制系数的矩阵方程系数； .3.2】检查矩阵的非奇异性，若满足，则求解方程组，得到一组调制系数解；若不满足，直接执行步骤5 ； .3.3】检查调制系数解，如果其中存在负数项，则将该项数值归零； .4]根据调制系数和对应 子谱组合生成调制能谱，计算调制能谱的一致性参数； .5】重新选取子谱，重复以上步骤直至遍历所有子谱组合； .6】比较一致性参数和单位时间的辐射剂量，在满足最小二乘误差不超过阈值的情况下，按照采用子谱数量由少到多的原则选择最优的调制能谱； .7】目标能谱通过滤片滤波调制得到一次调制能谱，然后再通过叠加得到最终的调制能-1'TfeP曰。
2.根据权利要求1所述的针对指定能谱形态的X射线能谱调制方法，其特征在于: 所述步骤4]还包括以下步骤: 根据调制系数和对应子谱组合生成调制能谱，计算调制能谱的单位辐照时间的辐射剂量; 所述步骤6]还包括以下步骤: 若采用子谱数量一致的情况下，按照单位时间辐射剂量由大到小的原则选择最优的调制能谱。
3.根据权利要求1或2所述的针对指定能谱形态的X射线能谱调制方法，其特征在于: 所述步骤7中的叠加是采用并行或串行方式。
4.根据权利要求1或2所述的针对指定能谱形态的X射线能谱调制方法，其特征在于: 所述射线源参数包括电子加速电压U、管电流I ; 所述滤波片参数包括组成材料的质量衰减系数u和厚度d。
【文档编号】H05G1/30GK103747605SQ201310746108
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2013年12月30日 优先权日:2013年12月30日
【发明者】马戈, 罗剑辉, 周海生, 黑东炜, 李斌康, 魏福利, 夏惊涛, 唐波 申请人:西北核技术研究所