一种基于蒙卡响应矩阵的低分辨率γ能谱反演解析过程及方法
一种基于蒙卡响应矩阵的低分辨率γ能谱反演解析过程及方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于蒙卡响应矩阵的低分辨率γ能谱反演解析过程及方法，解析过程包括仪器谱探测、建立探测器几何模型、模拟探测器响应函数、响应函数特征参数提取、蒙卡响应矩阵生成、反演解析,依据仪器谱形成的物理过程，建立探测器几何模型，运用蒙卡方法模拟NaI(Tl)闪烁探测器对γ光子的响应函数，确定响应函数的特征参数，并通过插值算法在放射源与γ谱之间构建蒙卡响应矩阵，结合Gold或Boosted-Gold算法，实现在该响应矩阵下反演解析其它被测样品γ仪器谱。应用本发明解析方法省去了谱平滑、寻峰、重峰分解等复杂处理过程，解析结果是待测谱线在该响应矩阵下接近于理论物理谱线的解，该方法对谱线解析的能力提高了。
【专利说明】一种基于蒙卡响应矩阵的低分辨率Y能谱反演解析过程
及方法【技术领域】
[0001]本发明涉及Y仪器谱解析【技术领域】，具体涉及一种基于蒙卡(Monte Carlo)响应矩阵的低分辨率Y能谱反演解析过程及方法。
【背景技术】
[0002]在国际原子能机构(IAEA)应用需求的推动下，放射性能谱测量仪已成为核设施等各种核辐射场所、核电站、防化部队、核应急与核查、反核恐怖必不可少的装备。针对机场、港口、海关、车站等大型公共场所，用于环境辐射检测、反核恐怖安检、辐射源清理及天然放射性核素信息探测等核技术应用场合。因此，研究Y能谱解析方法对满足谱仪市场需求、发展核探测与能谱测量技术具有广阔的应用情景和社会现实意义。
[0003]由于采用Y能谱仪获得的Y能谱分布与入射到Y探测器之前的Y射线原始谱分布是不同的。通常，把Y射线入射到探测器之前的原始能谱称为Y射线谱，把由Y能谱仪测得的Y能谱称 为Y仪器谱，而Y能谱解析正是针对Y仪器谱进行解析的。对于Y射线的能谱测量而言，Y仪器谱是复杂的Y谱。这是因为:首先，由于被测对象本身是多种放射性核素的混合样品，样品放出的Y射线谱是复杂的；其次，Y能谱测量系统受能量分辨本领的限制，尤其是受Y射线探测器的本征能量分辨本领的限制；再次，Y能谱测量系统的环境物体对Y射线的散射本底。相对于半导体探测器而言，NaI (Tl)闪烁探测器具有探测效率高、价格低廉等优势被广泛应用。但由于NaI (Tl)闪烁探测器的能量分辨率有限，使得能量相近的仪器谱峰相互重叠，导致寻峰困难；并且Y光子在NaI (Tl)晶体中产生康谱顿散射使谱线叠加了大量的低能成分，增加了低能区的Y射线总量，造成低能区的谱峰边界模糊，特别在高本底环境下，核素识别率较低甚至错判；进而在对核素种类较多、谱线较复杂样品进行解析时，相应的谱处理算法复杂度也显着增加。对于复杂Y仪器谱的解析，其传统关键技术主要包括谱线平滑、寻峰、峰边界确定、本底扣除、重峰分解、净峰面积求取及其活度计算等一系列正演解析过程与方法，由于正演解析过程及方法繁琐，并未考虑探测器与谱仪是否匹配、谱线中多特征参数的提取及放射源与Y能谱之间响应矩阵的构建等自上而下的关联问题，使其放射性核素定性定量分析结果与真实值存在较大差异。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供了一种基于蒙卡响应矩阵的低分辨率Y能谱反演解析过程及方法，主要针对NaI (Tl)闪烁探测器能量分辨率低，正演解析过程及方法繁琐，并未考虑探测器与谱仪是否匹配、谱线中多特征参数的提取及放射源与Y能谱之间响应矩阵的构建等自上而下的关联问题，进而实现准确的放射性核素定性定量分析的目标。
[0005]为了达到上述目标，本发明提供了基于蒙卡(Monte Carlo)响应矩阵的低分辨率Y能谱反演解析过程，依据核素衰变释放Y光子形成仪器谱的物理过程，建立探测器的几何模型，运用蒙特卡洛方法模拟NaI (Tl)闪烁探测器对Y光子的响应函数，确定探测器响应函数中的全能峰，康普顿边缘，康普顿平台，反散射峰，逃逸峰等特征参数，通过综合仿真和插值算法在放射源与Y能谱之间构建一个蒙卡响应矩阵，结合Gold算法与改进的Boosted Gold算法，实现在该响应矩阵下反演解析其它被测样品的Y仪器谱；其特征是:Y仪器谱的解析过程包括仪器谱探测模块、探测器几何模型模块、模拟探测器响应函数模块、响应函数特征参数提取模块、蒙卡响应矩阵生成模块和反演解析模块。
[0006]所述仪器谱线探测模块，用于将输入的待测样品经NaI (Tl) Y探测谱仪探测后转换为Y仪器谱数据，确定探测器的几何参数，并将所获得的Y仪器谱数据及探测器几何参数分为两路输出，一路输出连接探测器几何模型模块，一路输出连接反演解析模块。
[0007]所述探测器几何模型模块，用于根据仪器谱线探测模块中的样品谱线中的全能峰，康普顿边缘，康普顿平台，反散射峰，逃逸峰等特征参数，并用另一输入标准源的探测器响应函数中全能峰，康普顿边缘，康普顿平台，反散射峰，逃逸峰等特征参数予以比对和校正，进而确定探测器的几何模型，使构建的探测器几何模型与被测样品谱线数据的测量条件和参数一致。同时，将几何模型参数输出连接至模拟探测器响应函数模块。
[0008]所述模拟探测器响应函数模块，用探测器响应函数来反映出全能峰，康普顿边缘，康普顿平台，反散射峰，逃逸峰等特征参数和能量的依赖关系，而解析结果的准确性依赖于向解析算法提供的响应矩阵。根据构建的探测器几何模型，采用蒙特卡洛模拟软件模拟探测器响应函数，输出连接至蒙卡响应矩阵生成模块。
[0009]所述响应函数特征参数提取模块，用于根据标准源的Y谱来提取该探测器响应函数的全能峰，康普顿边缘，康普顿平台，反散射峰，逃逸峰等特征参数，提取响应函数的特征参数后分两路输出:一路输出连接到探测器几何模型模块，另一路输出连接到蒙卡响应矩阵生成模块。
[0010]所述蒙卡响应矩阵生成模块，用于在放射源与Y仪器谱之间构建一个蒙卡响应矩阵，根据模拟探测器响应函数模块输入的谱线数据，通过内插值算法求出其它的响应函数，同时根据响应函数特征参数提取模块输入的全能峰，康普顿边缘，康普顿平台，反散射峰，逃逸峰等特征参数，生成蒙卡响应矩阵，输出连接到反演解析模块。
[0011]所述反演解析模块，用于根据蒙卡响应矩阵生成模块输入确定的响应矩阵下，通过反卷积方法解析仪器谱线探测模块输入的被测样品Y仪器谱线。输出为放射性核素定性定量分析的结果，其解析的结果为测量谱线在蒙卡响应矩阵下对应的能量点(即某个峰位的能量)或接近于理论上的物理谱线的解。
[0012]本发明所述一种基于蒙卡响应矩阵的低分辨率Y能谱反演解析方法，其特征步骤如下:
步骤1，采用低分辨率NaI (Tl)闪烁探测Y能谱仪，在测量条件和参数(包括探测器晶体直径Φ、探测器的分辨率7、探-源距&、源-样距&、铅室厚度//等)确定的情况下通过探测待测混合样品，得到待测混合样品的Y仪器谱线
5Φ)；
步骤2，从步骤4预先建立的标准源Y能谱响应函数的特征参数(S11，馬2，...D与步骤
I被测样品谱线的特征参数中选择既定的映射关系比对、校正，进而根据步骤I中实际测量条件和参数构建蒙卡模拟NaI (Tl)闪烁探测器的几何模型M ；步骤3，将步骤2得到的探测器几何模型M，采用MCNP蒙卡模拟软件，通过跟踪单个或多个光子的运动轨迹与反应过程，来实现对响应函数的模拟，得到光子在晶体探测器中的响应函数A Cr)；
步骤4，采用NaI (Tl)闪烁探测Y能谱仪，在与待测样品相同的测量条件下，测量标准源137Cs和6tlCo的Y能谱数据，并得到标准源Y能谱响应函数的特征参数(?.?....?)；
步骤5，将步骤3所得到模拟光子在晶体探测器中的单个响应函数A Cr)，在两条模拟的响应函数之间通过插值算法求出另一响应函数，同时，根据步骤4得到的标准源Y能谱响应函数的特征参数(Eu,En,…D修正，在50keV~3000keV能量区域内产生所有的响应函数
(AA--K),进而得到蒙卡响应矩阵Y;
步骤6，根据步骤5获得的蒙卡响应矩阵并借助解病态逆矩阵的Gold算法来反演解析步骤I测得的混合样品Y仪器谱线。
[0013]本发明的技术方案是构建在放射源与Y谱之间蒙卡响应矩阵，通过该响应矩阵来反演解析低分率NaI (TI)闪烁探测器测量的其它被测样品Y仪器谱。蒙卡响应矩阵解析方法省去了谱平滑、谱寻峰、本底扣除、重峰分解等一系列复杂的传统处理过程，解析得的结果是测量谱线在该响应矩阵下对应的能量点或接近于理论上的物理谱线的解，且该方法对谱线解析的能力提高了，为谱仪选取合适的探测器及研究能谱数据解析算法提供了理论依据。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为本发明实施例的系统结构框图。
[0015]图2为本发明实施例的方法流程图。 【具体实施方式】
[0016]以下结合【专利附图】
【附图说明】对本发明的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。
[0017]参见图1，本发明实施例提供的基于蒙卡(Monte Carlo)响应矩阵的低分辨率Y能谱反演解析过程，待测样品的Y仪器谱的解析过程包括仪器谱探测模块1、探测器几何模型模块2、模拟探测器响应函数模块3、响应函数特征参数提取模块4、蒙卡响应矩阵生成模块5、反演解析模块6。具体实施时可采用软件固化技术实现各个模块。
[0018]所述仪器谱线探测模块1，用于将输入的待测样品经NaI (Tl) Y探测谱仪探测后转换为Y仪器谱数据，确定探测器的几何参数，并将所获得的Y仪器谱数据及探测器几何参数分为两路输出，一路输出连接探测器几何模型模块2，一路输出连接反演解析模块6 ；
所述探测器几何模型模块2，用于根据仪器谱线探测模块I中的样品谱线中的全能峰，康普顿边缘，康普顿平台，反散射峰，逃逸峰等特征参数，并用另一输入标准源的探测器响应函数中全能峰，康普顿边缘，康普顿平台，反散射峰，逃逸峰等特征参数予以比对和校正，进而确定探测器的几何模型，使构建的探测器几何模型与被测样品谱线数据的测量条件和参数一致。同时，将几何模型参数输出连接至模拟探测器响应函数模块3。具体实施时，根据建立的几何模型对NaI (Tl)闪烁探测器点源137Cs进行模拟，在蒙卡模拟软件MCNP中，不直接对几何体进行描述，而是通过对围成该几何体的面进行描述来时实现几何体或几何体区域的定义。例如=MCNP输入文件的结构中的几何区域定义，曲面的几何位置，粒子在区域中的传输，包括源的位置、能量、能谱、方向等等，由于Y射线的吸收与散射，标准源谱线与物理谱线存在很大的差异，如果探测器响应函数不给予修正，那么从Y谱分析中获得的也是不准确的物理数据。因此，根据样品谱线的测量条件和标准源的测量参数进行比对校正，进而得到了蒙卡模拟NaI (Tl)闪烁探测器几何模型。为了和实验测量条件尽量接近，模拟计算模型中还包含闪烁晶体、反射层，包裹层以及光导(SiO2)。
[0019]所述模拟探测器响应函数模块3，用探测器响应函数来反映出全能峰，康普顿边缘，康普顿平台，反散射峰，逃逸峰等特征参数和能量的依赖关系，而解析结果的准确性依赖于向解析算法提供的响应矩阵。根据构建的探测器几何模型，采用蒙特卡洛模拟软件模拟探测器响应函数，输出连接至蒙卡响应矩阵生成模块5。具体实施时，根据Y能谱对应的能量沉积是跟踪大量Y源光子从产生到进入晶体探测器再到光子被吸收或逸出探测器的整个光子-电子输运过程。能量为A的光子从源发出，入射到探测器上，并在探测器内发生各种作用沉积能量。例如:从源S处发出能量为&的光子，入射到NaI (Tl)探测器上并在探测器晶体内发生各种相互作用，能量沉积，激发荧光，从而使探测器内沉积的能量激发出荧光引起幅度响应脉冲。因此，响应函数是描述入射光子能量与其引起的脉冲幅度之间关系的随机关系函数，进而反映出全能峰，康普顿边缘，康普顿平台，反散射峰，逃逸峰等特征参数和能量的依赖关系。
[0020]所述响应函数特征参数提取模块4，用于根据标准源的Y谱来提取该探测器响应函数的全能峰，康普顿边缘，康普顿平台，反散射峰，逃逸峰等特征参数，提取响应函数的特征参数后分两路输出:一路输出连接到探测器几何模型模块2，另一路输出连接到蒙卡响应矩阵生成模块5 ;实施例的计算过程为，在用蒙卡MCNP软件模拟时，沉积能量的计算是把每个源粒子事件在探测器中发生相互作用的能量沉积累积以后得到。考虑到谱仪系统分辨率，沉积能量的高斯展宽，其谱仪半宽度FWHM和射线能量&间的关系可以写成如下形式:
【权利要求】
1.一种基于蒙卡响应矩阵的低分辨率Y能谱反演解析过程，依据核素衰变释放Y光子形成仪器谱的物理过程，建立探测器的几何模型，运用蒙特卡洛方法模拟NaI (Tl)闪烁探测器对Y光子的响应函数，确定探测器响应函数中的特征参数，通过综合仿真和插值算法在放射源与Y能谱之间构建一个蒙卡响应矩阵，结合Gold算法与改进的Boosted Gold算法，实现在该响应矩阵下反演解析其它被测样品的Y仪器谱；其特征是:Y仪器谱的解析过程包括仪器谱探测模块、探测器几何模型模块、模拟探测器响应函数模块、响应函数特征参数提取模块、蒙卡响应矩阵生成模块和反演解析模块。
2.根据权利要求1所述的一种基于蒙卡响应矩阵的低分辨率Y能谱反演解析过程，其特征在于:所述仪器谱线探测模块，用于将输入的待测样品经NaI (Tl) Y探测谱仪探测后转换为Y仪器谱数据，确定探测器的几何参数，并将所获得的Y仪器谱数据及探测器几何参数分为两路输出，一路输出连接探测器几何模型模块，一路输出连接反演解析模块。
3.根据权利要求1所述的一种基于蒙卡响应矩阵的低分辨率Y能谱反演解析过程，其特征在于:所述探测器几何模型模块，用于根据仪器谱线探测模块中的样品谱线中的特征参数，并用另一输入标准源的探测器响应函数中特征参数予以比对和校正，进而确定探测器的几何模型，使构建的探测器几何模型与被测样品谱线数据的测量条件和参数一致；同时，将几何模型参数输出连接至模拟探测器响应函数模块。
4.根据权利要求1所述的一种基于蒙卡响应矩阵的低分辨率Y能谱反演解析过程，其特征在于:所述模拟探测器响应函数模块，用探测器响应函数来反映出特征参数和能量的依赖关系，而解析结果的准确性依赖于向解析算法提供的响应矩阵；根据构建的探测器几何模型，采用蒙特卡洛模拟软件模拟探测器响应函数，输出连接至蒙卡响应矩阵生成模块。
5.根据权利要求1所述的一种基于蒙卡响应矩阵的低分辨率Y能谱反演解析过程，其特征在于:所述响应函数特征参数提取模块，用于根据标准源的Y谱来提取该探测器响应函数的特征参数，提取响应函数的特征参数后分两路输出:一路输出连接到探测器几何模型模块， 另一路输出连接到蒙卡响应矩阵生成模块。
6.根据权利要求1所述的一种基于蒙卡响应矩阵的低分辨率Y能谱反演解析过程，其特征在于:所述蒙卡响应矩阵生成模块，用于在放射源与Y仪器谱之间构建一个蒙卡响应矩阵，根据模拟探测器响应函数模块输入的谱线数据，通过内插值算法求出其它的响应函数，同时根据响应函数特征参数提取模块输入的特征参数，生成蒙卡响应矩阵，输出连接到反演解析模块。
7.根据权利要求1所述的一种基于蒙卡响应矩阵的低分辨率Y能谱反演解析过程，其特征在于:所述反演解析模块，用于根据蒙卡响应矩阵生成模块输入确定的响应矩阵下，通过反卷积方法解析仪器谱线探测模块输入的被测样品Y仪器谱线；输出为放射性核素定性定量分析的结果，其解析的结果为测量谱线在蒙卡响应矩阵下对应的能量点或接近于理论上的物理谱线的解。
8.一种基于蒙卡响应矩阵的低分辨率Y能谱反演解析方法，其特征步骤如下: 步骤1，采用低分辨率NaI (Tl)闪烁探测Y能谱仪，在测量条件和参数确定的情况下通过探测待测混合样品，得到待测混合样品的Y仪器谱线________—y￥)；步骤2，从步骤4预先建立的标准源Y能谱响应函数的特征参数(S11,馬2，...D与步骤I被测样品谱线的特征参数(馬1;馬2，...中选择既定的映射关系比对、校正，进而根据步骤I中实际测量条件和参数构建蒙卡模拟NaI (Tl)闪烁探测器的几何模型M ； 步骤3，将步骤2得到的探测器几何模型M，采用MCNP蒙卡模拟软件，通过跟踪单个或多个光子的运动轨迹与反应过程，来实现对响应函数的模拟，得到光子在晶体探测器中的响应函数A Cr)；步骤4，采用NaI (Tl)闪烁探测Y能谱仪，在与待测样品相同的测量条件下，测量标准源137Cs或6tlCo的Y能谱数据，并得到标准源Y能谱响应函数的特征参数(A1J12,..AJ ； 步骤5，将步骤3所得到模拟光子在晶体探测器中的单个响应函数A Cr)，在两条模拟的响应函数之间通过插值算法求出另一响应函数，同时，根据步骤4得到的标准源Y能谱响应函数的特征参数(SlltEwiElxi)修正，在50ke疒3000keV能量区域内产生所有的响应函数im),进而得到蒙卡响应矩阵τ?; 步骤6，根据步骤5获得的蒙卡响应矩阵并借助解病态逆矩阵的Gold算法来反演解析步骤I测得的混合样品Y仪器谱线g`。
【文档编号】G01T1/00GK103853929SQ201410096908
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2014年3月17日 优先权日:2014年3月17日
【发明者】何剑锋, 杨耀宗, 瞿金辉, 徐宏坤, 叶志翔, 郑纲 申请人:东华理工大学
【专利摘要】本发明涉及一种基于蒙卡响应矩阵的低分辨率γ能谱反演解析过程及方法，解析过程包括仪器谱探测、建立探测器几何模型、模拟探测器响应函数、响应函数特征参数提取、蒙卡响应矩阵生成、反演解析,依据仪器谱形成的物理过程，建立探测器几何模型，运用蒙卡方法模拟NaI(Tl)闪烁探测器对γ光子的响应函数，确定响应函数的特征参数，并通过插值算法在放射源与γ谱之间构建蒙卡响应矩阵，结合Gold或Boosted-Gold算法，实现在该响应矩阵下反演解析其它被测样品γ仪器谱。应用本发明解析方法省去了谱平滑、寻峰、重峰分解等复杂处理过程，解析结果是待测谱线在该响应矩阵下接近于理论物理谱线的解，该方法对谱线解析的能力提高了。
【专利说明】一种基于蒙卡响应矩阵的低分辨率Y能谱反演解析过程
及方法【技术领域】
[0001]本发明涉及Y仪器谱解析【技术领域】，具体涉及一种基于蒙卡(Monte Carlo)响应矩阵的低分辨率Y能谱反演解析过程及方法。
【背景技术】
[0002]在国际原子能机构(IAEA)应用需求的推动下，放射性能谱测量仪已成为核设施等各种核辐射场所、核电站、防化部队、核应急与核查、反核恐怖必不可少的装备。针对机场、港口、海关、车站等大型公共场所，用于环境辐射检测、反核恐怖安检、辐射源清理及天然放射性核素信息探测等核技术应用场合。因此，研究Y能谱解析方法对满足谱仪市场需求、发展核探测与能谱测量技术具有广阔的应用情景和社会现实意义。
[0003]由于采用Y能谱仪获得的Y能谱分布与入射到Y探测器之前的Y射线原始谱分布是不同的。通常，把Y射线入射到探测器之前的原始能谱称为Y射线谱，把由Y能谱仪测得的Y能谱称 为Y仪器谱，而Y能谱解析正是针对Y仪器谱进行解析的。对于Y射线的能谱测量而言，Y仪器谱是复杂的Y谱。这是因为:首先，由于被测对象本身是多种放射性核素的混合样品，样品放出的Y射线谱是复杂的；其次，Y能谱测量系统受能量分辨本领的限制，尤其是受Y射线探测器的本征能量分辨本领的限制；再次，Y能谱测量系统的环境物体对Y射线的散射本底。相对于半导体探测器而言，NaI (Tl)闪烁探测器具有探测效率高、价格低廉等优势被广泛应用。但由于NaI (Tl)闪烁探测器的能量分辨率有限，使得能量相近的仪器谱峰相互重叠，导致寻峰困难；并且Y光子在NaI (Tl)晶体中产生康谱顿散射使谱线叠加了大量的低能成分，增加了低能区的Y射线总量，造成低能区的谱峰边界模糊，特别在高本底环境下，核素识别率较低甚至错判；进而在对核素种类较多、谱线较复杂样品进行解析时，相应的谱处理算法复杂度也显着增加。对于复杂Y仪器谱的解析，其传统关键技术主要包括谱线平滑、寻峰、峰边界确定、本底扣除、重峰分解、净峰面积求取及其活度计算等一系列正演解析过程与方法，由于正演解析过程及方法繁琐，并未考虑探测器与谱仪是否匹配、谱线中多特征参数的提取及放射源与Y能谱之间响应矩阵的构建等自上而下的关联问题，使其放射性核素定性定量分析结果与真实值存在较大差异。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供了一种基于蒙卡响应矩阵的低分辨率Y能谱反演解析过程及方法，主要针对NaI (Tl)闪烁探测器能量分辨率低，正演解析过程及方法繁琐，并未考虑探测器与谱仪是否匹配、谱线中多特征参数的提取及放射源与Y能谱之间响应矩阵的构建等自上而下的关联问题，进而实现准确的放射性核素定性定量分析的目标。
[0005]为了达到上述目标，本发明提供了基于蒙卡(Monte Carlo)响应矩阵的低分辨率Y能谱反演解析过程，依据核素衰变释放Y光子形成仪器谱的物理过程，建立探测器的几何模型，运用蒙特卡洛方法模拟NaI (Tl)闪烁探测器对Y光子的响应函数，确定探测器响应函数中的全能峰，康普顿边缘，康普顿平台，反散射峰，逃逸峰等特征参数，通过综合仿真和插值算法在放射源与Y能谱之间构建一个蒙卡响应矩阵，结合Gold算法与改进的Boosted Gold算法，实现在该响应矩阵下反演解析其它被测样品的Y仪器谱；其特征是:Y仪器谱的解析过程包括仪器谱探测模块、探测器几何模型模块、模拟探测器响应函数模块、响应函数特征参数提取模块、蒙卡响应矩阵生成模块和反演解析模块。
[0006]所述仪器谱线探测模块，用于将输入的待测样品经NaI (Tl) Y探测谱仪探测后转换为Y仪器谱数据，确定探测器的几何参数，并将所获得的Y仪器谱数据及探测器几何参数分为两路输出，一路输出连接探测器几何模型模块，一路输出连接反演解析模块。
[0007]所述探测器几何模型模块，用于根据仪器谱线探测模块中的样品谱线中的全能峰，康普顿边缘，康普顿平台，反散射峰，逃逸峰等特征参数，并用另一输入标准源的探测器响应函数中全能峰，康普顿边缘，康普顿平台，反散射峰，逃逸峰等特征参数予以比对和校正，进而确定探测器的几何模型，使构建的探测器几何模型与被测样品谱线数据的测量条件和参数一致。同时，将几何模型参数输出连接至模拟探测器响应函数模块。
[0008]所述模拟探测器响应函数模块，用探测器响应函数来反映出全能峰，康普顿边缘，康普顿平台，反散射峰，逃逸峰等特征参数和能量的依赖关系，而解析结果的准确性依赖于向解析算法提供的响应矩阵。根据构建的探测器几何模型，采用蒙特卡洛模拟软件模拟探测器响应函数，输出连接至蒙卡响应矩阵生成模块。
[0009]所述响应函数特征参数提取模块，用于根据标准源的Y谱来提取该探测器响应函数的全能峰，康普顿边缘，康普顿平台，反散射峰，逃逸峰等特征参数，提取响应函数的特征参数后分两路输出:一路输出连接到探测器几何模型模块，另一路输出连接到蒙卡响应矩阵生成模块。
[0010]所述蒙卡响应矩阵生成模块，用于在放射源与Y仪器谱之间构建一个蒙卡响应矩阵，根据模拟探测器响应函数模块输入的谱线数据，通过内插值算法求出其它的响应函数，同时根据响应函数特征参数提取模块输入的全能峰，康普顿边缘，康普顿平台，反散射峰，逃逸峰等特征参数，生成蒙卡响应矩阵，输出连接到反演解析模块。
[0011]所述反演解析模块，用于根据蒙卡响应矩阵生成模块输入确定的响应矩阵下，通过反卷积方法解析仪器谱线探测模块输入的被测样品Y仪器谱线。输出为放射性核素定性定量分析的结果，其解析的结果为测量谱线在蒙卡响应矩阵下对应的能量点(即某个峰位的能量)或接近于理论上的物理谱线的解。
[0012]本发明所述一种基于蒙卡响应矩阵的低分辨率Y能谱反演解析方法，其特征步骤如下:
步骤1，采用低分辨率NaI (Tl)闪烁探测Y能谱仪，在测量条件和参数(包括探测器晶体直径Φ、探测器的分辨率7、探-源距&、源-样距&、铅室厚度//等)确定的情况下通过探测待测混合样品，得到待测混合样品的Y仪器谱线
5Φ)；
步骤2，从步骤4预先建立的标准源Y能谱响应函数的特征参数(S11，馬2，...D与步骤
I被测样品谱线的特征参数中选择既定的映射关系比对、校正，进而根据步骤I中实际测量条件和参数构建蒙卡模拟NaI (Tl)闪烁探测器的几何模型M ；步骤3，将步骤2得到的探测器几何模型M，采用MCNP蒙卡模拟软件，通过跟踪单个或多个光子的运动轨迹与反应过程，来实现对响应函数的模拟，得到光子在晶体探测器中的响应函数A Cr)；
步骤4，采用NaI (Tl)闪烁探测Y能谱仪，在与待测样品相同的测量条件下，测量标准源137Cs和6tlCo的Y能谱数据，并得到标准源Y能谱响应函数的特征参数(?.?....?)；
步骤5，将步骤3所得到模拟光子在晶体探测器中的单个响应函数A Cr)，在两条模拟的响应函数之间通过插值算法求出另一响应函数，同时，根据步骤4得到的标准源Y能谱响应函数的特征参数(Eu,En,…D修正，在50keV~3000keV能量区域内产生所有的响应函数
(AA--K),进而得到蒙卡响应矩阵Y;
步骤6，根据步骤5获得的蒙卡响应矩阵并借助解病态逆矩阵的Gold算法来反演解析步骤I测得的混合样品Y仪器谱线。
[0013]本发明的技术方案是构建在放射源与Y谱之间蒙卡响应矩阵，通过该响应矩阵来反演解析低分率NaI (TI)闪烁探测器测量的其它被测样品Y仪器谱。蒙卡响应矩阵解析方法省去了谱平滑、谱寻峰、本底扣除、重峰分解等一系列复杂的传统处理过程，解析得的结果是测量谱线在该响应矩阵下对应的能量点或接近于理论上的物理谱线的解，且该方法对谱线解析的能力提高了，为谱仪选取合适的探测器及研究能谱数据解析算法提供了理论依据。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为本发明实施例的系统结构框图。
[0015]图2为本发明实施例的方法流程图。 【具体实施方式】
[0016]以下结合【专利附图】
【附图说明】对本发明的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。
[0017]参见图1，本发明实施例提供的基于蒙卡(Monte Carlo)响应矩阵的低分辨率Y能谱反演解析过程，待测样品的Y仪器谱的解析过程包括仪器谱探测模块1、探测器几何模型模块2、模拟探测器响应函数模块3、响应函数特征参数提取模块4、蒙卡响应矩阵生成模块5、反演解析模块6。具体实施时可采用软件固化技术实现各个模块。
[0018]所述仪器谱线探测模块1，用于将输入的待测样品经NaI (Tl) Y探测谱仪探测后转换为Y仪器谱数据，确定探测器的几何参数，并将所获得的Y仪器谱数据及探测器几何参数分为两路输出，一路输出连接探测器几何模型模块2，一路输出连接反演解析模块6 ；
所述探测器几何模型模块2，用于根据仪器谱线探测模块I中的样品谱线中的全能峰，康普顿边缘，康普顿平台，反散射峰，逃逸峰等特征参数，并用另一输入标准源的探测器响应函数中全能峰，康普顿边缘，康普顿平台，反散射峰，逃逸峰等特征参数予以比对和校正，进而确定探测器的几何模型，使构建的探测器几何模型与被测样品谱线数据的测量条件和参数一致。同时，将几何模型参数输出连接至模拟探测器响应函数模块3。具体实施时，根据建立的几何模型对NaI (Tl)闪烁探测器点源137Cs进行模拟，在蒙卡模拟软件MCNP中，不直接对几何体进行描述，而是通过对围成该几何体的面进行描述来时实现几何体或几何体区域的定义。例如=MCNP输入文件的结构中的几何区域定义，曲面的几何位置，粒子在区域中的传输，包括源的位置、能量、能谱、方向等等，由于Y射线的吸收与散射，标准源谱线与物理谱线存在很大的差异，如果探测器响应函数不给予修正，那么从Y谱分析中获得的也是不准确的物理数据。因此，根据样品谱线的测量条件和标准源的测量参数进行比对校正，进而得到了蒙卡模拟NaI (Tl)闪烁探测器几何模型。为了和实验测量条件尽量接近，模拟计算模型中还包含闪烁晶体、反射层，包裹层以及光导(SiO2)。
[0019]所述模拟探测器响应函数模块3，用探测器响应函数来反映出全能峰，康普顿边缘，康普顿平台，反散射峰，逃逸峰等特征参数和能量的依赖关系，而解析结果的准确性依赖于向解析算法提供的响应矩阵。根据构建的探测器几何模型，采用蒙特卡洛模拟软件模拟探测器响应函数，输出连接至蒙卡响应矩阵生成模块5。具体实施时，根据Y能谱对应的能量沉积是跟踪大量Y源光子从产生到进入晶体探测器再到光子被吸收或逸出探测器的整个光子-电子输运过程。能量为A的光子从源发出，入射到探测器上，并在探测器内发生各种作用沉积能量。例如:从源S处发出能量为&的光子，入射到NaI (Tl)探测器上并在探测器晶体内发生各种相互作用，能量沉积，激发荧光，从而使探测器内沉积的能量激发出荧光引起幅度响应脉冲。因此，响应函数是描述入射光子能量与其引起的脉冲幅度之间关系的随机关系函数，进而反映出全能峰，康普顿边缘，康普顿平台，反散射峰，逃逸峰等特征参数和能量的依赖关系。
[0020]所述响应函数特征参数提取模块4，用于根据标准源的Y谱来提取该探测器响应函数的全能峰，康普顿边缘，康普顿平台，反散射峰，逃逸峰等特征参数，提取响应函数的特征参数后分两路输出:一路输出连接到探测器几何模型模块2，另一路输出连接到蒙卡响应矩阵生成模块5 ;实施例的计算过程为，在用蒙卡MCNP软件模拟时，沉积能量的计算是把每个源粒子事件在探测器中发生相互作用的能量沉积累积以后得到。考虑到谱仪系统分辨率，沉积能量的高斯展宽，其谱仪半宽度FWHM和射线能量&间的关系可以写成如下形式:
【权利要求】
1.一种基于蒙卡响应矩阵的低分辨率Y能谱反演解析过程，依据核素衰变释放Y光子形成仪器谱的物理过程，建立探测器的几何模型，运用蒙特卡洛方法模拟NaI (Tl)闪烁探测器对Y光子的响应函数，确定探测器响应函数中的特征参数，通过综合仿真和插值算法在放射源与Y能谱之间构建一个蒙卡响应矩阵，结合Gold算法与改进的Boosted Gold算法，实现在该响应矩阵下反演解析其它被测样品的Y仪器谱；其特征是:Y仪器谱的解析过程包括仪器谱探测模块、探测器几何模型模块、模拟探测器响应函数模块、响应函数特征参数提取模块、蒙卡响应矩阵生成模块和反演解析模块。
2.根据权利要求1所述的一种基于蒙卡响应矩阵的低分辨率Y能谱反演解析过程，其特征在于:所述仪器谱线探测模块，用于将输入的待测样品经NaI (Tl) Y探测谱仪探测后转换为Y仪器谱数据，确定探测器的几何参数，并将所获得的Y仪器谱数据及探测器几何参数分为两路输出，一路输出连接探测器几何模型模块，一路输出连接反演解析模块。
3.根据权利要求1所述的一种基于蒙卡响应矩阵的低分辨率Y能谱反演解析过程，其特征在于:所述探测器几何模型模块，用于根据仪器谱线探测模块中的样品谱线中的特征参数，并用另一输入标准源的探测器响应函数中特征参数予以比对和校正，进而确定探测器的几何模型，使构建的探测器几何模型与被测样品谱线数据的测量条件和参数一致；同时，将几何模型参数输出连接至模拟探测器响应函数模块。
4.根据权利要求1所述的一种基于蒙卡响应矩阵的低分辨率Y能谱反演解析过程，其特征在于:所述模拟探测器响应函数模块，用探测器响应函数来反映出特征参数和能量的依赖关系，而解析结果的准确性依赖于向解析算法提供的响应矩阵；根据构建的探测器几何模型，采用蒙特卡洛模拟软件模拟探测器响应函数，输出连接至蒙卡响应矩阵生成模块。
5.根据权利要求1所述的一种基于蒙卡响应矩阵的低分辨率Y能谱反演解析过程，其特征在于:所述响应函数特征参数提取模块，用于根据标准源的Y谱来提取该探测器响应函数的特征参数，提取响应函数的特征参数后分两路输出:一路输出连接到探测器几何模型模块， 另一路输出连接到蒙卡响应矩阵生成模块。
6.根据权利要求1所述的一种基于蒙卡响应矩阵的低分辨率Y能谱反演解析过程，其特征在于:所述蒙卡响应矩阵生成模块，用于在放射源与Y仪器谱之间构建一个蒙卡响应矩阵，根据模拟探测器响应函数模块输入的谱线数据，通过内插值算法求出其它的响应函数，同时根据响应函数特征参数提取模块输入的特征参数，生成蒙卡响应矩阵，输出连接到反演解析模块。
7.根据权利要求1所述的一种基于蒙卡响应矩阵的低分辨率Y能谱反演解析过程，其特征在于:所述反演解析模块，用于根据蒙卡响应矩阵生成模块输入确定的响应矩阵下，通过反卷积方法解析仪器谱线探测模块输入的被测样品Y仪器谱线；输出为放射性核素定性定量分析的结果，其解析的结果为测量谱线在蒙卡响应矩阵下对应的能量点或接近于理论上的物理谱线的解。
8.一种基于蒙卡响应矩阵的低分辨率Y能谱反演解析方法，其特征步骤如下: 步骤1，采用低分辨率NaI (Tl)闪烁探测Y能谱仪，在测量条件和参数确定的情况下通过探测待测混合样品，得到待测混合样品的Y仪器谱线________—y￥)；步骤2，从步骤4预先建立的标准源Y能谱响应函数的特征参数(S11,馬2，...D与步骤I被测样品谱线的特征参数(馬1;馬2，...中选择既定的映射关系比对、校正，进而根据步骤I中实际测量条件和参数构建蒙卡模拟NaI (Tl)闪烁探测器的几何模型M ； 步骤3，将步骤2得到的探测器几何模型M，采用MCNP蒙卡模拟软件，通过跟踪单个或多个光子的运动轨迹与反应过程，来实现对响应函数的模拟，得到光子在晶体探测器中的响应函数A Cr)；步骤4，采用NaI (Tl)闪烁探测Y能谱仪，在与待测样品相同的测量条件下，测量标准源137Cs或6tlCo的Y能谱数据，并得到标准源Y能谱响应函数的特征参数(A1J12,..AJ ； 步骤5，将步骤3所得到模拟光子在晶体探测器中的单个响应函数A Cr)，在两条模拟的响应函数之间通过插值算法求出另一响应函数，同时，根据步骤4得到的标准源Y能谱响应函数的特征参数(SlltEwiElxi)修正，在50ke疒3000keV能量区域内产生所有的响应函数im),进而得到蒙卡响应矩阵τ?; 步骤6，根据步骤5获得的蒙卡响应矩阵并借助解病态逆矩阵的Gold算法来反演解析步骤I测得的混合样品Y仪器谱线g`。
【文档编号】G01T1/00GK103853929SQ201410096908
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2014年3月17日 优先权日:2014年3月17日
【发明者】何剑锋, 杨耀宗, 瞿金辉, 徐宏坤, 叶志翔, 郑纲 申请人:东华理工大学
相关技术
网友询问留言
已有0条留言
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！
1