CN108646284B - 一种γ能谱组合探测***及γ能谱测量方法 - Google Patents

一种γ能谱组合探测***及γ能谱测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种γ能谱组合探测***，该***通过将高能量分辨率探测器和高探测效率探测器进行组合，通过数据采集与处理模块，实现了不需要采用高成本或延长测量时间提高高能量分辨率探测器的计数，便能达到高能量分辨率和高探测效率的γ能谱测量；本发明还提供了应用该***进行γ能谱测量的方法，该方法以高能量分辨率探测器的峰位为基准，对高效率探测器能谱进行反褶积，从而计算出其全能峰面积，并通过全能峰面积计算核素活度水平，从而解决了现有技术的瓶颈问题。

Description

一种γ能谱组合探测***及γ能谱测量方法
技术领域
本发明属于核辐射探测技术领域，具体涉及一种由高能量分辨率和高探测效率探测器构成的、能同时实现高能量分辨率、高探测效率的γ能谱组合探测***及γ能谱测量方法。
背景技术
现有的对核素的γ能谱进行测量、获得核素种类和活度水平的方法，往往是使用核素探测器获得核素的γ能谱，之后从中读出γ射线的全能峰峰位，根据全能峰峰位对核素种类进行识别，以及从中读出γ射线的全能峰面积，根据全能峰面积得出核素的活度水平，其中，根据全能峰峰位对核素种类进行识别，要求探测器具有高能量分辨率，根据全能峰面积得到核素的活度水平，要求探测器具有较高的探测效率。探测器的能量分辨率越高，γ核素识别能力越强，探测效率越高，γ核素活度水平计算越精确，尤其是在对于低水平放射性水平测量时，这两个特点尤为重要，如果需要同时获取准确的核素种类和活度水平，则需要探测器不仅具有高能量分辨率，还需要有高的探测效率。
然而现有技术存在以下不足：高能量分辨率探测器本身探测效率不高，在做核素探测尤其是低放射性水平核素探测时，探测效率更是很难达到要求，为弥补这一不足，目前的方法是提高高能量分辨率探测器本身的效率，或者延长探测时间，然而，由于高能量分辨率探测器成本一般较高，提高其自身探测效率更是会大幅增加成本；通过延长探测时间不但会增加探测成本，而且很多场合中并不允许长时间探测，这两种方式目前都存在较大缺陷，无法满足放射性核素γ能谱探测，尤其是低放射性水平的核素探测的需要。
所以，提供一种既具有高能量分辨率、又具有高探测效率的探测***及测量方法，对于γ能谱测量具有重要意义。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种既具有高能量分辨率、又具有高探测效率的γ能谱探测***，该***通过将高能量分辨率探测器和高探测效率探测器进行组合，不需要采用高成本或延长测量时间提高高能量分辨率探测器的计数，便能同时达到高能量分辨率和高探测效率的γ能谱测量。本发明还提供了应用该***进行γ能谱测量的方法，该方法不需要通过高能量分辨率探测器读取全能峰面积，而是以高能量分辨率探测器的核素峰位为基准，对高效率探测器能谱进行反褶积，从而计算出其全能峰面积，并通过全能峰面积计算核素活度水平，从而解决了现有技术的问题。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种γ能谱组合探测***，包括高能量分辨率探测器、高探测效率探测器、数据采集处理模块、通讯模块、上位机，所述的高能量分辨率探测器、高探测效率探测器分别与数据采集处理模块相连接，数据采集处理模块与上位机之间通过通讯模块相连接；或：所述的数据采集处理模块安装在上位机中，所述的高能量分辨率探测器、高探测效率探测器分别与通讯模块相连接，通讯模块与上位机相连接，通过安装在上位机中的数据采集处理模块进行数据的采集和处理。
进一步地，所述的高探测效率探测器为一个或多个。
进一步地，所述的高能量分辨率探测器、高探测效率探测器通过第一模数转换器ADC、第二模数转换器ADC与数据采集处理模块或通讯模块相连接。
一种应用如上所述的γ能谱组合探测***的γ能谱测量方法，包括以下步骤：
(1)调整所述的γ能谱组合探测***中各个探测器各个探头的能量测量范围，使各个探测器能量测量范围趋于一致；
(2)当所述的γ能谱组合探测***中各个探测器的探测信号进入数据采集处理模块后，读取高能量分辨率探测器的核素峰位，并读取各个探测器的能量刻度结果，根据能量刻度结果进行融合，得到高效率能谱数据；
(3)以步骤(2)中读取到的高能量分辨率探测器测量的核素峰位为基准，对步骤(2)中融合得到的高效率能谱数据采用探测器响应矩阵进行反褶积，得到高探测效率探测器的γ能谱全能峰面积；
(4)通过高探测效率探测器的γ能谱全能峰面积得到核素的活度水平。
进一步地，在所述的步骤(4)之后，根据步骤(2)中所述的高效率能谱数据，通过G函数转换，得到剂量率及各个核素贡献的剂量率值。
进一步地，所述的G函数转换为：
设能谱的形式为N(E)，总的γ射线剂量D可用各道对应能量γ射线产生的计量Di进行累加求得，即：
Figure BDA0001661622020000031
N表示能谱道数，N(Ei)表示能量为Ei的道址所对应的计数，G(Ei)表示该道址所对应的G函数权重值；G函数的权重值采用最小二乘方法计算；由步骤(3)中的探测器响应函数矩阵与G函数相乘获得某一种核素贡献的剂量率。
进一步地，步骤(1)中所述的调整为通过调节高压和增益调节的方式。
进一步地，步骤(2)中所述的融合为通过能量刻度对应的道址计数相加。
进一步地，步骤(3)中所述的得到高探测效率探测器的γ能谱全能峰面积的方法为：
探测器测量的能谱M(E)可以用如下公式表述：
Figure BDA0001661622020000041
T(E0)为放射源释放的γ射线的真实能量分布，R(E,E0)为探测器的响应函数，E0为入射的γ射线能量，ε为随机电子噪声；
上式可以用矩阵方式来表示：
Figure BDA0001661622020000042
实际上，很难将电子噪声响应函数分开，所以上式可以表述为：
Figure BDA0001661622020000043
R'(E,E0)即为探测器响应函数矩阵；
构建完成探测器响应函数矩阵后，进行反褶积：将上述方程求解过程采用迭代算法逐次逼近实际原谱，迭代算法采用EM算法；
EM算法迭代公式：
Figure BDA0001661622020000044
Figure BDA0001661622020000051
加入松弛因子，得到全能峰面积为：
Figure BDA0001661622020000052
其中A＝R'(E,E0)，X＝T(E0)，B＝M(E)。
本发明具有以下技术效果：通过将高能量分辨率探测器和高探测效率探测器进行组合，并以高能量分辨率探测器的峰位为基准，对高效率探测器能谱进行反褶积，从而得到其全能峰面积，并通过全能峰面积得到核素活度水平，从而解决了现有技术的问题，不需要采用高成本提高高能量分辨率探测器的探测效率，在合理的成本和较短的测量时间的前提下，实现了同时能够达到高能量分辨率和高探测效率对放射性核素γ能谱进行测量的技术效果。
附图说明
图1为γ能谱组合探测***示意图；
图中：1-放射源，2-高能量分辨率探测器，3-第一数模转换器ADC，4-高探测效率探测器，5-第二数模转换器ADC，6-数据采集处理模块，7-通讯模块，8-上位机。
具体实施例
在本部分将结合附图和实施例对本发明做进一步的解释与说明：
实施例1
如图1所示，一种γ能谱组合探测***，包括高能量分辨率探测器2、高探测效率探测器4、数据采集处理模块6、通讯模块7、上位机8，所述的高能量分辨率探测器2、高探测效率探测器4分别通过第一模数转换器ADC3、第二模数转换器ADC5与数据采集处理模块6相连接，数据采集处理模块6与上位机8之间通过通讯模块7相连接。
通讯模块提供网络、RS232、485接口，也可以采用现有技术中的其他通讯接口。
为了提高全能峰面积计数率，在本实施例中所述的高探测效率探测器4为多个。
使用该***进行γ能谱测量的方法，包括以下步骤：
(1)调整探测器各个探头的能量测量范围，使各个探测器范围趋于一致；
具体为：将γ能谱组合探测***中的高能量分辨率探测器和一个或多个高探测效率探测器的探头的能量测量范围，通过调节高压和增益调节进行调整，使得各个探测器的范围趋于一致，所述的趋于一致是指采用现有可行的所有方法，使得测量范围尽可能地一致，调整后，更有利于下一步探测器能谱的合成。
(2)γ能谱组合探测***各个探测器的探测信号进入数据处理模块后，根据能量刻度结果进行融合；
具体为：启动探测器，获得探测信号，探测信号包括：分别用本***中的高能量分辨率探测器和高探测效率探测器探测得到的γ能谱。探测信号进入到数据处理模块，数据处理模块读取高能量分辨率探测器探测得到的γ能谱中的核素峰位，并对多个高探测效率探测器、高能量分辨率探测器探测得到的γ能谱，根据能量刻度结果进行融合，能量刻度通过数据处理模块进行处理后可直接得到，融合方法具体为通过能量刻度对应的道址计数相加。融合的目的是将多个谱计数全部累加到一个能谱中，即探测效率的累加，通过融合累加得到高效率能谱数据。
在上述的数据处理模块中，用于读取探测信号、读取核素峰位以及能量刻度等参数的软件可以用现有的任何能够满足要求的技术，例如奥泰克公司Gammavision32，堪培拉公司的Genius 2000。
(3)由于不同能量所对应的探测器响应函数矩阵不同，可根据核素峰位计算出其对应的探测器响应函数矩阵，因此，以步骤(2)中高能量分辨率探测器测量得到的核素峰位为基准，对步骤(2)中经过融合累加后得到的高效率能谱数据进行反褶积计算，得到高效率探测器γ能谱全能峰面积；
具体过程如下：
探测器测量的能谱M(E)可以用如下公式表述：
Figure BDA0001661622020000071
T(E0)为放射源释放的γ射线的真实能量分布，R(E,E0)为探测器的响应函数，E0为入射的γ射线能量，ε为随机电子噪声。
上式可以用矩阵方式来表示：
Figure BDA0001661622020000072
实际上，很难将电子噪声响应函数分开，所以上式可以表述为：
Figure BDA0001661622020000073
R'(E,E0)即为探测器响应函数矩阵。
构建完成探测器响应函数矩阵后，进行反褶积：将上述方程求解过程采用迭代算法逐次逼近实际谱，迭代算法采用EM算法。
EM算法迭代公式：
Figure BDA0001661622020000081
Figure BDA0001661622020000082
加入松弛因子，得到全能峰面积为：
Figure BDA0001661622020000083
其中A＝R'(E,E0)，X＝T(E0)，B＝M(E)。
(4)通过高效率探测器γ能谱全能峰面积计算测量对象的活度水平。计算方式采用现有的任何可行的解谱方式即可。
(5)根据步骤(2)中通过融合累加得到的高效率能谱数据，通过能谱剂量转换函数，即G函数转换，得到剂量率及各个核素贡献的剂量率值。具体为：
设能谱的形式为N(E)，总的γ射线剂量D可用各道对应能量γ射线产生的计量Di进行累加求得，即：
Figure BDA0001661622020000084
N表示能谱道数，N(Ei)表示能量为Ei的道址所对应的计数，G(Ei)表示该道址所对应的G函数权重值。
G函数的权重值采用最小二乘方法计算。
由步骤(3)中的探测器响应函数矩阵中某一核素的响应矩阵与G函数和面积相乘获得某一种核素贡献的剂量率。
实施例2
本实施例与实施例1相比，不同之处在于：一种γ能谱组合探测***，包括高能量分辨率探测器2、高探测效率探测器4、数据采集处理模块6、通讯模块7、上位机8，所述的数据处理模块6安装在上位机8中，所述的高能量分辨率探测器2、高探测效率探测器4分别通过第一模数转换器ADC3、第二模数转换器ADC5与通讯模块7相连接，通讯模块7与上位机8相连接，通过安装在上位机8中的数据采集处理模块6进行数据的采集和处理。

Claims (5)

1.一种应用γ能谱组合探测***的γ能谱测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)调整γ能谱组合探测***中各个探测器各个探头的能量测量范围，使各个探测器能量测量范围趋于一致；
(2)当γ能谱组合探测***中各个探测器的探测信号进入数据采集处理模块后，读取高能量分辨率探测器的核素峰位，并读取各个探测器的能量刻度结果，根据能量刻度结果进行融合，得到高效率能谱数据；所述的融合为通过能量刻度对应的道址计数相加；
(3)以步骤(2)中读取到的高能量分辨率探测器测量的核素峰位为基准，对步骤(2)中融合得到的高效率能谱数据采用探测器响应矩阵进行反褶积，计算高探测效率探测器的γ能谱全能峰面积；
(4)通过高探测效率探测器的γ能谱全能峰面积计算核素的活度水平。
2.如权利要求1所述的γ能谱测量方法，其特征在于：在所述的步骤(4)之后，根据步骤(2)中所述的高效率能谱数据，通过G函数转换，得到剂量率及各个核素贡献的剂量率值。
3.如权利要求2所述的γ能谱测量方法，其特征在于：所述的G函数转换为：
设能谱的形式为N(E),总的γ射线剂量D可用各道对应能量γ射线产生的计量Di进行累加求得，即：
Figure FDA0002641160630000011
N表示能谱道数，N(Ei)表示能量为Ei的道址所对应的计数，G(Ei)表示该道址所对应的G函数权重值；G函数的权重值采用最小二乘方法计算；由步骤(3)中的探测器响应函数矩阵与G函数相乘获得某一种核素贡献的剂量率。
4.如权利要求1或2或3所述的γ能谱测量方法，其特征在于：步骤(1)中所述的调整为通过调节高压和增益调节的方式。
5.如权利要求1或2或3所述的γ能谱测量方法，其特征在于：步骤(3)中所述的高探测效率探测器的γ能谱全能峰面积计算方法为：
探测器测量的能谱M(E)可以用如下公式表述：
Figure FDA0002641160630000021
T(E0)为放射源释放的γ射线的真实能量分布，R(E,E0)为探测器的响应函数，E0为入射的γ射线能量，ε为随机电子噪声；
上式可以用矩阵方式来表示：
Figure FDA0002641160630000022
实际上，很难将电子噪声响应函数分开，所以上式可以表述为：
Figure FDA0002641160630000023
R'(E,E0)即为探测器响应函数矩阵；
构建完成探测器响应函数矩阵后，进行反褶积：将上述公式求解过程采用迭代算法逐次逼近实际原谱，迭代算法采用EM算法；
EM算法迭代公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
加入松弛因子，得到全能峰面积为：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
其中A＝R'(E,E0)，X＝T(E0)，B＝M(E)。
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