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一種基于高斯響應(yīng)矩陣的NaI(TI)閃爍探測(cè)器γ能譜高分辨反演解析過(guò)程及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于高斯響應(yīng)矩陣的NaI(TI)閃爍探測(cè)器γ能譜高分辨反演解析過(guò)程及方法，解析過(guò)程包括譜線預(yù)處理、尋峰與峰邊界處理、分辨率刻度、本底扣除、高斯響應(yīng)矩陣生成、反演解析。根據(jù)NaI(TI)閃爍探測(cè)器特征及成譜過(guò)程的物理特性，不同能量γ光子在探測(cè)器中的響應(yīng)對(duì)應(yīng)光電峰的半高寬不同，且光電峰峰形近似高斯函數(shù)。通過(guò)提取譜線的半高寬參數(shù)，然后自適應(yīng)半高寬扣除本底，構(gòu)建放射源與γ譜之間通用高斯響應(yīng)矩陣，最后用該響應(yīng)矩陣反演解析其它NaI(TI)閃爍探測(cè)器測(cè)量的γ儀器譜。應(yīng)用本發(fā)明方法解析的結(jié)果是測(cè)量譜線在該響應(yīng)矩陣下對(duì)應(yīng)的能量點(diǎn)或接近于理論上物理譜線的解，該方法對(duì)譜線解析能力明顯提高了。
【專利說(shuō)明】—種基于高斯響應(yīng)矩陣的Nal (Tl)閃爍探測(cè)器Y能譜高分辨反演解析過(guò)程及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及Y儀器譜解析【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及基于高斯響應(yīng)矩陣的NaI (TI)閃爍探測(cè)器Y能譜高分辨反演解析過(guò)程及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]Y射線的探測(cè)主要依賴于使Y光子與物質(zhì)的相互作用，將全部或部分光子能量傳遞給探測(cè)器介質(zhì)中的電子，該電子的最大能量等于入射Y光子的能量或與入射Y光子的能量成正比，而且將以任何其它類型快電子(如β粒子)的同一方式在探測(cè)器中慢化，并損失其能量。因此，Y射線的能量測(cè)量都是通過(guò)記錄沉積在探測(cè)器中的能量來(lái)實(shí)現(xiàn)。顯然，采用Y能譜儀獲得的Y能譜分布與入射到Y(jié)探測(cè)器之前的Y射線原始譜分布是不同的。通常，把Y射線入射到探測(cè)器之前的原始能譜稱為Y射線譜，把由Y能譜儀測(cè)得的Y能譜稱為Y儀器譜，而Y能譜解析正是針對(duì)Y儀器譜進(jìn)行解析的。
[0003]對(duì)于Υ射線的能譜測(cè)量，首先，由于被測(cè)對(duì)象本身是多種放射性核素的混合樣品，樣品放出的Y射線譜是復(fù)雜的；其次，Y能譜測(cè)量系統(tǒng)受能量分辨本領(lǐng)的限制，尤其是受Y射線探測(cè)器的本征能量分辨本領(lǐng)的限制；再次，Y能譜測(cè)量系統(tǒng)的環(huán)境物體對(duì)Y射線的散射本底。所以，Y儀器譜是復(fù)雜的Y能譜。對(duì)于Y射線探測(cè)器而言，NaI (Tl)閃爍探測(cè)器具有探測(cè)效率高、價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用。但由于NaI (Tl)閃爍探測(cè)器的能量分辨率有限，使得能量相近的儀器譜峰相互重疊，導(dǎo)致尋峰困難；并且Y光子在NaI (Tl)晶體中產(chǎn)生康譜頓散射使譜線疊加了大量的低能成分，增加了低能區(qū)的Y射線總量，造成低能區(qū)的譜峰邊界模糊，特別在高本底環(huán)境下，核素識(shí)別率較低甚至錯(cuò)判；進(jìn)而在對(duì)核素種類較多、譜線較復(fù)雜樣品進(jìn)行解析時(shí)，相應(yīng)的譜處理算法復(fù)雜度也顯著增加。實(shí)際上，根本原因是一定能量的Y射線與物質(zhì)相互作用時(shí)，由于康普頓散射與吸收使Y射線的譜成分發(fā)生了變化。對(duì)于復(fù)雜Y能譜解析，其傳統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)主要包括譜線平滑、尋峰、峰邊界確定、本底扣除、重峰分解、凈峰面積求取及其活度計(jì)算等一系列正演過(guò)程與方法，從而得到各種射線的能量和計(jì)數(shù)率，確定樣品的組成核素和含量，由于未考慮譜線多特征參數(shù)及放射源與Y能譜之間通用響應(yīng)矩陣的構(gòu)建等自上而下的關(guān)聯(lián)問(wèn)題，其放射性核素定性定量分析結(jié)果與真實(shí)值存在較大差異。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明針對(duì)NaI (Tl)閃爍探測(cè)器能量分辨率低，導(dǎo)致Y能譜測(cè)量中譜參數(shù)提取復(fù)雜的問(wèn)題，提供了基于高斯響應(yīng)矩陣的NaI (TI)閃爍探測(cè)器Y能譜反演解析過(guò)程及方法，從而實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的放射性核素定性定量分析的目標(biāo)。
[0005]為了達(dá)到上述目標(biāo)，本發(fā)明提供了基于高斯響應(yīng)矩陣的NaI (TI)閃爍探測(cè)器Y能譜高分辨反演解析過(guò)程，根據(jù)NaI (TI)閃爍探測(cè)器特征及成譜過(guò)程的物理特性可知，不同能量的Y光子在探測(cè)器中的響應(yīng)對(duì)應(yīng)光電峰的半高寬(FWHM)不同；而由能譜數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特性知光電峰峰形可用高斯函數(shù)予以近似；因此，通過(guò)在放射源與Y能譜之間構(gòu)建一個(gè)通用的高斯響應(yīng)矩陣，來(lái)反演解析其它的Y儀器譜；Y儀器譜的解析過(guò)程包括譜線平滑濾波預(yù)處理模塊、尋峰與峰邊界處理模塊、分辨率刻度模型模塊、本底扣除模塊、高斯響應(yīng)矩陣生成模塊、反演解析模塊，其特征是:譜線平滑濾波預(yù)處理模塊分別連接尋峰與峰邊界處理模塊和本底扣除模塊，分辨率刻度模型模塊分別連接本底扣除模塊和高斯響應(yīng)矩陣生成模塊，本底扣除模塊和高斯響應(yīng)矩陣生成模塊連接反演解析模塊，反演解析模塊連接尋峰與峰邊界處理模塊。
[0006]本發(fā)明所述譜線平滑濾波預(yù)處理模塊，用于將輸入的被測(cè)樣品譜線數(shù)據(jù)，鑒于統(tǒng)計(jì)漲落較大的被測(cè)量譜線數(shù)據(jù)，首先考慮對(duì)譜線進(jìn)行濾波平滑預(yù)處理后分兩路輸出，一路輸出至尋峰與峰邊界處理模塊，另一路輸出至本底扣除模塊。
[0007]本發(fā)明所述尋峰與峰邊界處理模塊，用于譜線定性分析是根據(jù)準(zhǔn)確計(jì)算并找出各譜峰的峰位和各驗(yàn)證峰的能量決定被測(cè)樣品中是否存在某種核素；對(duì)于譜線的定量分析而言，特征峰邊界的選取直接影響峰面積的計(jì)算，在有重峰或組合峰的情況下，還影響峰位的確定；根據(jù)譜線平滑濾波預(yù)處理模塊輸入的譜線數(shù)據(jù)，用常規(guī)方法確定峰位，然后根據(jù)反演解析模塊輸入的解析結(jié)果，計(jì)算并校正各譜峰的峰位和各驗(yàn)證峰的能量，同時(shí)確定特征峰的峰邊界，并計(jì)算出譜峰面積，其輸出為被測(cè)樣品準(zhǔn)確的定性定量分析結(jié)果。
[0008]本發(fā)明所述分辨率刻度模型模塊，利用能量刻度中的單能Y射線源測(cè)得的全能峰，用高斯峰形函數(shù)擬合法求得峰的半高寬(FWHM)和能量分辨率，根據(jù)不同能量的Y光子在探測(cè)器中的響應(yīng)對(duì)應(yīng)光電峰的半高寬(FWHM)不同，且譜線的半寬高(FWHM)在不同能量處各不相同且與能量大小呈非線性關(guān)系，通過(guò)提取不同能量段所對(duì)應(yīng)的全能峰的半高寬(FffHM), 一路輸出至本底扣除模塊，另一路輸出給高斯響應(yīng)矩陣生成模塊。
[0009]本發(fā)明所述本底扣除模塊，用于扣除眾多干擾因素在能量區(qū)間范圍內(nèi)造成的計(jì)數(shù)，根據(jù)譜線平滑濾波預(yù)處理模塊輸入的譜線數(shù)據(jù)，采用自適應(yīng)半高寬(FWHM)的全譜本底扣除方法確定本底，輸出到反演解析模塊。
[0010]本發(fā)明所述高斯響應(yīng)矩陣生成模塊，用于在放射源與Y譜之間構(gòu)建一個(gè)通用響應(yīng)矩陣，跟據(jù)NaI (Tl)閃爍體探測(cè)器對(duì)Y光子沖擊的響應(yīng)對(duì)應(yīng)的峰形可以用數(shù)學(xué)中的高斯函數(shù)來(lái)近似，針對(duì)不同能量區(qū)間的多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)源進(jìn)行刻度，根據(jù)分辨率刻度模型模塊輸入的譜線數(shù)據(jù)，采用自適應(yīng)半寬高FWHM生成高斯函數(shù)響應(yīng)矩陣，計(jì)算響應(yīng)矩陣中的各種譜特征參數(shù)，輸出到反演解析模塊。
[0011]本發(fā)明所述反演解析模塊，用高斯峰作為沖擊響應(yīng)通過(guò)反卷積解析對(duì)應(yīng)的Y儀器譜線；根據(jù)本底扣除模塊和高斯響應(yīng)矩陣生成模塊輸入的譜數(shù)據(jù)，計(jì)算譜線的特征參數(shù)，輸出連接至尋峰與峰邊界處理模塊，反演后進(jìn)一步校正峰位偏差，并對(duì)反演后的譜線確定峰邊界計(jì)算面積，實(shí)現(xiàn)放射性核素準(zhǔn)確的定性和定量分析。
[0012]本發(fā)明提供了基于高斯響應(yīng)矩陣的NaI (TI)閃爍探測(cè)器Y能譜高分辨反演解析方法，其特征步驟如下:
步驟1，對(duì)于譜數(shù)據(jù)平滑處理采用數(shù)字濾波器來(lái)完成，將被測(cè)樣品原始譜數(shù)據(jù)看成為噪聲(對(duì)應(yīng)譜數(shù)據(jù)中的統(tǒng)計(jì)漲落)和信號(hào)(對(duì)應(yīng)峰函數(shù)和本底函數(shù))的疊加；通過(guò)濾波函數(shù)與測(cè)量信號(hào)做卷積，將被測(cè)樣品譜線數(shù)據(jù)ifeia (i4)與高斯變換函數(shù)/(幻卷積滑動(dòng)變換后，得到平滑濾波處理后的譜線數(shù)據(jù)。
[0013]步驟2，將步驟I所得的譜線數(shù)據(jù)g經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單尋峰法確定峰位，將步驟6反演解
析的結(jié)果，計(jì)算并校正各個(gè)譜峰的峰位及對(duì)應(yīng)的能量，提出基于求解正規(guī)方程的附有權(quán)重因子?Τ的高斯函數(shù)線性最小二乘擬合的優(yōu)化方法實(shí)現(xiàn)邊界確定的問(wèn)題，進(jìn)而計(jì)算出譜峰面積。
[0014]步驟3，在相同規(guī)格的NaI (TI)閃爍探測(cè)器測(cè)得Y射線源的全能峰條件下，根據(jù)能量分辨率的平方與Y射線的能量滿足非線性關(guān)系:
【權(quán)利要求】
1.一種基于高斯響應(yīng)矩陣的NaI (TI)閃爍探測(cè)器Y能譜高分辨反演解析過(guò)程，通過(guò)在放射源與Y能譜之間構(gòu)建一個(gè)通用的高斯響應(yīng)矩陣，來(lái)反演解析其它的Y儀器譜；Y儀器譜的解析過(guò)程包括譜線平滑濾波預(yù)處理模塊、尋峰與峰邊界處理模塊、分辨率刻度模型模塊、本底扣除模塊、高斯響應(yīng)矩陣生成模塊、反演解析模塊，其特征是:譜線平滑濾波預(yù)處理模塊分別連接尋峰與峰邊界處理模塊和本底扣除模塊，分辨率刻度模型模塊分別連接本底扣除模塊和高斯響應(yīng)矩陣生成模塊，本底扣除模塊和高斯響應(yīng)矩陣生成模塊連接反演解析模塊，反演解析模塊連接尋峰與峰邊界處理模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于高斯響應(yīng)矩陣的NaI(TI)閃爍探測(cè)器Y能譜高分辨反演解析過(guò)程，其特征在于:所述譜線平滑濾波預(yù)處理模塊，用于將輸入的被測(cè)樣品譜線數(shù)據(jù)，鑒于統(tǒng)計(jì)漲落較大的被測(cè)量譜線數(shù)據(jù)，首先考慮對(duì)譜線進(jìn)行濾波平滑預(yù)處理后分兩路輸出，一路輸出至尋峰與峰邊界處理模塊，另一路輸出至本底扣除模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于高斯響應(yīng)矩陣的NaI(TI)閃爍探測(cè)器Y能譜高分辨反演解析過(guò)程，其特征在于:所述尋峰與峰邊界處理模塊，用于譜線定性分析，特征峰邊界的選取直接影響峰面積的計(jì)算，在有重峰或組合峰的情況下，還影響峰位的確定；根據(jù)譜線平滑濾波預(yù)處理模塊輸入的譜線數(shù)據(jù)，用常規(guī)方法確定峰位，然后根據(jù)反演解析模塊輸入的解析結(jié)果，計(jì)算并校正各譜峰的峰位和各驗(yàn)證峰的能量，同時(shí)確定特征峰的峰邊界，并計(jì)算出譜峰面積，其輸出為被測(cè)樣品準(zhǔn)確的定性定量分析結(jié)果。
4.根據(jù)權(quán)利要求所述I的一種基于高斯響應(yīng)矩陣的NaI(TI)閃爍探測(cè)器Y能譜高分辨反演解析過(guò)程，其特征在于:所述分辨率刻度模型模塊，利用能量刻度中的單能Y射線源測(cè)得的全能峰，用高斯峰形函數(shù)擬合法求得峰的半高寬和能量分辨率；根據(jù)不同能量的Y光子在探測(cè)器中的響應(yīng)對(duì)應(yīng)光電峰的半高寬不同，且譜線的半寬高在不同能量處各不相同且與能量大小呈非線性關(guān)系，通過(guò)提取不同能量段所對(duì)應(yīng)的全能峰的半高寬，一路輸出連接至本底扣除模塊，另一路輸出給高斯響應(yīng)矩陣生成模塊。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于高斯響應(yīng)矩陣的NaI(TI)閃爍探測(cè)器Y能譜高分辨反演解析過(guò)程，其特征在于:所述本底扣除模塊，用于扣除眾多干擾因素在能量區(qū)間范圍內(nèi)造成的計(jì)數(shù)，根據(jù)譜線平滑濾波預(yù)處理模塊輸入的譜線數(shù)據(jù)，采用自適應(yīng)半高寬的全譜本底扣除方法確定本底，輸出連接到反演解析模塊。
6.根據(jù)權(quán)利要求所述I的一種基于高斯響應(yīng)矩陣的NaI(TI)閃爍探測(cè)器Y能譜高分辨反演解析過(guò)程，其特征在于:所述高斯響應(yīng)矩陣生成模塊，用于在放射源與Y譜之間構(gòu)建一個(gè)通用響應(yīng)矩陣，跟據(jù)NaI (Tl)閃爍體探測(cè)器對(duì)Y光子沖擊的響應(yīng)對(duì)應(yīng)的峰形可以用數(shù)學(xué)中的高斯函數(shù)來(lái)近似，針對(duì)不同能量區(qū)間的多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)源進(jìn)行刻度，根據(jù)分辨率刻度模型模塊輸入的譜線數(shù)據(jù)，采用自適應(yīng)半寬高FWHM生成高斯函數(shù)響應(yīng)矩陣，計(jì)算響應(yīng)矩陣中的各種譜特征參數(shù)，輸出到反演解析模塊。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于高斯響應(yīng)矩陣的NaI(TI)閃爍探測(cè)器Y能譜高分辨反演解析過(guò)程，其特征在于:所述反演解析模塊，用高斯峰作為沖擊響應(yīng)通過(guò)反卷積解析對(duì)應(yīng)的Y儀器譜線；根據(jù)本底扣除模塊和高斯響應(yīng)矩陣生成模塊輸入的譜數(shù)據(jù)，計(jì)算譜線的特征參數(shù)，輸出連接至尋峰與峰邊界處理模塊，反演后進(jìn)一步校正峰位偏差，并對(duì)反演后的譜線確定峰邊界計(jì)算面積，實(shí)現(xiàn)放射性核素準(zhǔn)確的定性和定量分析。
8.一種基于高斯響應(yīng)矩陣的NaI (TI)閃爍探測(cè)器Y能譜高分辨反演解析方法，其特征步驟如下:步驟1，對(duì)于譜數(shù)據(jù)平滑處理采用數(shù)字濾波器來(lái)完成，將被測(cè)樣品原始譜數(shù)據(jù)看成為噪聲和信號(hào)的疊加，通過(guò)濾波函數(shù)與測(cè)量信號(hào)做卷積，將被測(cè)樣品譜線數(shù)據(jù)與高斯變換函數(shù)/(*)卷積滑動(dòng)變換后，得到平滑濾波處理后的譜線數(shù)據(jù)⑶;步驟2，將步驟I所得的譜線數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單尋峰法確定峰位，將步驟6反演解析的結(jié)果，計(jì)算并校正各個(gè)譜峰的峰位及對(duì)應(yīng)的能量，提出基于求解正規(guī)方程的附有權(quán)重因子抒的高斯函數(shù)線性最小二乘擬合的優(yōu)化方法實(shí)現(xiàn)邊界確定的問(wèn)題，進(jìn)而計(jì)算出譜峰面積；步驟3，在相同規(guī)格的NaI (TI)閃爍探測(cè)器測(cè)得Y射線源的全能峰條件下，根據(jù)能量分辨率的平方與Y射線的能量滿足非線性關(guān)系:
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種基于高斯響應(yīng)矩陣的NaI (TI)閃爍探測(cè)器Y能譜高分辨反演解析方法，其特征在于:式(I)中，S為能量分辨率，A為能量，F(xiàn)WHM為高斯函數(shù)的半高寬，a、仏c為刻度系數(shù)。
【文檔編號(hào)】G01T1/36GK103913764SQ201410061319
【公開日】2014年7月9日 申請(qǐng)日期:2014年2月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月24日
【發(fā)明者】何劍鋒, 楊耀宗, 瞿金輝, 徐宏坤, 何月順, 葉志翔 申請(qǐng)人:東華理工大學(xué)