便携式伽马能谱仪核素识别算法设计与实现

摘要

核素识别技术在材料分析鉴定、环境放射性检测、核设备的放射性检测和预防核恐怖主义事件发生等诸多方面有着广泛的应用。核素识别就是根据伽玛能谱所测的谱线信息确定材料或环境中放射性物质的种类与强度。本文选题来自于国家自然科学基金项目“地球和月球表面诱发伽玛辐射场及其地质响应研究”（项目编号:41374136）和国家863计划课题“高精度能谱探测仪器研发”(课题编号:2012AA061803)。根据国际原子能机构(International Atomic Energy Agency，IAEA)对便携式能谱仪的要求，针对NaI(Tl)和LaBr3(Ce)探测器自身的特点，对仪器谱光滑、寻找峰位、确定峰边界、本底扣除、求解峰面积以及能量刻度、效率刻度和全能峰函数拟合等几个关健技术进行分析、研究并测试，得到了较好的结果。
　　(1)利用最小二乘拟合和五点拟合光滑的方法对谱线进行拟合，达到了光滑速度快、效果好并保持原有峰型的特点。在寻峰方法上，导数法速度快、计算简单且适合计算机自动寻峰，并在原有导数法基础上，加入峰宽，边界阈值最小计数等附加条件来提高寻峰的精度与准确率。
　　(2)在原有SNIP算法的基础上对其进行改进，通过峰边界计数来动态决定窗宽，改进了SNIP能窗固定不变的缺点，并利用递减的方式来迭代计算，最后利用四阶滤波函数来代替原有的二阶滤波函数进行计算，使本底扣除率在95％以上。在计算净峰面积时，先判断其是单峰还是重叠峰，对于单峰，采用全能峰面积法计算峰面积。对于重峰，采取高斯拟合和改进型SNIP本底法与直线本底相结合的方式来计算峰面积，达到了减少计算量，加快计算速度快的优点并且不失准确度，结果证明误差可控制在8.9％(NaI(Tl))和3.7％(LaBr3(Ce))以内。
　　(3)通过在U、Th、K、天然本底和混合模型上对NaI(Tl)闪烁计数器便携式核素识别仪进行能量刻度，改进了仪器的能量线性度(好于0.9998);并利用Am-241确定仪器的能量探测下限为50keV;利用Cs-137测得探测器的计数探测下限为183.24(峰面积计数);利用Ra-226对仪器进行照射量率刻度（好于0.9997）。
　　(4)根据IAEA的标准，采取了一套利用特征峰的核素识别方法，该算法通过定性分析完成了IAEA对NaI便携式能谱仪要求的32种核素进行识别的要求。并在此基础上，通过加入定量分析实现了比IAEA的要求更广泛的核素范围与组合的识别，并采用最小二乘-逆矩阵法来进行解谱，极大地减少了运算步骤和次数，该算法在1s之内即可在移动端设备上计算出结果，算法适用于NaI(Tl)和LaBr3(Ce)闪烁计数器，具有较好的自适应性。
　　本文研究出了一套适用于NaI(Tl)和LaBr3(Ce)闪烁计数器便携式核素识别仪的核素识别算法，满足了IAEA核素识别的要求，并且对于不同的闪烁探测器，只要根据能量分辨率微调峰宽参数即可将算法嵌入到其它伽马射线探测器的核素识别仪上。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景

1．2．1 核素识别仪

1．2．2 核素识别主要方法

1．3 主要研究内容及结果

第2章 γ能谱仪的结构及测量原理

2．1 射线与物质相互作用

2．1 光电吸收

2．2 康普顿散射

2．3 电子对效应

2．2 闪烁探测器的工作原理

2．3 伽玛射线的仪器谱

第3章 γ射线仪器谱特征峰提取方法

3．1 仪器谱数据平滑方法选取

3．2 寻峰方法选取

3．2．1 导数寻峰法

3．2．2 寻峰阈值修正

3．3 改进型SNIP法

3．3．1 本底扣除

3．3．2 峰面积拟合

3．4 本章总结

第4章 核素识别技术与算法实现

4．1 稳谱

4．2 照射量率刻度

4．2．1 测量起始阈值

4．2．2 利用Ra-226进行照射量率刻度

4．3 能量刻度

4．3．1 能量刻度的定义

4．3．2 能量刻度的方法

4．3．3 能量刻度的检查

4．3．4 具体步骤

4．4 核素识别技术

4．4．1 仪器谱数据处理

4．4．2 基于特征峰的核素识别方法

4．4．3 核素库设计

4．4．4 核素活度求解

4．5 算法优化

4．6 算法实现软件操作步骤

4．7 本章总结

第5章 算法测试与效果评价

5．1 最小可探测活度

5．2 本底扣除效果评价

5．3 γ能谱拟合优度评价

5．4 核素识别算法测试

5．4．1 算法精确度测试

5．4．2 算法稳定性测试

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果