[发明专利]一种基于高斯响应矩阵的NaI(TI)闪烁探测器γ能谱高分辨反演解析系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及γ仪器谱解析技术领域，具体涉及基于高斯响应矩阵的NaI(TI)闪烁探测器γ能谱高分辨反演解析过程及方法。

背景技术

γ射线的探测主要依赖于使γ光子与物质的相互作用，将全部或部分光子能量传递给探测器介质中的电子，该电子的最大能量等于入射γ光子的能量或与入射γ光子的能量成正比，而且将以任何其它类型快电子(如β粒子)的同一方式在探测器中慢化，并损失其能量。因此，γ射线的能量测量都是通过记录沉积在探测器中的能量来实现。显然，采用γ能谱仪获得的γ能谱分布与入射到γ探测器之前的γ射线原始谱分布是不同的。通常，把γ射线入射到探测器之前的原始能谱称为γ射线谱，把由γ能谱仪测得的γ能谱称为γ仪器谱，而γ能谱解析正是针对γ仪器谱进行解析的。

对于γ射线的能谱测量，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γ射线谱是复杂的；其次，γ能谱测量系统受能量分辨本领的限制，尤其是受γ射线探测器的本征能量分辨本领的限制；再次，γ能谱测量系统的环境物体对γ射线的散射本底。所以，γ仪器谱是复杂的γ能谱。对于γ射线探测器而言，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γ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γ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著增加。实际上，根本原因是一定能量的γ射线与物质相互作用时，由于康普顿散射与吸收使γ射线的谱成分发生了变化。对于复杂γ能谱解析，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过程与方法，从而得到各种射线的能量和计数率，确定样品的组成核素和含量，由于未考虑谱线多特征参数及放射源与γ能谱之间通用响应矩阵的构建等自上而下的关联问题，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

本发明针对NaI(Tl)闪烁探测器能量分辨率低，导致γ能谱测量中谱参数提取复杂的问题，提供了基于高斯响应矩阵的NaI(TI)闪烁探测器γ能谱反演解析过程及方法，从而实现更准确的放射性核素定性定量分析的目标。

为了达到上述目标，本发明提供了基于高斯响应矩阵的NaI(TI)闪烁探测器γ能谱高分辨反演解析过程，根据NaI(TI)闪烁探测器特征及成谱过程的物理特性可知，不同能量的γ光子在探测器中的响应对应光电峰的半高宽(FWHM)不同；而由能谱数据的统计特性知光电峰峰形可用高斯函数予以近似；因此，通过在放射源与γ能谱之间构建一个通用的高斯响应矩阵，来反演解析其它的γ仪器谱；γ仪器谱的解析过程包括谱线平滑滤波预处理模块、寻峰与峰边界处理模块、分辨率刻度模型模块、本底扣除模块、高斯响应矩阵生成模块、反演解析模块，其特征是：谱线平滑滤波预处理模块分别连接寻峰与峰边界处理模块和本底扣除模块，分辨率刻度模型模块分别连接本底扣除模块和高斯响应矩阵生成模块，本底扣除模块和高斯响应矩阵生成模块连接反演解析模块，反演解析模块连接寻峰与峰边界处理模块。

本发明所述谱线平滑滤波预处理模块，用于将输入的被测样品谱线数据，鉴于统计涨落较大的被测量谱线数据，首先考虑对谱线进行滤波平滑预处理后分两路输出，一路输出至寻峰与峰边界处理模块，另一路输出至本底扣除模块。

本发明所述寻峰与峰边界处理模块，用于谱线定性分析是根据准确计算并找出各谱峰的峰位和各验证峰的能量决定被测样品中是否存在某种核素；对于谱线的定量分析而言，特征峰边界的选取直接影响峰面积的计算，在有重峰或组合峰的情况下，还影响峰位的确定；根据谱线平滑滤波预处理模块输入的谱线数据，用常规方法确定峰位，然后根据反演解析模块输入的解析结果，计算并校正各谱峰的峰位和各验证峰的能量，同时确定特征峰的峰边界，并计算出谱峰面积，其输出为被测样品准确的定性定量分析结果。

本发明所述分辨率刻度模型模块，利用能量刻度中的单能γ射线源测得的全能峰，用高斯峰形函数拟合法求得峰的半高宽(FWHM)和能量分辨率，根据不同能量的γ光子在探测器中的响应对应光电峰的半高宽(FWHM)不同，且谱线的半宽高(FWHM)在不同能量处各不相同且与能量大小呈非线性关系，通过提取不同能量段所对应的全能峰的半高宽(FWHM)，一路输出至本底扣除模块，另一路输出给高斯响应矩阵生成模块。