CN104777509A - 基于能谱重构技术的航空γ能谱仪稳谱方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于能谱重构技术的航空γ能谱仪稳谱方法，其特征在于，在实验室内获得NaI γ能谱仪测得的不同温度下、各能量入射γ射线的特征峰峰位道址相对于基准温度下对应能量入射γ射线的特征峰峰位道址的变化率与温度的线性关系并将其作为基准参照系，结合基准温度下实测的能量非线性规律，将不同温度下、不同能量入射γ射线产生的脉冲幅度校正到基准温度下与规定能量线性相应的脉冲幅度；在设定的测量时间间隔内将校正后的脉冲幅度按规定脉冲幅度间隔分类计数，获得成能量线性的重构能谱。避免了谱漂引起每个NaI γ能谱仪测量能量范围不一致、能量非线性引起单参考点无法对全测量能量范围内各能量进行稳谱和稳谱操作的延迟性等问题。

Description

基于能谱重构技术的航空γ能谱仪稳谱方法

技术领域

本发明涉及航空能谱勘探仪器研发技术，具体地指一种基于能谱重构技术的航空γ能谱仪稳谱方法。

背景技术

航空物探实质是将航空飞行器作为运载工具，装载地球物理探测仪器在空中完成地球物理信息采集的方法。航空能谱勘探是获取地球放射性场信息的一种航空物探方法。因在120m飞行高度上，小立体角探测范围内存在的γ射线本身很少，且测量时间间隔短(0.5s或1s)，所以高探测效率的NaI γ谱仪被国内外专家作为航空能谱勘探设备的首选—航空γ能谱仪。为提高探测准确性，必须增加有效探测计数，现行方法是增加探测面，即用多个NaI γ谱仪并行构成一个探测矩阵，最终获取到的航空γ能谱(合并谱)由各个NaI γ谱仪探测到的能谱线性叠加而成。

获得高质量的合并谱的前提是：①每个NaI γ能谱均稳定在相同的能量范围内，不存在谱线漂移；②每个NaI γ谱仪的能量线性度一致，所测得的能谱伸缩度一致。但由于NaI晶体、光电倍增管、电路中所使用的电子器件等受到温度、电压等因素的影响，导致能谱发生漂移。研究者起初采用内置恒温稳谱器的方式降低温度对能谱漂移的影响。之后在探测器中内置一个能量远离待测能区的人工放射源(如²⁴¹Am)的方法，用参考能量峰位道址的相对变化调节可编程放大器的增益来稳定该参考源的特征γ射线峰位道址以达到稳定整个待测能区的目的。但内置放射源带来一定的安全隐患，且参考源的特征γ射线峰能量分辨率差使得稳谱精度不够，转而采用LED代替放射源进行稳谱，但该方法忽略了NaI晶体本身的影响。目前多直接采用所测航空γ能谱中的天然放射性核素特征峰(如⁴⁰K的1.46MeV)作为参考能量进行稳谱。可以看出，上述方法均在用单能量谱漂校正。但由于NaI探头存在能量非线性且各异，必定会导致各NaI γ谱仪所测能谱中内仅参考能量峰道址相同，参考能量峰前后特征峰峰位道址均有不同程度的移位，甚至大到使合并谱发生畸变，影响测量结果的精度。

虽然有专家提出采用离线多能量点非线性插值谱漂校正方法，但仅对合成谱进行校正，忽略前提②，稳谱效果难以保证。同时，现行的稳谱方法均根据上次测量结果来对下次测量进行稳谱，具有延时性，在外界环境条件剧烈变化时常会产生畸变γ能谱输出。

发明内容

本发明的目的在于克服上述背景技术的不足之处，提出一种基于能谱重构技术的航空NaI γ能谱仪稳谱方法，核心在于实时对航空γ谱仪内每个NaI γ谱仪采样脉冲幅度进行校正，以重构成基准温度下成统一能量线性的输出能谱。

本发明通过以下技术方案对航空γ能谱仪每个NaI γ谱仪进行实时能谱重构，将等时间间隔内每个NaI γ谱仪重构后的输出谱线中相同道址上对应的计数相加，以实现对航空γ能谱仪的稳谱。即：在实验室内获得NaI γ能谱仪测得的不同温度下、各能量入射γ射线的特征峰峰位道址相对于基准温度下对应能量入射γ射线的特征峰峰位道址的变化率与温度的线性关系并将其作为基准参照系，结合基准温度下实测的能量非线性规律，将不同温度下、不同能量入射γ射线产生的脉冲幅度校正到基准温度下与规定能量线性相应的脉冲幅度；在设定的测量时间间隔内将校正后的脉冲幅度按规定脉冲幅度间隔分类计数，获得成能量线性的重构能谱。

对航空γ能谱仪每个NaI γ谱仪进行能谱重构的技术方案包括以下步骤：

确定设定基准温度下NaI γ能谱仪的能量刻度曲线，分段线性插值或二次多项式；

确定NaI γ能谱仪测得的不同探测器温度下任意能量特征γ射线峰位道址相对该能量特征γ射线在基准温度下峰位道址的变化率与探测器温度所成的同一线性规律，即峰位道址相对变化率--温度线性规律；

设定航空γ能谱仪测量能量范围、总道址数和每道所表征的脉冲幅度间隔；

根据探头当前温度，利用上述能量刻度曲线和峰位道址相对变化率--温度线性规律将NaI γ能谱仪内数字核信号处理模块分析获取的当前脉冲幅度进行校正到基准温度下按设定的能量线性分布的脉冲幅度，再将校正后的脉冲幅度按设定脉冲幅度间隔分类计数，得到设定时间间隔内NaI γ能谱仪重构后的输出能谱。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、依据探测器温度值对整个测量能区进行稳谱，避免前后特征峰发生位移；

2、将每个NaI γ能谱仪输出能谱重建为成统一能量线性的输出能谱，避免能量非线性不一致引起合成谱畸变；

3、实时稳谱，规避以往延迟稳谱的缺陷。

附图说明

图1为本发明稳谱方法技术方案框图；

图2为本发明实施例1在20℃的基准温度下A号NaI γ能谱仪测定²⁴¹Am、¹³⁷Cs、⁶⁰Co、¹⁵²Eu、⁴⁰K、铀系平衡源和钍系平衡源获得的能量刻度曲线图；

图3为本发明实施例1在-20～50℃温度下A号NaI γ能谱仪测得的²⁴¹Am、¹³⁷Cs、⁶⁰Co、⁴⁰K、铀系平衡源和钍系平衡源的特征γ射线峰峰位道址相对基准温度下同能量峰位道址变化率与温度的关系图；

图4为本发明实施例1中3个NaI γ能谱仪组成的航空γ能谱仪在40℃温度环境下测量土壤γ放射性模拟源获得的重构前3个NaI γ能谱仪输出能谱以及重构前、后航空γ能谱仪输出能谱。

图中标号说明：

图2中：a是A号NaI γ能谱仪实测不同能量特征γ射线对应峰位道址，b.是A号NaI γ能谱仪实测能量刻度拟合曲线，c是设定的航空γ能谱仪能量线性规律；

图3中：d.是1460.83keV特征γ射线峰峰位道址随温度相对变化率，e.是1764.494keV特征γ射线峰峰位道址随温度相对变化率，f是1332.501keV特征γ射线峰峰位道址随温度相对变化率，g.是2614.533keV特征γ射线峰峰位道址随温度相对变化率，h.是1173.237keV特征γ射线峰峰位道址随温度相对变化率，i.是59.5412keV特征γ射线峰峰位道址随温度相对变化率，j是661.657keV特征γ射线峰峰位道址随温度相对变化率，k.是峰位道址相对变化率--温度关系拟合直线

图4中：l.是40℃下B号NaI γ能谱仪重构前输出谱线，m是40℃下A号NaIγ能谱仪重构前输出谱线，n是40℃下C号NaI γ能谱仪重构前输出谱线，o是40℃下航空γ能谱仪重构前输出谱线，p.是40℃下航空γ能谱仪重构后输出谱线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的描述，然而本发明的范围并不限于下述实施例。

实施例1：

如图1所示，为基于能谱重构技术的航空γ能谱仪稳谱方法，该方法包括以下步骤：

根据数字化NaI γ能谱仪的制作方法，仪器内对数字核信号处理模块获取的脉冲幅度进行等间隔分类计数获得输出能谱。设置航空γ能谱仪内每个NaI γ能谱仪脉冲幅度分类间隔为△V，那么道址CN与脉冲幅度V的关系为

V＝△V×(CN-1/2)       (1)

如设置航空γ能谱仪△V＝1.625mV，那么道址CN与脉冲幅度V的函数关系为V＝1.625×CN+0.8125。

设置航空γ能谱仪内每个NaI γ能谱仪测量能量范围为0-E_maxkeV，总道址数为ZN，按能量线性分布时每道的能量间隔为M＝E_max/ZN，则

E＝M×CN      (2)

如设置E_max＝3072keV和ZN＝256，则M＝12keV。

步骤10在恒定基准温度环境下测量获得重构前的航空γ能谱仪内每个NaI γ能谱仪的能量刻度曲线(采用的能量点越多越精细)

E＝a+b×CN+c×CN²    (3)

图2显示基准温度为20℃时A号NaI γ能谱仪测定²⁴¹Am、¹³⁷Cs、⁶⁰Co、¹⁵²Eu、⁴⁰K、铀系平衡源和钍系平衡源获得的能量刻度曲线E＝a_A+b_A×CN+c_A×CN²＝26.4857406988881+7.96908344508316×CN+0.0142839399985244×CN²。

步骤20在可控恒温箱内测量不同温度T下重构前的每个NaI γ能谱仪所测能量为E特征峰峰位道址CN^E _T相对基准温度下能量为E特征峰峰位道址CN^E ₂₀的变化率CY^E＝CN^E _T/CN^E ₂₀与温度T的关系图。在多种能量下拟合得到一个与入射射线能量E无关的函数

CY＝CN^E _T/CN^E ₂₀＝r_i×T+s_i        (4)

图3显示²⁴¹Am、¹³⁷Cs、⁶⁰Co、⁴⁰K、铀系平衡源和钍系平衡源在-20～50℃温度下A号NaI γ能谱仪测得的特征峰峰位道址相对20℃时的峰位道址变化率与温度的关系为CY_A＝r^A _i×T+s^A _i＝-0.00250688739433×T+1.05064399361102。

步骤30结合(1)、(2)、(3)和(4)式，将每个NaI γ能谱仪内数字核信号处理模块获取到的一个脉冲信号幅度依对应探测器内该脉冲最大幅度时刻的温度值T_f，将其校正成20℃下按(2)式能量线性分布的脉冲幅度。如在T_f温度下A号NaI γ能谱仪获取到一个脉冲信号幅度V_A被校正成20℃下按能量线性分布的脉冲幅度V’_A，如下式

$V_A^{\′}=\mathrm{\ΔV}\left\{\right[a_A+b_A\frac{V_A+0.5\mathrm{\ΔV}}{\mathrm{\ΔV}({r_i}^A\·T_f+s_I^A)}{c}_A{\left(\frac{V_A+0.5\mathrm{\ΔV}}{\mathrm{\ΔV}({r_i}^A\·T_f+s_i^A)}\right)}^2]/M-0.5\}---\left(5\right)$

步骤40将校正后的脉冲幅度按(1)式分类计数(如△V·(J-1)<V’_A<△V·J成立那么第J道的计数加1)，则在测量时间t秒内可得到每个NaI γ能谱仪各道上的累积计数分布，即重构后输出能谱。

在所设定的相同时间间隔内，将每个NaI γ能谱仪重构后的输出能谱中相同道址上对应的计数相加，得到重构后航空γ能谱仪的输出能谱。

用A、B和C号共3个NaI γ能谱仪组成一套航空γ能谱仪在40℃的环境温度下测量土壤γ放射性模拟源(⁴⁰K、铀系平衡与钍系平衡混合源)，获得每个NaI γ能谱仪重构前输出能谱以及航空γ能谱仪重构前、后的输出能谱。从图4结果可以看出：未重建前各个NaI γ能谱仪能量非线性程度各异，导致合并谱出现严重畸变(如2.62MeV的特征峰出现了3重峰特征)；通过本发明方法获得航空γ能谱仪重构后的输出能谱与各个NaI γ能谱仪输出谱线具有相同的特征，未产生畸变且能量-道址间成线性规律。

本发明涉及的所有参数符号的具体含义为：

△V：航空γ能谱仪内每个NaI γ能谱仪脉冲幅度分类间隔；

V：与CN道中心对应的脉冲幅度值；

CN：当前道址；

ZN：设定的航空γ能谱仪总道址数；

E_max：设定的航空γ能谱仪输出能谱对应的最大入射γ射线能量；

M：设定的航空γ能谱仪每道对应的入射γ射线能量间隔；

t：设定的航空γ能谱仪单次能谱测量时间；

E：当前入射γ射线能量；

a、b、c：能量刻度二次曲线方程系数；

a_A、b_A、c_A：A号NaI γ能谱仪能量刻度二次曲线方程系数；

CN^E _T：温度T下能量为E的入射γ射线特征峰峰位道址；

CN^E ₂₀：基准温度下能量为E的入射γ射线特征峰峰位道址；

CY^E：温度T下能量为E的入射γ射线特征峰峰位道址相对基准温度下能量为E的入射γ射线特征峰峰位道址的变化率；

CY：不同探测器温度下任意能量特征γ射线峰位道址相对该能量特征γ射线在基准温度下峰位道址的变化率，即峰位道址相对变化率；

CY_A：A号NaI γ能谱仪峰位道址相对变化率；

r_i、s_i：峰位道址相对变化率与探测器温度线性关系函数参数；

r^A _i、s^A _i：A号NaI γ能谱仪峰位道址相对变化率与探测器温度线性关系函数参数；

T_f：与脉冲最大幅度时刻对应的探测器温度值；

T：探测器当前温度；

J：道址序号，即第J道；

V_A：A号NaI γ能谱仪内数字核信号处理模块获取的当前脉冲的幅度值；

V’_A：A号NaI γ能谱仪内数字核信号处理模块获取的当前脉冲的幅度校正值。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于能谱重构技术的航空γ能谱仪稳谱方法，其特征在于对航空γ能谱仪内所有NaIγ能谱仪采用如下能谱重构技术：在实验室内获得NaIγ能谱仪测得的不同温度下、各能量入射γ射线的特征峰峰位道址相对于基准温度下对应能量入射γ射线的特征峰峰位道址的变化率与温度的线性关系并将其作为基准参照系，结合基准温度下实测的能量非线性规律，将不同温度下、不同能量入射γ射线产生的脉冲幅度校正到基准温度下与规定能量线性相应的脉冲幅度；在设定的测量时间间隔内将校正后的脉冲幅度按规定脉冲幅度间隔分类计数，获得成能量线性的重构能谱；将航空γ能谱仪内所有NaIγ能谱仪重构后的输出能谱中相同道址上对应的计数相加，获得重构后航空γ能谱仪输出能谱。

2.根据权利要求1所述的一种基于能谱重构技术的航空γ能谱仪稳谱方法，其特征在于对航空γ能谱仪内每个NaIγ能谱仪采用如下相同的稳谱方法，

(1)确定基准温度下NaIγ能谱仪的能量刻度曲线，分段线性插值或二次多项式；

(2)确定NaIγ能谱仪测得的不同探测器温度下任意能量特征γ射线峰位道址相对该能量特征γ射线在基准温度下峰位道址的变化率与探测器温度所成的同一线性规律；

(3)设定航空γ能谱仪测量能量范围、总道址数和每道所表征的脉冲幅度间隔；

(4)根据探头当前温度，以能量线性规律为基准，利用(1)和(2)获得的的函数关系作为基准参考系、结合(3)内设定值将NaIγ能谱仪内数字核信号处理模块分析获取的当前脉冲幅度进行校正到基准温度下按能量线性分布的脉冲幅度，再将校正后设定时间间隔内的所有脉冲幅度按(3)设定的脉冲幅度间隔分类计数得到重构后的NaIγ能谱仪输出能谱。

3.根据权利要求1所述的一种基于能谱重构技术的航空γ能谱仪稳谱方法，其特征在于，

①根据数字化NaIγ能谱仪的制作方法，仪器内对数字核信号处理模块获取的脉冲幅度进行等间隔分类计数获得输出能谱；设置航空γ能谱仪内每个NaIγ能谱仪脉冲幅度分类间隔为△V，那么道址CN与脉冲幅度V的关系为

V＝△V×(CN-1/2)          (1)

设置航空γ能谱仪内每个NaIγ能谱仪测量能量范围为0-E_maxkeV，总道数为ZN，按能量线性分布时每道的能量间隔为M＝E_max/ZN，则

E＝M×CN            (2)

②在恒定基准温度环境下测量获得重构前的航空γ能谱仪内每个NaIγ能谱仪的能量刻度曲线

E＝a+b×CN+c×CN²          (3)

③在可控恒温箱内测量不同温度T下重构前的每个NaIγ能谱仪所测能量为E特征峰峰位道址CN^E _T相对基准温度下能量为E特征峰峰位道址CN^E ₂₀的变化率CY^E＝CN^E _T/CN^E ₂₀与温度T的关系图；在多种能量下拟合得到一个与入射射线能量E无关的函数

CY＝CN^E _T/CN^E ₂₀＝r_i×T+s_i      (4)

④结合(1)、(2)、(3)和(4)式，将每个NaIγ能谱仪内数字核信号处理模块获取到的一个脉冲信号幅度依对应探头内该脉冲最大幅度时刻的温度值T_f，将其校正成20℃下按(2)式能量线性分布的脉冲幅度；如在T_f温度下A号NaIγ能谱仪获取到一个脉冲信号幅度V_A被校正成20℃下按能量线性分布的脉冲幅度V’_A，如下式

$V_A^{\&prime;}=\mathrm{\&Delta;V}\left\{\right[a_A+b_A\frac{V_A+0.5\mathrm{\&Delta;V}}{\mathrm{\&Delta;V}({r_i}^A\&CenterDot;T_f+s_i^A)}+c_A{\left(\frac{V_A+0.5\mathrm{\&Delta;V}}{\mathrm{\&Delta;V}({r_i}^A\&CenterDot;T_f+s_i^A)}\right)}^2]/M-0.5\}---\left(5\right)$

⑤将校正后的脉冲幅度按(1)式分类计数，如△V·(J-1)<V’_A<△V·J成立那么第J道的计数加1，则在测量时间t秒内可得到每个NaIγ能谱仪各道上的累积计数分布，即每个NaIγ能谱仪重构后输出能谱；

在所设定的相同时间间隔内，将每个NaIγ能谱仪重构后的输出能谱中相同道址上对应的计数相加，得到重构后航空γ能谱仪的输出能谱。