CN109740279B - 一种特征频率谱库的电可控中子伽马能谱解析方法 - Google Patents

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本发明公开一种特征频率谱库的电可控中子伽马能谱解析方法，其步骤：探测器响应函数的建立，单元素特征伽马谱库的计算，单元素特征频率谱库的建立，电可控中子伽马能谱最小二乘拟合。本发明的优点在于：采用模拟计算大大降低了单元素特征伽马谱库的实验成本。采用快速傅里叶变化将伽马谱库转化成单元素特征频率谱库，利用幅度与频率的函数提高了元素特征信息的识别度，能够显著提高电可控中子伽马能谱解析精度，克服传统伽马能谱统计性差、各元素特征峰信息不明显、传统能窗谱分析方法准确性差等难题。

Description

一种特征频率谱库的电可控中子伽马能谱解析方法
技术领域
本发明涉及核测井中电可控中子伽马分析技术领域，涉及核技术，尤其是一种伽马能谱解析方法。
背景技术
核测井中，采用电可控中子源已成为一种趋势，它有其它分析技术所不具有的很多优点，由于中子不带电，具有极强的穿透能力，尤其是中子与物质发生核反应时，在非常短的时间内(10-14秒内)发出特征伽马射线，从而来地层的主要成分含量。近年来，基于电可控中子伽马测井技术的发展。而对伽马能谱解析是其中关键技术，目前所采取的主要分析方法为能窗法。
核测井中电可控中子伽马能谱是由电可控中子管发射的中子与样品中元素发生核反应后释放的伽马射线被能谱仪收集、放大及数字化后得到，目前电可控中子管产生的中子通量相对较低，在用于测井得到的伽马能谱统计性差、各元素特征峰信息不明显、传统能窗谱分析方法准确性差。因而，现如今急需一种快速、准确的新型能谱解析方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种特征频率谱库的电可控中子伽马能谱解析方法，其采用模拟计算大大降低了单元素特征伽马谱库的实验成本，采用快速傅里叶变化将伽马谱库转化成单元素特征频率谱库，利用幅度与频率的函数提高了元素特征信息的识别度，能够显著提高电可控中子伽马能谱解析精度，克服传统伽马能谱统计性差、各元素特征峰信息不明显、传统能窗谱分析方法准确性差难题。
本发明的技术方案为：一种特征频率谱库的电可控中子伽马能谱解析方法，其步骤：
步骤一、探测器响应函数的建立
根据同位素伽马源释放的伽马射线与探测器反应后的能谱，采用半经验公式法，拟合探测器的能量刻度曲线、探测效率、能量分辨率参数，形成探测器响应函数；其中探测器响应函数包含5部分：(1)洛伦兹分布特征峰函数，L(n)；(2)畸变的高斯函数，D(n)；(3)阶梯函数，S(n)；(4)本底函数，B(n)；(5)Si逃逸峰高斯函数，ESi(n)；因此，探测器响应函数DRF(n)和各部分函数的表达式如下：
DRF(n)＝L(n)+D(n)+S(n)+B(n)+ESi(n)
Figure GDA0003631797840000011
Figure GDA0003631797840000021
Figure GDA0003631797840000022
Figure GDA0003631797840000023
Figure GDA0003631797840000024
式中n为多道分析器输出的能谱的道数，HS、HD、HB和HK分别为全能峰的阶梯函数、高斯畸变函数、本底的短阶梯函数、Si逃逸峰的高斯函数的幅度值，Γ为洛伦兹宽度，no为全能峰的道址，nT为畸变高斯峰的道址，nk为Si逃逸峰的道址，σ为全能峰的标准偏差，β为指数部分的斜率，k＝1～8，erfc为反误差函数；
步骤二、单元素特征伽马谱库的计算
通过蒙特卡罗模拟计算软件MCNP得到样品中每个元素不同含量时的特征伽马谱库，利用粒子信息追踪Ptrac卡，区分元素i的俘获伽马和非弹伽马能量的强度，元素种类不少于地层中常用的13种元素；在利用俘获伽马能量的强度Ii与步骤一中得到的探测器响应函数DRF(n)卷积，得到单元素的特征伽马谱P(n)；即：
Figure GDA0003631797840000025
式中，P(n)为计算得到的元素i的单元素谱特征伽马谱，Ii为元素i的俘获伽马能量的强度，DRF为探测器响应函数，n为多道分析器输出的能谱的道数,N为待卷积的道数；
采用模拟计算大大降低了单元素特征伽马谱库的实验成本；
步骤三、单元素特征频率谱库的建立
离散的单元素特征伽马谱库P(n)通过快速傅里叶变化，即：
Figure GDA0003631797840000026
式中，Y(w)为单元素特征伽马谱库P(n)经过傅里叶变化后的频率谱，w指频率，F为快速傅里叶变化，τ指虚数，n为能谱道数；
将计数与能量的关系转化成幅度与频率的函数，建立单元素特征频率谱库，元素种类不少于13种元素；采用快速傅里叶变化将伽马谱库转化成单元素特征频率谱库，利用幅度与频率的函数提高了元素特征信息的识别度，能够显著提高电可控中子伽马能谱解析精度，克服传统伽马能谱统计性差、各元素特征峰信息不明显、传统能窗谱分析方法准确性差等难题；
步骤四、电可控中子伽马能谱最小二乘拟合
实验中总谱是由每个元素的单元素谱累加组成的，因此，
Figure GDA0003631797840000031
yn是待测样品在第n道址上的总计数，xnj为频率谱库中j元素在第n道的计数，
Figure GDA0003631797840000032
为第n道上的随机误差，通过上述步骤后，
Figure GDA0003631797840000033
aj为需要计算得到的元素的含量值，通过χ2最小值得到：
Figure GDA0003631797840000034
式中σn 2为第n道上计数yn的方差值，通过循环迭代得到最小的χ2值即为频率谱库最小二乘计算得到的值；利用不同元素特征频率谱的差异，采用最小二乘拟合实验中的电可控中子伽马能谱，求得样品中多个元素的含量信息，质量百分含量为100％，实现能谱解析。
所形成的探测器响应函数适用于碘化钠、锗酸铋、溴化镧探测器。
单元素特征伽马谱库包含俘获伽马核非弹散射能谱。
单元素特征频率谱库包含实数部分。
电可控中子伽马能谱最小二乘拟合适用于迭代、差值等方法。
该方法同样适用于瞬发伽马射线中子活化分析技术的能谱分析。
本发明的优点在于：采用模拟计算大大降低了单元素特征伽马谱库的实验成本。采用快速傅里叶变化将伽马谱库转化成单元素特征频率谱库，利用幅度与频率的函数提高了元素特征信息的识别度，能够显著提高电可控中子伽马能谱解析精度，克服传统伽马能谱统计性差、各元素特征峰信息不明显、传统能窗谱分析方法准确性差难题。
具体实施方式
本实施例中，一种特征频率谱库的电可控中子伽马能谱解析方法，该能谱解析方法是基于样品中各元素的伽马能谱的特征频率谱的差异性进行的。该方法包括以下步骤：
步骤一、探测器响应函数的建立
本实施例中，探测器选用圣戈班的锗酸铋(BGO)探测器，利用60Co，137Cs等同位素伽马源释放的1.17MeV、1.33MeV、0.667MeV伽马射线与探测器反应后的能谱，采用半经验公式法，拟合探测器的能量刻度系数、探测效率、能量分辨率等关键参数分比为0.0018、0.70、9.6％，形成探测器响应函数。
步骤二、单元素特征伽马谱库的计算
本实施例中，通过模拟软件MCNP得到样品中每个元素不同含量时的特征伽马谱库，地层种类采用Si、Ca、Mg、H、O、C、N、Fe、Al、S、Cl、Ti、K、U等14种，其含量分别为：5％、28％、1％、24％、10％、5％、6％、2％、1％、0.5％、2％、10％、5％、0.05％。
步骤三、单元素特征频率谱库的建立
本实施例中，Si、Ca、Mg、H、O、C、N、Fe、Al、S、Cl、Ti、K、U等14种单元素特征伽马谱库通过快速傅里叶变化，将计数与能量的关系转化成幅度与频率的函数，建立单元素特征频率谱库。
步骤四、电可控中子伽马能谱最小二乘拟合
本实施例中，利用不同元素特征频率谱的差异，采用最小二乘拟合实验中的电可控中子伽马能谱，判断公式如下：
Figure GDA0003631797840000041
式中σn 2为第n道上计数的方差值，通过循环迭代得到最小的χ2值即为最小二乘计算得到的值。yn是待测样品在第n道址上的总计数，xnj为谱库中j元素在第n道的计数，
Figure GDA0003631797840000043
为第n道上的随机误差，i、m是元素，aj为需要计算得到的元素的含量值。通过上面的公式计算得到样品中Si、Ca、Mg、H、O、C、N、Fe、Al、S、Cl、Ti、K、U等14种元素的含量分别为：5.12％、28.27％、0.91％、23.81％、10.05％、5.06％、6.04％、2.11％、1.09％、0.49％、1.89％、10.07％、5.06％、0.049％，其与理论值的偏差如表1所示，从表1中可以看出通过该方法计算得到的元素含量与理论值偏差小于0.27％，实现能谱准确解析。
表1特征频率谱库最小二乘法的计算结果与理论值比较
Figure GDA0003631797840000042
以上所述，仅是本发明的叫价实施例，并非对本发明作任何限制，根据本发明技术实质可以有各种更改和变化。凡是在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同提花、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种特征频率谱库的电可控中子伽马能谱解析方法，其步骤：
步骤一、探测器响应函数的建立
根据同位素伽马源释放的伽马射线与探测器反应后的能谱，采用半经验公式法，拟合探测器的能量刻度曲线、探测效率、能量分辨率参数，形成探测器响应函数；其中探测器响应函数包含5部分：(1)洛伦兹分布特征峰函数，L(n)；(2)畸变的高斯函数，D(n)；(3)阶梯函数，S(n)；(4)本底函数，B(n)；(5)Si逃逸峰高斯函数，ESi(n)；因此，探测器响应函数DRF(n)和各部分函数的表达式如下：
DRF(n)＝L(n)+D(n)+S(n)+B(n)+ESi(n)
Figure FDA0003631797830000011
Figure FDA0003631797830000012
Figure FDA0003631797830000013
Figure FDA0003631797830000014
Figure FDA0003631797830000015
式中n为多道分析器输出的能谱的道数，HS、HD、HB和HK分别为全能峰的阶梯函数、高斯畸变函数、本底的短阶梯函数、Si逃逸峰的高斯函数的幅度值，Γ为洛伦兹宽度，no为全能峰的道址，nT为畸变高斯峰的道址，nk为Si逃逸峰的道址，σ为全能峰的标准偏差，β为指数部分的斜率，k＝1～8，erfc为反误差函数；
步骤二、单元素特征伽马谱库的计算
通过蒙特卡罗模拟计算软件MCNP得到样品中每个元素不同含量时的特征伽马谱库，利用粒子信息追踪Ptrac卡，区分元素i的俘获伽马和非弹伽马能量的强度，元素种类不少于地层中常用的13种元素；在利用俘获伽马能量的强度Ii与步骤一中得到的探测器响应函数DRF(n)卷积，得到单元素的特征伽马谱P(n)；即：
Figure FDA0003631797830000016
式中，P(n)为计算得到的元素i的单元素谱特征伽马谱，Ii为元素i的俘获伽马能量的强度，DRF为探测器响应函数，n为多道分析器输出的能谱的道数,N为待卷积的道数；
采用模拟计算大大降低了单元素特征伽马谱库的实验成本；
步骤三、单元素特征频率谱库的建立
离散的单元素特征伽马谱库P(n)通过快速傅里叶变化，即：
Figure FDA0003631797830000021
式中，Y(w)为单元素特征伽马谱库P(n)经过傅里叶变化后的频率谱，w指频率，F为快速傅里叶变化，τ指虚数，n为能谱道数；
将计数与能量的关系转化成幅度与频率的函数，建立单元素特征频率谱库，元素种类不少于13种元素；采用快速傅里叶变化将伽马谱库转化成单元素特征频率谱库，利用幅度与频率的函数提高了元素特征信息的识别度，能够显著提高电可控中子伽马能谱解析精度，克服传统伽马能谱统计性差、各元素特征峰信息不明显、传统能窗谱分析方法准确性差难题；
步骤四、电可控中子伽马能谱最小二乘拟合
实验中总谱是由每个元素的单元素谱累加组成的，因此，
Figure FDA0003631797830000022
yn是待测样品在第n道址上的总计数，xnj为频率谱库中j元素在第n道的计数，
Figure FDA0003631797830000025
为第n道上的随机误差，通过上述步骤后，
Figure FDA0003631797830000023
aj为需要计算得到的元素的含量值，通过χ2最小值得到：
Figure FDA0003631797830000024
式中σn 2为第n道上计数yn的方差值，通过循环迭代得到最小的χ2值即为频率谱库最小二乘计算得到的值；利用不同元素特征频率谱的差异，采用最小二乘拟合实验中的电可控中子伽马能谱，求得样品中多个元素的含量信息，质量百分含量为100％，实现能谱解析。
2.根据权利要求1所述特征频率谱库的电可控中子伽马能谱解析方法，其特征在于：所形成的探测器响应函数适用于碘化钠、锗酸铋、溴化镧探测器。
3.根据权利要求1所述特征频率谱库的电可控中子伽马能谱解析方法，其特征在于：单元素特征伽马谱库包含俘获伽马核非弹散射能谱。
4.根据权利要求1所述特征频率谱库的电可控中子伽马能谱解析方法，其特征在于：单元素特征频率谱库包含实数部分。
5.根据权利要求1所述特征频率谱库的电可控中子伽马能谱解析方法，其特征在于：电可控中子伽马能谱最小二乘拟合适用于迭代、差值方法。
6.根据权利要求1所述特征频率谱库的电可控中子伽马能谱解析方法，其特征在于：该方法同样适用于瞬发伽马射线中子活化分析技术的能谱分析。
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