CN111045072B - 一种适用于CeBr3探测器的γ能谱迭代解谱方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于放射性γ能谱探测技术领域，具体涉及一种适用于CeBr₃探测器的γ能谱迭代解谱算法包括：利用¹³⁷Cs标准源进行CeBr₃探测器的γ能谱峰位校准，获取不同标准源γ能谱数据能量分布线性；测量获取CeBr₃探测器的本底及²²⁶Ra、²³²Th和⁴⁰K的γ能谱原始数据；针对²²⁶Ra、²³²Th和⁴⁰K的γ能谱原始数据扣除本底；分析扣除本底后的γ能谱数据，确定²²⁶Ra、²³²Th和⁴⁰K峰位及计算峰面积的峰宽；建立各特征峰的数学比例关系模型；获取²²⁶Ra、²³²Th和⁴⁰K的净峰面积；计算出待分析样品中的²²⁶Ra、²³²Th和⁴⁰K的放射性活度。

Description

一种适用于CeBr3探测器的γ能谱迭代解谱方法

技术领域

本发明属于放射性γ能谱探测技术领域，具体涉及一种适用于CeBr3探测器的γ能谱迭代解谱方法。

背景技术

放射性γ能谱探测技术在铀矿勘探、环境监测、核电站、高放废物处置等领域被广泛应用。一般而言，从γ能谱探测的应用条件上，可分为室内实验室样品的放射性测量、地面物探中的γ能谱测量及井下钻孔中的γ能谱测量三大类。多年来，NaI(Tl)闪烁体探测器基于其高探测效率、稳定的能量线性、温度性能、工艺加工等特性，得到了全面的应用推广和发展，是室内、地面及井下进行γ能谱探测的首选。但随着发展需求，NaI(Tl)的能量分辨率(FWHM优于8.0％)逐渐不能完全满足需要(能量较为接近的光谱峰难以区分)。室温条件下面对复杂样品、放射性不平衡样品及特定核素的分析时，需要更高分辨率、更高效探测器的出现来满足需要。高纯锗(HPGe)探测器及其技术的发展，可以说能够满足γ能谱探测的各项指标需求。但其存在几大重要局限：①HPGe探测器工作条件必须在液氮低温条件下，非室温条件的工作条件限制了其应用环境；②HPGe探测器及其技术，目前主要依靠进口，技术上依赖性较强；③HPGe探测器及其配套系统，进口价格昂贵，成本较高。因此，较长时间来，研究和开发室温条件下，较高分辨率、高探测效率的探测器显得尤为重要。CeBr₃晶体是Higgins等人研究溴化镧探测器Ce⁸⁺掺杂量对于时间分辨率影响时被开发出来的一种兼顾时间响应与能量响应的新型闪烁体，其FWHM约为4％，相对于同规格的NaI(Tl)闪烁体探测器光输出高达161％，是目前γ能谱探测技术在室温条件下的较为理想的全新选择。

另一方面，目前CeBr₃探测器γ能谱解谱方法主要是借鉴NaI(Tl)闪烁体探测器解谱方法，通过镭、钍、钾特征光电峰的面积计数，采用方程组拟合思想，获取剥谱系数。该类方法的优势是计算过程简单，可快速获得解谱结果，但其缺点是在镭、钍、钾标准源活度与待测样品活度偏差较大时，拟合解谱结果往往会出现较大偏差，造成测量结果误差较大。

因此需要设计一种改进的适用于CeBr₃探测器的γ能谱迭代解谱算法，改变现有技术中拟合解谱结果偏差大，测量结果误差大的技术问题，以改善我国放射性γ能谱探测技术水平。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种适用于CeBr3探测器的γ能谱迭代解谱方法，用于解决现有技术中拟合解谱结果偏差大，测量结果误差大的技术问题。

本发明技术方案如下：

步骤一、利用¹³⁷Cs标准源进行CeBr₃探测器的γ能谱峰位校准，以确保获取的不同标准源γ能谱数据能量分布线性；

步骤二、测量获取CeBr₃探测器的本底及²²⁶Ra、²³²Th和⁴⁰K的γ能谱原始数据；

步骤三、针对²²⁶Ra、²³²Th和⁴⁰K的γ能谱原始数据扣除本底；

步骤四、分析扣除本底后的γ能谱数据，确定峰位及计算峰面积的峰宽；

步骤五、利用峰位及峰宽计算出各特征峰峰面积，并建立各特征峰的数学比例关系模型；

步骤六、利用步骤三扣除本底后的原始谱数据及步骤五建立的各个特征峰的数学比例模型多次迭代剥谱，获取²²⁶Ra、²³²Th和⁴⁰K的净峰面积：

首先，利用²²⁶Ra的全谱数学比例关系，剥离²³²Th中²²⁶Ra的天然放射性干扰，获得第1次剥谱数据；然后，利用²³²Th的全谱数学比例关系，剥离²²⁶Ra中²³²Th的散射干扰，获得第2次剥谱数据，完成第1次迭代。

依次重复上述步骤进行迭代剥谱，来获取第n+1次剥谱数据(剥离²³²Th中²²⁶Ra)及n+2次剥谱数据(剥离²²⁶Ra中²³²Th)，可逐渐使²²⁶Ra、²³²Th的特征峰逼近无干扰状态，一般迭代3次便可进行净峰面积及全谱数据计算。

最后，利用步骤五建立的数学比例模型，从步骤三获取的原始谱数据中扣除⁴⁰K特征峰1460keV中²²⁶Ra、²³²Th(之前剥谱获取的净峰面积)的散射干扰，再利用步骤五建立的数学比例关系，得到⁴⁰K净峰面积及全谱数据。

步骤七、使用多次迭代剥谱获取的各特征峰的净峰面积，利用步骤二中各放射性标准物质的活度值，计算出待分析样品中的²²⁶Ra、²³²Th和⁴⁰K的放射性活度。

本发明的有益效果是：

1.本发明提供的γ能谱迭代解谱算法，适用于新型CeBr₃探测器，为该新型探测器在我国各个领域的应用奠定重要基础；

2.本发明提供一种γ能谱迭代解谱算法，相对现有方程拟合的处理方法，解谱准确度更高，适用活度范围更大；

3.本发明提供的γ能谱解谱算法，可拓展为多种核素的解谱应用，具有进一步研究及应用的前景。

附图说明

图1为本发明的一种适用于CeBr3探测器的γ能谱迭代解谱方法流程图；

图2为本发明的一种适用于CeBr3探测器的γ能谱迭代解谱方法中CeBr₃探测器的本底谱图；

图3为本发明的一种适用于CeBr3探测器的γ能谱迭代解谱方法中CeBr₃探测器的²²⁶Ra实测数据谱图；

图4为本发明的一种适用于CeBr3探测器的γ能谱迭代解谱方法中CeBr₃探测器的²³²Th实测数据谱图；

图5为本发明的一种适用于CeBr3探测器的γ能谱迭代解谱方法中CeBr₃探测器的⁴⁰K实测数据谱图；

图6为本发明的一种适用于CeBr3探测器的γ能谱迭代解谱方法中CeBr₃探测器的待解谱光电峰的能量线性度；

图7为本发明的一种适用于CeBr3探测器的γ能谱迭代解谱方法实际应用中的剥谱结果图。

图8为本发明的一种适用于CeBr3探测器的γ能谱迭代解谱方法实际应用中的剥谱残差数据图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明进行进一步的介绍：

一种适用于CeBr3探测器的γ能谱迭代解谱方法流程图如图1所示，其包括了：

步骤一、利用¹³⁷Cs标准源进行CeBr₃探测器的γ能谱峰位校准，以确保获取的不同标准源γ能谱数据能量分布线性；

步骤二、测量获取CeBr₃探测器的本底及²²⁶Ra、²³²Th和⁴⁰K的γ能谱原始数据；

步骤三、针对²²⁶Ra、²³²Th和⁴⁰K的γ能谱原始数据扣除本底；

步骤四、分析扣除本底后的γ能谱数据，确定峰位及计算峰面积的峰宽；

步骤五、利用峰位及峰宽计算出各特征峰峰面积，并建立各特征峰的数学比例关系模型；

步骤六、利用步骤三扣除本底后的原始谱数据及步骤五建立的各个特征峰的数学比例模型多次迭代剥谱，获取²²⁶Ra、²³²Th和⁴⁰K的净峰面积：

首先，利用²²⁶Ra的全谱数学比例关系，剥离²³²Th中²²⁶Ra的天然放射性干扰，获得第1次剥谱数据；然后，利用²³²Th的全谱数学比例关系，剥离²²⁶Ra中²³²Th的散射干扰，获得第2次剥谱数据，完成第1次迭代。

依次重复上述步骤进行迭代剥谱，来获取第n+1次剥谱数据(剥离²³²Th中²²⁶Ra)及n+2次剥谱数据(剥离²²⁶Ra中²³²Th)，可逐渐使²²⁶Ra、²³²Th的特征峰逼近无干扰状态，一般迭代3次便可进行净峰面积及全谱数据计算。

最后，利用步骤五建立的数学比例模型，从步骤三获取的原始谱数据中扣除⁴⁰K特征峰1460keV中²²⁶Ra、²³²Th(之前剥谱获取的净峰面积)的散射干扰，再利用步骤五建立的数学比例关系，得到⁴⁰K净峰面积及全谱数据。

步骤七、使用多次迭代剥谱获取的各特征峰的净峰面积，利用步骤二中各放射性标准物质的活度值，计算出待分析样品中的²²⁶Ra、²³²Th和⁴⁰K的放射性活度。

实施例

第一步、利用¹³⁷Cs标准源进行CeBr₃探测器的γ能谱峰位校准，实施例统一校准662keV峰位在420道址，全谱采用2048总道，以确保获取的不同标准源γ能谱数据能量分布线性；

第二步、测量获取CeBr₃探测器的本底及²²⁶Ra、²³²Th和⁴⁰K的γ能谱原始数据。实施例采用国家一级放射性标准物质如下表1所示，其中GBW04305a、GBW04308和GBW04326作为迭代解谱建立数学模型参考源，而GBW04127为天然铀钍混合矿石标准物质，作为实施例中解谱算法的参考验证样品。

表1实施例中使用的国家一级放射性标准物质数据表

实施例获取的新型CeBr₃探测器的γ能谱本底谱数据如图2所示，可见本底水平较低，有利于γ能谱全谱解谱算法的实现；实施例获取的CeBr₃探测器测量国家一级标准物质GBW04305a的γ谱数据如图3所示、测量GBW04308的γ谱数据如图4所示、测量GBW04127的γ谱数据如图5所示。

第三步、扣除本底，确定峰位及峰宽并计算峰面积。根据国家一级标准物质测量谱图，确定该新型CeBr₃探测器的峰位、峰宽及相应峰面积如表2所示，各峰位能量刻度线性度如图6所示。

表2实施例中确定的CeBr₃探测器的峰位、峰宽及相应峰面积数据表

第四步、建立各特征峰的数学比例关系模型，包括：

其中：K_i-RaRa、K_i-kk、K_i-ThTh为各全谱数据与特征能量峰峰面积的比例系数；i为对应谱数据道址，范围为0～2047；C_i-Ra、C_i-k、C_i-Th为谱数据各道计数；S_Ra、S_k、S_Th为各特征能量峰峰面积；K_Ra-Th、K_Th-Ra为各特征能量峰峰面积之比；S_Ra-Th、S_Ra-Ra为铀镭平衡标准源谱数据中²⁰⁸Tl、²¹⁴Bi能量峰峰面积。

第五步、利用扣除本底后的原始谱数据及建立的数学比例模型多次迭代剥谱，获取²²⁶Ra、²³²Th和⁴⁰K的净峰面积。第1次剥谱，利用原始谱数据及K_Ra-Th，获得²³²Th剥离铀镭天然干扰的峰面积为：

第2次剥谱，利用原始谱数据及获得²²⁶Ra剥离²³²Th散射干扰的峰面积为：

迭代1次利用原始数据及获得²³²Th剥离铀镭天然干扰的峰面积为：

迭代1次利用原始数据及获得²²⁶Ra剥离²³²Th散射干扰峰面积为：

迭代2次利用原始数据及获得²³²Th剥离铀镭天然干扰的峰面积为：

迭代2次利用原始数据及获得²²⁶Ra剥离²³²Th散射干扰峰面积为：

迭代3次利用原始数据及获得²³²Th剥离铀镭天然干扰的峰面积为：

迭代3次利用原始数据及获得²²⁶Ra剥离²³²Th散射干扰峰面积为：

经3次迭代剥谱后的数据如图7所示。

第六步，利用迭代剥谱后各特征能量峰净面积及国家标准物质活度值，利用相对法计算GBW04127天然铀钍混合矿石标准样品的活度值如下表3。

表3解谱结果及标准样品计算结果数据表

实施例结果，迭代解谱结果与标称值相对误差均在±5％以内，另一方面，从解谱后谱数据残差仅在低能端有残留，高能段几乎为0，可见解谱效果明显。

本发明提出的一种适用于CeBr3探测器的γ能谱迭代解谱方法并不限于以上所述的实施例，本领域的技术人员根据本发明的技术方案而得出的其他实施方式，满足γ能谱迭代解谱算法特征，同样属于本发明的技术创新范畴。

Claims (1)

1.一种适用于CeBr3探测器的γ能谱迭代解谱方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一、利用¹³⁷Cs标准源进行CeBr₃探测器的γ能谱峰位校准，以确保获取的不同标准源γ能谱数据能量分布线性；

步骤二、测量获取CeBr₃探测器的本底及²²⁶Ra、²³²Th和⁴⁰K的γ能谱原始数据；

步骤三、针对²²⁶Ra、²³²Th和⁴⁰K的γ能谱原始数据扣除本底；

步骤四、分析扣除本底后的γ能谱数据，确定²²⁶Ra、²³²Th和⁴⁰K峰位及计算峰面积的峰宽；

步骤五、利用峰位及峰宽计算出各特征峰峰面积，并建立各特征峰的数学比例关系模型；

步骤六、利用步骤三扣除本底后的原始谱数据及步骤五建立的各个特征峰的数学比例模型多次迭代剥谱，获取²²⁶Ra、²³²Th和⁴⁰K的净峰面积；所述步骤六还包括：利用²²⁶Ra的全谱数学比例关系，剥离²³²Th中²²⁶Ra的天然放射性干扰，获得第1次剥谱数据；然后，利用²³²Th的全谱数学比例关系，剥离²²⁶Ra中²³²Th的散射干扰，获得第2次剥谱数据，完成第1次迭代；

依次重复上述步骤进行迭代剥谱，来获取第n+1次剥谱数据及n+2次剥谱数据，逐渐使²²⁶Ra、²³²Th的特征峰逼近无干扰状态，一般迭代3次便可进行净峰面积及全谱数据计算；最后，利用步骤五建立的数学比例模型，从步骤三获取的原始谱数据中扣除⁴⁰K特征峰1460keV中²²⁶Ra、²³²Th的散射干扰，再利用步骤五建立的数学比例关系，得到⁴⁰K净峰面积及全谱数据；步骤六中实现的多次迭代剥谱，获取²²⁶Ra、²³²Th和⁴⁰K净峰面积；

步骤七、使用多次迭代剥谱获取的各特征峰的净峰面积，利用步骤二中各放射性标准物质的活度值，计算出待分析样品中的²²⁶Ra、²³²Th和⁴⁰K的放射性活度。