CN111273337B - 一种基于蒙特卡罗脉冲插值方法的核能谱处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于蒙特卡罗脉冲插值方法的核能谱处理方法，包括S1、将探测器输出的脉冲信息数字化后分成两路，一路送入样本池，另一路送入随机脉冲队列器中；S2、基于蒙特卡罗方法对样本池中的随机脉冲信息进行抽样，将抽样所得的脉冲作为新值脉冲信息，并将所述新值脉冲信息插入随机脉冲队列器中；S3、将最近一次取得的新脉冲信息与抽样所得的新值脉冲信息一起送入随机脉冲队列器中形成新的脉冲序列，并将所述新的脉冲序列依次送至FIFO模块和MCA中；S4、基于蒙特卡罗插值法模拟重复步骤S2和步骤S3若干次后，根据多道能谱分析仪对得到的数据绘制能谱图。

Description

一种基于蒙特卡罗脉冲插值方法的核能谱处理方法

技术领域

本发明属于核能谱的技术领域，具体涉及一种基于蒙特卡罗脉冲插值方法的核能谱处理方法。

背景技术

核事件中的随机性体现在从核衰变到核辐射测量的全过程中。一方面核衰变是自发、随机的，无法确定单个原子核的衰变形式和发生时刻，但总数为N0个的原子核在某个时间间隔内衰变数目n是不确定性的，但n服从统计分布规律。另一方面为探测效率的随机性问题，即原子核衰变发出的粒子能否被探测器接收并引起计数，存在统计涨落问题。

核辐射谱测量中通常对脉冲幅值进行单道分析或多道分析。单道分析器用于对设定的上下阈值区间内的核脉冲信号进行幅值测量或总量测量，每次只能记录某一幅度范围的脉冲数目。对于半衰期远大于测量时间的被测对象，通过调节脉冲幅度区间的阈值重复测量，按脉冲幅度的大小进行分类并记录，可得到脉冲幅度分布谱。

多道脉冲幅值分析仪(Multi-Channel pulse Amplitude analyzer,MCA)会记录所有幅值的脉冲，并依据脉冲幅度的大小对其进行有序存储，最后以对应于入射射线能量的脉冲幅值作为横坐标(能量或道址)，计数率(计数)值作为纵坐标绘图，就可以绘制出多道能谱图。

由于核辐射测量具有统计涨落现象，即单一能量放射源在单位时间产生的脉冲计数围绕一个平均值上下波动，它们服从正态分布，在谱线上表现为高斯峰，称为特征峰。能量分辨率是衡量多道能谱仪性能的重要性能指标之一，单能特征峰的形状受探测器的固有分辨率和系统噪声的影响。实测核能谱是有采用MCA获取的各能量特征峰构成的谱线。利用MCA对被测对象进行一定时间的测量，就可以得到按照脉冲幅值大小有序存储和绘制的能谱。受放射性统计涨落、探测器的固有分辨率、系统噪声、电源噪声等影响，特征峰中会出现统计涨落。尤其在测量微量核素时，特征峰容易部分或全部被掩盖，给核素信息提取带来困难。工程应用中，多以改进探测技术来增强弱峰检测能力。在测量应用中，测量设备一旦选定，主要通过延长测量时间来增大被测样品信号的获取数量来降低特征峰的统计涨落。现场应用中，受生产日程条件等多种因素的影响，延长测量时间是往往存在困难。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种基于蒙特卡罗脉冲插值方法的核能谱处理方法，以解决或改善上述的问题。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种基于蒙特卡罗脉冲插值方法的核能谱处理方法，其包括：

S1、将探测器输出的脉冲信息数字化后分成两路，一路送入样本池，另一路送入随机脉冲队列器中；

S2、基于蒙特卡罗方法对样本池中的随机脉冲信息进行抽样，将抽样所得的脉冲作为新值脉冲信息，并将所述新值脉冲信息插入随机脉冲队列器中；

S3、将最近一次取得的新脉冲信息与抽样所得的新值脉冲信息一起送入随机脉冲队列器中形成新的脉冲序列，并将所述新的脉冲序列依次送至FIFO模块和MCA中；

S4、基于蒙特卡罗插值法模拟重复步骤S2和步骤S3若干次后，根据多道能谱分析仪对得到的数据绘制能谱图。

优选地，探测器输出的电荷或电量信号，经信号调理电路转为脉冲信号，并将数字化后得到的脉冲幅值顺次存放在设定存储深度的存储器中，存储了脉冲幅值的存储器为样本池。

优选地，样本池利用上一时刻的核脉冲信息代替传统蒙特卡罗模拟中的核衰变和粒子输运探测事件，建立样本模型库。

优选地，样本池中存储的是经ADC转换后的反映核衰变规律数字化核脉冲信息，包括脉冲幅值信息。

优选地，步骤S2中对样本池进行抽样的方法为：

S2.1、随机地址发生器在抽样时钟CLKn的控制下，生成在[0，L-1]区间内服从均匀分布的随机整数作为抽样地址，该地址与样本池的地址对应；

S2.2、根据随机抽样地址对样本池中的数字脉冲信息进行抽样，抽取到的样本值记为X_i；

S2.3、将样本值X_i作为新脉冲值，插入到随机脉冲队列器中；

S2.4、重复抽样；

其中，L为样本池容量，样本池中的每一个脉冲幅度信息则为离散随机变量X，每一次取出的随机变量的值为X_i，X_i为脉冲幅值，i＝1，2，3....。

优选地，步骤S3的具体步骤包括：

S3.1、抽样时钟控制器根据探测器输出脉冲的统计结果，产生抽样时钟CLKn；

S3.2、随机地址发生器在CLKn的控制下产生n-1个均匀随机数作为抽样地址；

S3.3、依次按抽样地址对样本池中的脉冲信息进行抽样，抽样后的脉冲作为插入值存入RPR的脉冲序列。

优选地，步骤S4中将抽取到的样本数据按样本数据大小进行分类统计，统计所得的计数值在多道数组中按道址分类记录；

其中，总道址设为1024，总抽样次数为10240，对运算后的多道数组按照多道能谱分析仪的成谱方法绘图；

继续在样本池中随机抽取数倍于10240个脉冲样本，插入到上述抽样所得的数据中，按多道能谱分析仪的成谱方法对统计抽样后数据，对得到的数据绘制核能谱图。

本发明提供的基于蒙特卡罗脉冲插值方法的核能谱处理方法，具有以下有益效果：

本发明基于蒙特卡罗方法的脉冲插值方法，先对前一时刻测量的脉冲信息建立数据库，然后对该数据库按蒙特卡罗方法随机抽样，将抽取到的脉冲作为新值，插入到探测器输出的脉冲队列中，从而实现对核能谱中的统计涨落的有效抑制；且多道脉冲幅值分析仪会记录所有幅值的脉冲，并依据脉冲幅度的大小对其进行有序存储，最后以对应于入射射线能量的脉冲幅值作为横坐标(能量或道址)，计数率(计数)值作为纵坐标绘图，就可以绘制出多道能谱图。

附图说明

图1为基于蒙特卡罗脉冲插值方法的核能谱处理方法的原理框图。

图2为样本池模型。

图3为样本池最佳容量模拟。

图4为随机脉冲队列器原理示意图。

图5中左图为均匀抽样多道谱图，右图为蒙特卡罗脉冲插值谱。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

根据本申请的一个实施例，参考图1，本方案的基于蒙特卡罗脉冲插值方法的核能谱处理方法，包括：

S1、将探测器输出的脉冲信息数字化后分成两路，一路送入样本池，另一路送入随机脉冲队列器中；

S2、基于蒙特卡罗方法对样本池中的随机脉冲信息进行抽样，将抽样所得的脉冲作为新值脉冲信息，并将所述新值脉冲信息插入随机脉冲队列器中；

S3、将最近一次取得的新脉冲信息与抽样所得的新值脉冲信息一起送入随机脉冲队列器中形成新的脉冲序列，并将所述新的脉冲序列依次送至FIFO模块和MCA中；

S4、基于蒙特卡罗插值法模拟重复步骤S2和步骤S3若干次后，根据多道能谱分析仪对得到的数据绘制能谱图。

根据本申请的一个实施例，以下将对上述步骤进行详细描述；

首先，核辐射探测中，在一定测量条件下，当被测核素的半衰期远大于测量时间时，核事件一定时间间隔内产生的脉冲信号的计数值、幅度值、脉冲之间的时间间隔等都服从统计学规律，在短时间内核脉冲的统计特性变化很小。基于这些特性，本发明的方法具体包括：

步骤S1、将探测器输出的脉冲信息数字化后分成两路，一路送入样本池，另一路送入随机脉冲队列器中。

步骤S2、基于蒙特卡罗方法对样本池中的随机脉冲信息进行抽样，将抽样所得的脉冲作为新值脉冲信息，并将所述新值脉冲信息插入随机脉冲队列器中。

对样品池中脉冲信号的随机抽样的频率，决定了随机脉冲队列器中插入的脉冲值数量。脉冲插值法仅对通常情况下蒙特卡罗模拟的后半进程进行模拟，即基于蒙特卡罗方法，利用来自前级核事件(核衰变与粒子输运)的随机脉冲信号，构建存储谱线模型的样本池，然后对样本池进行随机抽样，将抽取到的脉冲作为新值插入到探测器输出的脉冲队列中，从而增大脉冲计数率，降低统计涨落对核能谱分析的影响。

其中，探测器输出的电荷或电量信号，经信号调理电路转为脉冲信号，数字化后顺次存放在一定存储深度的存储器中，这个存储了脉冲幅值的存储器称为样本池。

原子核是一个量子体系，核衰变是量子跃迁过程，对于任一放射性原子核，无法预测发生衰变的精准时刻，但当大量放射性核的集合作为一个整体时，核衰变规律是确定的。射线在输运过程中，会与物质发生相互作用，其作用的形式、作用的时间与地点、散射角等都存在随机性，射线能量在介质中沉积后，转换为光信号或电信号(电荷信号或电量信号)，经过探测器的前端电路处理后以脉冲信号输出。不同原子核的衰变是相互独立的，粒子在输运中历经了一系列的随机过程，因此探测器输出的脉冲信号满足独立性要求。

核事件测量中，虽然无法确定一定时间间隔内脉冲输出的具体数目，但一定时段内的脉冲计数服从放射性统计规律，探测器输出的脉冲信息中也反映了核事件规律与前段电路的电子学特性。核技术理论中的放射性衰变规律指出，在“核衰变数的统计分布”中指出，当λt<<1，即测量时间t远小于半衰期时，可不考虑源活度的变化，用任意一次观测到的核衰变数来代替平均值做σ估算。也就是说，当测量时间t的数值相对于原子核的半衰期很小时，相同时间间隔内的脉冲计数的期望值几乎无变化，且服从统计涨落规律，可以用任一段时间的脉冲信息来反映被测核素的衰变规律。因此，对于半衰期远大于测量时间的放射性核素，取一段测量时间的脉冲信息存入样本池，只要脉冲总量合适，则样本池中的脉冲信息可以反映被测核素的衰变规律。

样本池是利用上一时刻的核脉冲信息代替传统蒙特卡罗模拟中的核衰变和粒子输运等探测事件，建立的样本模型库。样本池可以理解为核事件时间信息或核能谱信息的模型库。

参考图2，样本池中存储的是经高精度ADC转换后的反映合核衰变规律数字化核脉冲信息。样本池中可存储幅值、时间、形状等脉冲信息，具体存储信息类型依据实际模拟需求而定，如符合测量中需要时间、幅值、形状等脉冲信息，n-γ测量中需要的幅值、脉冲类型等信息，本文所述的样本池中，仅包含幅值信息。

设样本池容量为L，样本池中的每一个脉冲幅度信息则为离散随机变量X，每一次取出的随机变量的值的为X_i(X_i为脉冲幅值，i＝1，2，3....)，因此取出任意一个随机变量的概率可表示为P(X＝X_i)＝P_i(i＝1，2，3....)，

样本池进行抽样的方法为：

S2.1、随机地址发生器在抽样时钟CLKn的控制下，生成在[0，L-1]区间内的服从均匀分布的随机整数作为抽样地址，该地址与样本池的地址对应；

S2.2、根据随机抽样地址对样本池中的数字脉冲信息进行抽样，抽取到的样本值记为X_i；

S2.3、将样本值X_i作为新脉冲值，插入到随机脉冲队列器中；

S2.4、重复抽样。

在上述抽样中，每个样本X_i被抽中的概率P_i是保持不变的，且每一次随机抽样的结果不影响其它各次随机抽样。理想情况下，进行的一系列抽样试验，满足“贝努利实验”条件，服从抽样技术中的样本统计与抽样误差理论，此处不赘述。

随机抽样中，抽样方式可分为放回抽样与不放回抽样。样本容量的大小，抽样方式的选取，都关系到抽样调查的成本与抽样误差的大小。

放回抽样的标准误差：

不放回抽样的标准误差：

上述两式中，N为总体单位总数。p为总体比例，应用中常用样本比例(样本中具有某一属性的单位数在全部样本中所占的比重)代替。

对比分析式3-14和式3-15，当抽样比n/N≤5％，或N＞＞n时，放回抽样与不放回抽样的抽样误差相差很小，可用不放回抽样代替放回抽样来计算误差。在本发明方法中，对样本池中由脉冲信息构成的离散序列进行直接放回抽样。

样本池容量

根据概率统计理论，样本池的容量大小直接决定了从中随机提取的脉冲信息能否很好的符合被测量的衰变规律。当样本池容量较小时，样本对总体缺乏足够的代表性，从而难以保证抽样结果的精确度和可靠性。增加样本池的容量，可减小样本抽样时的误差，太大容量的样本池会加大硬件占用和抽样成本，从而带来资源浪费和效率损失。样本池的容量由可接受的平均误差确定。单次抽样不可靠性可用平均误差θ评定：

式中，v为残差。

样本池的容量可以通过数学模拟进行评定，假设样本池的脉冲幅度值为1～2048，下面对样本池容量L＝512～128K，容量值间距为64，模拟容量值与平均误差之间的关系：

平均误差与样本池容量值的关系见图3，左图纵坐标为平均误差的百分比值，右图的纵坐标为平均误差百分比值的对数。由图可知，抽样的平均误差随着样本池的容量增大而减小，当容量值小于8K时，平均误差随容量值的增加快速减小，当容量值大于40K时，随着样本容量值增大对平均误差值的影响减弱。本文选取的样本池容量为64K，此时对应的平均误差值为6.80E-4。

步骤S3、将最近一次取得的新脉冲信息与抽样所得的新值脉冲信息一起送入随机脉冲队列器中形成新的脉冲序列，并将所述新的脉冲序列依次送至FIFO模块和MCA中；

随机脉冲队列器(Random Pluse Requencer,RPR)对抽样后的脉冲数据缓存，并形成脉冲数据队列，供后续MCA模块使用。RPR的位宽与样本池相同，容量值N与抽样脉冲插入值的数目有关。

随机脉冲队列器的工作原理见图4，探测器的新输出脉冲v_i，分成两路后顺次存入样本池和随机脉冲队列器。

具体步骤包括：

S3.1、抽样时钟控制器根据探测器输出脉冲的统计结果，产生抽样时钟CLKn；

S3.2、随机地址发生器在CLKn的控制下产生n-1个均匀随机数作为抽样地址；

S3.3、依次按抽样地址对样本池中的脉冲信息进行抽样，抽样后的脉冲作为插入值存入RPR的脉冲序列。

以上过程中，超出RPR容量的脉冲会自动送至后级FIFO模块，等待MCA的后续数据处理。

以上通过基于蒙特卡罗方法实现了对核脉冲信号的建模与抽样，运用随机抽样与脉冲插值技术，实现了脉冲数量的增值，即以探测器输出脉冲的动态计数率为基准，在随机脉冲队列器得到更多数量的脉冲。根据多道脉冲分析仪的成谱原理，最终可得到计数率高于原谱的谱数据，从而有效抑制统计涨落对核能谱特征峰峰形的不良影响。

步骤S4、基于蒙特卡罗插值法模拟重复步骤S2和步骤S3若干次后，根据多道能谱分析仪对得到的数据绘制能谱图。

参考图5中的左图，将抽取到的样本数据按四舍五入取整，对大小相同的样本数据进行分类统计，统计所得的计数值在多道数组中按道址分类记录。本模拟多道仪的总道址为1024，总抽样次数为10240，对运算后的多道数组按照多道能谱分析仪的成谱方法绘图。

采用相同的抽样方法，继续在样本池中随机抽取999×10240个脉冲样本，插入到上述抽样所得的数据中，按多道能谱分析仪的成谱方法对统计抽样后数据，对得到的数据绘制能谱图，如图5中的右图所示。

对图5左图和右图中左上的虚线框中为高斯峰的局部放大图，分析数据可知，经蒙特卡罗脉冲插值法处理后，右图中纵坐标所示的计数率显著增加，能谱统计涨落也明显变好。

本发明基于蒙特卡罗方法的脉冲插值方法，先对前一时刻测量的脉冲信息建立数据库，然后对该数据库按蒙特卡罗方法随机抽样，将抽取到的脉冲作为新值，插入到探测器输出的脉冲队列中，从而实现对核能谱中的统计涨落的有效抑制；且多道脉冲幅值分析仪会记录所有幅值的脉冲，并依据脉冲幅度的大小对其进行有序存储，最后以对应于入射射线能量的脉冲幅值作为横坐标(能量或道址)，计数率(计数)值作为纵坐标绘图，就可以绘制出多道能谱图。

虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于蒙特卡罗脉冲插值方法的核能谱处理方法，其特征在于，包括：

S1、将探测器输出的脉冲信息数字化后分成两路，一路送入样本池，另一路送入随机脉冲队列器中，具体包括：

探测器的新输出脉冲v_i，分成两路后顺次存入样本池和随机脉冲队列器，抽样时钟控制器根据探测器输出脉冲的统计结果，产生抽样时钟CLKn；

随机地址发生器在CLKn的控制下产生n-1个均匀随机数作为抽样地址；

依次按抽样地址对样本池中的脉冲信息进行抽样，抽样后的脉冲作为插入值存入RPR的脉冲序列；

S2、基于蒙特卡罗方法对样本池中的随机脉冲信息进行抽样，将抽样所得的脉冲作为新值脉冲信息，并将所述新值脉冲信息插入随机脉冲队列器中，具体包括：

S2.1、随机地址发生器在抽样时钟CLKn的控制下，生成在[0，L-1]区间内服从均匀分布的随机整数作为抽样地址，该地址与样本池的地址对应；

S2.2、根据随机抽样地址对样本池中的数字脉冲信息进行抽样，抽取到的样本值记为X_i；

S2.3、将样本值X_i作为新脉冲值，插入到随机脉冲队列器中；

S2.4、重复抽样；

其中，L为样本池容量，样本池中的每一个脉冲幅度信息则为离散随机变量X，每一次取出的随机变量的值为X_i，X_i为脉冲幅值，i＝1，2，3....；

其中，随机抽样中，抽样方式可分为放回抽样与不放回抽样；

放回抽样的标准误差：

不放回抽样的标准误差：

上述两式中，N为总体单位总数；p为总体比例；

当抽样比n/N≤5％，或N＞＞n时，放回抽样与不放回抽样的抽样误差相差很小，可用不放回抽样代替放回抽样来计算误差；对样本池中由脉冲信息构成的离散序列进行直接放回抽样；

样本池容量

根据概率统计理论，样本池的容量大小直接决定了从中随机提取的脉冲信息能否很好的符合被测量的衰变规律；当样本池容量较小时，样本对总体缺乏足够的代表性，从而难以保证抽样结果的精确度和可靠性；增加样本池的容量，可减小样本抽样时的误差，太大容量的样本池会加大硬件占用和抽样成本，从而带来资源浪费和效率损失；样本池的容量由可接受的平均误差确定；单次抽样不可靠性可用平均误差θ评定：

式中，v为残差；

样本池的容量可以通过数学模拟进行评定，假设样本池的脉冲幅度值为1～2048，下面对样本池容量L＝512～128K，容量值间距为64，模拟容量值与平均误差之间的关系；

S3、将最近一次取得的新脉冲信息与抽样所得的新值脉冲信息一起送入随机脉冲队列器中形成新的脉冲序列，并将所述新的脉冲序列依次送至FIFO模块和MCA中；

S4、基于蒙特卡罗插值法模拟重复步骤S2和步骤S3若干次后，根据多道能谱分析仪对得到的数据绘制能谱图；

所述探测器输出的电荷或电量信号，经信号调理电路转为脉冲信号，并将数字化后得到的脉冲幅值顺次存放在设定存储深度的存储器中，存储了脉冲幅值的存储器为样本池；

所述样本池利用上一时刻的核脉冲信息代替传统蒙特卡罗模拟中的核衰变和粒子输运探测事件，建立样本模型库；

所述样本池中存储的是经ADC转换后的反映核衰变规律数字化核脉冲信息，包括脉冲幅值信息；

所述步骤S4中将抽取到的样本数据按样本数据大小进行分类统计，统计所得的计数值在多道数组中按道址分类记录；

其中，总道址设为1024，总抽样次数为10240，对运算后的多道数组按照多道能谱分析仪的成谱方法绘图；

继续在样本池中随机抽取数倍于10240个脉冲样本，插入到上述抽样所得的数据中，按多道能谱分析仪的成谱方法对统计抽样后数据，对得到的数据绘制核能谱图。

Images