CN111812703A - 一种伽玛能谱背景计数方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种伽玛能谱背景计数方法，包括：根据测量得到的伽玛能谱数据在能量‑计数坐标系中生成伽玛能谱曲线；从伽玛能谱曲线的低能端开始计算相邻两个能量刻度所对应的伽玛能谱计数值的差值；若差值小于门限值，则作为背景计数值；若差值大于门限值，则在E(i)所对应的半高宽FWHM(i)的能量区间内作进一步判断，若在该区间内绝大多数的计数差值的绝对值大于门限值，则提取能量E(i)+q×FWHM(i)所对应的伽玛能谱计数值count(j)，忽略count(i)~count(j)之间的伽玛能谱计数值；否则，将该区间内的伽玛能谱计数值作为背景计数值。此背景计数方法简单有效，应用在测量仪器上可直接生成监测结果。

Description

一种伽玛能谱背景计数方法

技术领域

本发明属于放射性核素检测技术领域，具体地说，是涉及一种针对放射性核素检测过程中生成的伽玛能谱提出的背景计数方法。

背景技术

海洋放射性核素在线测量仪器要求具备自动监测海洋环境中存在的伽马放射性总量，同时自动探测例如Cs-137为代表的典型的人工放射性核素的活度等功能，从而为用户提供海洋放射性环境安全监测和污染预警服务。

目前国内外的放射性核素在线测量仪器常规采用1024个计数通道，因此仪器自动检测得到的是一条覆盖探测能量范围的伽马能谱曲线，由1024个连续的检测数值构成。对伽马能谱曲线进行解析处理，就能识别核素和检测得到具体核素的活度结果，这个解析处理过程中必须要做的一个步骤就是扣除当前测量环境的背景计数。

在陆地上进行类似的放射性核素检测时，为了能够有效地扣除背景计数对放射性核素活度测量结果的影响，通常最有效的方法是：首先，在无放射源存在的环境下，利用测量仪器检测并获取一次环境伽马能谱，作为背景能谱；然后，在对实际测量的伽玛能谱进行解析处理时，直接从实际测量的伽玛能谱计数中减去背景能谱计数后，再用于核素的甄别判断与活度计算。

但是，在海洋放射性监测过程时，要得到背景伽马能谱需要考虑诸多因素，例如宇宙射线的影响、仪器测量位置与海平面及海底的距离、测量位置的离岸距离和周围是否存在影响物等。而且，海水中的放射性是极低本底的，海水中又存在例如K-40这样高活度的天然放射性核素，从而导致测量出的伽玛能谱在低能量区会表现出大量的康普顿散射计数，因此，背景能谱计数不容易采用环境测量的方式得到。

此外，海洋放射性核素在线测量仪器除了探测人工放射性核素的活度外，也检测诸如K-40这样有代表性的天然放射性核素的活度。所以，即使完美地测量得到了当前测量环境的背景能谱计数，也不能直接使用，需要针对目标核素进行专门的处理解析。现在通常的做法是：将放射性核素在线测量仪器实时、自动测量得到的伽玛能谱数据传输到电脑终端软件，采用人工辅助处理方式甄别判断核素，然后去扣除对应核素能量范围内的背景计数，计算核素活度。当测量仪器安装到浮标等自动监测平台上时，数据必须远程传输。由于伽玛能谱数据量很大，通过北斗卫星通讯会出现数据传输时间长、数据包易丢失等问题，因此，更高效的解决方案应该是由测量仪器自动进行实时的能谱数据处理与解析，自动甄别核素和计算活度，才能解决海洋放射性核素监测的远程通讯难题。

基于以上问题，海洋放射性核素在线测量仪器要实现海洋放射性伽马能谱的现场、自动、实时地测量和处理解析，必须建立一种简便但有效的自动计算背景计数的方法，以适应测量仪器有限的数据处理能力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简单且有效的伽玛能谱背景计数方法，以满足不同数据处理能力的放射性核素测量仪器或者处理终端的使用需求。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种伽玛能谱背景计数方法，包括：根据测量得到的伽玛能谱数据，在能量-计数坐标系中生成伽玛能谱曲线；从所述伽玛能谱曲线的低能端开始向高能端方向执行以下背景计数寻找过程：计算相邻两个能量刻度E(i+1)、E(i)所对应的伽玛能谱计数值的差值count(i+1)-count(i)；若所述差值小于等于预设的门限值，则将伽玛能谱计数值count(i)作为能量在E(i)处的背景计数值；若所述差值大于预设的门限值，则计算能量E(i)所对应的半高宽FWHM(i)，并且在E(i)～E(i)+FWHM(i)的能量区间内，计算所有相邻两个能量刻度所对应的伽玛能谱计数值的差值的绝对值；若有预定比例以上的绝对值大于所述门限值，则提取能量E(i)+q×FWHM(i)所对应的伽玛能谱计数值count(j)，忽略count(i)～count(j)之间的伽玛能谱计数值；若未有预定比例以上的绝对值大于所述门限值，则将能量在E(i)～E(i)+FWHM(i)区间内的伽玛能谱计数值作为该区间内的背景计数值；其中，所述q为大于1的系数。

在本申请的一些实施例中，所述伽玛能谱背景计数方法还包括：根据最终获得的背景计数值采用相邻两点直线连接的方式，生成背景计数曲线。

在本申请的一些实施例中，在所述背景计数寻找过程中，优选首先执行：根据待测环境中目标核素所对应的能量峰在所述能量-计数坐标系中所出现的位置，可划定目标核素不可能存在的低能区0～E0；将能量小于E0的伽玛能谱计数值作为能量在0～E0区间内的背景计数值；从能量等于E0开始，执行所述计算相邻两个能量刻度E(i+1)、E(i)所对应的伽玛能谱计数值的差值count(i+1)-count(i)的过程。由此可以减少背景计数过程的运算量，加快处理过程，并提供结果的准确性。

在本申请的一些实施例中，所述半高宽FWHM(i)优选根据放射性核素测量仪器的以下刻度公式计算生成：

其中，c、d、e、f为半高宽公式的拟合系数。

在本申请的一些实施例中，所述门限值优选根据放射性核素测量仪器的测量数据以及测量时长确定；所述预定比例优选设置为90％；所述系数q优选在1.2～1.4的范围内取值。

在本申请的一些实施例中，所述根据测量得到的伽玛能谱数据，在能量-计数坐标系中生成伽玛能谱曲线的过程优选包括：利用放射性核素测量仪器测量得到的伽玛能谱数据，在道址-计数坐标系中生成伽玛能谱曲线；对道址-计数坐标系中的伽玛能谱曲线进行平滑滤波处理；根据测量使用的放射性核素测量仪器的能量刻度公式：E＝a·ch+b，将道址-计数坐标系中的伽玛能谱曲线转换成能量-计数坐标系中的伽玛能谱曲线；其中，E是能量，单位keV；ch是道址；a和b为能量刻度拟合系数。

在本申请的一些实施例中，所述平滑滤波的窗宽可以根据测量数据和测量时长择优确定，优选设置为5，以达到对原始测量数据进行平滑的目的。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明的伽玛能谱背景计数方法简单、有效，不受测量参数(例如积分时长)的限制，也不受海洋环境干扰的限制，可以使海洋放射性核素在线测量仪器具备现场、自动、实时地测量和处理解析伽马能谱数据的能力，进而使测量仪器在线甄别判断目标核素之后自动计算出核素活度再向远程传输，由此便解决了现有技术中需要远程传输伽玛能谱数据所面临的数据量大、传输时间长、数据包易丢失等问题，确保了监测结果的准确性和实时性，并且符合目前海洋放射性核素在线测量仪器对K-40、Cs137等目标核素的活度检测要求。

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是本发明所提出的伽玛能谱背景计数方法的一种实施例的流程图；

图2是一种典型的海洋放射性现场测量伽马能谱曲线图；

图3是对图2所示的伽马能谱曲线进行平滑滤波处理后的伽马能谱曲线图；

图4是对图3所示的伽马能谱曲线进行能量刻度转换后所对应的伽马能谱曲线图；

图5是针对图4所示的伽马能谱曲线，判断为没有出现能量峰情况的分析用示意图；

图6是针对图4所示的伽马能谱曲线，判断为出现能量峰情况的示意图；

图7是最终得到的背景计数曲线图；

图8是图4所示的伽马能谱曲线自动扣除背景计数曲线后，用于核素甄别判断和活度检测的能量峰曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细地描述。

本实施例针对放射性核素在线测量装置的数据处理能力有限的现状，提出了一种运算简单、易于实现且行之有效的伽玛能谱背景计数方法，将其应用在现有的测量装置中，可以使测量装置在测量得到被测环境中放射性核素的伽玛能谱数据后，能够在线、自动对其所获得的能谱数据进行处理和分析，通过从测量得到的伽玛能谱曲线中扣除背景计数，获得目标核素对应的能量峰曲线，由此便可甄别判断目标核素并计算出目标核素的活度，继而使得测量装置能够在线、自动生成测量结果，实现目标核素活度在线监测的目的。同时，测量装置无需远程传输数据量庞大的伽玛能谱数据，只需将其计算生成的测量结果(核素活度)通过卫星通讯系统传输至远程监控中心即可，由此便解决了现有技术中所面临的伽玛能谱数据通讯周期长、数据包易丢失的难题。

下面结合图1对本实施例的伽玛能谱背景计数方法进行详细说明。

在放射性核素在线测量装置上使用本实施例的伽玛能谱背景计数方法前，首先对放射性核素在线测量装置进行能量刻度和能量分辨率刻度；然后，利用测量装置采集被测环境中放射性射线，生成伽玛能谱数据；之后，执行以下伽玛能谱数据的处理分析过程：

S101、利用测量得到的伽玛能谱数据，在道址-计数坐标系中形成伽玛能谱曲线；

本实施例的道址-计数坐标系的横坐标为道址(即，计数通道)，纵坐标为伽玛能谱计数值。目前常规的放射性核素在线测量仪器采用1024个计数通道进行能谱测量，每一个通道对应一个伽玛能谱计数值。图2示出了一种典型的海洋放射性现场测量伽马能谱曲线，该曲线表现出典型的统计涨落。

S102、对伽玛能谱曲线进行平滑处理；

由于现场自动测量得到的伽马能谱曲线表现出典型的统计涨落，因此，根据其自动计算扣除背景计数之前最好进行滤波处理。本实施例优选采用平滑滤波的方法对测量得到的伽玛能谱曲线进行滤波处理，建议窗宽默认为5。当然，受到当前测量能谱的测量时长影响，统计涨落特点和幅度不同，对测量得到的能谱曲线进行滤波处理时，可以根据测量时长对应的实测结果进行滤波窗宽的调整，以达到对原始测量数据进行平滑为目的。图3为对图2所示的海洋放射性现场测量伽玛能谱曲线进行平滑滤波处理之后得到的伽玛能谱曲线。

S103、转换坐标系，将伽玛能谱曲线转换到能量-计数坐标系中；

海洋放射性核素在线测量仪器在使用之前常规必须进行能量刻度，可以按照线性公式描述能量刻度关系：

E＝a·ch+b

其中，E是能量，单位keV；ch是道址(计数通道)；a和b为能量刻度拟合系数。利用此关系式即可将道址-计数坐标系中的伽玛能谱曲线转换成能量-计数坐标系中的伽玛能谱曲线，如图4所示。

S104、划定目标核素不可能存在的低能区，将低能区的伽玛能谱计数值直接作为在该区间内的背景计数值；

在本实施例中，可以根据待测环境中目标核素所对应的能量峰在能量-计数坐标系中所出现的位置，预先划定一个目标核素不可能存在的低能区0～E0，由于该区间不可能出现目标核素对应的能量峰，因此，可以直接将这段区间的伽玛能谱计数值作为能量在0～E0区间内的背景计数值，以减少背景计数过程的运算量。

在海洋放射性核素监测领域，可以将E0设置为300keV，对能量E小于300keV的伽玛能谱曲线不做处理，直接判断为没有能量峰出现，将能量在0～E0区间内的伽玛能谱计数值直接作为背景计数值。理由是该区间不存在海洋放射性在线监测普遍关注的人工目标核素，所以统一判断为不存在目标核素的能量峰。

S105、向高能端方向依次计算相邻两个能量刻度所对应的伽玛能谱计数值的差值；

在本实施例中，从能量等于E0开始，计算相邻两个能量刻度E(i+1)、E(i)所对应的伽玛能谱计数值count(i+1)、count(i)的差值，即：

△＝count(i+1)-count(i)

其中，count(i)为测量得到的第i个伽玛能谱计数值，E(i)为计数值count(i)所对应的能量。对于有1024个计数通道的测量仪器而言，所述i的最大值为1023(针对i从0开始计数的情况)。

S106、将差值△与预设的门限值δ进行比较，若△≤δ，则将伽玛能谱计数值count(i)作为能量在E(i)处的背景计数值，跳转至步骤S109；若△>δ，则执行后续步骤；

在本实施例中，可以根据测量仪器现场测量的数据和当前待处理数据的测量时长，设置一个门限值δ。例如，测量时长1小时，对海水现场测量伽玛能谱可以设置门限值范围δ＝[4.5-6.0]；测量时长2小时，对海水现场测量伽玛能谱可以设置门限值范围δ＝[8.0-11.0]……测量时长越长，设置的门限值δ越大，具体可以根据现场测量采用的仪器和数据，凭经验择优设置。

如果相邻计数差值count(i+1)-count(i)小于等于门限值δ，则可以判断当前没有出现能量峰，进而将当前计数值count(i)作为背景计数值。如果相邻计数差值count(i+1)-count(i)大于门限值δ，则需做进一步判断。

S107、计算能量E(i)所对应的半高宽FWHM(i)，在E(i)～E(i)+FWHM(i)的能量区间内，计算所有相邻两个能量刻度所对应的伽玛能谱计数值的差值的绝对值；

在本实施例中，半高宽FWHM(i)可根据测量仪器的刻度公式计算获得：

其中，c、d、e、f为半高宽公式的拟合系数。

从能量E(i)开始向高能端方向连续计算能量区间E(i)～E(i)+FWHM(i)内的相邻计数差值△，并对所述差值△取绝对值|△|。

S108、若有预定比例以上的绝对值大于门限值δ，则提取能量E(i)+q×FWHM(i)所对应的伽玛能谱计数值count(j)，忽略count(i)～count(j)之间的伽玛能谱计数值；若没有预定比例以上的绝对值大于门限值δ，则将能量在E(i)～E(i)+FWHM(i)区间内的伽玛能谱计数值作为该区间内的背景计数值；

在本实施例中，可以预设一个预定比例，例如90％；若在E(i)～E(i)+FWHM(i)能量区间内计算出的所有相邻计数差值的绝对值|△|中不是90％以上都大于门限值δ，则判断能量区间E(i)～E(i)+FWHM(i)内没有出现能量峰，如图5所示，将能量在E(i)～E(i)+FWHM(i)区间内的伽玛能谱计数值作为该区间内的背景计数值。

若在E(i)～E(i)+FWHM(i)能量区间内计算出的所有相邻计数差值的绝对值|△|中有90％以上大于门限值δ，则判断能量区间E(i)～E(i)+FWHM(i)内有能量峰出现，如图6所示。此时，可以直接跳到E(i)+q×FWHM(i)处找到对应的伽玛能谱计数值count(j)，忽略count(i)～count(j)之间的伽玛能谱计数值，即，不将count(i)～count(j)作为背景计数值。

作为一种优选实施例，可以用直线连接count(i)和count(j)两点，作为能量区间E(i)+q×FWHM(i)内的背景计数曲线。其中，q为大于1的系数，优选在1.2～1.4的范围内取值。作为一种优选实施例，最好设置q＝1.3。

S109、返回步骤S105，在未分析的能量区间内继续执行背景计数值的获取过程，直至分析到能量区间的最高端；

在本实施例中，可以重复上述计算和判断过程，一直到第1024个伽玛能谱测量计数。

S110、根据获得的所有背景计数值，生成背景计数曲线；

在本实施例中，可以根据最终获得的所有背景计数值，采用相邻两点直线连接的方式生成背景计数曲线，如图7所示。

S111、从实际测量得到的伽玛能谱曲线中扣除背景计数曲线，得到能量峰曲线；

在本实施例中，可以采用从图4所示的实际测量得到的伽玛能谱曲线中扣除图7所示的背景计数曲线，从而得到目标核素所对应的能量峰曲线，如图8所示。

S112、根据能量峰曲线甄别判断目标核素，计算目标核素的活度；

在本实施例中，可以根据能量峰曲线，采用核素数据库和自动剥谱等现有方法自动甄别判断目标核素，再采用峰面积等现有计算方法进行目标核素活度的定量解析，进而生成测量结果，例如目标核素的活度。

由此，便在放射性核素测量仪器上实现了在线、自动甄别目标核素和生成目标核素活度的功能。将在线测量仪器生成的目标核素活度等测量结果通过卫星远程传输至岸上的监控中心，即可实现被测环境放射性状况的远程监控。

当然，以上所述仅是本发明的一种优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种伽玛能谱背景计数方法，其特征在于，包括：

根据测量得到的伽玛能谱数据，在能量-计数坐标系中生成伽玛能谱曲线；

从所述伽玛能谱曲线的低能端开始向高能端方向执行以下背景计数寻找过程：

计算相邻两个能量刻度E(i+1)、E(i)所对应的伽玛能谱计数值的差值count(i+1)-count(i)；

若所述差值小于等于预设的门限值，则将伽玛能谱计数值count(i)作为能量在E(i)处的背景计数值；

若所述差值大于预设的门限值，则计算能量E(i)所对应的半高宽FWHM(i)，并且在E(i)～E(i)+FWHM(i)的能量区间内，计算所有相邻两个能量刻度所对应的伽玛能谱计数值的差值的绝对值；若有预定比例以上的绝对值大于所述门限值，则提取能量E(i)+q×FWHM(i)所对应的伽玛能谱计数值count(j)，忽略count(i)～count(j)之间的伽玛能谱计数值；若未有预定比例以上的绝对值大于所述门限值，则将能量在E(i)～E(i)+FWHM(i)区间内的伽玛能谱计数值作为该区间内的背景计数值；其中，所述q为大于1的系数。

2.根据权利要求1所述的伽玛能谱背景计数方法，其特征在于，还包括：

根据最终获得的背景计数值采用相邻两点直线连接的方式，生成背景计数曲线。

3.根据权利要求1所述的伽玛能谱背景计数方法，其特征在于，在所述背景计数寻找过程中，首先执行：

根据待测环境中目标核素所对应的能量峰在所述能量-计数坐标系中所出现的位置，划定目标核素不可能存在的低能区0～E0；

将能量小于E0的伽玛能谱计数值作为能量在0～E0区间内的背景计数值；

从能量等于E0开始，执行所述计算相邻两个能量刻度E(i+1)、E(i)所对应的伽玛能谱计数值的差值count(i+1)-count(i)的过程。

4.根据权利要求1所述的伽玛能谱背景计数方法，其特征在于，所述半高宽FWHM(i)根据放射性核素测量仪器的以下刻度公式计算生成：

其中，c、d、e、f为半高宽公式的拟合系数。

5.根据权利要求1所述的伽玛能谱背景计数方法，其特征在于，

所述门限值根据放射性核素测量仪器的测量数据以及测量时长确定；

所述预定比例为90％；

所述系数q在1.2～1.4的范围内取值。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的伽玛能谱背景计数方法，其特征在于，所述根据测量得到的伽玛能谱数据，在能量-计数坐标系中生成伽玛能谱曲线的过程包括：

利用放射性核素测量仪器测量得到的伽玛能谱数据，在道址-计数坐标系中生成伽玛能谱曲线；

对道址-计数坐标系中的伽玛能谱曲线进行平滑滤波处理；

根据测量使用的放射性核素测量仪器的能量刻度公式：

E＝a·ch+b

将道址-计数坐标系中的伽玛能谱曲线转换成能量-计数坐标系中的伽玛能谱曲线；其中，E是能量，单位keV；ch是道址；a和b为能量刻度拟合系数。

7.根据权利要求6所述的伽玛能谱背景计数方法，其特征在于，所述平滑滤波的窗宽根据测量数据和测量时长择优确定。

8.根据权利要求7所述的伽玛能谱背景计数方法，其特征在于，所述平滑滤波的窗宽为5。

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