CN116908904B - 一种基于脉宽测量的多路辐射探测能谱分析方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于脉宽测量的多路辐射探测能谱分析方法及系统，该方法包括采集核辐射信号，并获取完整能谱；对所述核辐射信号进行符合测量，获取符合能谱；根据所述完整能谱判断核素唯一性，当核素唯一时，输出核素种类；否则，将所述符合能谱与核素数据库进行比对，并输出核素种类；该系统包括：第一探测单元，用于采集核辐射信号，测量完整能谱；第二探测单元，用于采集核辐射信号，测量符合能谱；能谱分析单元，用于根据所述完整能谱判断核素唯一性，当核素唯一时，输出核素种类；否则，将所述符合能谱与核素数据库进行比对，并输出核素种类；本发明利用衰变核素的级联衰变性，对核素的特定能量进行筛选，得到相对简化的符合能谱进行核素识别，提高测量的精度，最终达到降低探测限的目的。
Description
技术领域
本发明涉及能谱分析技术领域，更具体的说是涉及一种基于脉宽测量的多路辐射探测能谱分析方法及系统。
背景技术
目前，核素识别已经逐渐成为放射性检测仪表的必备功能之一。常见的核素识别仪表技术线路，是采用模拟数字转换(ADC)电路，将放大成形后的核辐射脉冲的幅度转变成数字量，从而把模拟脉冲信号转化成与其幅值对应的“道址”，通过累加各道址脉冲计数，即可获得输入脉冲幅度的分布数据，即能谱数据。与已建立的放射性核素特征库进行比对，即可确定产生当前辐射的放射性核素。A/D转换方法的优点是线性度较好，能谱道址与实际核辐射能量基本线性对应；缺点是电路复杂，需要稳定的参考电源，要求前端放大器线性范围较宽、噪声小，功耗较高。现有的电路较为复杂、成本较高且精度较低。
因此，如何提高测量精度、简化电路实现低成本核素识别是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于脉宽测量的多路辐射探测能谱分析方法及系统，利用衰变核素的级联衰变性，对核素的特定能量进行筛选，得到相对简化的符合能谱进行核素识别，提高测量的精度，最终达到降低探测限的目的。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于脉宽测量的多路辐射探测能谱分析方法，包括以下步骤：
采集核辐射信号，并获取完整能谱；
对所述核辐射信号进行符合测量，获取符合能谱；
根据所述完整能谱判断核素唯一性，当核素唯一时，输出核素种类；否则，将所述符合能谱与核素数据库进行比对，并输出核素种类。
优选的，所述获取完整能谱，步骤包括：
设置固定阈值电压与核辐射信号进行比较，得到包含脉宽信息的数字脉冲信号；
根据所述阈值脉冲信号的脉宽计算脉冲信号的幅值，并确定所述完整能谱。
优选的，所述计算脉冲信号的幅值采用的公式为：
其中，tY为脉冲宽度，T为信号持续时间，VY为固定阈值电压，V0为脉冲信号幅值。
优选的，对所述核辐射信号进行符合测量，获取符合能谱，步骤包括：
设置两个符合道进行信号探测；
获取两个符合道下的脉冲信号，根据预设的时间阈值和幅值阈值判断级联关系；
将具有级联关系的脉冲信号进行记录，并绘制能谱，得到符合能谱。
优选的，所述判断级联关系包括：
设置各个核素开门所对应的开门信号幅值范围作为所述幅值阈值；
当所述脉冲信号在所述幅值阈值和所述时间阈值内时，则两个符合道下的所述脉冲信号具有级联关系。
优选的，所述根据所述完整能谱判断核素唯一性，步骤包括：
确认待甄别核素；
根据所述完整能谱，在所述待甄别核素对应的特征光电峰位道址设置能量窗，并得到各个能量窗下的特征峰计数结果；
当所述完整能谱中最高能量窗计数值与各能量窗计数和的比值大于预设值且所述待甄别核素仅存在一个特征峰，则判断核素唯一，并输出所述待甄别核素。
优选的，当所述待甄别核素存在多个特征峰时，通过所述符合能谱查找特征峰，进行符合判断，当所述符合能谱中存在与所述待甄别核素所对应的特征峰时，则输出所述待甄别核素。
一种基于脉宽测量的多路辐射探测能谱分析系统，包括：
第一探测单元，用于采集核辐射信号，测量完整能谱；
第二探测单元，用于通过两路探测器采集核辐射信号，测量符合能谱；
能谱分析单元，用于根据所述完整能谱判断核素唯一性，当核素唯一时，输出核素种类；否则，将所述符合能谱与核素数据库进行比对，并输出核素种类。
优选的，所述第一探测单元包括前置放大器、线性放大器和比较器；
所述核辐射信号依次经过所述前置放大器和所述线性放大器进行放大；
所述比较器将所述放大后的脉冲信号和预设的固定阈值脉宽进行比较，输出阈值脉冲信号。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于脉宽测量的多路辐射探测能谱分析方法及系统，利用衰变核素的级联衰变性，对核素的特定能量进行筛选，使用计算机系统提供的强大算力排除本底和无关联事件从而降低能谱中各种干扰的影响，简化探测能谱，提高测量的精度，最终达到降低探测限的目的；固定阈值脉宽法相对传统ADC数模转换幅度测量电路，减少了ADC等硬件电路，应用纯数字化TDC(时间数字转换)方案，将脉冲信号固定阈值脉宽转化为数字信号得到能谱，可实现低成本常见核素识别功能，如采用高分辨率探测器，可完成更多核素识别功能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种基于脉宽测量的多路辐射探测能谱分析方法流程图；
图2为本发明中固定阈值脉宽法测量原理示意图；
图3为本发明中符合测量系统结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1，本发明实施例公开了、一种基于脉宽测量的多路辐射探测能谱分析方法，包括以下步骤：
S1：采集核辐射信号，并获取完整能谱。
在一种实施例中，S1具体包括：
S11：将核辐射信号近似为三角波信号；
S12：设置固定阈值电压与核辐射信号进行比较，得到包含脉宽信息的数字脉冲信号；
S13：根据阈值脉冲信号的脉宽计算脉冲信号的幅值，并确定完整能谱。
在本实施例中，核辐射探测器将接收到核辐射转变为脉冲电信号，经由前置放大器、线性放大器放大后输出近似为一个三角波信号，该信号持续时间T由探测系统硬件决定，与信号幅值无关，通过设定阈值电压VY利用比较器处理放大器输出的脉冲，比较器将输出宽度tY的高电平脉冲，如图2所示，核辐射信号可近似为三角波信号。
从图2中可以得到如下关系式：
整理可得：
其中，tY为脉冲宽度，T为信号持续时间，VY为固定阈值电压，V0为脉冲信号幅值。
由此可知，脉冲宽度tY同脉冲信号幅值V0的倒数成线性关系，测量脉冲信号的固定阈值脉宽，就可以对应相应的脉冲幅值，脉宽越宽，脉冲信号幅值越大，相应的核辐射能量就越高。测得的脉宽数值对应的图谱，就可以认为是能量值经相应变换过的能谱。
S2：对核辐射信号进行符合测量，获取符合能谱；
在一种实施例中，S2具体包括：
S21：设置两个符合道进行信号探测；
S22：获取两个符合道下的脉冲信号，根据预设的时间阈值和幅值阈值判断级联关系；设置各个核素开门所对应的开门信号幅值范围作为幅值阈值；当脉冲信号在幅值阈值和时间阈值内时，则两个符合道下的脉冲信号具有级联关系。
S23：将具有级联关系的脉冲信号进行记录，并绘制能谱，得到符合能谱。
需要说明的是，在核衰变过程中，会同时释放两个或两个以上的射线，这些射线在时间上存在相互关联，在测量过程中，这些同时发射的射线可能会进入两个不同的探测器，产生的脉冲信号经过符合电路便可记录为一次符合事件，这样的符合事件也称为真符合事件。另一种符合事件是偶然符合事件，可以分为两种情况，一种是在两个射线不存在时间关联的情况下同时被探测器探测到，然后被甄别为一次符合事件，另一种是高能宇宙射线先后通过两个探测器，这也可以被符合电路甄别。用符合法研究衰变γ射线间的级联关系或相关性时，要求符合测量装置既能对射线能量进行选择，又具有短时间分辨的本领。
在本实施例中，如图3，通过两个闪烁体探测器进行采集，闪烁体探测器是利用晶体与γ射线相互作用下产生的电离、激发而产生荧光光子，接有500V左右低纹波高压电源的光电倍增管通过光导窗收集光子，在光阴极向真空中激发出光电子，光电子在高压场的作用下，经过进一步地倍增放大，然后在阳极汇聚成核电信号输出，将信号经过前置放大电路和线性放大电路即可输出模拟的核信号给采集模块做进一步处理。两符合道的脉冲经过成形后送入数据处理系统进行时间符合，通过设定时间阈值判断是否具有级联关系，利用计算机软件筛选具有级联关系的符合信号的能量，如某对信号中存在满足判定条件的能量，则将该对符合信号记录下来，最终以信号能量为横坐标、信号计数为纵坐标绘制谱图，并与数据库比对判断核素种类。
S3：根据完整能谱判断核素唯一性，当核素唯一时，输出核素种类；否则，将符合能谱与核素数据库进行比对，并输出核素种类。
在一种实施例中，S3具体包括：
S31：确认待甄别核素；
S32：根据完整能谱，在待甄别核素对应的特征光电峰位道址设置能量窗，并得到各个能量窗下的特征峰计数结果，并计算低于特征峰能量的能量窗计数同特征峰窗口计数的比值；在此之前，可使用标准核素样品对能谱图进行标定，使用几种不同能量的射线对各个探测器能谱图进行标定以获得相应探测器能谱图中峰位道址与脉冲幅度的关系。
S33：当完整能谱中最高能量窗计数值与各能量窗计数和的比值大于预设值且待甄别核素仅存在一个特征峰，则判断核素唯一，并输出待甄别核素。
S34：当待甄别核素存在多个特征峰时，通过符合能谱查找特征峰，进行符合判断，当符合能谱中存在与待甄别核素所对应的开门信号时，则输出待甄别核素。具体的，如该核素存在多个特征峰，则需要依据标定时测得的该核素各能量窗计数比值，同其特征峰能量窗计数相乘得到扣减值，在测量能谱中减去相应扣减值，以降低其对后续判定的影响。当由于误差等原因无法确定某一能量特征峰所对应的具体核素时(如Cs-137对应的661.7keV和I-131对应的637.0keV)，则需判断可能核素里是否存在多个特征峰，如存在多个特征峰(如I-131对应的364.5keV)，则可依照2.2节所述，对存在多个特征峰的核素进行符合法测定。以I-131为例，以其637.0keV能量射线作为开门信号，如符合能谱中存在364.5keV能量对应特征峰，则认为存在I-131核素，如符合能谱中不存在364.5keV能量对应特征峰，则在上述提到的情况中应认为存在Cs-137核素。
实施例2
基于相同的发明构思，本发明实施例公开一种基于脉宽测量的多路辐射探测能谱分析系统，包括：
第一探测单元，用于采集核辐射信号，测量完整能谱；第一探测单元包括前置放大器、线性放大器和比较器；核辐射信号依次经过前置放大器和线性放大器输出近似为三角波的脉冲信号；比较器将脉冲信号和预设的固定阈值脉宽进行比较，输出阈值脉冲信号。
第二探测单元，用于采用两路探测器采集核辐射信号，测量符合能谱。
能谱分析单元，用于根据完整能谱判断核素唯一性，当核素唯一时，输出核素种类；否则，将符合能谱与核素数据库进行比对，并输出核素种类。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (3)
1.一种基于脉宽测量的多路辐射探测能谱分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
采集核辐射信号，并获取完整能谱；具体包括：
S11：将核辐射信号近似为三角波信号；
S12：设置固定阈值电压与核辐射信号进行比较，得到包含脉宽信息的数字脉冲信号；
其中，tY为脉冲宽度，T为信号持续时间，VY为固定阈值电压，V0为脉冲信号幅值；
S13：根据阈值脉冲信号的脉宽计算脉冲信号的幅值，并确定完整能谱；
对所述核辐射信号进行符合测量，获取符合能谱；具体包括：
S21：设置两个符合道进行信号探测；
S22：获取两个符合道下的脉冲信号，根据预设的时间阈值和幅值阈值判断级联关系；设置各个核素开门所对应的开门信号幅值范围作为幅值阈值；当脉冲信号在幅值阈值和时间阈值内时，则两个符合道下的脉冲信号具有级联关系；所述判断级联关系包括：
设置各个核素开门所对应的开门信号幅值范围作为所述幅值阈值；
当所述脉冲信号在所述幅值阈值和所述时间阈值内时，则两个符合道下的所述脉冲信号具有级联关系；
S23：将具有级联关系的脉冲信号进行记录，并绘制能谱，得到符合能谱；
根据所述完整能谱判断核素唯一性，当核素唯一时，输出核素种类；否则，将所述符合能谱与核素数据库进行比对，并输出核素种类；具体包括：
S31：确认待甄别核素；
S32：根据完整能谱，在待甄别核素对应的特征光电峰位道址设置能量窗，并得到各个能量窗下的特征峰计数结果，并计算低于特征峰能量的能量窗计数同特征峰窗口计数的比值；
S33：当完整能谱中最高能量窗计数值与各能量窗计数和的比值大于预设值且待甄别核素仅存在一个特征峰，则判断核素唯一，并输出待甄别核素；
S34：当待甄别核素存在多个特征峰时，通过符合能谱查找特征峰，进行符合判断，当符合能谱中存在与待甄别核素所对应的开门信号时，则输出待甄别核素。
2.一种基于脉宽测量的多路辐射探测能谱分析系统，其特征在于，包括：
第一探测单元，用于采集核辐射信号，测量完整能谱；
第二探测单元，用于通过两路探测器采集核辐射信号，测量符合能谱；
能谱分析单元，用于根据所述完整能谱判断核素唯一性，当核素唯一时，输出核素种类；否则，将所述符合能谱与核素数据库进行比对，并输出核素种类。
3.根据权利要求2所述的一种基于脉宽测量的多路辐射探测能谱分析系统，其特征在于，所述第一探测单元包括前置放大器、线性放大器和比较器；
所述核辐射信号依次经过所述前置放大器和所述线性放大器进行放大；
所述比较器将所述放大后的核辐射脉冲信号和预设的固定阈值进行比较，输出数字脉冲信号。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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