基于溴化鑭探測器的本底扣除方法研究

侯鑫等

摘 要：溴化鑭探測器由于其優(yōu)秀的能量分辨率和探測效率，受到核行業(yè)工作者的高度關(guān)注。文章針對LaBr3探測器在天然γ放射性測量中譜線本底扣除方法進行了比較分析，得出結(jié)論：在實際工程應(yīng)用中，選擇傅里葉本底扣除方法結(jié)合直線法做本底扣除，效果最佳。

關(guān)鍵詞：溴化鑭探測器；γ能譜；本底扣除

引言

自2000年首次被推出以來，LaBr3：Ce3+晶體就以其優(yōu)秀的能量分辨率、良好的能量線性響應(yīng)、較強的光輸出能力引起國內(nèi)外的普遍關(guān)注并迅速發(fā)展起來。文章針對LaBr3探測器在天然γ放射性測量中譜線本底扣除方法進行了比較分析。

1 譜線測量

文章中數(shù)據(jù)使用成都中?？萍加邢薰九c成都理工大學(xué)聯(lián)合研發(fā)的IED-3000B型數(shù)字化γ能譜儀系統(tǒng)，搭配法國圣戈班公司生產(chǎn)的BrilLance 380型號的溴化鑭晶體探頭，在四川省德陽市羅江縣四川省核工業(yè)輻射測試防護院計量模型站的標準飽和模型上測得。其中本底模型測量400s，其他模型均測量200s。模型中的物質(zhì)含量如表1所示。

2 試驗方法

為了檢驗本地扣除方法對溴化鑭探測系統(tǒng)的適應(yīng)性，使用在本底模型、U模型、K模型、Th模型上測得的數(shù)據(jù)標定儀器，使用混合模型上測得的數(shù)據(jù)進行誤差檢驗，使用《DZ-T 0205-1999地面伽瑪能譜測量技術(shù)規(guī)范（行業(yè)標準）》附錄B中推薦的逆矩陣法求解核素含量，以誤差大小判斷本底扣除方法的適應(yīng)性。

2.1 SNIP法本底扣除

SNIP法在實際扣除γ能譜本底的過程中，一般首先用LLS運算對每道計數(shù)進行變換，其公式如下：

式中i為道址數(shù)；y（i）為道址i對應(yīng)的計數(shù)；v（i）為運算結(jié)果保存向量。（1）式中的自然對數(shù)運算符可處理高計數(shù)譜峰， 而求平方根運算符對增強弱峰很敏感。做此變換能夠有效的減少迭代次數(shù)。

SNIP算法是通過引入剝離能量譜中變化迅速的特征信息，比較第i道道址信息yi和它鄰近道址的信息。比較vi和它的兩個鄰近道址的平均值mi大?。?/p>

當(dāng)vi的值大于平均值mi，用平均值mi替換道址i的信息，將這種變換在所有道址上運行一遍，此時，能量譜其它位置保持不變，但特征峰峰位置的峰幅度會降低。此方法導(dǎo)致譜的光滑，趨于連接兩個局部最小值，最終剝離收斂，留下光滑的本底。再將經(jīng)迭代最終得到的數(shù)據(jù)反變換既可得到本底譜。

2.2 傅里葉變換本底扣除法

采用數(shù)字信號處理中頻譜的處理方法對離散的譜數(shù)據(jù)進行離散傅里葉變換，將頻域中的低頻部分適當(dāng)?shù)目鄢瑥亩_到背景扣除的效果。

N是熒光儀的總道數(shù)，這里為1024道。

通過公式（3）和公式（4）可以實現(xiàn)離散儀器譜數(shù)據(jù)在時域和頻譜間相互變換。

由于特征峰為高斯脈沖形狀，其頻率中也含有低頻成分，與散射背景在頻譜中不能完全區(qū)分，因此無法直接使用低通濾波器來估計背景，但是可以使用迭代算法實現(xiàn)，實現(xiàn)方法如下：

（1）對第m次迭代得到的譜數(shù)據(jù)xm（n）進行快速傅里葉變換，得到頻譜Xm（k）。

（2）采用理想低通濾波器對Xm（k）進行濾波，得到低頻譜Xm'（k）。

（3）對Xm'（k）進行快速傅里葉逆變換，得到譜線xm'（n）。

（4）因為背景譜每道的計數(shù)應(yīng)該小于該道原始譜計數(shù)并且大于零，所以可以構(gòu)造第m+1次迭代的譜線xm+1（n），如式（5）所示。

調(diào)整濾波器閾值，重復(fù)執(zhí)行以上步驟，當(dāng)結(jié)果趨向于穩(wěn)定時結(jié)束，得到的xm+1（n）即為所求的背景。

3 測量結(jié)果及分析

根據(jù)《DZ-T 0205-1999地面伽瑪能譜測量技術(shù)規(guī)范（行業(yè)標準）》中推薦的伽瑪能譜測量譜段，對在羅江鄢家鎮(zhèn)鈾、釷、鉀、混合四個標定模型上測得的γ能譜進行特征峰面積計算，結(jié)果見表2。用逆矩陣解譜法求得鈾釷混合模型含量，結(jié)果見表3。

由表1-表3可以看出，對于K元素來說，未扣除本底和SNIP法扣除本底，誤差均達到30%以上，直線本底扣除法雖然誤差有所降低，但任有18%，誤差較大；而采用傅里葉本底扣除方法可以使鉀元素含量誤差降低到3.3%。行業(yè)標準中要求鉀含量低于5%時，一般精度儀器的絕對誤差小于1.0，高精度儀器的絕對誤差小于0.5，由表3可看出，對于K元素的測量，傅里葉本底扣除遠遠滿足行業(yè)要求。對于U來說，所有方法的誤差均在2.0%～5.3%之間，傅里葉本底扣除的效果最好；對于Th來說，所有方法的誤差均在1.7%～5.9%之間，直線法扣除本底的效果最好；行業(yè)標準中要求如果他們含量大于15%時，一般精度儀器的相對誤差小于20%，高精度儀器的絕對誤差小于15%，其測量結(jié)果均滿足行業(yè)要求。

溴化鑭本身的138La元素產(chǎn)生的γ射線會對環(huán)境中的鉀峰有很大影響，在本底模型上測量的鉀峰計數(shù)有30～60%來源于138La。SNIP法由于其方法本身的原因，針對平緩，起伏不是很大的本底扣除效果較好。對于溴化鑭探測器來說，譜線中的本底除了環(huán)境中的自然本底意外，還有溴化鑭自身所帶的本底，而且有明顯的譜峰形成，用SNIP法做本底扣除效果就不理想。對于Th峰來說，由于其能量在自然界中比較高，環(huán)境中其他元素對其影響很小，可以用直線法扣除本底，效果較好。

總上所述，在實際工程應(yīng)用中，選擇傅里葉本底扣除方法做LaBr3探測系統(tǒng)的本底扣除，計算效果最佳，使K的絕對誤差達到了0.08，而U、Th的相對誤差分別達到2.0%、5.9%。對于Th元素含量的計算，也可以采用直線法做本底扣除。

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作者簡介：侯鑫（1991，5-），男，山西臨汾人，成都理工大學(xué)在讀碩士研究生，研究方向：核技術(shù)及應(yīng)用。