阅读说明：本技术 一种基于峰形拟合的逐步逼近刻度γ能谱高能区的方法 (Method for gradually approaching scale gamma energy spectrum high-energy region based on peak shape fitting ) 是由 张迎增 储诚胜 许业文 郭小峰 曾军 向清沛 袁志文 郝樊华 向永春 朱晨 杨圣 于 2020-06-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于峰形拟合的逐步逼近刻度γ能谱高能区的方法。本方法逐步采用标准γ源与中子活化特征物质产生的γ射线进行刻度,采用简单能谱刻度低能段,之后使用低能段刻度结果估算高能段峰位置,同时采用峰形拟合方法确定峰中心,不断扩展能量刻度范围,逐步逼近感兴趣的高能段,最终获得感兴趣高能段对应的道址区间。与传统一次活化多样品获得复杂的γ能谱后专业人员识别手动刻度方法相比,本发明的方法提供了一套自适应的流程与算法,实现自动化刻度,减少对操作人员的需求,大大扩展了中子活化分析的应用场景。(The invention discloses a method for gradually approaching a scale gamma energy spectrum high-energy region based on peak shape fitting. The method comprises the steps of gradually adopting a standard gamma source and gamma rays generated by neutron activation characteristic substances to scale, adopting a simple energy spectrum to scale a low-energy section, then estimating the peak position of the high-energy section by using the low-energy section scale result, simultaneously adopting a peak shape fitting method to determine the peak center, continuously expanding the energy scale range, gradually approaching the interested high-energy section, and finally obtaining the address section corresponding to the interested high-energy section. Compared with the traditional method for identifying manual scales by professionals after a plurality of samples are activated once to obtain complex gamma energy spectrums, the method provided by the invention provides a set of self-adaptive flow and algorithm, realizes automatic scales, reduces the requirements on operators and greatly expands the application scene of neutron activation analysis.)

一种基于峰形拟合的逐步逼近刻度γ能谱高能区的方法

技术领域

本发明属于核辐射探测领域，具体涉及一种基于峰形拟合的逐步逼近刻度γ能谱高能区的方法。

背景技术

中子质询技术是利用中子发生装置发出的中子与待检测物品发生反应，放出瞬发γ射线，一般采用闪烁体γ谱仪记录γ射线能谱，通过对该能谱的分析确定待检测物品的相关信息。由于待检测物品、环境背景等的元素成分复杂，活化产生的γ射线较多，且γ射线与探测器材料发生相互作用沉积能量的机制较多，获得的能谱非常复杂。因此在中子诱发的复杂能谱中寻找感兴趣元素的特征峰，特别是高能独有特征峰至关重要。

对理想的闪烁γ谱仪，光产额为常数，且与入射γ射线能量无关，总的荧光数量正比于γ射线沉积能量，但是由于光传输衰减、光电倍增管匹配、电子学非线性等因素造成高能段探测器能量相应偏离线性较远的现象；同时闪烁体光产额以及电子学参数受温度等因素影响较大，无法一次刻度长期使用。目前使用闪烁谱仪分析中子活化γ能谱高能段时，一般采用实验人员现场刻度方法确定感兴趣能段道址区间，该方法需要操作人员具备辐射测量专业知识与分析经验，成本较高，难以大规模推广应用。

发明内容

本发明旨在提供一种基于峰形拟合的逐步逼近刻度γ能谱高能区的方法。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于峰形拟合的逐步逼近刻度γ能谱高能区的方法，其特点是，所述的方法包括以下步骤：

(a)使用¹³⁷Cs放射源对探测器进行初步刻度；

(b)使用⁶⁰Co放射源对探测器进行低能段刻度；

(c)使用慢化中子活化水样品，扩大能量刻度范围至中能段；

(d)使用慢化中子活化石墨样品，扩大能量刻度范围至中高能段；

(e)使用慢化中子活化铁块样品，扩大能量刻度范围至高能段；

(f)计算γ能谱中感兴趣高能区的对应道址范围。

进一步，步骤(a)中使用¹³⁷Cs放射源对探测器进行初步刻度，具体为：

(a1)将¹³⁷Cs放射源移动至探测器，启动多道进行数据收集，获得γ能谱S₁，取回¹³⁷Cs放射源；

(a2)寻找能谱S₁中最高点所在道址C₁，以C₁为中心选择宽度为2m₁+1的数据，m₁为道址C₁所在峰的半宽度，使用峰形拟合公式对该数据进行拟合，峰形拟合公式如下：

获得道址计数N(C)与道址C的函数关系，式中a₀、a₁、a₂、a₃以及为拟合参数，得到峰拟合中心道址

(a3)根据¹³⁷Cs 661.7keV特征γ射线，得到能量E(C)与道址C的初步刻度关系为：

E(C)＝f₁C

式中为道址能量转换因子。

进一步，步骤(b)中使用⁶⁰Co放射源对探测器进行低能段刻度，具体为：

(b1)将⁶⁰Co放射源移动至探测器，启动多道进行数据收集，获得γ能谱S₂，取回⁶⁰Co放射源；

(b2)在能谱S₂中以以及为中心取宽度分别为2m₂+1、2m₃+1的数据，其中round表示近似取整，m₂与m₃分别⁶⁰Co1173.2keV与1332.5keV特征γ射线峰的半宽度，使用步骤(a2)中的峰形拟合公式分别进行拟合，得到峰拟合中心道址分别为

(b3)对数据使用最小二乘法按照能量刻度公式进行拟合，能量刻度公式为

E(C)＝b₀+b₁C+b₂C²

得到低能段能量与道址之间刻度参数b_{1_0}、b_{1_1}、b_{1_2}。

进一步，骤(c)中使用慢化中子活化水样品，扩大能量刻度范围至中能段，具体步骤为:

(c1)将水样品移动至辐照活化部位，打开中子发生器，待中子源强度稳定时启动多道进行数据收集，获得γ能谱S₃，关闭中子发生器，取回水样品；

(c2)根据步骤(b3)中拟合得到的能量刻度公式求解中子活化水产生的2223.3keV特征γ射线对应的取整道址C₄，在能谱S₃中以C₄为中心，取宽度为2m₄+1的数据，m₄为2223.3keV特征峰的半宽度，使用步骤(a2)中的峰形拟合公式进行峰形拟合，得到2223.3keV峰拟合中心道址

(c3)对数据 使用最小二乘法按照步骤(b3)中的能量刻度公式进行拟合，更新能量与道址之间刻度参数为b_{2_0}、b_{2_1}、b_{2_2}。

进一步，步骤(d)使用慢化中子活化石墨样品，扩大能量刻度范围至中高能段，具体为：

(d1)将石墨样品移动至辐照活化部位，打开中子发生器，待中子源强稳定时启动多道进行数据收集，获得γ能谱S₄，关闭中子发生器，取回石墨样品；

(d2)根据步骤(c3)中拟合得到的结果求解中子活化石墨产生的3683keV、4945keV特征γ射线对应的取整道址C₅、C₆，在能谱S₄中以C₅、C₆为中心，分别取宽度为2m₅+1、2m₆+1的数据，m₅与m₆分别为3683keV与4945keV特征峰的半宽度，使用步骤(a2)中的峰形拟合公式进行峰形拟合，得到3683keV、4945keV峰拟合中心道址

(d3)对数据 使用最小二乘法按照步骤(b3)中的能量刻度公式进行拟合，更新能量与道址之间刻度参数为b_{3_0}、b_{3_1}、b_{3_2}。

进一步，步骤(e)中使用慢化中子活化铁块样品，扩大能量刻度范围至高能段，具体为：

(e1)将铁块样品移动至辐照活化部位，打开中子发生器，待中子源强稳定时启动多道进行数据收集，获得γ能谱S₅，关闭中子发生器，取回铁块样品；

(e2)根据步骤(d3)中拟合得到的结果求解中子活化铁产生的7120keV、7631keV特征γ射线对应的取整道址C₇、C₈，分别取宽度为2m₇+1、2m₈+1的数据，m₇与m₈分别为7120keV与7631keV特征峰的半宽度，使用步骤(a2)中的峰形拟合公式进行峰形拟合，得到7120keV、7631keV峰拟合中心道址

(e3)对数据 使用最小二乘法按照步骤(b3)中的能量刻度公式进行拟合，更新能量与道址之间刻度参数为b_{4_0}、b_{4_1}、b_{4_2}。

进一步，步骤(f)中计算γ能谱中感兴趣高能区的对应道址范围，具体为：

根据待测物品选定感兴趣高能区[E_min，E_max]，根据步骤(e3)中拟合得到的能量刻度公式求出E_min与E_max对应的取整道址C_min、C_max，[C_min，C_max]即为感兴趣高能区对应的道址区间。

相比于传统方法一次活化多样品获得复杂的γ能谱，解析需要具备辐射测量专业知识的操作人员，难以大规模推广应用，本发明一种基于峰形拟合的逐步逼近刻度γ能谱高能区的方法，综合使用标准源与中子活化能谱，由简至繁，通过峰形拟合与逐步逼近可以自适应的获得感兴趣的高能段道址范围，实现自动化刻度，减少对操作人员的需求。

附图说明

图1为本发明的一种基于峰形拟合的逐步逼近刻度γ能谱高能区的方法整体流程与刻度使用范围图；

图2为本发明的一种基于峰形拟合的逐步逼近刻度γ能谱高能区的方法蒙卡模拟获得¹³⁷Cs刻度探测器能谱S₁；

图3为本发明的一种基于峰形拟合的逐步逼近刻度γ能谱高能区的方法661.7keV峰形及拟合结果；

图4为本发明的一种基于峰形拟合的逐步逼近刻度γ能谱高能区的方法蒙卡模拟获得⁶⁰Cs刻度探测器能谱S₂；

图5为本发明的一种基于峰形拟合的逐步逼近刻度γ能谱高能区的方法1173.2keV峰形及拟合结果；

图6为本发明的一种基于峰形拟合的逐步逼近刻度γ能谱高能区的方法1332.5keV峰形及拟合结果；

图7为本发明的一种基于峰形拟合的逐步逼近刻度γ能谱高能区的方法蒙卡模拟获得慢化中子活化水样品时探测器能谱S₃；

图8为本发明的一种基于峰形拟合的逐步逼近刻度γ能谱高能区的方法2223.3keV峰形及拟合结果；

图9为本发明的一种基于峰形拟合的逐步逼近刻度γ能谱高能区的方法蒙卡模拟获得慢化中子活化石墨样品时探测器能谱S₃；

图10为本发明的一种基于峰形拟合的逐步逼近刻度γ能谱高能区的方法3683keV峰形及拟合结果；

图11为本发明的一种基于峰形拟合的逐步逼近刻度γ能谱高能区的方法4945keV峰形及拟合结果；

图12为本发明的一种基于峰形拟合的逐步逼近刻度γ能谱高能区的方法蒙卡模拟获得慢化中子活化铁块样品时探测器能谱S₄；

图13为本发明的一种基于峰形拟合的逐步逼近刻度γ能谱高能区的方法7120keV峰形及拟合结果；

图14为本发明的一种基于峰形拟合的逐步逼近刻度γ能谱高能区的方法7631keV峰形及拟合结果。

具体实施方式

结合图1，本发明的一种基于峰形拟合的逐步逼近刻度γ能谱高能区的方法具体实施方式如下：

(a)使用¹³⁷Cs放射源对探测器进行初步刻度；

(b)使用⁶⁰Co放射源对探测器进行低能段刻度；

(c)使用慢化中子活化水样品，扩大能量刻度范围至中能段；

(d)使用慢化中子活化石墨样品，扩大能量刻度范围至中高能段；

(e)使用慢化中子活化铁块样品，扩大能量刻度范围至高能段；

(f)计算γ能谱中感兴趣高能区的对应道址范围。

本方法针对中子活化分析，所有操作依赖于中子活化分析平台，该平台包括中子发生器及其控制模块、待测样品放置于更换模块、闪烁体探测器及其电子学模块、多道信号采集及计算机处理模块，具体操作之前选定工作参数，并保证在整个方法实施过程中保持不变；

步骤(a)中使用¹³⁷Cs放射源对探测器进行初步刻度的具体实施方式如下：

(a1)将¹³⁷Cs放射源移动至探测器，启动多道进行数据收集，获得γ能谱S₁，取回¹³⁷Cs放射源；

(a2)寻找能谱S₁中最高点所在道址C₁，以C₁为中心选择宽度为2m₁+1的数据，m₁为道址C₁所在峰的半宽度，使用峰形拟合公式对该数据进行拟合，峰形拟合公式如下

获得道址计数N(C)与道址C的函数关系，式中a₀、a₁、a₂、a₃以及为拟合参数，得到峰拟合中心道址

(a3)根据¹³⁷Cs 661.7keV特征γ射线，得到能量E(C)与道址C的初步刻度关系为

E(C)＝f₁C

式中为道址能量转换因子，该刻度结果适用于0～1000keV内能量线性，可以扩展至2000keV进行估算；

步骤(b)中使用⁶⁰Co放射源对探测器进行低能段刻度的具体实施方式如下：

(b1)将⁶⁰Co放射源移动至探测器，启动多道进行数据收集，获得γ能谱S₂，取回⁶⁰Co放射源；

(b2)在能谱S₂中以以及为中心取宽度分别为2m₂+1、2m₃+1的数据，其中round表示近似取整，m₂与m₃分别⁶⁰Co1173.2keV与1332.5keV特征γ射线峰的半宽度，使用步骤(a2)中的峰形拟合公式分别进行拟合，得到峰拟合中心道址分别为

(b3)对数据使用最小二乘法按照能量刻度公式进行拟合，能量刻度公式为

E(C)＝b₀+b₁C+b₂C²

得到低能段能量与道址之间刻度参数b_{1_0}、b_{1_1}、b_{1_2}，该刻度结果适用于0～2000keV内能量线性，可以扩展至3000keV进行估算；

步骤(c)中使用慢化中子活化水样品，扩大能量刻度范围至中能段具体实施方式如下:

(c1)将水样品移动至辐照活化部位，打开中子发生器，待中子源强度稳定时启动多道进行数据收集，获得γ能谱S₃，关闭中子发生器，取回水样品；

(c2)根据步骤(b3)中拟合得到的能量刻度公式求解中子活化水产生的2223.keV特征γ射线对应的取整道址C₄，在能谱S₃中以C₄为中心，取宽度为2m₄+1的数据，m₄为2223.3keV特征峰的半宽度，使用步骤(a2)中的峰形拟合公式进行峰形拟合，得到2223.3keV峰拟合中心道址

(c3)对数据使用最小二乘法按照步骤(b3)中的能量刻度公式进行拟合，更新能量与道址之间刻度参数为b_{2_0}、b_{2_1}、b_{2_2}，该刻度结果适用于0～3000keV内能量线性，可以扩展至4500keV进行估算；

步骤(d)中使用慢化中子活化石墨样品，扩大能量刻度范围至中高能段具体实施方式如下：

(d1)将石墨样品移动至辐照活化部位，打开中子发生器，待中子源强稳定时启动多道进行数据收集，获得γ能谱S₄，关闭中子发生器，取回石墨样品；

(d2)根据步骤(c3)中拟合得到的结果求解中子活化石墨产生的3683keV、4945keV特征γ射线对应的取整道址C₅、C₆，在能谱S₄中以C₅、C₆为中心，分别取宽度为2m₅+1、2m₆+1的数据，m₅与m₆分别为3683keV与4945keV特征峰的半宽度，使用步骤(a2)中的峰形拟合公式进行峰形拟合，得到3683keV、4945keV峰拟合中心道址

(d3)对数据 使用最小二乘法按照步骤(b3)中的能量刻度公式进行拟合，更新能量与道址之间刻度参数为b_{3_0}、b_{3_1}、b_{3_2}，该刻度结果适用于0～5500keV内能量线性，可以扩展至7500keV进行估算；

步骤(e)中使用慢化中子活化铁块样品，扩大能量刻度范围至高能段具体实施方式如下：

(e1)将铁块样品移动至辐照活化部位，打开中子发生器，待中子源强稳定时启动多道进行数据收集，获得γ能谱S₅，关闭中子发生器，取回铁块样品；

(e2)根据步骤(d3)中拟合得到的结果求解中子活化铁产生的7120keV、7631keV特征γ射线对应的取整道址C₇、C₈，分别取宽度为2m₇+1、2m₈+1的数据，m₇与m₈分别为7120keV与7631keV特征峰的半宽度，使用步骤(a2)中的峰形拟合公式进行峰形拟合，得到7120keV、7631keV峰拟合中心道址

(e3)对数据 使用最小二乘法按照步骤(b3)中的能量刻度公式进行拟合，更新能量与道址之间刻度参数为b_{4_0}、b_{4_1}、b_{4_2}，该刻度结果适用于0～8500keV内能量线性，可以扩展至11000keV进行估算；

步骤(f)中计算γ能谱中感兴趣高能区的对应道址范围具体实施方式如下：

根据待测物品选定感兴趣高能区[E_min，E_max]，根据(e3)中拟合得到的能量刻度公式求出E_min与E_max对应的取整道址C_min、C_max，[C_min，C_max]即为感兴趣高能区对应的道址区间。

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述：

实施例

本实施例采用蒙卡模拟方法获得探测器沉积能谱，采用LaBr₃为γ探测器晶体材料，能量分辨率为2.9％@661.7keV，2.1％@1332.5keV，1.6％@2615keV，探测器半高宽与能量的关系为首先采用蒙卡模拟方法获得¹³⁷Cs放射源刻度时γ能谱S₁，如图2所示，最高点所在道址C₁＝905,以C₁位中心选择宽度为121道的数据，使用a2中的峰形拟合公式进行拟合，拟合结果见图3，得到峰拟合中心道址初进而得到能量E(C)与道址的初步刻度结果为

E₁(C)＝0.732C

采用蒙卡模拟方法获得⁶⁰Cs放射源刻度时γ能谱S₂，如图4所示，根据初步刻度结果计算得到⁶⁰Co1173.2keV与1332.5keV特征γ射线峰中心分别位于C₂＝1603以及C₃＝1820附近，分别以C₂、C₃为中心道址，取宽度分别为121、121的数据，使用步骤(a2)中的峰形拟合公式分别进行峰形拟合，结果见图5与图6，得到拟合结果 对数据(903.95,661.7keV)、(1602.35,1173.2keV)、(1819.81,1332.5keV)使用最小二乘法按照步骤(b3)中的能量刻度公式进行拟合，得到低能段能量与道址之间刻度参数b_{1_0}＝-0.0960775，b_{1_1}＝0.731961，b_{1_2}＝1.71009e-07。

采用蒙卡模拟方法获得慢化中子活化水样品时探测器探测能谱S₃，如图7所示；根据更新拟合的能量刻度公式求解中子活化水产生的2223.keV特征γ射线对应的取整道址C₄＝3035，以C₄为中心道址，取宽度为161的数据，使用步骤(a2)中的峰形拟合公式进行峰形拟合，结果见图8，得到拟合结果对数据(903.95,661.7keV)、(1602.35,1173.2keV)、(1819.81,1332.5keV)、(3035.59,2223.3keV)使用使用最小二乘法按照步骤(b3)中的能量刻度公式进行拟合，得到低能段能量与道址之间刻度参数b_{2_0}＝-0.0432667，b_{2_1}＝0.731874，b_{2_2}＝2.03632e-07。

采用蒙卡模拟方法获得慢化中子活化石墨样品时探测器探测能谱S₄，如图9所示；根据更新拟合的能量刻度公式求解中子活化石墨产生的3683keV、4945keV特征γ射线对应的取整道址为C₅＝5025、C₆＝6743，以C₅、C₆为中心道址，取宽度分别为181、201的数据，使用步骤(a2)中的峰形拟合公式进行峰形拟合，结果见图10与图11，得到拟合结果对数据(903.95,661.7keV)、(1602.35,1173.2keV)、(1819.81,1332.5keV)、(3035.59,2223.3keV)、(5031.59,3683keV)、(6752.07,4945keV)使用最小二乘法按照步骤(b3)中的能量刻度公式进行拟合，得到低能段能量与道址之间刻度参数b_{3_0}＝0.511902，b_{3_1}＝0.731766，b_{3_2}＝6.798e-08。

采用蒙卡模拟方法获得慢化中子活化铁块样品时探测器探测能谱S₅，如图12所示；根据更新拟合的能量刻度公式求解中子活化铁产生的7120keV、7631keV特征γ射线对应的取整道址C₇＝9721、C₈＝10418，以C₇、C₈为中心道址，取宽度分别为181、201的数据，使用步骤(a2)中的峰形拟合公式进行峰形拟合，结果见图13与图14，得到拟合结果对数据(903.95,661.7keV)、(1602.35,1173.2keV)、(1819.81,1332.5keV)、(3035.59,2223.3keV)、(5031.59,3683keV)、(6752.07,4945keV)、(9730.17,7120keV)、(10425.3,7631keV)使用最小二乘法按照步骤(b3)中的能量刻度公式进行拟合，得到低能段能量与道址之间刻度参数b_{4_0}＝-0.699195，b_{4_1}＝0.732799，b_{4_2}＝8.30023e-08。

以探测炸药为例，我们选择N元素作为目标核素，以热中子活化N产生的10.8MeV的γ射线为感兴趣射线，根据能量展宽选择[10MeV，11MeV]作为感兴趣高能区，根据最终更新的能量刻度公式计算得到感兴趣高能区对应导致区间为[13626,14986]。