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秀的能量分辨率和探測效率，受到核行業工作者的高度關注。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，得出結論：在實際工程應用中，選擇傅里葉本底扣除方法結合直線法做本底扣除，效果最佳。

關鍵詞：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+晶體就以其優秀的能量分辨率、良好的能量線性響應、較強的光輸出能力引起國內外的普遍關注并迅速發展起來。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

文章中數據使用成都中福科技有限公司與成都理工大學聯合研發的IED-3000B型數字化γ能譜儀系統，搭配法國圣戈班公司生產的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的適應性，使用在本底模型、U模型、K模型、Th模型上測得的數據標定儀器，使用混合模型上測得的數據進行誤差檢驗，使用《DZ-T 0205-1999地面伽瑪能譜測量技術規范（行業標準）》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運算對每道計數進行變換，其公式如下：

式中i為道址數；y（i）為道址i對應的計數；v（i）為運算結果保存向量。（1）式中的自然對數運算符可處理高計數譜峰， 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。

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大小：

當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。再將經迭代最終得到的數據反變換既可得到本底譜。

2.2 傅里葉變換本底扣除法

采用數字信號處理中頻譜的處理方法對離散的譜數據進行離散傅里葉變換，將頻域中的低頻部分適當的扣除，從而達到背景扣除的效果。

N是熒光儀的總道數，這里為1024道。

通過公式（3）和公式（4）可以實現離散儀器譜數據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，實現方法如下：

（1）對第m次迭代得到的譜數據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應該小于該道原始譜計數并且大于零，所以可以構造第m+1次迭代的譜線xm+1（n），如式（5）所示。

調整濾波器閾值，重復執行以上步驟，當結果趨向于穩定時結束，得到的xm+1（n）即為所求的背景。

3 測量結果及分析

根據《DZ-T 0205-1999地面伽瑪能譜測量技術規范（行業標準）》中推薦的伽瑪能譜測量譜段，對在羅江鄢家鎮鈾、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，結果見表2。用逆矩陣解譜法求得鈾釷混合模型含量，結果見表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%，其測量結果均滿足行業要求。

溴化鑭本身的138La元素產生的γ射線會對環境中的鉀峰有很大影響，在本底模型上測量的鉀峰計數有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，在實際工程應用中，選擇傅里葉本底扣除方法做LaBr3探測系統的本底扣除，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，成都理工大學在讀碩士研究生，研究方向：核技術及應用。