核数据处理课程设计报告正式稿

核数据处理课程设计报告

1前言

1.1

?能谱分析的目的、意义

随着社会的发展，人民生活水平的提高，核能应用，环境辐射污染等方面越来越引起人们的重视，因此核辐射监测技术在经济发展，国防建设等方面起着越来越重要的作用，人们更加关注放射性污染对人体所造成的危害。

?能谱测量作为一种重要的核地球物理方法，是解决地球科学、环境科学等有关问题的主要手段之一。?能谱仪作为核辐射测量中最常用的数据采集，分析仪器，其通过对?射线能量的测量可识别发射?射线源的核素种类，对辐射强度测量能够获得本?射线的核素含量或活度，及?辐射总量。?能谱仪常被用十家居及环境的辐射监测，铀矿勘探，地质填图，油气勘测，寻找各种金属和非金属矿产，食品卫生检验等多个领域，因此?能谱测量技术、分析技术有着广阔的发展前景。

?能谱分析任务主要包括?能谱的测量和数据的采集，谱数据的解谱分析等。主要解谱分析内容包括?谱数据平滑、谱寻峰、核素识别、峰区边界确定、本底扣除、全能峰函数拟合、净峰面积求解、核素含量计算及其活度分析等。

1.2 ?能谱分析的主要难题

目前用十放射性核素测量的Y能谱仪主要有两种:NaI(Tl)和HPGe? 能谱仪。其中HPGe ?能谱仪的能量分辨率高(对于60CO的1332keV全能峰可以达到2. OkeV左右)，能量线性好，被认为是当今最好的?能谱仪，其解谱技术相对比较简单，在复杂核素组成的样品中也可以得到较好的分析结果，但是由于HPGe探头需要在液氮冷却的环境下进行测量，目_价格也比较昂贵，使用维护不便，其使用的环境受到一定的限制。而NaI(Tl)?能谱仪由十使用维护方便，探测效率高(约是HPGe的几十倍)，仪器成本低等多方面占有优势，因此在放射监测中仍被广泛的应用，但Na工(T1>能谱仪能量分辨率相对较低(对于137CS的661keV一般为7%左右)，对于核素种类较多，谱线较复杂的样品进行解谱分析时却无法胜任，因此必需对其Y能谱进行较为复杂的算法分析才能得到比较准确的结果。

NaI(T1)?能谱仪进行放射性?射线谱测量时，因其能量分辨率较低，如果所测物质中所含核素种类多、含量低、介质复杂，在高本底等复杂背景的测量环境下，所测?谱线会相当复杂，如果解谱算法精度不高，会影响最终分析结果的不确定性，主要的影响因素有:NaI(T1) ?能谱仪仪器性能的影响，?能谱仪的测量统计涨落干扰，?能谱仪的

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本底干扰。

1.3

?能谱解谱的研究简介

?能谱分析任务主要包括?谱数据平滑、寻峰、核素识别、峰区边界确定、本底扣

全能峰拟合，净峰面积求解和核素含量计算及其活度分析等。

?谱数据平滑方法主要有:傅里叶变换、几点平滑法、指数平滑法、马尔可夫平滑法、小波变换(即在联合能量一频率空间内把?能谱展开，同时利用能域和频域的信息进行平滑处理，被认为是一种非常理想的能谱平滑处理方法)、数字滤波器，重心法等。目前实际应用中常用几点平滑法，马尔可夫平滑法。尽管上述平滑方法各有优势，但是大多都需要谱分析者根据实际经验设定平滑参数或选择平滑函数等，才能得到较为准确的平滑效果，且并不是任何情况下总是有效的，特别是在能谱数据中含大量密集干扰背景的环境下，平滑效果并不理想，可能会出现假峰或遗漏真峰等。

?能谱寻峰方法主要有:简单比较寻峰法、高斯乘积函数找峰法、五点极值法、道数寻峰法、导数法(二阶导数寻峰精度高，一阶导数确定峰区边界准确)、对称零面积法、协方差法(精度高，速度慢)，斜宽寻峰法(速度快)等，各有优缺点。但这些寻峰方法却没有一种方法能够同时达到寻峰速度快，寻峰精度又高的要求。复杂?能谱的寻峰问题一直是个比较难以解决的问题，因此应充分考虑各种寻峰法的优点，联合使用几种寻峰法对?能谱进行联合寻峰是一种比较理想的解决办法。

?能谱本底扣除方法主要有:直线本底、阶梯/阶跃本底，抛物线本底等二种传统本底扣除方法，目前大部分学者认为阶跃本底是一种比较准确的扣除本底方法。近年来也有部分学者利用傅立叶变换，小波变换等方法在扣除本底方面上进行相关的研究，并已取得一定的研究成果。国外部分学者在阶跃本底的基础上采用SNIP (Sensitive

Nonlinear:Iterative Peak Algorithms)本底扣除方法、，被认为是目前比较理想的本底扣除方法。但不管采用哪种本底扣除，只有充分利用全能峰尽可能多的有效计数，才能认为是比较理想的本底扣除方式，才可能得到比较好的本底扣除效果。在本底扣除时，全能峰峰区边界的选择也会影响到本底扣除的质量，因此精确定位峰区边界也成为一个必须考虑的因素。

1.4 本次课程设计?能谱分析的研究内容

本次课程设计通过对?能谱测量、?能谱的物理形成原理、目前常用解谱算法分析做了较好的探究，针对?能谱仪的计数统计涨落问题，重心法、多项式最小二乘移动平滑傅里叶变换法、小波变换法来对谱数据进行平滑处理;然后采用弱峰检测能力较好、重叠

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峰分辨能力好的对称零面积寻峰法进行寻峰;并通过了二阶插值多项式拟合来准确的计算峰位，还确定了全能峰峰区边界道址知道了全能峰的峰位的道址及其对应的全能峰的能量后，求出了能量刻度方程曲线二次多项式y=kx+b。然后利用瓦森峰面积法来计算各个寻得的峰的峰面积。

最后对所求的全能峰净计数，全能峰净面积求解等几个关键问题进行了统一分析验证，以便能达到较为可靠准确的解谱质量，并与标准参考数据进行对比验证。

本课程设计的?能谱解谱方法研究的主要内容框架（程序流程图）如图一所示： 重心法平滑 多项式最小二乘移动平滑法 ?谱数据 傅里叶变换法 小波变换法 理想低通滤波器 高斯型滤波器

确定峰位、确定左右边界道 采用对称零面积寻峰法寻峰(面积为零的窗函数的参数可调） 能谱数据的平滑处理后画图，将平滑处理前与平滑处理后的能谱图对比，查看平滑效果 能谱的刻度并画刻度能量刻度图 画寻峰之后的能谱图（图中峰位已在图中用红线已标出） 用瓦森峰面积法计算峰面积 用总峰面积法计算峰面积

图一?能谱解谱方法研究内容

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2 ?谱数据的平滑

由于核衰变和?能谱仪固有的统计涨落、电子电路系统的噪声，?射线散射的影响等，在实测?能谱中，每个道址上的计数可能与理论期望值有着很大的偏差，故会形成一种带有计数统计涨落的?谱形。这种涨落不仅会影响全能峰峰位的确定和净峰面积的计算，而且也会掩盖掉弱峰，漏判可探测的核素，或是出现假峰，反而会识别出并不存在的核素，对?能谱的定性定量分析产生不可避免的分析误差。为了减少?谱数据统计涨落的影响，而又尽可能保留?谱峰全部的重要特征，以便对?能谱进行更为可靠的分析，必须先对所测?能谱原始数据进行平滑或去噪处理，这就是?能谱平滑处理技术。

?谱数据是按整数道址离散存储的，由于相邻各道的计数存在着一定的数学关联，所

以利用数学统计方法逐道对谱数据进行修正，是可以消除大部分统计涨落的影响，且仍会保留原始谱的重要特征。一些经典的谱平滑算法，例如，傅里叶变换法、离散函数褶积滑动变换法、多项式最小二乘移动平滑法（也叫几点平滑法）、马尔可夫平滑法、小波变换法(即在联合能量一频率空间内把?能谱展开，利用能谱在能域和频域的信息进行平滑处理，部分人认为这是一种非常理想的能谱平滑处理方法)、数字滤波器，重心法等。本课程设计采用了重心法，多项式最小二乘移动平滑法、傅里叶变换法、小波变换法这四种平滑方法进行平滑。

2.1 重心法

所谓重心法就是假设光滑后的数据是原来数据的重心 重心法二点光滑公式:

重心法五点光滑公式:

2.2 多项式最小二乘移动平滑法

1964年A. Savitzky和J.Egolay提出了一个用于谱数据平滑处理的滤波器响应函数。其基本思想是，当求平滑之后谱的第m点数据时，先在原始谱数据第m点的左、右各取K

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