伽馬射線能譜數(shù)據(jù)處理主要包括能譜數(shù)據(jù)光滑、尋峰、本底扣除、重峰分解和凈峰面積求解等,它是伽馬射線能譜儀（或測(cè)量系統(tǒng)）不可缺少的關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著伽馬射線能譜儀在地質(zhì)礦產(chǎn)勘查、疾病診斷與治療、工業(yè)過(guò)程分析和輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的廣泛采用,以及當(dāng)代微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,一些較復(fù)雜的能譜數(shù)據(jù)處理方法和較大計(jì)算量的算法,在伽馬射線能譜儀上應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)已成為可能,使伽馬射線能譜儀的性能指標(biāo)得到很大提升。尤其是以NaI（Tl）閃爍計(jì)數(shù)為伽馬探測(cè)器的伽馬射線能譜儀,具有伽馬射線探測(cè)效率高、使用維護(hù)方便、儀器成本低、操作簡(jiǎn)便等顯著優(yōu)點(diǎn),采用有效的射線能譜數(shù)據(jù)處理技術(shù)可彌補(bǔ)其能量分辨率（對(duì)于137Cs的0.661MeV一般為7.5%左右）的不足。本論文以NaI（Tl）伽馬射線能譜儀為研究對(duì)象,采用蒙特卡羅數(shù)值模擬（MCNP5）方法建立能譜儀的單能光子能譜響應(yīng),并根據(jù)得到的單能光子能譜建立光子能譜響應(yīng)矩陣;通過(guò)建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,實(shí)現(xiàn)任意能量的單能光子能譜響應(yīng)矩陣的參數(shù)預(yù)測(cè);將已知輻射體條件下NaI（Tl）伽馬射線能譜儀實(shí)測(cè)伽馬射線能譜數(shù)據(jù)、第一層BP網(wǎng)絡(luò)能譜預(yù)測(cè)參數(shù)組合在一起,建立第二層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,進(jìn)行任意輻射體環(huán)境中NaI（Tl）伽馬射線能譜儀實(shí)測(cè)譜的單能光子能譜預(yù)測(cè),從而實(shí)現(xiàn)儀器譜的分解;在此基礎(chǔ)上,開(kāi)發(fā)基于蒙特卡羅模擬和BP神經(jīng)網(wǎng)算法的能譜數(shù)據(jù)處理軟件平臺(tái),實(shí)現(xiàn)以上功能。本文取得了以下的研究成果。1、本文利用MCNP5對(duì)不同能量的γ射線在給定儀器和測(cè)量條件下建立模型,得到能量范圍在0.24MeV2.62MeV內(nèi)43種不同能量的單能γ光子能譜數(shù)據(jù),通過(guò)計(jì)算和統(tǒng)計(jì),建立單能光子譜的響應(yīng)矩陣。2、本文對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行輸入向量重定義,提出了輸入向量傳導(dǎo)公式,以函數(shù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入向量,取代單純的數(shù)值數(shù)據(jù);以43個(gè)單能光子譜響應(yīng)矩陣參數(shù)為基礎(chǔ),建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練,得到相關(guān)系數(shù)R2>0.95。通過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)在一定的能量范圍內(nèi),擬合任意入射γ射線能量的單能光子譜參數(shù);結(jié)合響應(yīng)矩陣,實(shí)現(xiàn)對(duì)任意能量單能γ射線的單能光子譜擬合。得到的每道能量箱計(jì)數(shù)比的最大相對(duì)誤差為4.57%,平均相對(duì)誤差為1.82%。3、本文以137組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),全譜各道計(jì)數(shù)率為輸入向量,所有的單能光子譜響應(yīng)參數(shù)和入射射線強(qiáng)度為輸出向量,建立第二層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并訓(xùn)練,得到相關(guān)系數(shù)R2>0.95,實(shí)現(xiàn)任意能譜的單能光子譜能量-強(qiáng)度分布預(yù)測(cè)。根據(jù)各單能光子譜的能量、強(qiáng)度及其他矩陣響應(yīng)參數(shù)可計(jì)算出整條能譜數(shù)據(jù),通過(guò)合成各個(gè)單能光子譜數(shù)據(jù)得到擬合全譜,并與實(shí)測(cè)譜進(jìn)行對(duì)比。擬合譜和實(shí)測(cè)譜全譜計(jì)數(shù)率最大相對(duì)誤差為4.58%,平均相對(duì)誤差為1.76%;單道最大計(jì)數(shù)率最大相對(duì)誤差為5%,平均相對(duì)誤差為3.21%;單道平均計(jì)數(shù)率最大相對(duì)誤差為5%,平均相對(duì)誤差為3.58%。4、本文開(kāi)發(fā)了基于蒙特卡羅方法和改進(jìn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法為核心射線能譜數(shù)據(jù)處理與分析軟件平臺(tái)。該軟件能自動(dòng)計(jì)算給定儀器下的單能光子譜矩陣參數(shù),可顯示并簡(jiǎn)單操作分析能譜,對(duì)給定射線能譜儀實(shí)現(xiàn)射線能譜解析。

【學(xué)位授予單位】：成都理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015

 

文章目錄

摘要

Abstract

第1章 引言

    1.1 研究意義

    1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

        1.2.1 射線能譜數(shù)據(jù)處理方法研究現(xiàn)狀

        1.2.2 基于蒙特卡羅方法的能譜處理現(xiàn)狀

        1.2.3 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的能譜處理技術(shù)現(xiàn)狀

    1.3 主要研究?jī)?nèi)容與創(chuàng)新

第2章 γ 能譜分析基礎(chǔ)理論

    2.1 天然放射性核素和衰變系

        2.1.1 鈾系

        2.1.2 釷系

        2.1.3 錒系

        2.1.4 40K

    2.2 γ 射線與物質(zhì)相互作用

        2.2.1 光電效應(yīng)

        2.2.2 康普頓效應(yīng)

        2.2.3 形成電子對(duì)效應(yīng)

    2.3 γ 能譜儀的結(jié)構(gòu)及工作原理

    2.4 NaI（Tl）探測(cè)器的沉積譜特征

    2.5 天然 γ 射線譜

第3章 單光子能譜蒙特卡羅模擬

    3.1 MCNP程序簡(jiǎn)介

    3.2 探測(cè)器幾何模型

        3.2.1 單光子能譜響應(yīng)參數(shù)設(shè)置

        3.2.2 單光子響應(yīng)譜與誤差分析

第4章 單能光子譜響應(yīng)矩陣

    4.1 全能峰信息提取

    4.2 康普頓坪信息提取

        4.2.1 康普頓邊提取

        4.2.2 康普頓邊計(jì)數(shù)比信息提取

        4.2.3 康普頓坪斜提取

        4.2.4 逃逸峰提取

        4.2.5 反散射峰和多次散射提取

第5章 伽馬射線能譜響應(yīng)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

    5.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

    5.2 神經(jīng)元重定義的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法[53,57]

    5.3 任意單能光子能譜響應(yīng)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

    5.4 射線強(qiáng)度響應(yīng)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

第6章 平臺(tái)建立及應(yīng)用

    6.1 操作平臺(tái)界面設(shè)置

    6.2 應(yīng)用及分析

        6.2.1 第一層應(yīng)用：任意單能光子譜擬合

        6.2.2 第二層應(yīng)用：任意實(shí)測(cè)譜的分解

        6.2.3 第二層應(yīng)用的誤差分析

結(jié)論

致謝

參考文獻(xiàn)

博士期間取得的成果

附錄MCNP5模擬 γ 譜程序