论文摘要
论文选题源于多项科研课题:“基于异构嵌入式系统的实时核能谱数据处理新方法研究”（江西省自然科学基金项目（No.20114BAB211026））、“嵌入式ARM9-Linux实时性调度策略的改进及应用研究”（江西省教育厅科技项目（No.GJJ10178））、“嵌入式多道γ谱仪全谱数据处理及解谱技术研究”（放射性地质与勘探技术国防重点学科实验室开放基金（No.2010RGET11））、“溴化镧（LaBr3）探测器γ能谱特性分析及蒙特卡洛（Monte Carlo）模拟研究”（核技术应用教育部工程研究中心开放基金课题（No.HJSJYB2011-08））。NaI（Tl）闪烁探测器具有探测效率高、价格低廉等优势被广泛应用。但由于NaI（Tl）闪烁探测器的能量分辨率有限,使得能量相近的仪器谱峰相互重叠,导致寻峰困难;并且γ光子在NaI（Tl）晶体中产生康谱顿散射使谱线叠加了大量的低能成分,增加了低能区的γ射线总量,造成低能区的谱峰边界模糊,特别在高本底环境下,核素识别率较低甚至错判;进而在对核素种类较多、谱线较复杂样品进行解析时,相应的谱处理算法复杂度也显著增加。因此,论文针对NaI（Tl）闪烁探测器能量分辨率低,导致γ能谱测量中谱参数提取复杂化,寻求能谱数据的高分辨解析方法,以达到放射性核素定性定量分析的目标。论文采用反卷积联合寻峰和重峰分解、自适应半高宽本底扣除、高斯-牛顿拟合求取净峰面积、响应矩阵法等能谱解析方法,通过构建放射源与γ射线谱之间的蒙卡响应矩阵和高斯响应矩阵,结合Gold算法与改进的Boosted-Gold算法,有效提取重叠峰的各个参数,实现在对应的响应矩阵下对每一次核事件产生参数时快速准确解析。为矿产资源勘探及非地学领域中新型智能化核仪器的理论研究与实际应用提供了γ射线谱解析的新方法。综合对比国内外低能量分辨率γ能谱探测技术与数据处理分析方法,创新性的开展了以下复杂仪器谱的高分辨解析方法研究并获得有效验证:（1）提出了基于蒙特卡洛方法解析γ谱。根据核素衰变释放γ光子形成仪器谱的物理过程,运用蒙特卡洛方法模拟NaI（Tl）闪烁探测器对γ光子的响应函数,通过综合仿真和插值算法构建响应矩阵,结合Gold算法与改进的Boosted Gold算法,实现在该响应矩阵下高效γ能谱解析,并将其方法应用于238U系、232Th系、40K、137Cs与60Co混合等γ能谱解析。测试结果表明该方法可省去对谱线寻峰、本底扣除、重峰分解等复杂处理而直接定性定量分析。而改进Boosted Gold算法被引入后,加速了测量谱的分解,并将特征峰位分布在非常窄的有限道址上。（2）提出了基于反卷积联合寻峰法和附有权重因子W的高斯函数最小二乘法拟合实现峰区边界确定的方法。寻峰与特征峰位边界确定直接影响谱数据处理的可靠定性定量分析,通过综合对比导数法、对称零面积法、全宽法、高斯函数拟合法等传统寻峰及边界确定方法后,采用Matlab编程实现各方法的谱线处理,完成了基于反卷积联合寻峰法及不同峰边界确定方法的优度及效果评价。由于直接解正规方程的最小二乘拟合确定峰边界的效果不够理想,进而提出针对γ谱峰附有权重因子W的高斯函数最小二乘法拟合实现边界确定的方法,实验结果表明,该方法稳定性,收敛性在单峰或组合峰的峰边界确定上取得了较佳效果。（3）提出一种匹配半高宽（FWHM）的自适应SNIP全谱本底扣除法。NaI（Tl）闪烁探测器测量得到的γ射线仪器谱由全能峰和散射本底组成,因此必须有效扣除测量得到能谱计数率中的本底计数率才可获得放射源的净计数率,自适应SNIP（Statistics Sensitive Nonlinear Iterative Peak-Clipping Algorithm）本底扣除法能有效扣除本底,减小了散射峰、本底峰、峰区确定及特征X射线峰等对计算全能峰净面积的影响。相比原始SNIP算法,优化后的自适应SNIP算法解决了变换窗宽参数m的取值问题,在自动谱线解析中达到了良好的效果。（4）提出了基于高斯响应矩阵方法解析γ谱。由晶体探测器特征及成谱过程的物理特性可知,不同能量的γ光子在NaI（T1）闪烁探测器中的响应对应光电峰的FWHM不同;而由能谱数据的统计特性可知光电峰峰形可用高斯函数予以近似。因此,提出了基于不同FWHM生成高斯函数响应矩阵,通过反卷积实现高斯函数响应矩阵对实验谱238U系、232Th系、40K的γ能谱数据准确解析。相比蒙特卡洛模拟插值生成的响应矩阵解谱,高斯响应矩阵解谱运算量更小,仅要求准确刻度FWHM就能比较有效的解析,且对不同环境下的γ谱扣除本底后均适用。因而高斯响应矩阵解析方法在低能量分辨率γ谱解析中应用前景更广。