基于溴化镧探测器的本底扣除方法研究

侯鑫等

摘 要：溴化镧探测器由于其优秀的能量分辨率和探测效率，受到核行业工作者的高度关注。文章针对LaBr3探测器在天然γ放射性测量中谱线本底扣除方法进行了比较分析，得出结论：在实际工程应用中，选择傅里叶本底扣除方法结合直线法做本底扣除，效果最佳。

关键词：溴化镧探测器；γ能谱；本底扣除

引言

自2000年首次被推出以来，LaBr3：Ce3+晶体就以其优秀的能量分辨率、良好的能量线性响应、较强的光输出能力引起国内外的普遍关注并迅速发展起来。文章针对LaBr3探测器在天然γ放射性测量中谱线本底扣除方法进行了比较分析。

1 谱线测量

文章中数据使用成都中福科技有限公司与成都理工大学联合研发的IED-3000B型数字化γ能谱仪系统，搭配法国圣戈班公司生产的BrilLance 380型号的溴化镧晶体探头，在四川省德阳市罗江县四川省核工業辐射测试防护院计量模型站的标准饱和模型上测得。其中本底模型测量400s，其他模型均测量200s。模型中的物质含量如表1所示。

2 试验方法

为了检验本地扣除方法对溴化镧探测系统的适应性，使用在本底模型、U模型、K模型、Th模型上测得的数据标定仪器，使用混合模型上测得的数据进行误差检验，使用《DZ-T 0205-1999地面伽玛能谱测量技术规范（行业标准）》附录B中推荐的逆矩阵法求解核素含量，以误差大小判断本底扣除方法的适应性。

2.1 SNIP法本底扣除

SNIP法在实际扣除γ能谱本底的过程中，一般首先用LLS运算对每道计数进行变换，其公式如下：

式中i为道址数；y（i）为道址i对应的计数；v（i）为运算结果保存向量。（1）式中的自然对数运算符可处理高计数谱峰， 而求平方根运算符对增强弱峰很敏感。做此变换能够有效的减少迭代次数。

SNIP算法是通过引入剥离能量谱中变化迅速的特征信息，比较第i道道址信息yi和它邻近道址的信息。比较vi和它的两个邻近道址的平均值mi大小：

当vi的值大于平均值mi，用平均值mi替换道址i的信息，将这种变换在所有道址上运行一遍，此时，能量谱其它位置保持不变，但特征峰峰位置的峰幅度会降低。此方法导致谱的光滑，趋于连接两个局部最小值，最终剥离收敛，留下光滑的本底。再将经迭代最终得到的数据反变换既可得到本底谱。

2.2 傅里叶变换本底扣除法

采用数字信号处理中频谱的处理方法对离散的谱数据进行离散傅里叶变换，将频域中的低频部分适当的扣除，从而达到背景扣除的效果。

N是荧光仪的总道数，这里为1024道。

通过公式（3）和公式（4）可以实现离散仪器谱数据在时域和频谱间相互变换。

由于特征峰为高斯脉冲形状，其频率中也含有低频成分，与散射背景在频谱中不能完全区分，因此无法直接使用低通滤波器来估计背景，但是可以使用迭代算法实现，实现方法如下：

（1）对第m次迭代得到的谱数据xm（n）进行快速傅里叶变换，得到频谱Xm（k）。

（2）采用理想低通滤波器对Xm（k）进行滤波，得到低频谱Xm'（k）。

（3）对Xm'（k）进行快速傅里叶逆变换，得到谱线xm'（n）。

（4）因为背景谱每道的计数应该小于该道原始谱计数并且大于零，所以可以构造第m+1次迭代的谱线xm+1（n），如式（5）所示。

调整滤波器阈值，重复执行以上步骤，当结果趋向于稳定时结束，得到的xm+1（n）即为所求的背景。

3 测量结果及分析

根据《DZ-T 0205-1999地面伽玛能谱测量技术规范（行业标准）》中推荐的伽玛能谱测量谱段，对在罗江鄢家镇铀、钍、钾、混合四个标定模型上测得的γ能谱进行特征峰面积计算，结果见表2。用逆矩阵解谱法求得铀钍混合模型含量，结果见表3。

由表1-表3可以看出，对于K元素来说，未扣除本底和SNIP法扣除本底，误差均达到30%以上，直线本底扣除法虽然误差有所降低，但任有18%，误差较大；而采用傅里叶本底扣除方法可以使钾元素含量误差降低到3.3%。行业标准中要求钾含量低于5%时，一般精度仪器的绝对误差小于1.0，高精度仪器的绝对误差小于0.5，由表3可看出，对于K元素的测量，傅里叶本底扣除远远满足行业要求。对于U来说，所有方法的误差均在2.0%～5.3%之间，傅里叶本底扣除的效果最好；对于Th来说，所有方法的误差均在1.7%～5.9%之间，直线法扣除本底的效果最好；行业标准中要求如果他们含量大于15%时，一般精度仪器的相对误差小于20%，高精度仪器的绝对误差小于15%，其测量结果均满足行业要求。

溴化镧本身的138La元素产生的γ射线会对环境中的钾峰有很大影响，在本底模型上测量的钾峰计数有30～60%来源于138La。SNIP法由于其方法本身的原因，针对平缓，起伏不是很大的本底扣除效果较好。对于溴化镧探测器来说，谱线中的本底除了环境中的自然本底意外，还有溴化镧自身所带的本底，而且有明显的谱峰形成，用SNIP法做本底扣除效果就不理想。对于Th峰来说，由于其能量在自然界中比较高，环境中其他元素对其影响很小，可以用直线法扣除本底，效果较好。

总上所述，在实际工程应用中，选择傅里叶本底扣除方法做LaBr3探测系统的本底扣除，计算效果最佳，使K的绝对误差达到了0.08，而U、Th的相对误差分别达到2.0%、5.9%。对于Th元素含量的计算，也可以采用直线法做本底扣除。

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作者简介：侯鑫（1991，5-），男，山西临汾人，成都理工大学在读硕士研究生，研究方向：核技术及应用。