專利名稱：核素識(shí)別系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及核素，尤其涉及識(shí)別核素的新方法。
背景技術(shù)：
放射性核放射不同特征能量的光子射線(x射線和伽嗎射線)。這些單能輻射從放射性核源放射并以導(dǎo)致部分或全部能量沉積在材料中的方式與周圍材料相互作用。用于測(cè)量光子輻射的儀器包括傳感器或探測(cè)器。光子可將全部能量或部分能量(一些在到達(dá)探測(cè)器的路上損失或者一些在相互作用后逃逸)沉積在探測(cè)器中。輻射探測(cè)器將輻射能量轉(zhuǎn)換成等效的電信號(hào)。然后這些信號(hào)被處理、篩選、放大并數(shù)字化。典型的頻譜系統(tǒng)將各個(gè)進(jìn)入的信號(hào)脈沖作為計(jì)數(shù)保存在柱狀圖中，其中各個(gè)計(jì)數(shù)存儲(chǔ)在與相應(yīng)脈沖的幅度相關(guān)的能量分格(bin)或通道中。所得頻譜是脈沖高度的頻率分布，具有與被測(cè)量輻射的能量分布相關(guān)的形狀。全部能量沉積趨于在頻譜中由叢(clump)或峰表示。部分能量沉積趨于更加展開，從而形成無峰的連續(xù)譜。由于不同的放射性核放射具有不同能量分布的輻射，所以分析頻譜能提供關(guān)于組成輻射源的放射性核的信息。
頻譜分析要求具體測(cè)量系統(tǒng)特性是已知的并以校準(zhǔn)形式記錄，從而頻譜可被適當(dāng)解釋。這些校準(zhǔn)包括能量校準(zhǔn)、形狀校準(zhǔn)和效率校準(zhǔn)。能量校準(zhǔn)表示在各個(gè)頻譜通道中采集什么范圍的能量(或者脈沖高度)。形狀校準(zhǔn)表示任何給定能量的系統(tǒng)能量分辨率。單能輻射導(dǎo)致在相應(yīng)能量(在由能量校準(zhǔn)指定的通道)處、具有計(jì)數(shù)溢出到相鄰?fù)ǖ赖奶卣髡归_或形狀的計(jì)數(shù)集。能量分辨率是頻譜中以已知為峰的或多或少的高斯(標(biāo)準(zhǔn))分布形式的單能光子源呈現(xiàn)多寬(以通道或能量計(jì))的量度。效率校準(zhǔn)表示給定能量的頻譜中可見的計(jì)數(shù)數(shù)目與該能量的源產(chǎn)生的輻射放射的相應(yīng)數(shù)目之間的關(guān)系。典型地，該效率校準(zhǔn)僅涉及在從源至探測(cè)器的路上未相互作用、且除了探測(cè)器中未損失任何能量(僅僅全部能量沉積)的光子的計(jì)數(shù)。該類效率校準(zhǔn)公知為峰效率校準(zhǔn)。效率校準(zhǔn)不僅與檢測(cè)系統(tǒng)相關(guān)(主要是能量校準(zhǔn)和形狀校準(zhǔn)的情形)，而且也取決于源-探測(cè)器幾何結(jié)構(gòu)或者影響探測(cè)器內(nèi)全部能量沉積的可能性的任何因素而改變。
核素識(shí)別(NID)算法根據(jù)輻射測(cè)量?jī)x器的輸出確定放射性核的種類和數(shù)量。該輸出包括頻譜(表示在連續(xù)能量分格或通道中的計(jì)數(shù)頻率的柱狀圖)，以及定義多個(gè)頻譜通道能量范圍(能量校準(zhǔn))、期望單能響應(yīng)函數(shù)(形狀校準(zhǔn))和計(jì)數(shù)速率到放射速率的轉(zhuǎn)換的校準(zhǔn)(效率校準(zhǔn))。NID算法使由所提供的校準(zhǔn)解釋的頻譜信息與由參考核素庫(kù)提供的核素相關(guān)。對(duì)于庫(kù)中描述的各個(gè)核素，所提供的信息通常包括具有相應(yīng)相對(duì)放射速率的期望單能放射能量。NID算法使所有這些信息相關(guān)的方法通常受用戶指定參數(shù)控制。通常，存在用于實(shí)施NID算法的兩個(gè)范例峰關(guān)聯(lián)和去卷積。
峰關(guān)聯(lián)使用能量和形狀校準(zhǔn)來在頻譜中定位峰(查找能量)并來確定其面積(相應(yīng)計(jì)數(shù)速率)。通過使庫(kù)能量與頻譜中找到的峰能量直接相關(guān)來進(jìn)行識(shí)別。有時(shí)最小二乘法擬合用于確定多少峰面積應(yīng)歸因于具有類似能量的核素(干涉校準(zhǔn))。幾何結(jié)構(gòu)依賴的效率校準(zhǔn)用于將峰計(jì)數(shù)速率轉(zhuǎn)換成期望源放射速率并因此量化核素活動(dòng)。峰關(guān)聯(lián)在本行業(yè)中是主導(dǎo)范例。
去卷積(有時(shí)稱為剝譜或解譜)使用全部能量響應(yīng)函數(shù)來將期望核素能量分布擬合于測(cè)量頻譜。這要求形狀校準(zhǔn)函數(shù)被展開成超過僅單能響應(yīng)或者核素庫(kù)展開成包括各個(gè)核素的全能量響應(yīng)(模板匹配)。測(cè)量系統(tǒng)的全能量響應(yīng)取決于包括核素放射能量、操作條件、源-探測(cè)器幾何結(jié)構(gòu)和計(jì)數(shù)速率的多個(gè)變量。去卷積的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它使用由頻譜提供的全部可用信息(而非僅僅峰數(shù)據(jù))。一個(gè)缺點(diǎn)是它依賴于全部能量響應(yīng)函數(shù)的精度來正確識(shí)別并量化核素，且結(jié)果可能對(duì)測(cè)量變量比峰關(guān)聯(lián)更加敏感。去卷積有時(shí)也可要求廣泛的測(cè)量系統(tǒng)全能量特征、比典型峰形狀校準(zhǔn)更復(fù)雜和費(fèi)力的處理，從而具有更有限的應(yīng)用范圍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種識(shí)別核素的方法，包括以下步驟通過蝕峰處理確定連續(xù)譜以還原剩余的峰頻譜；篩選由用戶指定的標(biāo)準(zhǔn)核素庫(kù)以選擇候選核素；使用標(biāo)準(zhǔn)最小二乘法同時(shí)將從所述標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)選擇的候選核素的校準(zhǔn)和行為擬合于所述峰頻譜；計(jì)算經(jīng)優(yōu)化的核素活動(dòng)的統(tǒng)計(jì)顯著性，并確定經(jīng)優(yōu)化的候選核素峰頻譜與具有提取的可選候選的測(cè)量峰頻譜之間的形狀關(guān)聯(lián)；以及識(shí)別并提供確定為具有充分顯著活動(dòng)和充分形狀關(guān)聯(lián)的核素的活動(dòng)。


參照僅為說明目的提交而非旨在限制本發(fā)明范圍的附圖將便于對(duì)本發(fā)明及其各個(gè)方面的理解，其中圖1是示出本發(fā)明算法的流程圖。
圖2(a)-2(c)是計(jì)數(shù)相對(duì)來自3x3NaI探測(cè)器的具有由蝕峰指定的連續(xù)譜的60Co和低富集鈾(235U和238U+繼承元素)頻譜的能量、以及最小化候選理論頻譜Chi2的最佳擬合的曲線。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的NID算法并不與峰關(guān)聯(lián)或去卷積范例嚴(yán)格一致。通常，該算法在無需全能量響應(yīng)函數(shù)的情況下最接近地近似去卷積。僅使用能量和形狀校準(zhǔn)，頻譜計(jì)數(shù)歸因于連續(xù)譜或峰。然后，孤立峰圖案僅使用峰效率校準(zhǔn)匹配于核素庫(kù)中所指定的。該新的核素識(shí)別算法由造成測(cè)量的源放射性核的識(shí)別和量化的一系列步驟組成腐蝕、篩選、擬合和識(shí)別。
腐蝕分析首先通過蝕峰處理確定連續(xù)譜。蝕峰將峰從無峰頻譜組分(連續(xù)譜)分離以指出峰頻譜(僅包含峰組分的陣列)。蝕峰處理僅要求標(biāo)準(zhǔn)的能量和形狀校準(zhǔn)，并不涉及定位或分析峰(它類似于隔離峰的帶通濾波器)。蝕峰算法已經(jīng)用作現(xiàn)有公共可用的Canberra Industries公司峰分析算法-伽嗎M-中通過一略有不同實(shí)施的整體準(zhǔn)備步驟。該預(yù)備蝕峰處理是伽嗎-M與本發(fā)明之間唯一類似之處。
篩選然后，將剩余峰頻譜用于從由用戶指定的標(biāo)準(zhǔn)核素庫(kù)中選擇候選核素。該核素篩選處理通過查看何種核素可能出現(xiàn)在峰頻譜中進(jìn)行，該查看處理則通過確定何種核素具有統(tǒng)計(jì)顯著的面積或計(jì)數(shù)而進(jìn)行。最有可能的源活動(dòng)通過查看所有核素庫(kù)峰能量周圍的峰頻譜的幅度而確定。如果認(rèn)為對(duì)于給定庫(kù)核素的最可能的源活動(dòng)與用戶指定的閾值相比具有統(tǒng)計(jì)顯著性，則該核素變成候選。
擬合然后，使用標(biāo)準(zhǔn)最小二乘(Chi平方最小化)法將從指定庫(kù)選擇的候選核素同時(shí)擬合到峰頻譜。擬合參數(shù)包括核素幅度/活動(dòng)和能量校準(zhǔn)斜率項(xiàng)。對(duì)應(yīng)于增益遷移的能量校準(zhǔn)斜率項(xiàng)受限于指定的增益遷移公差內(nèi)(這允許能量校準(zhǔn)的一些漂移)。
識(shí)別對(duì)于各個(gè)經(jīng)擬合的候選核素，經(jīng)擬合活動(dòng)的統(tǒng)計(jì)顯著性通過固定于擬合值的增益遷移和由擬合設(shè)定的最大核素通道幅度進(jìn)行重新計(jì)算。然后，也對(duì)這些活動(dòng)超過設(shè)定閾值的候選核素進(jìn)行形狀關(guān)聯(lián)測(cè)試。形狀關(guān)聯(lián)是測(cè)量核素庫(kù)和校準(zhǔn)中定義的理論核素峰形狀與擬合過程中加于核素的實(shí)際峰之間的相似度。該關(guān)聯(lián)以-1和1(-1是鏡像，0表示完全不相關(guān)，且1是理想圖像匹配)之間的歸一化標(biāo)度計(jì)算。確定具有充分的顯著行為并與期望形狀充分一致的核素被視為識(shí)別且輸出其經(jīng)擬合的活動(dòng)。
圖1示出本發(fā)明算法的說明。
總之，本發(fā)明的算法使用具有相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)能量、形狀和效率校準(zhǔn)以及標(biāo)準(zhǔn)核素庫(kù)的標(biāo)準(zhǔn)頻譜來將頻譜區(qū)域歸于核素。如果相信該區(qū)域的統(tǒng)計(jì)顯著性且相信該區(qū)域的分布與根據(jù)用戶指定參數(shù)的期望形狀足夠相似，則核素被識(shí)別。嚴(yán)格地講，在核素背景外不對(duì)峰進(jìn)行單獨(dú)分析，所以該算法從峰關(guān)聯(lián)范例偏離。而且，該分析主要受限于峰響應(yīng)函數(shù)，所以與標(biāo)準(zhǔn)去卷積范例不同，固有地依賴于精確的全能量響應(yīng)函數(shù)的可變性和約束的問題得到避免。
示例腐蝕蝕峰是其中該處理相關(guān)于峰形狀校準(zhǔn)的頻譜平滑的迭代處理。目的是為了可靠地將頻譜峰特征從無峰區(qū)域(連續(xù)譜)分離。用戶通過指定腐蝕寬度參數(shù)控制該處理。圖2(a)示出用3×3 NaI探測(cè)器獲取的腐蝕寬度設(shè)定為建議默認(rèn)值0.7的蝕峰所指定的連續(xù)譜的60Co與低富集鈾(235U和238U+繼承元素)的頻譜。
篩選使用指定的峰頻譜(頻譜減去連續(xù)譜)，核素庫(kù)篩選步驟將需要擬合的預(yù)期核素場(chǎng)變窄。根據(jù)庫(kù)中的核素峰能量和豐富以及來自效率校準(zhǔn)的相應(yīng)效率，相關(guān)峰高度和位置被指定。各個(gè)核素的可能幅度被作為統(tǒng)計(jì)顯著性幅度的比率(臨界水平，Lc)計(jì)算并確定。該比率在由％增益遷移公差指定的增益遷移范圍上確定以允許能量校準(zhǔn)斜率的誤差。在該示例中，庫(kù)中有26個(gè)核素(默認(rèn)用于國(guó)家安全應(yīng)用和ANSI測(cè)試)。用在本示例中的默認(rèn)％增益遷移公差設(shè)定為5％。經(jīng)計(jì)算的篩選臨界比率從0.11至29.00。用戶指定用于指定候選核素的臨界比率限制以進(jìn)入下一分析步驟。這樣，臨界比率設(shè)定為默認(rèn)值5。在本示例中，臨界比率超過5的核素為57Co(5.20)、60Co(29.00)、133Xe(12.95)、201Tl(9.48)、204Tl(9.48)、235U(7.63)、238U+繼承元素(25.19)和241Am(7.85)。這8個(gè)核素中，因?yàn)閮H前7個(gè)候選被選擇，所以57Co未指定為候選核素。這是因?yàn)楦郊雍Y選標(biāo)準(zhǔn)為設(shè)定為默認(rèn)值7的核素Max#參數(shù)。通過通常對(duì)僅具有1-3個(gè)核素的頻譜和20-30核素的庫(kù)有益的默認(rèn)值，該參數(shù)用于限制該分析以加快速度。
擬合然后，將七個(gè)候選核素的活動(dòng)/幅度與增益遷移(能量校準(zhǔn)斜率)一起迭代調(diào)節(jié)以優(yōu)化它們的值。優(yōu)化通過最小化Chi2(最小二乘)值或者峰頻譜與候選核素理論頻譜的和之間的差而實(shí)現(xiàn)。核素理論頻譜通過使用由所提供的能量、形狀和效率校準(zhǔn)所解釋的庫(kù)信息建立。圖2(b)和2(c)示出擬合候選的結(jié)果。該擬合導(dǎo)致增益遷移設(shè)定為0.46％且候選的總計(jì)數(shù)速率設(shè)定為60Co(286.64)、133Xe(0)、201Tl(0)、204Tl(0)、235U(113.61)、238U+繼承元素(819.35)和241Am(35.47)。
識(shí)別使用設(shè)定在優(yōu)化數(shù)值的增益遷移和幅度，再次確定各個(gè)候選的臨界比率。本示例中的結(jié)果是60Co(23.37)、133Xe(0)、201Tl(0)、204Tl(0)、235U(8.87)、238U+繼承元素(43.82)和241Am(5.68)。再次使用臨界比率限制5，從而僅余候選60Co、235U、238U+繼承元素和241Am。最后，也許是最有辨識(shí)力的，認(rèn)為所識(shí)別的通道的最終入口是關(guān)聯(lián)測(cè)試。通過將各個(gè)剩余核素的形狀與具有來自其它提取的篩選核素的貢獻(xiàn)的峰頻譜進(jìn)行比較，執(zhí)行關(guān)聯(lián)測(cè)試。由感興趣的候選引起的剩余峰頻譜進(jìn)行與理論核素峰頻譜的歸一化交叉關(guān)聯(lián)。該統(tǒng)計(jì)圖案匹配處理產(chǎn)生-1(不具有頻譜顯著性的鏡像)至1(確切相同圖案)之間的各個(gè)候選的關(guān)聯(lián)值，其中0值說明沒有統(tǒng)計(jì)類似。示例的結(jié)果為60Co(0.98)、235U(0.85)、238U+繼承元素(0.92)和241Am(0.23)。本示例中指定關(guān)聯(lián)閾值是默認(rèn)值0.80，導(dǎo)致60Co、235U和238U+繼承元素的適當(dāng)識(shí)別。它們都具有充分匹配于期望理論峰圖案的擬合形狀的顯著區(qū)域。
因此，可看出以上描述被有效獲取且由于可在不背離本發(fā)明范圍的情況下對(duì)以上結(jié)構(gòu)和/或方法進(jìn)行某種改變，以上描述中包含或附圖中示出的所有內(nèi)容應(yīng)旨在僅僅理解為說明性的而不應(yīng)以限制理念解釋。
也應(yīng)理解所附權(quán)利要求旨在涵蓋本文描述的本發(fā)明的所有一般和具體特征，以及就語(yǔ)言而言落在其間的本發(fā)明范圍的所有聲明。
權(quán)利要求
1.一種識(shí)別核素的方法，包括以下步驟(a)通過蝕峰處理確定連續(xù)譜以還原剩余峰頻譜；(b)篩選由用戶指定的標(biāo)準(zhǔn)核素庫(kù)以選擇候選核素；(c)使用標(biāo)準(zhǔn)最小二乘法同時(shí)將從所述標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中選擇的候選核素的校準(zhǔn)和活動(dòng)擬合于所述峰頻譜；(d)計(jì)算經(jīng)優(yōu)化的核素活動(dòng)的統(tǒng)計(jì)顯著性，并確定經(jīng)優(yōu)化的候選核素峰頻譜與具有提取的可選核素的測(cè)量峰頻譜之間的形狀關(guān)聯(lián)；(e)識(shí)別并提供確定為具有充分顯著活動(dòng)和充分形狀相關(guān)性的核素的活動(dòng)。
2.如權(quán)利要求1所述的識(shí)別核素的方法，還包括步驟(b)包括如果候選核素與由用戶指定的閾值相比統(tǒng)計(jì)顯著，則選擇所述核素。
3.如權(quán)利要求1所述的識(shí)別核素的方法，還包括步驟(c)包括篩選核素幅度/活動(dòng)以及能量校準(zhǔn)斜率項(xiàng)的參數(shù)。
4.如權(quán)利要求3所述的識(shí)別核素的方法，還包括提供對(duì)應(yīng)于增益遷移的受限于指定增益遷移公差內(nèi)以允許一些能量校準(zhǔn)遷移的所述校準(zhǔn)斜率項(xiàng)。
5.如權(quán)利要求1所述的識(shí)別核素的方法，還包括步驟(b)包括在由指定％增益遷移公差所允許的增益遷移范圍內(nèi)確定最大的可能活動(dòng)/幅度。
6.如權(quán)利要求1所述的識(shí)別核素的方法，還包括步驟(b)包括用戶指定用于指出候選核素的幅度閾值。
全文摘要
在一較佳實(shí)施方式中，一種識(shí)別核素的方法包括以下步驟通過蝕峰處理確定連續(xù)譜以還原剩余峰頻譜；篩選由用戶指定的標(biāo)準(zhǔn)核素庫(kù)以選擇候選核素；使用標(biāo)準(zhǔn)最小二乘法同時(shí)將從標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中選擇的候選核素的校準(zhǔn)和活動(dòng)擬合于峰頻譜；計(jì)算經(jīng)優(yōu)化的核素活動(dòng)的統(tǒng)計(jì)顯著性，并確定經(jīng)優(yōu)化的候選核素峰頻譜與具有提取的可選候選的測(cè)量峰頻譜之間的形狀關(guān)聯(lián)；以及識(shí)別并提供確定為具有充分顯著活動(dòng)和充分形狀關(guān)聯(lián)的核素的活動(dòng)。
文檔編號(hào)G01T1/00GK101031820SQ200580032934
公開日2007年9月5日 申請(qǐng)日期2005年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月26日
發(fā)明者W·R·羅斯 申請(qǐng)人:坎培拉工業(yè)股份有限公司