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γ射线谱仪

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γ射线谱仪(CE1-GRS)探测数据难以从谱形特征直接进行定性分析的问题,提出采用噪声调整的奇异值分解(NASVD)方法提取CE1-GRS数据中相互正交的谱线主成分,分析月表各区域对应谱线的低序层谱线中的峰信号,鉴别各峰信号对应的能量值是否等于特定元素的特征γ射线能量来确定月表各区域的元素种类。 方法能够识别出的月表可能元素包括U、Th、K、Fe、Ti、Si、O、Al、Mg、Ca和Na等11种元素。

2007年11月27晚,紫金山天文台研制的月球探测γ射线谱仪在绕月飞行的“嫦娥一号”卫星上成功开机,功能正常,并已接收到科学数据。 紫金山天文台承制的γ射线谱仪是“嫦娥的主要有效载荷之一,其科学使命是获取全月表有用元素的丰度与分布,进而分析各元素和物质类型的富集区域和分布特点等。2001年紫台开始研制γ射线谱仪。经过5年的不断试验,γ射线谱仪设计完成并经过力学等上百项考验、检测后,交付给卫星总体。该谱婶戒旬仪口径约为20厘米,长约40厘米,重约30公斤。2007年10月24日战酷,γ射线谱仪随“嫦娥一号”卫星发射上天。

月表物质与宇宙射线的相互作用及月表天然放射性核素的衰变均会产生 γ射线。由于月球大气层稀薄,γ射线谱仪能够在环月轨道上探测到月表发出的 γ射线。因此,根据所观测到的γ射线的能量和注量,能够确定月表元素的种类和丰度。通过 γ射线谱仪探测得到月表元素分布特征,能够为月球地质解译提供依据。

1、 NASVD 原理:

噪声调整的奇异值分解(NASVD)方法是由加拿大的 Hovgaard 提出,并被用于核应急领域中寻找未知的放射源、核动力碎片及航空 γ能谱数据的降噪处理。

NASV D 方法基于多元 统计分析的思想,从一系列原始观测谱线数据中提取出相互正交的谱线主成分, 各主成分以各自对观测谱的形状贡献大小按降序排列。低序主成分体现观测谱线中绝大多数信号的谱形状,高序主成分则体现观测谱线中不相关的噪声。

NASVD 方法的两个重要特点是 :1)奇异值分解(SVD)方法被用于提取谱线主成分;2)为使观测谱线中的绝大多数信号能集中体现于低序主成分中,先采用噪声的先验模型将各输入谱线的每道计数率的方差调整至单位方差,然后纹付炒船再进行奇异值分解。

2、定性分析方法:

由于 CE1-GRS 谱线数据集的所有谱线均具有相似的谱形特征,并考虑到对 0.324 ~9 .002 MeV能量范围(第 15 ~ 407 道范围)的谱线感兴趣,因此,对月表所有经纬度范围区域对应的 1790 条 3s 平均 γ谱线构成的谱线数据集矩阵 A1790×393 进行分析。设计算法步骤如下。

1)读入观测谱线矩阵 Am×n (m ≥n)。

2)对 Am×n 进行方差调整,得到单位方差矩阵 ANA

3)对 矩阵 ANA 进行奇异值分解 :AN A =U′′ΓV。其中,U′和 V′为 m ×nn ×n 的正交阵,Γ′是由正奇异值构成的n ×n 对角矩阵。

采用漏页少以上算法得到的 CE1-GRS 谱线数据集对应的前 8 个主成分。代表信号的主成分(通常为前 3 ~ 8 个主成分)应显示出具有相关性的谱形状信息。前5个主 成分均显示出具有相关性的谱形状,而第 6 及以上主成分中 , 并未显示出具有相关性的谱形状信息,而主要表现出噪声。

谱线数据集对应的前 200 个特征值,纵坐标为各特征值的对数值。由于各主成分(特征向量)的方差即为相应的特征值,因此,各特征值可作为相应主成分对观测谱的贡献估量参数。一般而言,数值大的特征值对应的主成分代表信号,数值小的特征值对应的主成分代表噪声。曲线迅速下降后几乎变成 1 条直线,说明代表信号的低序主成分对应的方差想舟微大,而表示噪声的主成分的方差几乎为一常数,即每 1 个噪声成分对输入谱线的方差贡献大致相等。

小型、轻便、稳定、低功耗是当前r射线谱仪和X荧光分析仪的一个重要发展趋势。r射线谱仪,特别是便携式r射线谱仪在环保与卫生防疫部门具有广泛的应用。例如用于环境r辐射监测,食品中辐射计量与有害元素分析等。X荧光分析仪在冶金工业、地质勘探、建材、医疗卫生、金融等许多部门具有更广泛的应用。如矿物与材姜背夜料中的元素及其含量定量分析,冶金品位分析、水泥生产配料分析、人发元索分析、黄金成色分析等。据国外统计,特别是便携式X荧光分析仪,仅地质部门的用量,就占整个X荧光分析仪的三分之二。

系统工作与软件描钻故雅弃述

系统工作包括:校零、稳谱设里、效据获取、数据处理等。

校零:校零是通过稳谱调整器完成。谱仪出厂前,在标准文件库中存放了Cs源标准y谱,仪器校零时,放上标准源Cs,启动校零操作,系统立即自动调出此标准谱,通过软件将现行测到的‘”Cs谱同标准谱比较,调整系统,使Cs现行峰位移到标准谱峰位。

稳谱设置与稳谱:在进行长时间测量时,要用稳谱。当要稳谱时,要进行必要的设置,方法是:对被测谱进行预侧,找出能峰峰位,将此峰位值置入计算机,于是,计算机在此峰位左右两边自动设置数字窗,在稳谱过程中,根据左右窗的计数差调整峰位,使峰位保持不变。

数据获取:当上述准备工作完成后,系统可进入数据获取工作。数据获取可以预定实时间和活时间,设有死时间计时,提供数据处理时进行活时间校正。

数据处理:数据处理通过软件完成。本系统提供了多道仿真软件和r谱分析软件包。

多道仿真软件主要功能:包括:系统设置(定时)。活时间和实时间计时;数据实时对数或线性显示;x向感兴趣区扩大、压缩,y向显示位次改变;感兴趣加标、抹标;数据清除、数据获取、进退缓冲区、谱比较、谱存盘、读盘、谱打印、谱拷贝。谱分析计算包括:谱平滑、自动找峰、能量刻度、净面积计算、求和、求半高宽、求1/10高宽。其功能与ORTEC仿真软件兼容。

系统性能与测试结果

测云了便携式一体化Nal(Tl)闪烁体r谱仪系统的主要技术性能如下:道数:1024(配Nal(TI)探头)或4096(对HPGe探头)。积分非线性:0.1%;微分非线性:0.5%,能量分辨率:好于7%,可分析能t范徽:0.5keV~2MeV。长时间稳定性:48h漂移小于l道,用6V单一电池供电,交直流两用,功耗小于3W。