基于天然特征峰的海水伽马能谱温度漂移周期性校正方法

1.本发明属于放射性核素测量技术领域，具体地说，是涉及一种基于天然特征峰的海水伽马能谱温度漂移周期性校正方法。


背景技术：

2.海水放射性含量是评价海水生态环境的一项重要指标，是进行海水生态环境评估和海洋科学实验的重要依据。目前，对海水放射性含量进行长期监测主要采用海水原位伽马能谱测量方法。其中，基于碘化钠晶体探测方法研制而成的海水放射性传感器凭借其良好的性能和较低的成本等优势，已经成为目前国内外进行海水放射性含量监测的主流方式。
3.但是，海水放射性传感器中的碘化钠晶体、光电倍增管和电子元器件等部分均具有温度效应，在海上长期原位工作过程中容易受到温度变化的影响，导致所测量的伽马能谱产生温度漂移，从而给后续的伽马能谱解析工作带来困难。因此，为了保证海水放射性传感器在海上长期工作过程中测量结果的准确性和有效性，需要对海水放射性传感器进行温度漂移校正。
4.现阶段，大部分伽马能谱温度漂移校正方法都需要引入参考源，参考源会在伽马能谱中形成参考峰，并以此作为温度漂移校正的基准。但是，海水放射性含量是低水平或极低水平的，引入参考源不可避免的会对海水实测伽马能谱产生一定程度的干扰，继而影响伽马能谱解析的准确性。
5.而自然环境中广泛分布着放射性物质，包括从地球起源时就存在的天然放射性核素和人类核实验产生的人工放射性核素。其中，在天然放射性核素中，钾元素中的
40
k核素和铊元素中的
208
tl核素相对含量较高，能够在伽马能谱中产生较为明显的天然特征峰，因此，可以使用
40
k核素和
208
tl核素的天然特征峰作为参考峰，在实验室进行温度-道址关系标定，建立温度-道址对应关系，确定校正算法的参数，进而对发生温度漂移的伽马能谱进行校正。
6.由于海水放射性传感器往往应用在需要长期运行的自动化监测平台上，因此，需要一种不引入参考源，不改变海水放射性传感器的硬件设计和结构，且应用灵活、方便的温度漂移校正方法。而对测量得到的伽马能谱数据进行算法校正，对伽马能谱数据进行软件层面的处理，显然是适合海水放射性传感器的实际工作场合的。


技术实现要素：

7.本发明针对海水放射性传感器测量得到的伽马能谱提出了一种温度漂移校正方法，旨在解决引入参考源的现有伽马能谱温度漂移校正方法，会对伽马能谱产生干扰，进而影响伽马能谱解析的问题。
8.为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：基于天然特征峰的海水伽马能谱温度漂移周期性校正方法，包括：
设置一个短周期；利用海水放射性传感器对待测海水进行伽马能谱测量；在每一个短周期结束时，提取海水放射性传感器在该短周期内测得的海水温度以及伽马能谱中的全部道址；计算所述全部道址的校正值：；其中，、、、为校正系数；t为温度；存储校正后的短周期伽马能谱，并将其与之前已经校正的短周期伽马能谱按照时间顺序依次累加保存。
9.在本技术的一些实施例中，所述校正系数的确定过程可以包括：在所述海水放射性传感器使用前首先进行温度-道址关系标定，根据不同温度下选定天然核素的特征峰道址，建立温度-道址对应关系；将不同温度与不同温度所对应的特征峰道址pe
t
分别代入以下温度校正函数f(t)，计算校正系数、、、：；其中，per为参考温度下选定天然核素的特征峰道址，所述参考温度为海水放射性传感器在能量刻度时的环境温度；pe
t
为参考温度以外的其他温度点下选定天然核素的特征峰道址。
10.在本技术的一些实施例中，为了消除干扰，提高温度-道址关系标定过程中特征峰道址测量的准确度，可以对所述海水放射性传感器执行以下具体的温度-道址关系标定过程：将海水放射性传感器整体放入水浴式温度试验箱中；调整温度试验箱的温度，使海水放射性传感器测量环境的实际温度在设定的温度调节范围内等梯度变化，形成至少4个温度点，且其中一个温度点为所述参考温度；在温度试验箱调整至某一设定的温度点时，利用海水放射性传感器在该温度点进行多次伽马能谱测量，计算选定天然核素在多次伽马能谱测量中的特征峰道址的平均值，分别记为该温度点下选定天然核素的特征峰道址；利用所设定的不同温度点和其对应的特征峰道址建立温度-道址对应关系，以用于校正系数的计算。
11.在本技术的一些实施例中，为了提高校正算法的准确度，在确定所述校正系数时，可以选定两个天然核素，在对海水放射性传感器进行温度-道址关系标定时，在每一个设定的温度点，分别计算两个选定天然核素在多次伽马能谱测量中的特征峰道址的平均值，使
用不同温度下选定天然核素各自特征峰道址的平均值建立温度-道址对应关系，将两组对应关系分别代入温度校正函数f(t)，计算得到两组校正系数，取两组校正系数的平均值作为所述、、、，以提高道址校正值计算公式的合理性。
12.在本技术的一些实施例中，为了使校正算法在整个能谱范围内都能实现准确校正，在选择两种天然核素时，应在伽马能谱的整个道址范围内选择一个道址在前的天然核素和一个道址在后的天然核素。例如，针对整个能谱范围在1~1024道的情况，其中一种天然核素应选择在所述参考温度时的特征峰道址的准确值在450道之前，例如钾元素中的
40
k核素；另外一种天然核素应选择在所述参考温度时的特征峰道址的准确值在700道之后，例如铊元素中的
208
tl核素。
13.在本技术的一些实施例中，为了提高能谱测量的准确性，在对海水放射性传感器进行温度-道址关系标定的过程中，每一次进行伽马能谱测量的时长应等于实际使用过程中所设定的短周期的时长。这样不仅可以保证能谱测量的稳定性，而且通过配置标定条件与实测条件一致，可以保证校正算法的适用性，进而提高校正结果的准确性。
14.在本技术的一些实施例中，对于基于碘化钠晶体探测方法的海水放射性传感器，在对所述海水放射性传感器进行温度-道址关系标定时，可以将温度测量模块安装在所述海水放射性传感器内部且紧贴所述碘化钠晶体的位置，以将碘化钠晶体表面的温度作为测量环境的实际温度，由此可以更加实时和准确地测量出传感器所处环境的实时温度变化。配置所述温度试验箱根据所述测量环境的实际温度调节水浴温度，使所述测量环境的实际温度分别稳定在不同的设定温度点。
15.在本技术的一些实施例中，在提取所述海水放射性传感器在每一个短周期结束时测得的海水温度时，可以将海水放射性传感器在该短周期测得的海水温度的平均值作为所述海水温度，以提高海水温度测量的准确性。
16.在本技术的一些实施例中，在需要提取伽马能谱时，可以利用累加保存的所有校正后的短周期伽马能谱形成长时间连续的伽马能谱输出，以用于伽马能谱解析。
17.与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明针对海水放射性传感器测量得到的伽马能谱提出的温度漂移校正方法，利用天然核素在伽马能谱中所形成的特征峰，进行温度-道址关系标定，建立温度-道址对应关系，以确定出校正算法的参数，校正算法简单，无需引入参考源，解决了参考源引入对伽马能谱解析造成影响的问题。并且，校正算法参数确定后，在对发生温度漂移的伽马能谱进行校正时，无需对发生温度漂移的伽马能谱寻峰，进一步简化了校正过程。本发明采用软件校正方法，从数据处理角度入手，对发生温度漂移的伽马能谱进行校正，方法灵活方便，无需改变海水放射性传感器的硬件结构设计，并且不需要引入参考源，既可以应用在基于碘化钠晶体探测方法的海水放射性传感器，对于其他晶体类型和应用场合的放射性传感器也同样适用。
18.结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
19.图1是对海水放射性传感器进行温度-道址关系标定的过程流程图；
图2是利用海水放射性传感器对待测海水进行伽马能谱测量及温度漂移校正的过程流程图。
具体实施方式
20.下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细地描述。
21.本实施例的海水放射性传感器温度漂移校正方法，将自然环境中普遍且大量存在的
40
k核素和
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tl核素在伽马能谱测量中所形成的特征峰作为参考峰，通过温度-道址关系标定，建立温度-道址对应关系，构建软件校正算法，对海水放射性传感器在实际应用过程中测量得到的发生温度漂移的伽马能谱数据进行校正，利用校正后的伽马能谱数据进行能谱解析，可以保证海水中放射性核素监测结果的准确性。
22.本实施例的海水放射性传感器为基于碘化钠晶体探测方法设计的传感器，为了使传感器在使用过程中克服温度变化带来的伽马能谱漂移问题，在这种海水放射性传感器投入使用前，首先进行温度-道址关系标定。
23.即，将海水放射性传感器整体放入温度试验箱内，通过调节实验箱温度变化，在不同温度下进行伽马能谱测量。对不同温度下得到的伽马能谱进行寻峰，找到不同温度下伽马能谱中选定天然放射性核素的特征峰道址，建立不同温度下特征峰道址与温度的定性和定量关系，进而确定出校正算法中的参数值。
24.具体而言，如图1所示，可以包括以下过程：s101、将海水放射性传感器放入温度试验箱。
25.本实施例的温度试验箱采用水浴式温度试验箱，在海水放射性传感器投入使用前，首先将其整体放入温度试验箱的水浴中，并将温度测量模块安装在海水放射性传感器的内部且紧贴碘化钠晶体的表面，这样可以实时和准确地测量出海水放射性传感器测量环境的实际温度。
26.s102、设定多个温度点，调节温度试验箱中的水浴温度，使海水放射性传感器测量环境的实际温度分别到达每一个设定的温度点。
27.为了使温度漂移校正算法能够更好地适应海水放射性传感器实际工作时的海水温度环境，可以根据海水的实际温度变化范围确定温度试验箱的温度调节范围，并根据所述温度调节范围设置温度变化梯度，以确定出至少4个温度点。
28.例如，可以将温度调节范围设置在-10℃~50℃之间，设置温度变化梯度为5℃，这样可以确定出13个温度点。
29.在设定的温度点中，应包括一个参考温度，所述参考温度为海水放射性传感器在进行能量刻度时的环境温度，例如25℃。
30.通过温度试验箱改变海水放射性传感器所处的水浴温度，根据温度测量模块检测海水放射性传感器测量环境的实际温度，使测量环境的实际温度依次到达每一个设定的温度点。
31.s103、利用海水放射性传感器在每一个设定的温度点进行伽马能谱测量。
32.在调整温度试验箱的水浴温度到达某一设定的温度点时，应综合考虑海水放射性传感器的发热及外壳导热等因素的影响，在水浴温度稳定一段时间后再进行伽马能谱的测量。
33.在本实施例中，可以设置水浴温度的稳定时间不小于1小时，以确保海水放射性传感器的环境温度稳定后，再进行伽马能谱测量。对于海水放射性传感器单次能谱测量的持续时间，可以根据海水放射性传感器在投入使用后所设置的短周期时长确定，例如，可以设置为1小时。
34.为了消除试验过程中偶然误差的影响，可以在每一个设定的温度点下，分别进行多次伽马能谱测量。在某些实施例中，可以在每一个设定温度点下分别做6组实验，得到6组伽马能谱数据。
35.s104、对不同温度下海水放射性传感器测量得到的伽马能谱进行寻峰，找到不同温度下伽马能谱中所选定的天然核素的特征峰道址。
36.在本实施例中，为了提高特征峰道址测量的准确性，可以从每一个设定温度点下多次测量得到的多个伽马能谱中分别提取出所选定的天然核素的特征峰道址，对提取出的多个特征峰道址求平均，将计算出的平均值作为该温度点下选定天然核素的特征峰道址。
37.在本实施例中，可以将参考温度（例如25℃）下所选定的天然核素的特征峰道址记为per；将参考温度以外的其他温度点下所选定的天然核素的特征峰道址记为pe
t
。这里的per和pe
t
均为特征峰道址的平均值。
38.为了使能谱的校正效果更加准确，本实施例选定两种天然核素，分别计算两种天然核素在不同设定温度点下的特征峰道址per和pe
t
。
39.为了使校正算法在整个能谱范围内都能实现准确校正，在选择两种天然核素时，应在伽马能谱的整个道址范围内选择一个道址比较靠前的天然核素和一个道址比较靠后的天然核素。例如，针对整个能谱范围在1~1024道的情况，其中一种天然核素可以选择在参考温度时的特征峰道址的准确值在450道之前的放射性核素，另外一种天然核素可以选择在所述参考温度时的特征峰道址的准确值在700道之后的放射性核素。
40.在某些实施例中，可以选择在所述参考温度时，特征峰道址在400道的
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k核素和特征峰道址在712道的
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tl核素作为选定的两种天然核素。因为这两种核素在自然环境中普遍大量存在，所以，在伽马能谱中能够形成明显的特征峰。
41.在对不同温度下海水放射性传感器多次测量得到的伽马能谱进行寻峰时，分别找出相同温度点下每一次测量所得到的伽马能谱中
40
k核素的特征峰道址以及
208
tl核素的特征峰道址。相同温度点下，
40
k核素和
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tl核素的特征峰道址取该温度点下多次测量得到的特征峰道址的平均值，可以分别记为pe
r_k
和pe
t_k
、pe
r_tl
和pe
t_tl
。其中，pe
r_k
和pe
r_tl
分别表示参考温度下
40
k核素和
208
tl核素的特征峰道址；pe
t_k
和pe
t_tl
分别表示参考温度以外的其他温度点下
40
k核素和
208
tl核素的特征峰道址。
42.s105、建立不同温度下选定天然核素的特征峰道址pe
t
与温度t的对应关系。
43.根据设定的温度点和各温度点下选定天然核素的特征峰道址pe
t
，建立温度-道址对应关系。
44.在本实施例，对于选定的天然核素为
40
k核素和
208
tl核素的情况，可以分别针对
40
k核素建立其温度-道址对应关系，针对
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tl核素建立其温度-道址对应关系。
45.s106、构建温度校正函数，根据建立的温度-道址对应关系确定温度校正函数中的校正系数。
46.温度校正函数通常可以使用一次、二次或者更高阶的多项式关系拟合。在本实施
例中，使用三次多项式函数关系拟合。具体而言，可以利用选定天然核素在参考温度以外的其他温度点的平均特征峰道址与参考温度下的平均特征峰道址的比值关系结合温度进行拟合，从而构建温度校正函数，并确定某一台海水放射性传感器的校正函数的具体参数值。
47.在本实施例中，建立温度校正函数：；其中，f(t)为温度校正函数；per为参考温度下选定天然核素的特征峰道址；pe
t
表示参考温度以外的其它温度点下选定天然核素的特征峰道址；t为温度；p0, p1, p2, p3为校正系数。
48.为了提高校正算法的准确度，针对选定的天然核素为两种的情况，可以将两种天然核素的温度-道址对应关系分别代入温度校正函数f(t)，计算得到两组校正系数，取两组校正系数的平均值作为校正系数、、、。
49.具体而言，针对两种天然核素分别为
40
k核素和
208
tl核素的情况，可以首先根据建立的
40
k核素的温度-道址对应关系，将
40
k核素的特征峰道址pe
r_k
、pe
t_k
与除参考温度以外的剩余12个温度点t依次代入温度校正函数f(t)，即：；从而形成12个四元一次方程，以拟合出校正系数p
0k
, p
1k
, p
2k
, p
3k
的值。
50.然后，根据建立的
208
tl核素的温度-道址对应关系，将
208
tl核素的特征峰道址pe
r_tl
、pe
t_tl
与除参考温度以外的剩余12个温度点t依次代入温度校正函数f(t)，即：；从而形成12个四元一次方程，以拟合出校正系数p
0k
, p
1k
, p
2k
, p
3k
的值。
51.利用以下平均值计算公式，计算出校正系数、、、：；i=0,1,2,3。
52.即：；；；
。
53.由此，便可确定出以温度t为变量的一元三次多项式温度校正函数f(t)。
54.以上，为海水放射性传感器在投入使用前所需完成的温度-道址关系标定以及温度校正函数f(t)的建立过程。
55.由于相同的温度变化对不同道址的影响具有相同的比例关系，即，道址数大，道址随温度变化的数值就大，反之亦然。因此，发生温度漂移的伽马能谱可以使用如下关系进行校正，即，对漂移伽马能谱的全部道址全新计算：；其中，ch
tc
表示在温度t时，漂移伽马能谱校正后的全部道址，即，道址校正值；ch
t
表示在温度t时，漂移伽马能谱校正前的全部道址。
56.将计算得到的温度校正函数f(t)代入上述道址校正公式，从而得到最终的校正算法公式：。
57.在这里，、、、为已知量。
58.将上述校正算法公式导入海水放射性传感器，之后，便可将海水放射性传感器投入到待测海域进行正常使用。
59.在海水放射性传感器投入正常使用后，通过校正算法对海水放射性传感器测量得到的伽马能谱进行原位、实时地温度漂移校正，输出校正后稳定的伽马能谱。
60.具体过程如图2所示，可以包括以下步骤：s201、设置一个短周期；当海水放射性传感器在海上原位运行时，将长时间的测量周期分成若干个时间相等的短周期，例如，设置为1小时。这里的短周期最好与海水放射性传感器在温度-道址关系标定过程中进行单次伽马能谱测量时的测量时间一致，通过配置标定条件与实测条件一致，可以保证校正算法的适用性，进而提高校正结果的准确性。
61.s202、利用海水放射性传感器对待测海水进行伽马能谱测量；将海水放射性传感器整体投入到待测海水中，采用基于碘化钠晶体的探测方法对待测海水进行伽马能谱测量，使用安装于海水放射性传感器内部的温度测量模块自动测量并记录当前海水的实时温度。
62.s203、在每一个短周期结束时，提取海水放射性传感器在该短周期内测得的海水温度t以及伽马能谱所对应的全部道址；海水放射性传感器在短周期内测量的海水温度有可能发生小幅变化，为了使短周期温度更具参考性，可以取短周期的温度平均值作为海水温度t。例如，可以取短周期开始
时刻的温度、中间时刻的温度以及结束时刻的温度进行求平均运算，进而得到该短周期内的海水温度t。
63.根据实际工作海域水温变化情况所设置的短周期时间阈值，每到达一次短周期阈值，自动记录一个短周期的伽马能谱测量数据和其对应的全部道址。
64.s204、在每一个短周期结束时，利用校正算法对漂移伽马能谱的全部道址进行校正，以获得校正后的伽马能谱；在每一个短周期结束时，利用导入海水放射性传感器的校正算法公式：；计算出全部道址的校正值。其中，t为短周期内的海水温度平均值；和分别为发生温度漂移的伽马能谱校正前的全部道址和校正后的全部道址。
65.对发生温度漂移的伽马能谱的全部道址完成校正后，便可形成校正后的伽马能谱。
66.s205、存储校正后的短周期伽马能谱，并与之前已校正的伽马能谱累加，形成长周期伽马能谱；在每一个短周期结束时，可以将该短周期校正后的伽马能谱储存，并自动与之前已经校正的短周期伽马能谱按照时间顺序依次累加保存，由此便可生成长时间连续的且已消除温度漂移的准确伽马能谱。
67.s206、当测量任务结束后或者需要提取伽马能谱时，自动输出校正后的长周期伽马能谱。
68.本实施例针对海水放射性传感器测量得到的伽马能谱提出的温度漂移校正方法，无需引入参考源，通过天然放射性核素进行温度-道址关系标定，建立温度-道址对应关系，从而确定校正算法参数后，使用时校正算法仅与测量环境的实际温度t有关，无需对漂移伽马能谱进行寻峰，可以保证海水放射性传感器在海上长期运行期间测量输出的伽马能谱的有效性和准确性。
69.当然，以上所述仅是本发明的一种优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。