PGNAA多元素能谱库MC模拟与自适应定量分析方法研究

The purpose of this research is to improve and optimize the design of advanced PGNAA systems by developing an innovative technique for prompt gamma-ray spectroscopy analyses. First, a set of single-element library spectra for major elements (Ca, Fe, Si, Al, H, Mg, K, Na, S, etc.) in cement will be measured from the standard elemental samples. Secondly, a large set of multi-element library spectra will be created by measuring a variety of known cement samples and then performing spectrscopy analyses with the single-element library spectra. Thirdly, the multi-element library spectra are further improved and supplemented by the Monte Carlo simulated spectra and various spectroscopy processing methods. Finally, a self-adaptive quantitative PGNAA analysis system, based on the hybrid library spectra for cements, will be developed for the design and use of advanced PGNAA systems.This research aims to resolve some basic but critical technical issues in the development and applications of PGNAA in, but not limied to, the cement industry.There is no doubt that this innovative method of Monte Carlo assited spectcroscopy analysis would have profound and broad impacts on not only the PGNAA technology, but also other spectroscopy analysis based nuclear nondestructive assays.

在综合现有PGNAA研究成果的基础上，采用蒙特卡罗和实际测量两种方式分别获得水泥中Ca、Fe、Si、Al、H、Mg、K、Na、S等主要元素的单元素PGNAA能谱图，利用多种数学方法，对模拟谱与实验谱进行分析、比较和相互印证，建立PGNAA多元素MC能谱库。研究大样品内热中子自屏蔽现象、瞬发γ射线自吸收、样品的几何效应、以及待测元素不均匀分布对瞬发γ射线产额的影响，建立大样品综合修正模型。配制并测量大量不同物质及不同成份组成的多元素复杂样品，得到实测复杂谱图，同时结合MC能谱库开展解谱方法研究，并最终获得基于水泥主要元素的PGNAA自适应定量分析技术和系统研究成果。本课题以开展PGNAA在水泥领域中的应用基础研究为出发点，以进行PGNAA自适应定量分析为创新点，其成果不仅可以推动我国PGNAA技术的发展，而且有利于PGNAA和蒙特卡罗模拟技术在其它领域的推广和普及，应用前景广泛。

在综合现有PGNAA研究成果的基础上，采用蒙特卡罗方法对探测器周围中子、散射γ等对瞬发γ产额的影响、样品腔两侧反射体材料的组成和厚度对瞬发γ产额的影响、以及人员防辐安全的生物多层复合屏蔽体结构的开展研究，进一步优化改进PGNAA实验装置，建立了实验测量平台，从而提升性能指标，有效地降低本底，提高探测效率；通过对水泥中Ca、Fe、Si、Al、H、Mg、K、Na、S等主要元素的瞬发γ射线的模拟谱和测量谱比较、修正技术研究，建立了与几何条件、初级辐射、探测效率等多种影响因素有关的对比校正模型和水泥中主要元素的PGNAA多元素MC能谱库；同时开展了PGNAA大样品内热中子自屏蔽现象、瞬发γ射线自吸收、样品的几何效应、以及待测元素不均匀分布对瞬发γ射线产额影响研究，建立了样品内热中子自屏蔽、瞬发γ射线自吸收、几何效应和待测元素不均匀分布的综合修正模型；采用梯度变化的多种复杂水泥样品PGNAA 实验谱，利用MC能谱库和最小二乘拟合的解谱技术，研究了元素间、元素与样品间的影响特征数理方程，建立了PGNAA复杂能谱解谱模型，实现了水泥PGNAA自适应定量分析；最后将各项新方法和新技术研究成果的集成，开发了PGNAA分析软件系统，并与自主研发的PGNAA实验装置相结合，实现对水泥PGNAA的准确定性与定量分析。