γ射線譜儀

γ射線譜儀(CE1-GRS)探測數據難以從譜形特徵直接進行定性分析的問題，提出採用噪聲調整的奇異值分解(NASVD)方法提取CE1-GRS數據中相互正交的譜線主成分，分析月表各區域對應譜線的低序層譜線中的峰信號，鑑別各峰信號對應的能量值是否等於特定元素的特徵γ射線能量來確定月表各區域的元素種類。 方法能夠識別出的月表可能元素包括U、Th、K、Fe、Ti、Si、O、Al、Mg、Ca和Na等11種元素。

基本介紹

• 中文名：γ射線譜儀
• 外文名：CE1-GRS
• 識別元素：U、Th、K、Fe、Ti、Si
• 時間：2007年11月27
• 機構：紫金山天文台

介紹

2007年11月27晚，紫金山天文台研製的月球探測γ射線譜儀在繞月飛行的“嫦娥一號”衛星上成功開機，功能正常，並已接收到科學數據。 紫金山天文台承制的γ射線譜儀是“嫦娥的主要有效載荷之一，其科學使命是獲取全月表有用元素的豐度與分布，進而分析各元素和物質類型的富集區域和分布特點等。2001年紫台開始研製γ射線譜儀。經過5年的不斷試驗，γ射線譜儀設計完成並經過力學等上百項考驗、檢測後，交付給衛星總體。該譜儀口徑約為20厘米，長約40厘米，重約30公斤。2007年10月24日，γ射線譜儀隨“嫦娥一號”衛星發射上天。

定性分析

月表物質與宇宙射線的相互作用及月表天然放射性核素的衰變均會產生 γ射線。由於月球大氣層稀薄，γ射線譜儀能夠在環月軌道上探測到月表發出的 γ射線。因此，根據所觀測到的γ射線的能量和注量，能夠確定月表元素的種類和豐度。通過 γ射線譜儀探測得到月表元素分布特徵，能夠為月球地質解譯提供依據。

分析方法

1、 NASVD 原理：

噪聲調整的奇異值分解(NASVD)方法是由加拿大的 Hovgaard 提出，並被用於核應急領域中尋找未知的放射源、核動力碎片及航空 γ能譜數據的降噪處理。

NASV D 方法基於多元 統計分析的思想，從一系列原始觀測譜線數據中提取出相互正交的譜線主成分， 各主成分以各自對觀測譜的形狀貢獻大小按降序排列。低序主成分體現觀測譜線中絕大多數信號的譜形狀，高序主成分則體現觀測譜線中不相關的噪聲。

NASVD 方法的兩個重要特點是 ：1)奇異值分解(SVD)方法被用於提取譜線主成分；2)為使觀測譜線中的絕大多數信號能集中體現於低序主成分中，先採用噪聲的先驗模型將各輸入譜線的每道計數率的方差調整至單位方差，然後再進行奇異值分解。

2、定性分析方法：

由於 CE1-GRS 譜線數據集的所有譜線均具有相似的譜形特徵，並考慮到對 0.324 ～9 .002 M_eV能量範圍(第 15 ～ 407 道範圍)的譜線感興趣，因此，對月表所有經緯度範圍區域對應的 1790 條 3s 平均 γ譜線構成的譜線數據集矩陣 A_1790×393 進行分析。設計算法步驟如下。

1)讀入觀測譜線矩陣 A_m×n (m ≥n)。

2)對 A_m×n 進行方差調整，得到單位方差矩陣 A_NA 。

3)對 矩陣 A_NA 進行奇異值分解 ：A_{N A} =U′′Γ′V^T。其中，U′和 V′為 m ×n 和 n ×n 的正交陣，Γ′是由正奇異值構成的n ×n 對角矩陣。

分析結果

採用以上算法得到的 CE1-GRS 譜線數據集對應的前 8 個主成分。代表信號的主成分(通常為前 3 ～ 8 個主成分)應顯示出具有相關性的譜形狀信息。前5個主 成分均顯示出具有相關性的譜形狀，而第 6 及以上主成分中 ， 並未顯示出具有相關性的譜形狀信息，而主要表現出噪聲。

譜線數據集對應的前 200 個特徵值，縱坐標為各特徵值的對數值。由於各主成分(特徵向量)的方差即為相應的特徵值，因此，各特徵值可作為相應主成分對觀測譜的貢獻估量參數。一般而言，數值大的特徵值對應的主成分代表信號，數值小的特徵值對應的主成分代表噪聲。曲線迅速下降後幾乎變成 1 條直線，說明代表信號的低序主成分對應的方差大，而表示噪聲的主成分的方差幾乎為一常數，即每 1 個噪聲成分對輸入譜線的方差貢獻大致相等。

產品描述

小型、輕便、穩定、低功耗是當前r射線譜儀和X螢光分析儀的一個重要發展趨勢。r射線譜儀，特別是攜帶型r射線譜儀在環保與衛生防疫部門具有廣泛的套用。例如用於環境r輻射監測，食品中輻射計量與有害元素分析等。X螢光分析儀在冶金工業、地質勘探、建材、醫療衛生、金融等許多部門具有更廣泛的套用。如礦物與材料中的元素及其含量定量分析，冶金品位分析、水泥生產配料分析、人發元索分析、黃金成色分析等。據國外統計，特別是攜帶型X螢光分析儀，僅地質部門的用量，就占整個X螢光分析儀的三分之二。

系統工作與軟體描述

系統工作包括：校零、穩譜設里、效據獲取、數據處理等。

校零：校零是通過穩譜調整器完成。譜儀出廠前，在標準檔案庫中存放了¹³⁷C_s源標準y譜，儀器校零時，放上標準源¹³⁷C_s，啟動校零操作，系統立即自動調出此標準譜，通過軟體將現行測到的‘”Cs譜同標準譜比較，調整系統，使¹³⁷C_s現行峰位移到標準譜峰位。

穩譜設定與穩譜：在進行長時間測量時，要用穩譜。當要穩譜時，要進行必要的設定，方法是：對被測譜進行預側，找出能峰峰位，將此峰位值置入計算機，於是，計算機在此峰位左右兩邊自動設定數字窗，在穩譜過程中，根據左右窗的計數差調整峰位，使峰位保持不變。

數據獲取：當上述準備工作完成後，系統可進入數據獲取工作。數據獲取可以預定實時間和活時間，設有死時間計時，提供數據處理時進行活時間校正。

數據處理：數據處理通過軟體完成。本系統提供了多道仿真軟體和r譜分析軟體包。

多道仿真軟體主要功能：包括：系統設定(定時)。活時間和實時間計時；數據實時對數或線性顯示；x向感興趣區擴大、壓縮，y向顯示位次改變；感興趣加標、抹標；數據清除、數據獲取、進退緩衝區、譜比較、譜存檔、讀盤、譜列印、譜拷貝。譜分析計算包括：譜平滑、自動找峰、能量刻度、淨面積計算、求和、求半高寬、求1/10高寬。其功能與ORTEC仿真軟體兼容。

系統性能與測試結果

測雲了攜帶型一體化Nal(Tl)閃爍體r譜儀系統的主要技術性能如下：道數：1024(配Nal(TI)探頭)或4096(對HPGe探頭)。積分非線性：0.1%；微分非線性：0.5%，能量解析度：好於7%，可分析能t范徽：0.5keV~2MeV。長時間穩定性：48h漂移小於l道，用6V單一電池供電，交直流兩用，功耗小於3W。