專利名稱：基于譜庫最小二乘法的煤炭元素分析方法及在線檢測設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種基于譜庫最小二乘法的煤炭元素分析方法及在線檢測設備。
背景技術：
煤質成份檢測設備主要利用中子活化分析技術來檢測煤流中主要成分的含量。所謂中子活化分析技術就是利用中子轟擊煤流，中子與煤流中的某一核素發生特定核反應，產生特征伽瑪(γ)射線(像人類指紋一樣)，根據特征伽瑪(γ)射線的能量來確定所對應的核素，根據該能量對應的峰強度(計數)來確定該核素的含量。在線檢測設備主要利用瞬發伽瑪(γ)中子活化分析技術，其技術核心和難點是裝置設計和譜處理(解譜)。裝置設計主要考慮所采用活化分析技術的類型、慢化、屏蔽等要素。一般情況下，對在線瞬發伽瑪(γ)中子活化分析技術，譜處理(解譜)一般采用全能峰法，利用剝譜技術及關聯法從復雜能譜中將所需檢測的核素的峰剝出來，從而推算出該核素的成分含量。當使用分辨率很高的高純鍺探測器時，利用全能峰法進行解譜，相對比較簡單，其精度也較高。但當使用分辨率較差的閃爍探測器時，由于峰位不明顯且峰位重疊嚴重，則很難利用剝譜技術將所需檢測的核素的峰準確地剝出，因此其精度相對較差，且其穩定性和可靠性也受到影響。實際應用中，由于高純鍺易受中子損傷，且需日常維護(需液氮制冷)，其主要用于實驗室，很難適用于工業現場。在工業現場中，應用最多的還是以采用在線閃爍探測器作為伽瑪(γ)能譜的接收傳感器居多，而目前普遍采用的全能峰法對復雜樣品的伽瑪(γ)能譜進行解譜時會帶來相對大的誤差，難以滿足使用要求。
發明內容
本發明的目的是提供一種適合于閃爍探測器作為記錄裝置的、利用最小二乘法進行解譜處理以避免現有的解譜技術帶來的誤差的基于譜庫最小二乘法的煤炭元素分析方法及在線檢測設備。
本發明的技術方案是一種基于譜庫最小二乘法的煤炭元素分析方法，其特征是a、利用實驗方法或模擬方法建立煤流中各組成成份的能譜的標準譜庫并存入計算機中；b、利用脈沖中子發生器發出的中子，通過其慢化系統形成快、熱中子，照射到煤流上，使快中子與煤流中的氧、碳核素發生非彈散射，發出瞬發非彈特征伽瑪(γ)射線，使熱中子與煤流中的其他核素發生俘獲反應，發出瞬發俘獲特征伽瑪(γ)射線；c、利用閃爍探測器實時接收上述瞬發非彈特征伽瑪(γ)射線和瞬發俘獲特征伽瑪(γ)射線，并通過常規的電子學線路轉換成伽瑪(γ)能譜后存入計算機中；d、在計算機中利用譜庫最小二乘法對上述伽瑪(γ)能譜進行解譜，得到煤流中各組成成份及其所含的量。
e、給出測量結果。
上述的能譜中特征伽瑪(γ)射線的能量所對應的計數yi=Σj=1mxjaij+ei;i=1,2···n]]>式中，xi(l/cm3)是未知樣品種元素j的原子數密度，aij是每單位原子數密度的元素j在第i道(共n道)貢獻的計數率，即元素j的能譜譜庫中的響應值，ei是由于統計漲落引起的第i道的誤差。
本發明與上述方法相對應的在線檢測設備的技術解決方案是一種基于譜庫最小二乘法的煤炭元素在線檢測設備，包括脈沖中子發生器1、慢化體2、屏蔽防護體3、伽瑪閃爍探測器4、伽瑪能譜獲取系統7，其特征是脈沖中子發生器1安裝在慢化體2的下部，慢化體2位于被檢測煤流5的下方，伽瑪(γ)閃爍探測器4正對脈沖中子發生器1且位于被檢測煤流5的上方，脈沖中子發生器1、慢化體2、伽瑪閃爍探測器4均安裝在屏蔽防護體3中，被檢測煤流5從慢化體2的上方穿過屏蔽防護體3，伽瑪(γ)閃爍探測器4通過信號線6與伽瑪(γ)能譜獲取系統7的輸入端相連，伽瑪(γ)能譜獲取系統7的輸出端與計算機8相連。計算機7在相應的軟件控制下進行解譜并實現顯示或打印解譜結果。
本發明的有益效果本發明綜合利用了伽瑪(γ)能譜的全部信息，避免了剝譜技術帶來的誤差，同時提高了該設備的檢測靈敏度、測量的可靠性和設備的穩定性。
圖1是本發明的譜庫最小二乘法解譜流程圖。
圖2是本發明的在線檢測設備結構示意圖。
圖3是本發明實施例中使用的常規電子學線路組成框圖示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明作進一步的說明。
如圖1、2、3所示。
一種基于譜庫最小二乘法的煤炭元素分析方法，其步驟如下a、利用實驗方法或模擬方法建立煤流中各組成成份的能譜的標準譜庫并存入計算機中；b、利用14MeV型脈沖中子發生器發出的中子，通過其慢化系統形成快、熱中子，照射到煤流上，使快中子與煤流中的氧、碳核素發生非彈散射，發出瞬發非彈特征伽瑪(γ)射線，使熱中子與煤流中的其他核素發生俘獲反應，發出瞬發俘獲特征伽瑪(γ)射線；c、利用閃爍探測器實時接收上述瞬發非彈特征伽瑪(γ)射線和瞬發俘獲特征伽瑪(γ)射線，并通過常規的電子學線路(可采用由圖3所示的框圖組成，普通技術人員根據圖3所示的框圖使用常規電子電路即可實現，故不再給出具體的電路圖)轉換成伽瑪(γ)能譜后存入計算機中；其中，前置放大器可采用FH1047A、2007P等；放大器可采用BH1218、Model 2022等；多道譜儀可采用Accuspec NaI/A、ASA-100等。
d、在計算機中利用譜庫最小二乘法對上述伽瑪(γ)能譜進行解譜，得到煤流中各組成成份及其所含的量。
e、利用計算機輸出設備(打印機)繪出測量結果。
譜庫最小二乘法的原理為對于某一特定的未知樣品，如果yi(計數/秒)是利用閃爍探測器實際所測得的瞬發伽瑪(γ)譜第i道的計數率，那么yi可表示為yi=Σj=1mxjaij+ei;i=1,2···n]]>式中，xi(l/cm3)是未知樣品中元素j的原子數密度，aij是每單位原子數密度的元素j在第i道(共n道)貢獻的計數率，即元素j的能譜譜庫中的響應值，ei是由于統計漲落引起的第i道的誤差。使用最小二乘或加權最小二乘方法就可以求解出未知樣品中各元素的原子數密度，進而求出其質量百分比含量和密度等。
由于蒙特卡羅方法能夠細致地考慮材料中各元素的含量和材料密度對于標準譜的影響。針對材料成份和密度變化的可能范圍，確定出一系列的標準樣品，然后利用蒙特卡羅方法得到每一種標準樣品中各元素的標準譜(樣品中所有元素的標準譜構成了此樣品的“標準譜”)，所有樣品的標準譜構成了“譜庫”。建立起譜庫后，對工業在線測量中獲得的實測譜，從譜庫中選擇合適的一套標準譜來解譜。所謂蒙特卡羅譜庫最小二乘法(MCLLS)，就是蒙特卡羅方法計算出包含有許多套標準譜的“譜庫”，然后從譜庫中選擇最合適的標準譜來解譜的過程。蒙特卡羅譜庫最小二乘法解譜過程如下1)針對具體問題，建立蒙特卡羅標準譜譜庫；針對具體問題(如煤質在線分析)，在待側樣品成份(密度、元素含量等)的變化范圍內確定出適當數量的已知成份的樣品系列。用蒙特卡羅方法計算出每一種樣品對應的一套標準譜，把這些標準譜組合起來，形成對應于已知成份的樣品系列的“譜庫”(LIBRARY OF SPECTRA)。
2)對待測樣品測得其完整的瞬發伽瑪γ譜；3)對譜庫中每一套標準譜，使用最小二乘法求解待測樣品譜；根據已測得的未知樣品的實測譜和譜庫中某一標準樣品的單元素的標準譜aij，構造如下的χ2量
χ2=Σi=1N(yi-Σj=1mxjaij)2σi2=Σi=1nei2σi2---(2)]]>ei=yi-Σj=1mxjaij---(3)]]>假定譜庫中的標準譜由足夠的精度(統計漲落)，即可近似地認為σaij≈0,]]>由于xj是常量，有σxj=0,]]>所以對于ei，其方差為σi=σyi=yi/ΔT---(4)]]>其中為ΔT未知樣品瞬發γ譜的測量時間。
使χ2極小化(即關于變量xi對χ2進行極小化，從而求得xi。令∂χ2∂xk=0,k=1,2,3,...,m]]>即Σi=1n2(yi-Σj=1mxjaij)(-aij)σi2=-2Σi=1nyiaikyi/ΔT+2Σi=1n(Σj=1mxjaijyi/ΔTaik)=0---(5)]]>整理得Σj=1m[xj(Σi=1naijaikyi)]=Σi=1naik---(6)]]>另Bk=Σi=1naik,k=1,2,3,...,m---(7)]]>Akj=(Σi=1naijaikyi),k=1,2,3,...,m---(8)]]>即Σj=1mxjAkj=Bk,k=1,2,3,...,m---(9)]]>
令 X=x1x2...xm,B=B1B2...BM---(11)]]>則AX＝B(12)X＝A-1B求解上式即可得到未知樣品的元素組成X。
4)選擇χ2最小的解譜結果作為待測樣品的成份，并對之進行比較。眾所周知，最小二乘法是一種線性方法，而中子瞬發伽瑪(γ)活化分析方法是一個非線性問題，這種線性的近似只有當解譜使用的標準譜所對應的樣品的成份于待測樣品的成份充分接近時(滿足局部線性化條件)，才是成立的。因此，為了保證計算結果的準確性，必須采用一定的方法對局部線性化條件是否滿足進行驗證。常用的驗證方法是結果進行χ2檢驗。χ2服從自由度n-m-1的χ2分布。這樣，假定一個顯著水平α(根據實際情況而定)，如果解譜得到的χmin2<χα,]]>則說明在顯著水平α下解譜的結果是可接受的，反之亦然。
與本發明相配套的在線檢測設備(如圖2所示)，包括脈沖中子發生器1(型號可為14MeV)、慢化體2(型號可為sm001)、屏蔽防護體3、伽瑪(γ)閃爍探測器4(型號可為BGO100)、伽瑪(γ)能譜獲取系統7(型號可為ASA100)，脈沖中子發生器1安裝在慢化體2的下部，慢化體2位于被檢測煤流5的下方，伽瑪(γ)閃爍探測器4正對脈沖中子發生器1且位于被檢測煤流5的上方，脈沖中子發生器1、慢化體2、伽瑪(γ)閃爍探測器4均安裝在屏蔽防護體3中，被檢測煤流5從慢化體2的上方穿過屏蔽防護體3，伽瑪(γ)閃爍探測器4通過信號線6與伽瑪(γ)能譜獲取系統7的輸入端相連，伽瑪(γ)能譜獲取系統7的輸出端與計算機8相連。計算機8在相應的軟件控制下進行解譜并實現顯示或打印解譜結果，同時提供相應的數據接口。
權利要求
1.一種基于譜庫最小二乘法的煤炭元素分析方法，其特征是a、利用實驗方法或模擬方法建立煤流中各組成成份的能譜的標準譜庫并存入計算機中；b、利用脈沖中子發生器發出的中子，通過其慢化系統形成快、熱中子，照射到煤流上，使快中子與煤流中的氧、碳等核素發生非彈散射，發出瞬發非彈特征伽瑪射線，使熱中子與煤流中的其他核素發生俘獲反應，發出瞬發俘獲特征伽瑪射線；c、利用閃爍探測器實時接收上述瞬發非彈特征伽瑪射線和瞬發俘獲特征伽瑪射線，并轉換成伽瑪能譜后存入計算機中；d、在計算機中利用譜庫最小二乘法對上述伽瑪能譜在線實時進行解譜，得到煤流中各組成成份及其所含的量。
2.一種基于譜庫最小二乘法的煤炭元素在線檢測設備，包括脈沖中子發生器(1)、慢化體(2)、屏蔽防護體(3)、伽瑪閃爍探測器(4)、伽瑪能譜獲取系統(7)，其特征是脈沖中子發生器(1)安裝在慢化體(2)的下部，慢化體(2)位于被檢測煤流(5)的下方，伽瑪閃爍探測器(4)正對脈沖中子發生器(1)且位于被檢測煤流(5)的上方，脈沖中子發生器(1)、慢化體(2)、伽瑪閃爍探測器(4)均安裝在屏蔽防護體(3)中，被檢測煤流(5)從慢化體(2)的上方穿過屏蔽防護體(3)，伽瑪閃爍探測器(4)通過信號線(6)與伽瑪能譜獲取系統(7)的輸入端相連，伽瑪能譜獲取系統(7)的輸出端與計算機(8)相連。
全文摘要
本發明公開了一種適合于使用閃爍探測器作為記錄裝置的、利用譜庫最小二乘法進行解譜處理以避免現有的解譜技術帶來的誤差的基于譜庫最小二乘法的煤炭元素分析方法的具體步聚及與該方法相配套的在線檢測設備的組成結構，它綜合利用了伽瑪(γ)能譜的全部信息，避免了剝譜技術帶來的誤差，同時提高了該設備的檢測靈敏度、測量的可靠性和設備的穩定性。
文檔編號G01N23/22GK1588020SQ20041006498
公開日2005年3月2日 申請日期2004年10月15日 優先權日2004年10月15日
發明者賈文寶, 宋兆龍, 梅義忠 申請人:南京大陸中電科技股份有限公司