CN101713830B - 一种瞬发中子衰减常数的综合在线测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种瞬发中子衰减常数的综合在线测定方法。主要包括以下阶段：1)对中子脉冲进行采集，得到中子源与被中子源激发的探测体所产生的中子脉冲的时间分布；2)将采集后的数据包按给定长度进行分块，计算每一块中子信号的相关函数及功率谱密度；3)对相关函数利用相关拟合法计算瞬发中子衰减常数、对功率谱密度按转折频率法计算瞬发中子衰减常数；4)对上述两种不同方法计算的结果做综合处理，给出最终测定结果。该方法可以同时在时域与频域对瞬发中子衰减常数进行估计，并与测量同步，随测量的进行精度逐步提高，最终实现在线测定的目的。

Description

一种瞬发中子衰减常数的综合在线测定方法

技术领域

本发明属于随机核信号分析与处理领域，尤其是中子脉冲信号序列，具体涉及一种利用中子脉冲信号序列进行综合、在线测定核部件瞬发中子衰减常数的方法。

背景技术

随着核科学技术的飞速发展，对由核辐射和原子核等构成的核信息系统所携带的信息进行测量和分析，是进行核信息系统内部特征和规律研究的重要保证。瞬发中子衰减常数α，是一项与核系统中裂变材料的反应性、临界程度以及裂变材料的多少、形状密切相关的重要参数，对其进行高精度测量一直是核信息测量中的一项关键指标。

通常而言，对瞬发中子衰减常数α的测量可以分为时域测量和频域测量两种。时域测量通过Rossi-α方法，借助多道分析器，方法较为成熟，但易受本底噪声干扰，对于深次临界测量影响尤为明显。频域测量是基于中子源噪声驱动测量分析方法，可有效降低中子源本底噪声，提高测量精度。但由于核反应速度较快，数据量庞大，难以达到实时在线测量。美国NMIS(Nuclear Material Identification System：核材料鉴别系统)系统，虽实现了纳秒级采样与同步，但频谱计算依赖硬件，测量中间数据无法保存，测量难以重复，且成本极其昂贵，功能无法扩展。

因此，如何设计一个瞬发中子衰减常数的综合在线测定方法，在频域测量的同时也进行时域测量，成为本发明关注的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种瞬发中子衰减常数的综合在线测定方法，利用中子脉冲序列实现对瞬发中子衰减常数的实时综合测量。

参见图1和图2，本发明的目的通过以下技术手段实现：

1、对中子脉冲进行采集，得到中子源与被中子源激发的探测体所产生的中子脉冲沿时间轴的排列；该排列即为由“0”和“1”组成的中子脉冲序列，该序列按照中子脉冲出现的位置进行存储，没有脉冲的不存储；

2、将采集后的数据包按给定长度进行分块，实时计算每一块中子信号的相关函数并叠加求和，待采集块数到达设定阈值时计算功率谱密度函数；

3、对相关函数利用相关拟合法计算瞬发中子衰减常数，对功率谱密度函数按转折频率法计算瞬发中子衰减常数；

4、对上述两种不同方法计算的结果做综合处理，给出最终测定结果。

在步骤1中，对中子数据进行采集时，中子源及被中子源激发的探测体产生的中子由中子探测器探测，利用置于计算机中的高速数据采集卡同时对中子源通道信号和被探测的两个通道信号进行超高速采集，从而得到三个通道的中子脉冲信号的时间分布。

在此基础上，在步骤2中，将三通道数据按相同大小进行分块，每块数据分别计算其自相关与互相关。并对自相关与互相关分别应用FFT(FastFourier Transform：快速傅里叶变换)求得自功率谱和互功率谱。其中，高速数据采集卡的采集频率为1GHz，也可为512MHz，256MHz或其他频率。分块大小为1024，也可为128、256、512等。

为节省时间，在不影响计算精度的条件下，可设置若干循环，在所采集数据块数量达到一个设定阈值后，对各块所计算得到的自相关序列AC与互相关序列CC分别求和得到ACS和CCS，对ACS和CCS进行FFT从而得到相应的自功率谱APSD和互功率谱CPSD。

若要利用相关函数对瞬发中子衰减常数进行测量，需按照以下步骤进行：

1)如图3所示，互相关函数CC(i)，-N≤i≤N，i表示延迟时间，N表示延迟时间的最大值。提取其中延迟时间位于L₁到L₂之间的互相关函数数据，并将其赋予数组y，其中y(j)＝CC(j+L₁)，j表示数组y数值的下标。0≤j≤L₂-L₁，20≤L₁≤L₂≤220，180≤L₂-L₁≤200。

2)将数组y赋予列矢量Y，即Y＝[y(0)，y(1)，...，y(L₂-L₁)]^T，其中T表示对矢量进行转置操作。定义变量A、α，及列矢量B，其中B＝[ln(A)，-α]^T，ln()表示自然对数。定义一个2行L₃列的矩阵X，其中X的第1列全为1，即X(：，1)＝1；第2列为按大小顺序排列的非负整数，即X(：，2)＝[0，1，2，...，L₃-1]^T，L₃＝L₂-L₁+1。上述数据满足公式X×B＝Y。

3)利用上述数据进行最小二乘拟合，拟合公式为y＝Aexp(-αt)，exp()表示以e为底的指数。拟合结果包括A和α，其中α就表示瞬发中子衰减常数。

若要利用功率谱密度函数对瞬发中子衰减常数进行测量，需按照以下步骤进行：

1)如图4所示，互功率谱密度函数CPSD(i)，0≤i≤M-1，i表示互功率谱密度函数数值的下标，M表示互功率谱密度函数所包含数值的总个数。其中最高频位于i＝M-1处，也即采样频率f_s＝1GHz。因此，互功率谱密度函数单位频率间隔为f_interval＝f_s/M。

2)以50MHz和500MHz处为基点，分别作互功率谱密度函数CPSD通过该点处的切线S1和S2，S1和S2相交于P点，记P点处坐标为(P_x，P_y)。相应P点处频率为f_p＝[int(P_x)+1]＊f_interval。int()表示取数值整数部分的操作。

3)令瞬发中子衰减常数为β，按照转折频率法，则 $\mathrm{\β}=\frac{f_p}{2\mathrm{\π}}.$

本方法的步骤(4)中所述的对瞬发中子衰减常数的综合比对，按照如下步骤进行：

1)设整个测量过程进行了K次循环，每次循环中，均将两种方法测量所得到瞬发中子衰减常数记录下来，譬如第k次循环中，分别记为a_k和β_k，1≤k≤K，并将所有的a_k和β_k赋予两个行向量Q和R，即Q＝[α₁，α₂，α₃，...，α_K]；R＝[β₁，β₂，β₃，...，β_K]；

2)计算Q所包含元素的均值m_q和方差σ_q，其中 $m_q=\frac{1}{K}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_k,$ ${\mathrm{\σ}}_q=\frac{1}{K}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{\α}}_k-m_q)}^2.$ 计算R所包含元素的均值m_r和方差σ_r，其中 $m_r=\frac{1}{K}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}_k,$ ${\mathrm{\σ}}_r=\frac{1}{K}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{\β}}_k-m_r)}^2.$

1)若 $\frac{|m_r-m_q|}{m_r+m_q}>0.1,$ 则认为两种方法测量所得结果偏差较大，结果不可信，应再次测量。若 $\frac{|m_r-m_q|}{m_r+m_q}\≤0.1,$ $\frac{\left|{\mathrm{\σ}}_r\right|}{\left|m_r\right|}\≤0.1$ 且 $\frac{\left|{\mathrm{\σ}}_q\right|}{\left|m_q\right|}\≤0.1,$ 则认为两种方法测量所得结果相近，结果可信，瞬发中子衰减常数

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{eff}}=\frac{|m_r+m_q|}{2}.$

本发明的有益效果如下：

虽然瞬发中子衰减常数的时域测量方法和频域测量方法是基于两套不同的理论，却反映的是同一事物，因此两种测量结果互为验证，互为补充。本发明基于对中子脉冲信号的超高速采集与实时分析，同时在时域和频域对瞬发中子衰减常数进行测量，避免了传统测量方法既无法同时，也无法实时进行两种测量的弊端，显著提高测量效率。同时，测量结果随实验的进行不断改变，测量精度不断提高，可有效降低测量误差，改善测量结果的可信度。

附图说明

图1为瞬发中子衰减常数综合测量的过程框图

图2为瞬发中子衰减常数综合测量流程图

图3为互相关函数测量结果图

图4为互功率谱密度函数测量结果图

图5为互相关函数局部及其拟合曲线图

图6为转折频率法测量结果图

图7为两组瞬发中子衰减常数图

具体实施方式

下面通过实例进一步阐述本发明，但并不因此将本发明限制在所描述的实施范例之内。

实施例1：本发明以包含²³⁵U核部件，瞬发中子衰减常数为0.0375的探测体为例进行说明，所有中子脉冲信号通过3个通道进行采集。其中第1通道是源通道，用于直接采集来源252Cf中子源的中子脉冲信号。第2通道及第3通道用于采集探测体受中子源激发所产生的中子脉冲信号。瞬发中子衰减常数分别利用第1通道与第2通道之间的互相关函数CC12和互功率谱密度函数G12进行计算，显然，采用第1通道与第3通道之间的互相关函数CC13以及互功率谱密度函数G13同样可以得到类似的结果。

第一步对中子脉冲进行采集，采样频率为f_s＝1GHz，得到中子源与被中子源激发的探测体所产生的中子脉冲沿时间轴的排列；该排列即为由“0”和“1”组成的中子脉冲序列，该序列按照中子脉冲出现的位置进行存储，没有脉冲的不存储；

第二步将采集后的数据包按给定长度BlockSize＝1024进行分块，计算每一块中子信号的自相关函数及互相关函数，并与前一块计算结果求和。

第三步设置采集块数阈值Th＝10000，开始循环。当采集中子脉冲信号的块数达到Th的整数倍时，对求和所得相关函数进行FFT变换，得到自功率谱密度函数及互功率谱密度函数。

第四步如图3所示第1通道与第2通道的互相关函数CC12(i)，-1023≤i≤1023，i表示延迟时间。提取其中延迟时间位于20到219之间的互相关函数数据，并将其赋予数组y，其中y(j)＝CC12(j+20)，j表示数组y数值的下标，0≤j≤199。

第五步将数组y赋予列矢量Y，即Y＝[y(0)，y(1)，...，(199)]^T，其中T表示对矢量进行转置操作。定义变量A、α，及列矢量B，其中B＝[ln(A)，-α]^T，ln()表示自然对数。定义一个2行200列的矩阵X，其中X的第1列全为1，即X(：，1)＝1；第2列为按大小顺序排列的非负整数，即X(：，2)＝[0，1，2，...，199]^T。上述数据满足公式X×B＝Y。

第六步利用上述数据进行最小二乘拟合，拟合公式为y＝Aexp(-α_mt)，exp()表示以e为底的指数，m表示当前的循环次数。拟合结果包括A和α_m，拟合后图像如图4所示，其中α_m就表示当前循环中的瞬发中子衰减常数。

第七步如图5所示第1通道与第2通道的互功率谱密度函数CPSD(i)，i表示互功率谱密度函数数值的下标，0≤i≤2046。其中最高频位于i＝2046处，也即f_s＝1GHz处。因此，CPSD单位频率间隔为f_interval＝f_s/2047。

第八步如图6所示，以50MHz和500MHz处为基点，分别作互功率谱密度函数CPSD通过该点处的切线S1和S2，S1和S2相交于P点，记P点处坐标为(P_x，P_y)＝(466.7，1.035×10^-5)。相应P点处频率为f_p＝[int(P_x)+1]＊f_interval＝0.228GHz。int()表示取数值整数部分的操作。

第九步令瞬发中子衰减常数为β_m，按照转折频率法，则

${\mathrm{\β}}_m=\frac{f_p}{2\mathrm{\π}}=0.0363.$

实施例2：测量过程中，所采集的中子脉冲信号划分为2×10⁵个块，共进行了20个循环。因此，两种方法共测得20组数据，如图7所示。其均值、方差如表1所示。由于满足 $\frac{|m_r-m_q|}{m_r+m_q}\≤0.1,$ $\frac{\left|{\mathrm{\σ}}_r\right|}{\left|m_r\right|}\≤0.1$ 且 $\frac{\left|{\mathrm{\σ}}_q\right|}{\left|m_q\right|}\≤0.1,$ 易得本次测量所得到的瞬发中子衰减常数为 ${\mathrm{\α}}_{\mathrm{eff}}=\frac{|m_r+m_q|}{2}=0.0371$

表1两组测量结果对比

	相关拟合法	转折频率法
			均值	0.038	0.0362
方差	0.0031	0.0026

Claims (2)

1.一种瞬发中子衰减常数的综合在线测定方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

1)对中子脉冲进行采集，得到中子源与被中子源激发的探测体所产生的中子脉冲沿时间轴的排列；该排列即为由“0”和“1”组成的中子脉冲序列，该序列按照中子脉冲出现的位置进行存储，没有脉冲的不存储；

2)将采集后的数据包按给定长度进行分块，实时计算每一块中子信号的互相关函数并叠加求和，待采集块数到达设定阈值时计算互功率谱密度函数；

3)对互相关函数利用相关拟合法计算瞬发中子衰减常数，方法是：

(1)提取互相关函数CC(i)延迟时间位于L₁到L₂之间的数据，并将其赋予数组y，其中i表示延迟时间，-N≤i≤N，N表示延迟时间的最大值；y(j)＝CC(j+L₁)，j表示数组y数值的下标，0≤j≤L₂-L₁，20≤L₁＜L₂≤220，180≤L₂-L₁≤200；

(2)定义列矢量B、Y、矩阵X以及变量A、α；其中Y＝[y(0)，y(1)，...，y(L₂-L₁)]^T，T表示对矢量进行转置操作；B＝[ln(A)，-α]^T，ln()表示自然对数；矩阵X为2行L₃列，其中X的第1列全为1，即X(：，1)＝1；第2列为按大小顺序排列的非负整数，即X(：，2)＝[0，1，2，...，L₃-1]^T，L₃＝L₂-L₁+1，且上述数据满足公式X×B＝Y；

(3)利用上述数据进行最小二乘拟合，拟合公式为y＝Aexp(-αt)，exp()表示以e为底的指数，拟合结果包括A和α，其中α就表示瞬发中子衰减常数；

然后，对互功率谱密度函数按转折频率法计算瞬发中子衰减常数，方法是：

(1)对于互功率谱密度函数CPSD(i)，0≤i≤M-1，i表示互功率谱密度函数数值的下标，M表示互功率谱密度函数所包含数值的总个数，其最高频位于i＝M-1处，也即采样频率f_s＝1GHz，因此，其单位频率间隔为f_interval＝f_s/M；

(2)以50MHz和500MHz处为基点，分别作互功率谱密度函数CPSD通过该点处的切线S1和S2，S1和S2相交于P点，记P点处坐标为(P_x，P_y)。相应P点处频率为f_p＝[int(P_x)+1]＊f_interval；

(3)令瞬发中子衰减常数为β，按照转折频率法，则

单位为GHz；

4)对上述两种不同方法计算的结果做综合处理，给出最终测定结果，方法是：

1)设整个测量过程进行了K次循环，每次循环中，均将两种方法测量所得到瞬发中子衰减常数记录下来，如第k次循环中，分别记为α_k和β_k，1≤k≤K，并将所有的α_k和β_k赋予两个行向量Q和R，即Q＝[α₁，α₂，α₃，...，α_K]；R＝[β₁，β₂，β₃，...，α_K]；

2)计算Q所包含元素的均值m_q和方差σ_q，其中

计算R所包含元素的均值m_r和方差σ_r，其中 $m_r=\frac{1}{K}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}_k,$ ${\mathrm{\σ}}_r=\frac{1}{K}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{\β}}_k-m_r)}^2;$

3)若

则认为两种方法测量所得结果偏差较大，结果不可信，应再次测量；若 则认为两种方法测量所得结果相近，结果可信，瞬发中子衰减常数

2.根据权利要求1所述的瞬发中子衰减常数的综合在线测定方法，其特征在于：所述步骤(1)中，对中子数据进行采集时，中子源及被中子源激发的探测体产生的中子由中子探测器探测，利用置于计算机中的高速数据采集卡同时对中子源通道信号和两个探测体通道信号进行超高速采集，从而得到三个通道的中子脉冲信号的时间分布；在此基础上，所述步骤(2)中，将三通道数据按相同大小进行分块，每块数据分别计算其自相关与互相关，并对自相关与互相关分别应用快速傅立叶变换FFT求得自功率谱和互功率谱。

Images