CN111553111B - 一种基于mcnp的数字仿核信号发生器 - Google Patents

一种基于mcnp的数字仿核信号发生器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于MCNP的数字仿核信号发生器，其包括MCNP模拟计算模块，核信息提取模块，核脉冲幅值库生成模块，样本池生成模块、抽样模块和特征核信号生成模块。本发明通过先将MCNP模拟结果转换为幅值脉冲，然后基于核辐射测量理论对幅值脉冲加入形状、时间特性等参数，构建了基于MCNP的数字仿核信号发生器；本发明突破了现场工作时的实验条件和辐射防护等因素的限制，无需放射源、探测器等核辐射测量设备，仅需提取MCNP的模拟结果，即可生成基于粒子源和探测器模拟的仿核信号，具有很好的现实价值与应用意义。

Description

一种基于MCNP的数字仿核信号发生器
技术领域
本发明属于核信号发生器技术领域，具体涉及一种基于MCNP的数字仿核信号发生器。
背景技术
核辐射测量中，探测器及前端电路将辐射信号转换成核脉冲信号。核脉冲经ADC数字化后，再根据数据处理需求作存储或数字信号分析。如按脉冲幅值分类存储可得到MCA，或将信号进一步处理后作为核信号发生器，也可以将信号作存储后用于后续数据分析。实际情况中，受限于放射源使用场地、辐射防护、研究经费等问题，有时无法通过实测获取核脉冲信号。
国内外有很多蒙特卡罗方法的计算机模拟程序，其中MCNP(Monte Carlo N-Particle Transport Code)因编程简便，获得广泛使用。MCNP由美国Los Alamos实验室研制，是一个多功能的中子、光子及电子耦合输运程序。用户使用MCNP时，不必关注软件编程细节，只需按软件要求编写输入文件，给出计算模型。计算模型通常包括源的属性、感兴趣区内物体的属性，以及记录粒子信息的方法等。
发明内容
针对现有技术中的存在的上述不足，本发明提供了一种基于MCNP的数字仿核信号发生器。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于MCNP的数字仿核信号发生器，包括：
MCNP模拟计算模块，用于根据粒子源、探测器及介质参数进行蒙特卡罗模拟计算，得到粒子输运模拟结果；
核信息提取模块，用于从粒子输运模拟结果中提取核脉冲幅值信息；
核脉冲幅值库生成模块，用于将脉冲幅值按设定方式存入存储器内，生成核脉冲幅值库；
样本池生成模块，用于将核脉冲幅值库中的脉冲顺序随机调整，导入到样本池中；
抽样模块，用于对样本池内的核脉冲幅值作蒙特卡罗抽样，将抽取的核脉冲发送至特征核信号生成模块；
特征核信号生成模块，用于在抽取的幅值脉冲上加入仿核信息，生成数字仿核脉冲信号。
进一步地，所述核信息提取模块从粒子输运模拟结果中提取核脉冲幅值信息具体为：
首先从粒子输运模拟结果中提取与各能量值对应的计数率；
再通过变换得到与能量值相对应的计数值；
最后结合MCA按幅值分类成谱原理提取得到一系列与能量值相关的核脉冲幅值信息。
进一步地，所述核脉冲幅值库生成模块将脉冲幅值按设定方式存入存储器内具体为：
按MCA中的脉冲幅值与各道址内的计数值的对应关系，将各道址内的所有脉冲幅值依次存入存储器内。
进一步地，所述仿核信息具体包括：
具备高斯特性的脉冲幅值，具备指数特性的相邻脉冲的时间间隔，及具备泊松特性的单位时间内出现的脉冲数。
进一步地，所述脉冲幅值通过对不同射线和粒子建立核脉冲信号数学模型数据库还原得到。
进一步地，所述核脉冲信号数学模型具体为：
Figure BDA0002475458750000031
其中，A为CR网络输入脉冲的幅值，τ1为CR网络电路的时间常数，τ2为RC积分电路的时间常数，u(t)为阶跃脉冲。
进一步地，所述相邻脉冲的时间间隔的产生方法为：
首先根据源活度，利用泊松分布生成下一单位时间内出现的脉冲数N；
然后通过混合同余法产生N个服从均匀分布的随机序列ξi，并利用反函数法将随机序列ξi变换为指数分布随机序列；
最后将服从泊松分布和指数分布时间特征的仿核脉冲序列，通过时间标度变换为时间值，得到每个脉冲的输出时刻，以该时间随机序列定时控制输出脉冲。
进一步地，还包括存储模块；
所述存储模块用于将生成的数字仿核脉冲信号保存为数据文件。
进一步地，还包括通讯模块；
所述通讯模块用于将生成的数字仿核脉冲信号传输至下位机。
进一步地，所述下位机用于对数字仿核脉冲信号进行数模转换，并进行低通滤波后转换成模拟仿核脉冲信号输出。
本发明具有以下有益效果：
本发明通过先将MCNP模拟结果转换为幅值脉冲，然后基于核辐射测量理论对幅值脉冲加入形状、时间特性等参数，构建了基于MCNP的数字仿核信号发生器；本发明突破了现场工作时的实验条件和辐射防护等因素的限制，无需放射源、探测器等核辐射测量设备，仅需提取MCNP的模拟结果，即可生成基于粒子源和探测器模拟的仿核信号，具有很好的现实价值与应用意义。
附图说明
图1为本发明基于MCNP的数字仿核信号发生器原理框图；
图2为本发明实施例中信号调理电路的CR网络与RC网络电路模型图；
图3为本发明实施例中核脉冲参数仿真图；
图4是本发明实施例中下位机原理框图；
图5是本发明实施例中利用MCA测量的60Co谱图一示意图；
图6是本发明实施例中利用MCA测量的60Co谱图二示意图；
图7是本发明实施例中归一化能谱对比图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，本发明实施例提供了一种基于MCNP的数字仿核信号发生器，包括：
MCNP模拟计算模块，用于根据粒子源、探测器及介质参数进行蒙特卡罗模拟计算，得到粒子输运模拟结果；
核信息提取模块，用于从粒子输运模拟结果中提取核脉冲幅值信息；
核脉冲幅值库生成模块，用于将脉冲幅值按设定方式存入存储器内，生成核脉冲幅值库；
样本池生成模块，用于将核脉冲幅值库中的脉冲顺序随机调整，导入到样本池中；
抽样模块，用于对样本池内的核脉冲幅值作蒙特卡罗抽样，将抽取的核脉冲发送至特征核信号生成模块；
特征核信号生成模块，用于在抽取的幅值脉冲上加入仿核信息，生成数字仿核脉冲信号。
在本发明的一个可选实施例中，MCNP模拟计算模块采用MCNP软件进行蒙特卡罗模拟计算，其计算模块包含了对粒子源、探测器、空气等介质进行属性描述。如输运系统的几何结构、材质、密度、包裹层等，粒子源类型、位置方向、能量等信息的描述。另外，还需对源光子数目和记录面等参数进行设置。
在本发明的一个可选实施例中，核信息提取模块提取核脉冲信息时，不考虑射线种类、基线、脉冲堆积噪声处理、脉冲时间间隔等问题，仅将MCNP的粒子输运模拟结果转换为一定幅值的核脉冲信息。
核信息提取模块从粒子输运模拟结果中提取核脉冲幅值信息具体为：
首先从MCNP的粒子输运模拟输出的.o文件中，提取总粒子数、与各能量值对应的计数率等信息；上述提取过程可以采用软件编程方式直接读取.o文件中的对应信息，也可以手动从.o文件中提取；
再将各计数率分别与MCNP模拟的总粒子数相乘，得到与能量值相对应的计数值；
最后结合多道脉冲幅度分析仪(Multi-Channel Analyzer，MCA)按幅值分类成谱原理提取得到一系列与能量值相关的核脉冲幅值信息。
上述按幅值分类成谱原理提取得到一系列与能量值相关的核脉冲幅值信息的方法为：
根据MCA中的能量(道址)与脉冲幅值的一一对应关系，先给最小能量值(第1道道址对应的能量)设定最小脉冲幅值Vmin，再给最大能量值(最后一道道址对应的能量)设定最大脉冲幅值Vmax，则其余各能量值(道址)对应的幅值按下式依次计算得到：
Figure BDA0002475458750000061
其中，CH为MCA的总道址，n为道址号，Vn为第n道道址对应的脉冲幅值，Vmax为最后一道道址对应的脉冲幅值，Vmin为第一道道址对应的脉冲幅值。
在本发明的一个可选实施例中，MCA中的脉冲幅值与道址(能量)呈现一一对应的关系，幅值随着道址(能量)数值的增大，按阶梯值依次增大。各道址内的计数值，表示了具有相同幅值的脉冲个数。
基于上述原理，核脉冲幅值库生成模块按MCA中的脉冲幅值与各道址内的计数值的对应关系，将各道址内的所有脉冲幅值依次存入存储器内，储存了脉冲幅值的存储器即为核脉冲幅值库。
在本发明的一个可选实施例中，样本池生成模块将核脉冲幅值库中的脉冲顺序采用随机方式进行调整，并导入到样本池中。
在本发明的一个可选实施例中，抽样模块对样本池内的核脉冲幅值作蒙特卡罗抽样，即对样本池内的核脉冲幅值作均匀随机抽样，并将抽取的核脉冲送至特征核信号生成模块。
在本发明的一个可选实施例中，特征核信号生成模块在抽取的核脉冲上加入脉冲形状、时间等仿核信息，生成服从放射性特征的数字仿核脉冲信号。
由于MCNP的粒子输运模拟结果中没有记录粒子输运的时间信息，因此应将这些信息还原到输出脉冲中。本发明将具备高斯特性的脉冲幅值，具备指数特性的相邻脉冲的时间间隔，及具备泊松特性的单位时间内出现的脉冲数作为仿核信息加入到抽取的幅值脉冲上，使得核脉冲信号承载放射源与探测器的特征信息。
在MCNP建立计算模型时，用户需建立基于源及粒子类型、探测器属性、环境等信息的计算模型。因此，本发明根据MCNP计算模型中的选用的粒子源与探测器确定被记录粒子所对应的物理脉冲表示的脉冲形状、上升时间τ1、下降时间τ2等参数。
根据核脉冲信号数学模型，对不同射线和粒子建立数据库；也可根据现场实测信号，对探测器及对应射线的输出脉冲形状等参数建立数据库；将此数据库添加到脉冲信号中就可以实现脉冲形状的还原。
上述核脉冲信号数学模型具体为：
Figure BDA0002475458750000071
其中，A为CR网络的输入脉冲的幅值，τ1为CR网络电路的时间常数，τ2为RC积分电路的时间常数，u(t)为阶跃脉冲。如图2所示，为信号调理电路的CR网络与RC网络电路模型图；如图3所示，为核脉冲参数仿真图。
在核脉冲输出时，相邻脉冲的时间间隔在间隔上服从指数分布。相邻脉冲的时间间隔的产生方法为：
首选根据放射源活度确定参数λ，按下面算法产生泊松分布随机序列具体为
1)设b＝1,i＝0；
2)通过混合同余法产生均匀分布随机序列ξi；
3)计算b←bξi；
4)如果b≥e-λ，那么i←i+1，返回到2；
5)取N＝i，N即为服从泊松分布随机数；
利用服从泊松分布随机数N作为下一单位时间内出现的脉冲数；
然后生成N个服从指数分布随机序列具体为
1)通过混合同余法产生均匀分布随机序列ξi；
2)利用反函数法将随机序列ξi变换为指数分布随机序列，具体为
x＝-βlnξ
其中，x为服从指数分布随机数，β为指数分布的均值；
最后将服从泊松分布和指数分布的时间特征的仿核脉冲序列，通过时间标度变换为时间值，得到每个脉冲的输出时刻，以该时间随机序列定时控制输出脉冲。
上述标度变换过程具体为：
先根据放射源的活度按泊松分布得到总粒子数N；然后随机生成N-1个服从指数特性的时间数，利用服从指数特性的时间随机数按设定比例对脉冲的输出时间进行划分，得到相邻脉冲的时间间隔以及每个脉冲的输出时刻。
在本发明的一个可选实施例中，本发明的数字仿核信号发生器还包括存储模块；由于经特征核信号生成模块处理后的核脉冲信号已经具备核探测器输出脉冲信号的特性，因此可以直接采用存储模块将生成的数字仿核脉冲信号保存为数据文件，供其他研究或实验做数据分析处理。
在本发明的一个可选实施例中，本发明的数字仿核信号发生器还包括通讯模块，通讯模块通过USB、以太网等方式将加入了特征信息的数字仿核脉冲信号传输至下位机，由下位机对核脉冲信号进行数模转换，并进行低通滤波后转换成模拟核信号输出。
如图4所示，下位机包括FPGA模块、DAC模块和低通滤波器，其中FPGA模块包括数据收发、命令解析、信号模型、控制模块、参数设置等。
下位机接收上位机的数字仿核脉冲信号数据后，经FPGA模块处理，再由DAC模块转化为模拟信号，最后经低通滤波器后输出模拟脉冲信号。
为了提升仪器的通用性，下位机中的信号模型模块中加入了正弦波、方波、三角波等常用信号源，使用这些信号源时，只需在上位机中发送控制参数即可。
为了对本发明的数字仿核信号发生器的实际性能进行对比说明，本发明采用MCNP5进行模拟计算，NaI(TI)晶体的尺寸为
Figure BDA0002475458750000091
60Co源紧挨晶体前表面，源光子数目为1,000,000,000个。实验用计算机的配置为：Intel Core i5-3470CPU@3.2GHz，内存10G，Win7 64位操作系统。模拟程序共消耗了161.05分钟。
核脉冲信号测试：将核脉冲输出信号，经BNC接口连接到多道脉冲幅值分析仪的输入端，测量结果如图5和图6所示。
为比较本发明的数字仿核信号发生器与MCNP模拟信号的一致性，对各谱线做归一化，如图7所示。分析可知，基于MCNP的数字仿核信号发生器的输出脉冲，经MCA测得的谱线，与MCNP模拟谱线具有很好的一致性。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于MCNP的数字仿核信号发生器，其特征在于，包括：
MCNP模拟计算模块，用于根据粒子源、探测器及介质参数进行蒙特卡罗模拟计算，得到粒子输运模拟结果；
核信息提取模块，用于从粒子输运模拟结果中提取核脉冲幅值信息；具体为：首先从MCNP的粒子输运模拟输出的.o文件中，提取总粒子数、与各能量值对应的计数率信息；再将各计数率分别与MCNP模拟的总粒子数相乘，得到与能量值相对应的计数值；最后结合多道脉冲幅度分析仪按幅值分类成谱原理提取得到一系列与能量值相关的核脉冲幅值信息；
核脉冲幅值库生成模块，用于将脉冲幅值按设定方式存入存储器内，生成核脉冲幅值库；
样本池生成模块，用于将核脉冲幅值库中的脉冲顺序随机调整，导入到样本池中；
抽样模块，用于对样本池内的核脉冲幅值作蒙特卡罗抽样，将抽取的核脉冲发送至特征核信号生成模块；
特征核信号生成模块，用于在抽取的幅值脉冲上加入仿核信息，生成数字仿核脉冲信号。
2.根据权利要求1所述的基于MCNP的数字仿核信号发生器，其特征在于，所述核脉冲幅值库生成模块将脉冲幅值按设定方式存入存储器内具体为：
按MCA中的脉冲幅值与各道址内的计数值的对应关系，将各道址内的所有脉冲幅值依次存入存储器内。
3.根据权利要求1所述的基于MCNP的数字仿核信号发生器，其特征在于，所述仿核信息具体包括：
具备高斯特性的脉冲幅值，具备指数特性的相邻脉冲的时间间隔，及具备泊松特性的单位时间内出现的脉冲数。
4.根据权利要求3所述的基于MCNP的数字仿核信号发生器，其特征在于，所述脉冲幅值通过对不同射线和粒子建立核脉冲信号数学模型数据库还原得到。
5.根据权利要求4所述的基于MCNP的数字仿核信号发生器，其特征在于，所述核脉冲信号数学模型具体为：
Figure FDA0004078177140000021
其中，A为CR网络输入脉冲的幅值，τ1为CR网络电路的时间常数，τ2为RC积分电路的时间常数，u(t)为阶跃脉冲。
6.根据权利要求3所述的基于MCNP的数字仿核信号发生器，其特征在于，所述相邻脉冲的时间间隔的产生方法为：
首先根据源活度，利用泊松分布生成下一单位时间内出现的脉冲数N；
然后通过混合同余法产生N个服从均匀分布的随机序列ξi，并利用反函数法将随机序列ξi变换为指数分布随机序列；
最后将服从泊松分布和指数分布时间特征的仿核脉冲序列，通过时间标度变换为时间值，得到每个脉冲的输出时刻，以该时间随机序列定时控制输出脉冲。
7.根据权利要求1-6任一所述的基于MCNP的数字仿核信号发生器，其特征在于，还包括存储模块；
所述存储模块用于将生成的数字仿核脉冲信号保存为数据文件。
8.根据权利要求1-6任一所述的基于MCNP的数字仿核信号发生器，其特征在于，还包括通讯模块；
所述通讯模块用于将生成的数字仿核脉冲信号传输至下位机。
9.根据权利要求8所述的基于MCNP的数字仿核信号发生器，其特征在于，所述下位机用于对数字仿核脉冲信号进行数模转换，并进行低通滤波后转换成模拟仿核脉冲信号输出。
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