FR2723274A1 - Generateur d'impulsions et procede de test d'un systeme de coincidence de neutrons - Google Patents
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Abstract
Un circuit logique (35) contrôle les signaux de sortie de générateurs à probabilité R, F et T (20, 25 et 30), il produit une impulsion de sortie et il incrémente ou décrémente un compteur (40) dont le signal de sortie est renvoyé vers le générateur à probabilité T. R représente la cadence d'un fond aléatoire, F représente la fraction d'événements dans R qui auront des paires en coïncidence associées, et T représente un temps d'extinction. Un tel générateur peut simuler le signal de sortie d'un puits à neutrons et être utilisé pour tester des systèmes de coïncidence de neutrons d'une manière simple et rigoureuse.
Description
GENERATEUR D'IMPULSIONS ET PROCEDE DE TEST
D'UN SYSTEME DE COINCIDENCE DE NEUTRONS
La présente invention concerne la génération
d'impulsions aléatoires, et elle concerne plus particu-
lièrement, mais non exclusivement, le test de systèmes de
coïncidence de neutrons.
La technique de comptage de coïncidence de neutrons a trouvé de nombreuses applications, et elle a été conçue pour mettre en oeuvre l'algorithme de Bohnel [K Bohnel, AWRE translation n 7 (54/4252) (mars 1978)] sur un train d'impulsions provenant de puits de comptage de neutrons. Ceux-ci ont été réalisés pour effectuer des mesures sur des déchets radioactifs dans des fûts et des conteneurs, ainsi que sur du plutonium en grandes
quantités.
Cependant, jusqu'à une époque récente, on n'a pas disposé d'un générateur d'impulsions qui simule le signal de sortie d'un puits à neutrons. Ceci a rendu le test de systèmes de coïncidence de neutrons difficile et moins rigoureux qu'on ne le désirerait. Des modes de réalisation préférés de la présente invention visent à procurer de nouveaux générateurs d'impulsions qui peuvent
être utilisés pour tester ces systèmes.
Un signal de sortie de détecteurs dans un puits
de coïncidence de neutrons consiste en un train d'impul-
sions logiques avec une cadence moyenne R, mais qui sont réparties dans le temps de manière aléatoire. De façon caractéristique, les impulsions ont une longueur de 50 ns, et R est dans la plage de 0 à 1 MHz. Du fait que certaines des impulsions dans le train sont produites par des événe- ments de fission, elles apparaissent par paires ou, moins fréquemment, par triplets. Un modérateur dans le puits
thermalise les neutrons et ceux-ci sont finalement détec-
tés par des compteurs proportionnels noyés dans le modéra-
teur. Cette opération peut prendre de 20 à 300 microse-
condes, en fonction de la forme et de la taille du puits.
Lorsque les neutrons sont détectés, ils ne sont plus en coincidence; en fait ils peuvent être séparés d'un grand nombre de dizaines de microsecondes. Ils sont cependant toujours corrélés, et une information concernant leur cadence de coïncidence peut toujours être extraite par les
circuits électroniques, en dépit du fait que les événe-
ments corrélés sont répartis dans le continuum aléatoire.
Le train d'impulsions a donc deux composantes.
La première est formée par le continuum aléatoire, et la seconde est formée par les paires ou les triplets. Les triplets sont des événements rares dans des puits à neutrons classiques, du fait que le rendement de comptage de neutrons, E, ne s'élève habituellement qu'à un faible pourcentage. Par conséquent, le rendement pour les paires
est E et le rendement pour les triplets est E3.
L'intervalle de temps entre une paire corrélée et la suivante est aléatoire et il correspond à une fréquence moyenne P. L'intervalle de temps entre les membres individuels de paires est également aléatoire et il présente une distribution exponentielle. La constante
de temps de cet intervalle est appelée le temps d'extinc-
tion T, et c'est une caractéristique de la structure du puits. Un aspect de la présente invention procure un générateur d'impulsions comprenant: un premier générateur à probabilité destiné à
générer un premier signal de sortie consistant en impul-
sions qui sont émises avec une première probabilité; un second générateur à probabilité destiné à
générer un second signal de sortie consistant en impul-
sions qui sont émises avec une seconde probabilité; et un circuit logique pour combiner les signaux de sortie des premier et second générateurs à probabilité, pour produire une impulsion de sortie sous la dépendance
des états des signaux de sortie des générateurs à proba-
bilité. Un générateur d'impulsions du type ci-dessus
peut en outre comprendre un troisième générateur à proba-
bilité destiné à générer un troisième signal de sortie
consistant en impulsions qui sont émises avec une troisiè-
me probabilité; le circuit logique étant conçu pour combi-
ner les signaux de sortie des premier, second et troisième
générateurs à probabilité, de façon à produire une impul-
sion de sortie sous la dépendance des états des signaux de
sortie de ces générateurs à probabilité.
Il est préférable que l'un au moins des généra-
teurs à probabilité comprenne une paire de registres à décalage avec réaction, chacun d'eux ayant une longueur L, avec les bits m et n du registre combinés de façon logique et renvoyés vers l'entrée du registre, L, m et n étant différents pour chaque registre, et que x bits de la paire de registres à décalage soient comparés pour produire le signal de sortie impulsionnel respectif du générateur à
probabilité.
La combinaison logique peut consister en une
fonction OU-EXCLUSIF.
Il est préférable que deux ou plus des généra-
teurs de probabilité comprennent une paire de registres à
décalage à réaction et un comparateur, comme indiqué ci-
dessus, et que la valeur de x soit différente pour chaque
générateur à probabilité.
Deux des générateurs à probabilité, ou plus, peuvent utiliser en commun la même paire de registres à décalage à réaction, mais avoir un comparateur respectif différent, pour fournir une valeur respective de x qui est
différente pour chaque générateur à probabilité.
Un générateur d'impulsions du type ci-dessus peut être conçu pour simuler le signal de sortie d'un puits à neutrons, avec une configuration dans laquelle les premier et second générateurs à probabilité sont conçus pour représenter respectivement les valeurs F et T, la valeur F représentant la fraction d'événements dans un
fond aléatoire qui auront des paires en coïncidence asso-
ciées, et la valeur T représentant un temps d'extinction respectif. Lorsqu'un troisième générateur à probabilité est
incorporé, les premier à troisième générateurs à probabi-
lité sont conçus pour représenter respectivement les valeurs F. T et R, la valeur R représentant la cadence ou
la fréquence du fond aléatoire.
Un générateur d'impulsions du type ci-dessus peut comprendre un compteur destiné à compter le nombre d'impulsions de sortie du générateur d'impulsions, ce
compteur étant incrémenté pour chaque impulsion qui repré-
sente une première impulsion d'une paire en coincidence associée, et décrémenté pour chaque impulsion représentant une seconde impulsion d'une paire en coïncidence associée, et le signal de sortie du compteur est renvoyé vers le troisième générateur à probabilité, pour commander la
valeur respective de x pour ce générateur.
Un générateur d'impulsions du type ci-dessus
peut en outre comprendre un ensemble des seconds généra-
teurs de probabilité, la valeur F représentant la fraction d'événements dans le fond aléatoire auxquels seront associés des triplets, des quadruplets ou des événements
d'ordre supérieur, en coïncidence.
Selon un autre aspect, la présente invention procure un procédé pour tester un système de coincidence de neutrons, comprenant les étapes qui consistent à simuler le signal de sortie d'un puits à neutrons au moyen d'un générateur d'impulsions conforme à l'un quelconque des aspects précédents de l'invention, et à détecter le signal de sortie simulé au moyen du système de coïncidence
de neutrons.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la
description qui va suivre d'un mode de réalisation, donné
à titre d'exemple non limitatif. La suite de la descrip-
tion se réfère aux dessins annexés dans lesquels: La figure 1 montre un générateur de mots aléatoires; La figure 2 montre un générateur à probabilité, utilisant le générateur de mots aléatoires de la figure 1
et un autre générateur de mots aléatoires, de type simi-
laire; La figure 3 montre un générateur d'impulsions pseudo-aléatoires; La figure 4 est un schéma logique; et La figure 5 est une représentation graphique qui illustre le signal de sortie d'un système de coïncidence de neutrons, lorsqu'il est attaqué par un exemple d'un
générateur d'impulsions conforme à l'invention.
Dans un mode de réalisation de l'invention, un
générateur d'impulsions vise à simuler le train d'impul-
sions provenant d'un puits de coincidence de neutrons. Ce générateur a trois paramètres qui peuvent être réglés par l'utilisateur. Ce sont R, c'est-à-dire la cadence ou la fréquence du fond aléatoire, F, c'est-àdire la fraction de ce fond qui aura des paires en coincidence associées, et T, c'est-à-dire le temps d'extinction. Les circuits électroniques peuvent être réalisés sous la forme d'une carte enfichable pour un ordinateur personnel (ou PC), en particulier un ordinateur personnel portable. Les circuits électroniques peuvent être commandés par un programme d'ordinateur qui permet à l'opérateur de sélectionner les trois paramètres R, F et T.
On peut générer des trains d'impulsions pseudo-
aléatoires avec des registres à décalage à réaction. Si le signal d'entrée d'un registre à décalage de longueur L est produit par la combinaison logique des signaux de sortie d'étages m et n du registre à décalage, il est possible de produire une séquence pseudo-aléatoire de toutes les combinaisons possibles du mot de sortie de L bits. Les valeurs de L, m et n doivent être choisies avec soin pour parvenir à ceci. Des publications connues de l'homme de l'art contiennent des tables de configurations de longueur maximale. Le registre à décalage 1 qui est représenté sur la figure 1 a 39 bits, et son signal d'entrée est formé par des bits 4 et 39 qui sont combinés selon une fonction OU- EXCLUSIF par un circuit logique 2. Le registre 1 39-1 produira une séquence pseudo-aléatoire de longueur 2 Si le registre est attaqué à une cadence d'horloge de
8 MHz, cette séquence se répétera toutes les 19 heures.
Ceci est un générateur de mots aléatoire. Ce dont on a besoin est un générateur d'impulsions aléatoire, ou générateur à probabilité. Le circuit qui est représenté sur la figure 1 peut être converti en un générateur à probabilité en comparant son signal de sortie, ou une partie de son signal de sortie, avec celui d'un autre générateur de séquences aléatoires. Le second générateur doit générer une séquence aléatoire différente de celle du
premier. On réalise ceci en utilisant des valeurs diffé-
rentes de L, m et n. A titre d'exemple, on peut utiliser L=31, m=31 et n=13, et la figure 2 montre un tel registre à décalage 5, avec une porte logique OU-EXCLUSIF 6. La séquence de sortie du registre 5 aura une longueur de 31-1
2 et se répétera en environ 4 minutes. Dans la combi-
naison des registres 1 et 5, la longueur est effectivement de 270-1 et la période de répétition est de 4,5 millions d'années. Si on compare les bits 1 de chacun des deux registres à décalage, il y a une probabilité de 0,5 qu'ils concordent. Si le système est attaqué à une cadence
d'horloge de 8 MHz, alors le signal de sortie du compara-
teur est une séquence d'impulsions à 4 MHz, avec une probabilité égale que le signal de sortie soit à l'état haut ou bas. Pour chaque bit supplémentaire qui est comparé, la probabilité qu'ils concordent, et donc la fréquence moyenne du signal de sortie, sont réduites de moitié. Par exemple, si on compare 8 bits, la fréquence de sortie est 8/256 MHz = 31,25 kHz. Ceci est représenté sur la figure 2, sur laquelle un comparateur 10 compare les 8
bits.
Il faut noter que les registres à décalage 1 et doivent fonctionner dans des directions opposées, de façon que tous les bits qui sont comparés changent le bit
avec lequel ils sont comparés, à chaque cycle d'horloge.
Le générateur à probabilité qui est représenté sur la figure 2 peut produire le continuum aléatoire R mentionné ci-dessus, et il a été utilisé depuis quelques années à titre de générateur d'impulsions pseudoaléatoires
dans une variété d'applications. La tâche suivante consis-
te à produire des paires corrélées de façon aléatoire,
avec une séparation aléatoire superposée sur le continuum.
Deux générateurs à probabilité supplémentaires
sont nécessaires. Le premier a pour fonction de sélection-
ner le moment auquel une paire doit être produite, et le second a pour fonction de décider le moment auquel la seconde impulsion d'une paire doit être générée, une fois que la première a été produite. Les deux générateurs à probabilité sont formés en comparant davantage de bits de deux registres à décalage à réaction. Ceux-ci commanderont les paramètres F et T. Les mêmes configurations de bits ne doivent pas être comparées pour plus d'une fonction, du fait que ceci introduirait des corrélations indésirables
dans le train d'impulsions de sortie.
On utilise un circuit logique pour contrôler les signaux de sortie des trois générateurs à probabilité et
pour produire une impulsion de sortie lorsque c'est néces-
saire. Ceci est illustré sur la figure 3, sur laquelle les signaux de sortie des générateurs à probabilité pour R, F et T, portant les références 20, 25 et 30, sont appliqués à un circuit logique 35 qui produit une impulsion de sortie, et qui incrémente ou décrémente un compteur 40 dont le signal de sortie est renvoyé vers le générateur à
probabilité pour T, 30. Le fonctionnement de cette struc-
ture est le suivant.
Un signal de sortie apparaît lorsque le signal de sortie du comparateur pour R est égal à 1. Lorsque le signal de sortie du comparateur pour R est égal à 1 et celui du comparateur pour F est égal à 1, un signal de sortie est généré, et il est considéré comme étant le premier d'une paire. Un compteur interne enregistre l'événement. Si le compteur interne indique un nombre supérieur à 1 et si le signal de sortie du comparateur pour T est égal à 1, alors un signal de sortie est produit. Le nombre dans le compteur interne est ensuite réduit d'une unité. Ceci représente la génération de la
seconde impulsion de la paire corrélée d'impulsions.
L'intervalle de temps entre les première et seconde impul-
sions est déterminé par le générateur à probabilité pour
T.
Les paramètres R, F et T sont choisis par l'utilisateur. Ceci peut être réalisé en fixant le nombre de bits des registres à décalage qui sont comparés dans chaque générateur à probabilité. Une simple structure de sortie parallèle peut parvenir à ce résultat. Il est possible que la première impulsion d'une paire corrélée soit générée avant que toutes les secondes
impulsions de paires précédentes aient été produites.
Autrement dit, le compteur interne peut contenir des
nombres supérieurs à 1. Chaque fois qu'une première impul-
sion est générée, la probabilité de génération d'une
seconde impulsion doit augmenter de façon correspondante.
La probabilité de génération d'une seconde impulsion doit augmenter de façon linéaire avec le nombre du compteur interne. Ceci est réalisé en utilisant le signal de sortie du compteur pour commander le nombre de bits qui sont comparés par le générateur à probabilité pour T. Ce nombre est fixé initialement par l'utilisateur et il est diminué
par le signal de sortie du compteur.
Le fait d'ajouter des bits à un comparateur ou de supprimer des bits d'un comparateur a pour effet de modifier d'un facteur de 2 la probabilité d'un signal de
sortie, pour chaque bit qui intervient. Ceci est malcom-
mode, du fait que le signal de sortie du compteur évolue par unités et non par facteurs de 2. On peut réaliser cette commande linéaire du générateur à probabilité en combinant les signaux de sortie de plusieurs générateurs à probabilité qui ont des probabilités différentes. Si nous restreignons le compteur à la plage 0 à 6, alors on peut
obtenir les probabilités avec seulement deux générateurs.
Ceux-ci sont combinés comme indiqué dans le Tableau 1 ci-
dessous. Les deux signaux de sortie sont P1 et P2. P2 a une probabilité double de celle de P1. Autrement dit, il
est formé en comparant un bit de moins que pour P1.
Tableau 1
Signal de sortie du compteur Combinaison de P1 et P2
(DO à D3)
0 P1
1 P1
2 P2
3 P2 + P1
4 2.P2
2.P2 + P1
6 2.P2 + 2.P1
6 idem Lorsqu'il est indiqué que les probabilités sont mulitipliées par 2, la logique réduit de 1 le nombre de bits qui sont comparés par ce générateur. La figure 4
montre un schéma du circuit logique.
On a réalisé un générateur d'impulsions en utilisant ces principes de conception, et les performances
de ce dispositif sont résumées dans le Tableau 2 ci-
dessous.
Tableau 2
Fréquence d'horloge 8 MHz Gamme de fréquence R 956 à 125 000 imp./s Fraction F, de R, représentant des paires 1 à 1/256 Temps d'extinction T 4 à 512 js Si la cadence de génération de paires R.F dépasse la cadence à laquelle les paires peuvent être
générées, le générateur produira des données invalides.
Ceci se manifestera lorsque des cadences de paires élevées sont combinées avec des temps d'extinction longs. Un logiciel peut être conçu pour offrir à l'utilisateur seulement des combinaisons légales de F. R et T, et
empêcher que l'erreur ne se produise en pratique.
La figure 5 est une illustration du signal de sortie d'un système de coïncidence de neutrons (XYBASIC W6325- [J A Lighfoot et G Toon - A Computer controlled,
high performance, neutron coincidence counting system.
Nuclear Instruments and Methods A271 (1988) 636-643)], lorsqu'il est attaqué par le générateur d'impulsions envisagé ci-dessus. La valeur de comptage réelle est représentée graphiquement en fonction du pré-retard pour R = 1953 imp./s, F = 1/2 et T = 16 ps. Le pré-retard est le temps entre l'événement de déclenchement et le début de la fenêtre de coincidence. La longueur de fenêtre des
circuits électroniques de coïncidence a été fixée à 4 js.
Comme on peut le voir d'après l'exemple précé-
dent, on a conçu un générateur d'impulsions à "coînci-
dences aléatoires", et on a montré qu'il fonctionnait avec succès. On peut l'utiliser pour tester des systèmes de coincidence de neutrons de manières qui n'étaient pas possibles précédemment et qui doivent améliorer la qualité
de tels instruments.
Bien que des propositions antérieures aient été faites concernant l'utilisation de registres à décalage à réaction dans la génération de nombres ou de séquences aléatoires, aucune ne concerne l'introduction commandée
d'impulsions corrélées dans un train aléatoire (coinci-
dences). Des modes de réalisation préférés de l'invention introduisent de tels événements dans le train aléatoire,
avec une cadence et un temps de corrélation caractéristi-
que qui peuvent être réglés par l'utilisateur, et d'une manière telle que l'instant auquel les événements corrélés apparaissent et l'intervalle de temps entre les paires
d'impulsions soient également tous deux aléatoires.
Bien que les modes de réalisation de l'invention qui sont illustrés utilisent des registres à décalage, il est possible de construire des générateurs à probabilité en procédant d'autres manières, par exemple en utilisant
des processeurs de signal numérique.
Bien que les modes de réalisation de l'invention qui sont illustrés soient destinés à produire des paires en coincidence, il est possible d'inclure des générateurs à probabilité supplémentaire, et de combiner leurs signaux de sortie de façon logique, pour produire des triplets,
des quadruplets et des événements d'ordre supérieur.
Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif et au procédé décrits
et représentés, sans sortir du cadre de l'invention.
Claims (11)
1. Générateur d'impulsions, caractérisé en ce qu'il comprend: un premier générateur à probabilité (25) destiné à générer un premier signal de sortie consistant en impulsions qui sont émises avec une première probabilité; un second générateur à probabilité (30) destiné à
générer un second signal de sortie consistant en impul-
sions qui sont émises avec une seconde probabilité; et un circuit logique (35) pour combiner les signaux de sortie des premier et second générateurs à probabilité (25, 30), pour produire une impulsion de sortie sous la dépendance
des états des signaux de sortie des générateurs à proba-
bilité (25, 30).
2. Générateur d'impulsions selon la revendica-
tion 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un troisième générateur à probabilité (20) destiné à générer un troisième signal de sortie consistant en impulsions qui sont émises avec une troisième probabilité; le circuit logique (35) étant conçu pour combiner les signaux de sortie des premier, second et troisièmes générateurs à probabilité (25, 30, 20), pour produire une impulsion de sortie sous la dépendance des états des signaux de sortie
des générateurs à probabilité (25, 30, 20).
3. Générateur d'impulsions selon la revendica-
tion 1 ou 2, caractérisé en ce que l'un au moins des géné-
rateurs à probabilité comprend une paire de registres à décalage à réaction (1, 5), chacun d'eux ayant une longueur L, et dans lesquels des bits m et n du registre sont combinés de façon logique et sont renvoyés vers l'entrée du registre, L, m et n étant différents pour chaque registre (1, 5), et x bits de la paire de registres à décalage (1, 5) sont comparés pour produire l'impulsion de sortie respective du générateur à probabilité (25, 30, ).
4. Générateur d'impulsions selon la revendica-
tion 3, caractérisé en ce que la combinaison logique
comprend l'utilisation d'une fonction OU-EXCLUSIF (2, 6).
5. Générateur d'impulsions selon la revendica-
tion 3 ou 4, caractérisé en ce que deux ou plus des géné-
rateurs à probabilité (25, 30, 25) comprennent une paire
de registres à décalage à réaction (1, 5) et un compara-
teur (10), et la valeur de x est différente pour chaque
générateur à probabilité.
6. Générateur d'impulsions selon la revendica-
tion 5, caractérisé en ce que deux ou plus des générateurs à probabilité (25, 30, 20) utilisent en commun la même paire de registres à décalage à réaction (1, 5) mais ont un comparateur respectif différent (10) pour produire une valeur respective de x qui est différente pour chaque
générateur à probabilité.
7. Générateur d'impulsions selon l'une quelcon-
que des revendications précédentes, conçu pour simuler le
signal de sortie d'un puits à neutrons, caractérisé en ce que les premier et second générateurs à probabilité (25, 30) sont respectivement conçus pour représenter les valeurs F et T, parmi lesquelles F représente la fraction d'événements dans un fond aléatoire qui auront des paires en coïncidence associées, et T est un temps d'extinction respectif.
8. Générateur d'impulsions selon les revendica-
tions 2 et 7, caractérisé en ce que les premier à troisiè-
me générateurs à probabilité (25, 30, 20) sont respective-
ment conçus pour représenter les valeurs F, T et R, la valeur R représentant la cadence ou la fréquence du fond
aléatoire.
9. Générateur d'impulsions selon la revendica-
tion 8, caractérisé en ce qu'il comprend un compteur (40) destiné à compter le nombre d'impulsions de sortie du générateur d'impulsions, ce compteur (40) est incrémenté pour chaque impulsion représentant une première impulsion d'une paire en coincidence associée, et il est décrémenté pour chaque impulsion représentant une seconde impulsion d'une paire en coincidence associée, et le signal de sortie du compteur (40) est renvoyé vers le troisième générateur à probabilité (20), pour commander la valeur
respective de x pour ce générateur.
10. Générateur d'impulsions selon la revendica-
tion 8, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un ensemble des seconds générateurs à probabilité (25), dans lequel F représente la fraction d'événements dans le fond
aléatoire auxquels seront associés des triplets, des quadru-
plets ou des événements d'ordre supérieur en coïncidence.
11. Procédé pour tester un système de coinci-
dence de neutrons, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes qui consistent à simuler le signal de sortie d'un puits à neutrons au moyen d'un générateur d'impulsions
selon l'une quelconque des revendications précédentes, et
à détecter le signal de sortie simulé au moyen du système
de coïincidence de neutrons.
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