JP5665783B2 - 中性子測定装置およびその測定方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、核分裂炉および核融合炉で発生する中性子の測定技術に関する。

商業用原子力発電所の軽水炉等の核分裂炉で発生する中性子は、γ線との弁別性能が良いと言う利点から、核分裂計数管を用いて測定されている。原子炉出力が低い状態では、核分裂計数管の出力信号は、パルス信号として計数している。原子炉出力がある程度高い状態になると、核分裂計数管の出力信号はパルス信号が重畳して個別に計数することができなくなるので、検出器出力信号の統計的ゆらぎを利用するキャンベル法を用いて中性子を測定している。

核融合炉においても、近年の技術的進歩により重水素の核融合反応（Ｄ−Ｄ反応）の持続時間が向上し、Ｄ−Ｄ反応により発生する中性子数が増加した。このため核融合炉から発生する中性子を核分裂計数管で測定する際に、パルス測定領域を超えて、キャンベル測定領域を使用する必要性が生じている。

キャンベル法で測定した結果の精度は、測定装置の出力段の平均化回路の時定数に比例することが知られている。

一方、マイクロプロセッサ（ＭＰＵ）やディジタル・シグナル・プロセッサ（ＤＳＰ）の性能向上により、ディジタル信号処理技術を実際の中性子測定装置に適用することが容易になってきた。特に、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を用いた信号処理では、従来のアナログ・フィルタでは実現不可能であった理想的なフィルタリング特性を実現することが可能になってきた。

特開昭５９−２１１１１号公報

原子力計測、住田健二他、日刊工業新聞社、昭和５１年４月３０日３版発行 ディジタル信号処理工学、眞渓歩、株式会社昭晃堂、２００４年３月３０日初版発行 計測・センサーにおけるディジタル信号処理、近藤倫正他、株式会社昭晃堂、１９９３年５月２０日初版発行

キャンベル法を用いた中性子測定では、検出器出力信号の統計的ゆらぎを計算するために、入力信号を二乗平均するので、入力信号にノイズ信号が重畳した場合にノイズ信号による影響を受け易い。

近年、電源装置や電動機に多く用いられるようになってきたインバータ装置が発生する、例えば１ＭＨｚ程度の高周波ノイズが中性子測定装置に影響しないようにするため、中性子測定装置においては、測定系のシールドを強化したり、フェライトコアをノイズ伝播経路に設置するなどのノイズ対策を実施する必要が生じている。

従来の中性子測定装置においては、図８に示すように、中性子検出器１からの検出器出力信号（アナログ信号）を処理する信号処理回路に、前置増幅器２、交流増幅器３およびアナログ・フィルタ装置４、二乗演算回路５および時定数回路６を設けて、入力信号や出力信号にフィルタリング処理を行なうことでノイズ対策を実施している。

しかし、従来のアナログ・フィルタや、時間領域において、ディジタル・フィルタリングを行なう無限インパルス応答（ＩＩＲ）フィルタ、あるいは、有限インパルス応答（ＦＩＲ）フィルタでは、完全なフィルタリング特性を実現することが不可能であり、ノイズの影響を完全に取り除くことは困難であった。

本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、中性子測定に高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を用いて信号処理された周波数領域の信号から、ノイズ成分の影響を受けることなく、中性子測定値を迅速かつ精度よく得ることができる中性子測定装置およびその測定方法を提供することを目的とする。

本発明の他の目的は、中性子測定に高速フーリエ変換（ＦＦＴ）の信号処理後に逆高速フーリエ変換（ＦＦＴ）処理を不要として演算による時間遅れを解消し、装置を構成する回路基板への実装性を向上させた中性子測定装置およびその測定方法を提供することにある。

本発明に係る中性子測定装置は、上述した事情を考慮してなされたもので、中性子検出器からの検出器出力信号の交流部分のみを増幅して高周波成分除去のフィルタリング処理を行なうアナログ信号処理系と、このアナログ信号処理系からの出力信号を一定のサンプリング周期の信号で時系列にディジタル化するディジタル化処理系と、このディジタル化処理系からの時間領域の一定数の信号を周波数領域の信号に変換してフィルタリング処理するＦＦＴ演算処理系と、このＦＦＴ演算処理系の演算処理から必要な周波数領域の信号を選択抽出してパワースペクトラム密度を計算し、このパワースペクトラム密度を中性子測定値に換算する信号処理系とから構成されたことを特徴とする中性子測定装置である。

また、本発明に係る中性子測定装置は、上述した事情を考慮してなされたもので、中性子を検出する中性子検出器と、この中性子検出器の検出器出力信号を増幅する前置増幅器と、この前置増幅器の信号の交流成分のみを増幅する交流増幅器と、この交流増幅器の信号から高周波数成分を除去するアナログ・フィルタ装置と、このアナログ・フィルタ装置の出力信号を一定のサンプリング周期でアナログ・ディジタル変換するＡＤ変換器と、このＡＤ変換器で変換したディジタル信号を記録する記録装置と、前記記録装置から一定数のディジタル信号を読み出して窓関数計数を乗算する窓関数乗算器と、この窓関数乗算器の出力信号の高速フーリエ変換を行なうＦＦＴ装置と、前記ＦＦＴ装置の演算結果から必要な周波数成分の信号のみを選択抽出する信号選択装置と、前記信号選択装置で選択抽出された信号のパワースペクトラム密度を計算するパワースペクトラム密度計算装置と、前記パワースペクトラム密度計算装置の出力信号を中性子測定値に換算する中性子信号変換装置とを有することを特徴とする中性子測定装置である。

さらに、本発明に係る中性子測定方法は、上述した事情を考慮してなされたもので、中性子検出器からの検出器出力信号をアナログ信号処理系で交流成分のみの信号を増幅して高周波成分除去のフィルタリング処理を実施し、処理された検出器出力信号をディジタル化処理系により一定のサンプリング周期で時系列にディジタル化し、ディジタル化された時間領域の信号をＦＦＴ演算処理系で高速フーリエ変換（ＦＦＴ）処理により周波数領域の信号に変換してフィルタリング処理し、周波数領域に変換された信号から必要な周波数領域の信号を選択抽出してパワースペクトラム密度を計算し、抽出信号のパワースペクトラム密度から中性子測定値を得ることを特徴とする中性子測定方法である。

キャンベル法で中性子を測定するキャンベル測定装置を用いた中性子測定装置では、中性子検出器の検出器出力信号の統計的ゆらぎがパワースペクトラムに相当すること、および、時間遅れ無しの場合の自己相関関数は二乗平均値に相当することに注目すると、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）で周波数領域に変換した信号を逆高速フーリエ変換（ｉＦＦＴ）で時間領域に戻す必要がないという新たな知見を得た。

すなわち、「自己相関関数のフーリエ変換がパワースペクトラムとなる」と言う『ウィナー・ヒンチンの定理』に時不変システムの原則を適用することにより、「パワースペクトラムの逆フーリエ変換は自己相関関数となる」と解釈することができる。

前記「パワースペクトラムの逆フーリエ変換は自己相関関数となる」ことと、時間遅れ無しの場合の自己相関関数は二乗平均値に相当することをキャンベル法に適用すると、ＦＦＴで変換した周波数領域の信号にフィルタリング処理を施した後に、ｉＦＦＴを行なわずに、周波数領域の信号のパワースペクトラム密度を計算することで、ｉＦＦＴを行なった後で二乗平均して得られる二乗平均値と同じ値が得られるので、このパワースペクトラム密度から得られる中性子測定値が二乗平均値から得られる中性子測定値と同一となることを検証することができた。

本発明の中性子測定装置およびその測定方法では、中性子測定にＦＦＴを用いて信号処理された周波数領域の信号のパワースペクトラム密度を換算して中性子測定値を得ることで、ノイズ成分のない中性子の測定を迅速に精度よく行なうことができる。

また、本発明においては、ＦＦＴで周波数領域に変換した信号を、ｉＦＦＴで時間の領域に戻さずに、周波数領域の信号のパワースペクトラム密度から中性子測定値を得ることで、逆ＦＦＴ装置を実装する必要がなく、回路基板への実装性を向上させることができる。

本発明に係る中性子測定装置およびその測定方法の第１の実施形態を示す構成図。 本発明に係る中性子測定装置およびその測定方法の第２の実施形態を示す構成図。 本発明に係る中性子測定装置およびその測定方法の第３の実施形態を示す構成図。 本発明に係る中性子測定装置およびその測定方法の第４の実施形態を示す構成図。 本発明に係る中性子測定装置およびその測定方法の第５の実施形態を示す構成図。 本発明に係る中性子測定装置およびその測定方法の第５の実施形態の変形例を示す構成図。 本発明に係る中性子測定装置およびその測定方法の第６の実施形態を示す構成図。 従来の中性子測定装置およびその測定方法を示す構成図。

以下、本発明に係る実施形態について添付図面を参照して説明する。

［第１の実施形態］
図１は、中性子測定装置およびその測定方法の第１の実施形態を示す構成図である。

本実施形態に示された中性子測定装置およびその測定方法は、原子力発電所における軽水炉等の核分裂炉および核融合炉で発生する中性子の測定に用いられる。

図１に示された中性子測定装置１０は、キャンベル法で中性子を測定するキャンベル測定装置に適用される。この中性子測定装置１０は、中性子検出器の検出器出力信号の統計的ゆらぎがパワースペクトラムに相当することに着目したもので、時間領域の検出器出力信号を信号処理して高速フーリエ変換（ＦＦＴ）により周波数領域の信号に変換し、フィルタリング処理された周波数領域の信号を、逆高速フーリエ変換（ｉＦＦＴ）で時間領域に戻す必要がないという新たな知見に基づいて中性子を測定するものである。この中性子測定装置１０は、中性子検出器の時間領域の信号の二乗平均値と同一の値を、ＦＦＴで周波数領域に変換して信号処理された信号からｉＦＦＴを行なわずにパワースペクトラム密度を計算することによって得て、中性子測定値を迅速にかつ精度よく測定することができるように構成したものである。

本実施形態の中性子測定装置１０は、従来のキャンベル測定装置の検出器とこの検出器出力信号をフィルタリング処理する信号処理回路としてのアナログ信号処理系１１と、この信号処理系１１で高周波成分除去のフィルタリング処理された出力信号を時系列でディジタル化するディジタル化処理系１２と、ディジタル化された時間領域の信号を高速フーリエ変換（ＦＦＴ）して周波数領域の信号に変換するＦＦＴ演算処理系１３と、ＦＦＴの演算結果からパワースペクトラム密度を計算して中性子測定値を求める信号処理系１４とから基本的に構成される。

第１の実施形態の中性子測定装置１０において、アナログ信号処理系１１は、中性子を検出する中性子検出器２１と、統計的ゆらぎがある微弱な検出器出力信号を増幅する前置増幅器２２と、この前置増幅器２２からの出力信号の交流成分のみを増幅する交流増幅器２３と、この交流増幅器２３の交流成分の信号から高周波数成分を除去するアナログ・フィルタ装置２４とを備える。

アナログ・フィルタ装置２４でフィルタリング処理され、高周波成分が除去された出力信号は続いてディジタル化処理系１２に送られる。このディジタル化処理系１２では、アナログ・フィルタ装置２４の出力信号を一定のサンプリング周期でアナログ・ディジタル変換するＡＤ変換器２５と、このＡＤ変換器２５で変換したディジタル信号を記録する第１の記録装置２６と、この記録装置２６から一定数のディジタル信号を読み出して窓関数計数を乗算する窓関数乗算器２７と、この窓関数乗算器２７で乗算した出力信号を記録する第２の記録装置２８とを有し、続いてＦＦＴ演算処理系１３に送られる。

ＦＦＴ演算処理系１３は、窓関数乗算器２７の出力信号の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を行なうＦＦＴ装置２９と、このＦＦＴ装置２９の演算結果を記録する第３の記録装置３０とを備える。ＦＦＴ装置２９は、時間領域の信号をＦＦＴ処理して周波数領域の信号を変換した後、フィルタリング処理を行なって１ＭＨｚ程度の高周波ノイズ成分を除去している。

また、中性子測定装置１０の信号処理系１４は、ＦＦＴ装置２９の演算結果から必要な周波数成分の信号のみを選択抽出する信号選択装置３１と、この信号選択装置３１で選択抽出された周波数領域の信号のパワースペクトラム密度を計算するパワースペクトラム密度計算装置３２と、このパワースペクトラム密度計算装置３２の出力信号を中性子測定値に換算（変換）する中性子信号変換装置３３とから構成される。

［作用（動作）］
本実施形態の中性子測定装置１０では、中性子検出器２１に中性子が入射するとパルス状の検出器出力信号を発生する。中性子検出器２１に入射する中性子の数が増加すると、パルス状の検出器出力信号が相互に重なり合って、もはや個々のパルス状の信号を弁別できない状態となり、中性子検出器２１に入射する中性子の発生確率分布と同じ統計的ゆらぎを有する検出器出力信号を発生するようになる。

この統計的ゆらぎを有する検出器出力信号は微弱であるので、前置増幅器２２で増幅される。前置増幅器２２で増幅された信号も検出器出力信号と同様の統計的ゆらぎを有している。交流増幅器２３は前置増幅器２２の出力信号から統計的ゆらぎの成分、すなわち、交流信号成分のみを抽出して増幅している。

また、アナログ信号処理系１１のアナログ・フィルタ装置２４は、交流増幅器２３で増幅された交流信号成分の出力信号から、次段のＡＤ変換器２５のサンプリング周波数の半分の周波数（ナイキスト周波数）以上の高周波数成分を除去することにより、次段のＡＤ変換器２５によるサンプリングによってエイリアジングが発生することを防止している。

高周波成分を除去することにより、アナログ・フィルタ装置２４を通った交流信号成分の信号は、ＡＤ変換器２５により一定のサンプリング周期のディジタル信号に時系列に変換される。ＡＤ変換器２５で変換された一定のサンプリング周期のディジタル信号は、ディジタル化処理系１２の第１の記録装置２６により時系列通りに順次記録される。

また、一定個数のディジタル信号は第１の記録装置２６から読み出されて次段の窓関数乗算器２７に送られる。窓関数乗算器２７には予め計算された窓関数計数が内蔵されており、この窓関数乗算器２７は、窓関数係数を第１の記録装置２６から読み出された各ディジタル信号に乗算して窓関数処理が行なわれる。窓関数処理された一定個数のディジタル信号は第２の記録装置２８に記録される。第２の記録装置２８は、−∞から＋∞の時間領域のディジタル信号から有限個数のディジタル信号を切り出すことによる影響を低減している。

窓関数乗算器２７で窓関数処理された一定個数のディジタル信号は、第２の記録装置２８から切り出されてＦＦＴ演算処理系１３のＦＦＴ装置２９に送られる。ＦＦＴ装置２９は、一定個数の時間領域のディジタル信号をＦＦＴで周波数領域に変換して信号処理される。具体的には、第２の記録装置２８から窓関数処理された一定個数の時間領域のディジタル信号が読み出されて高速フーリエ変換処理が実施される。ＦＦＴ装置２９では、ＡＤ変換器２５のサンプリング周波数を２π（一周期）として規格化された周波数領域の計数を、ＦＦＴに使用したディジタル信号数と同数（これをＦＦＴの次数と呼ぶ。）分だけ出力して周波数変換処理し、第３の記録装置３０に記録される。ＦＦＴ装置２９で周波数領域に変換された信号には、例えば、百ｋＨｚ〜数百ｋＨｚ程度の信号成分や１ＭＨｚ程度のノイズ成分が存在している。このため、周波数領域では必要なフィルタリング処理が行なわれてノイズ成分が除去される。

ＦＦＴ装置２９で演算処理された結果は、第３の記録装置３０から信号処理系１４の信号選択装置３１に入力される。この信号選択装置３１は、中性子検出器２１からＡＤ変換器２５に入力されるまでのアナログ信号処理系１１の周波数特性に応じた周波数成分の信号を選択して抽出している。

また、信号処理系１４のパワースペクトラム密度計算装置３２では、信号選択装置３１で選択抽出された信号のパワースペクトラム密度を計算している。パワースペクトラム密度計算装置３２は、信号選択装置３１で選択して抽出された必要な周波数成分の信号の二乗和を計算（演算）した後、ＦＦＴの次数の二乗値で除算してパワースペクトラム密度を得ている。

パワースペクトラム密度計算装置３２の出力信号は中性子信号変換装置３３に入力される。この中性子信号変換装置３３は、パワースペクトラム密度計算装置３２の出力信号を中性子測定値に換算しており、この中性子測定値により中性子を測定している。

中性子信号変換装置３３においては、前記パワースペクトラム密度に対して、前記ＡＤ変換器２５のサンプリングのための低帯域透過フィルタ、ＦＦＴのための有限個数の信号を切り出すための窓関数、および信号選択装置３１による帯域制限による減衰効果を補正し、さらに中性子検出器２１の感度の補正を行なうことにより中性子信号（中性子測定値）を得ることができる。

第１の実施形態の中性子測定装置１０は、中性子測定にキャンベル法を適用するキャンベル測定装置として用いられ、このキャンベル測定装置にＦＦＴ演算処理系１３を設けた場合には、ＦＦＴ装置２９でＦＦＴ処理により変換された周波数領域の信号を加工してフィルタリング処理を施してノイズ成分を除去した後に、信号処理系１４に送られる。

信号処理系１４では、ＦＦＴの演算結果を第３の記録装置３０から入力して、アナログ信号処理系１１の周波数特性に応じた周波数成分の信号を信号選択装置３１が選択して抽出している。信号選択装置３１で選択抽出された信号は、パワースペクトラム密度計算装置３２により、選択抽出信号の二乗和が計算された後、ＦＦＴの次数の二乗値で除算してパワースペクトラム密度が得られる。パワースペクトラム密度は、中性子信号変換装置３３により変換処理されて中性子信号（中性子測定値）を得ることができる。

第１の実施形態の中性子測定装置１０において、ＦＦＴ演算処理系１３のＦＦＴ装置２９による高速フーリエ変換（ＦＦＴ）処理で変換した周波数領域の信号を加工してフィルタリング処理を施した後に、逆ＦＦＴ装置で時間領域の信号に戻す逆高速フーリエ変換（ｉＦＦＴ）処理が不要となる。

ＦＦＴおよびｉＦＦＴを実施するには、非常に多くの演算処理を実施する必要があるが、この中性子測定装置１０では、逆ＦＦＴ装置によるＦＦＴの逆変換処理（ｉＦＦＴ）を実施する必要がない。このために、ｉＦＦＴの実施による演算の遅れ時間を解消することができ、中性子測定装置１０のようなリアルタイムの監視装置への適用の利便性を向上させることができる。

また、第１の実施形態の中性子測定装置１０は、高次のＦＦＴとｉＦＦＴの両方を装置の回路基板に実装する必要がなく、ｉＦＦＴの実装を不要とするので、装置を構成する回路基板への実装性が向上する。ハードウェア・ロジックで演算を行うゲート・アレイ・タイプの素子（プログラマブル・ロジック・デバイス（ＰＬＤ）やフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）など）では、マイクロプロセッサ（ＭＰＵ）やデジタル・アナログ・プロセッサ（ＤＳＰ）に比べて実装できる演算ロジック量が少ないので、高次のＦＦＴとｉＦＦＴ両方を実装することは非常に困難であるが、ｉＦＦＴの実装の必要がないので、実装性が向上する。

［第１の実施形態の効果］
第１の実施形態の中性子測定装置およびその測定方法によると、中性子を測定するためのキャンベル測定装置にＦＦＴ（高速フーリエ変換）を適用する際に、ＦＦＴ装置２９で周波数領域の信号に変換して信号処理した後に、ｉＦＦＴ（逆高速フーリエ変換）を実施する必要がなくなるので、ｉＦＦＴを実施するための演算ロジックを実装する必要がなく、中性子測定装置１０としてのリアルタイムの監視装置への実装性が可能となる。

従来の中性子測定装置における中性子測定方法では、時間領域の検出器出力信号を検出し、解析演算処理して観察しているために、測定しようとする中性子信号の周波数成分とノイズ信号の周波数成分が近い場合に、ノイズの影響を避けることが困難であったが、本実施形態の中性子測定装置の測定方法では、中性子信号の周波数成分とノイズ信号の周波数成分が少しでも異なっていれば、ノイズ信号の周波数成分を弁別して除去することができるので、ノイズの影響を排除した中性子測定値を迅速に得ることができる。

［第２の実施形態］
図２は、中性子測定装置およびその測定方法の第２の実施形態を示す構成図である。

第２の実施形態に示された中性子測定装置およびその測定方法の全体的構成は、第１の実施形態の信号処理系１４に信号選択範囲切替手段３５を付設した信号処理系１４Ａを備えたもので、他の構成は異なることがないので、同じ構成および作用には同一符号を付して重複説明を省略あるいは簡略化する。

第２の実施形態の中性子測定装置１０Ａは、ＦＦＴ装置２９で高速フーリエ変換（ＦＦＴ）により周波数領域の信号に変換処理し、このＦＦＴ変換後に周波数領域の信号の選択範囲を、信号選択範囲切替手段３５で選択して信号選択装置３１で実行し、変更させる構成としたものである。信号選択装置３１は、ＦＦＴ変換後の周波数信号の信号選択範囲を可変とし、選択した周波数範囲に応じた信号の補正を、中性子信号変換装置３３で実施する構成としたものである。

［作用（動作）］
第２の実施形態の中性子測定装置１０Ａでは、ＦＦＴ演算処理系１３のＦＦＴ装置２９でＦＦＴ変換後の信号は周波数領域での計算（カウント）することを示すもので、中性子信号を測定する場合は、中性子検出器２１、前置増幅器２２、交流増幅器２３およびアナログ・フィルタ装置２４と、それらを接続するケーブルを含むアナログ信号処理系１１をアナログ測定回路と見做して、このアナログ測定回路１１の出力信号をディジタル化処理系１２を経てＦＦＴ演算処理系１３に入力させる。ＦＦＴ演算処理系１３では、ＦＦＴ装置２９がアナログ測定回路１１の出力信号の持つ周波数帯域に対応した周波数領域の信号に変換する。ＦＦＴ変換後には、アナログ測定回路１１の周波数帯域に対応した周波数範囲の係数（カウント）を信号選択装置３１で抽出選択する。

信号処理系１４の前記アナログ測定回路１１の出力信号の持つ周波数帯域よりも狭い範囲の周波数範囲を信号選択装置３１で選択した場合は、正しい中性子信号の値を得るために、周波数範囲を狭くしたことにより欠損した範囲の前記アナログ測定回路１１の出力信号の信号量を補正するための補正係数を中性子信号変換装置３３で乗算するように構成される。

前記補正係数は、周波数領域で前記アナログ測定回路１１の出力信号の周波数特性をプロットした場合の面積に対して、周波数範囲を狭くしたことにより欠損した範囲の面積の比で決定される。

［第２の実施形態の効果］
第２の実施形態の中性子測定装置およびその測定方法によれば、中性子検出器２１の検出器出力信号対してノイズ信号の周波数が測定対象の中性子信号の周波数と重なる場合であっても、ノイズ信号が重なっている周波数に対応するＦＦＴ変換後の信号の計数（カウント）を除外することでノイズ信号が中性子信号の測定に悪影響が及ぶことを防止することができる。除外した周波数範囲に対する補正を前記第２の実施形態の作用に記載したように実施することで、中性子信号の測定結果は正しい中性子測定の値を示すことができる。

［第３の実施形態］
図３は、中性子測定装置およびその測定方法の第３の実施形態を示す構成図である。

第３の実施形態に示された中性子測定装置１０Ｂを説明するに当り、第１の実施形態に示された中性子測定装置１０と同じ構成には同一符号を付し、説明を省略あるいは簡略化する。また、第３の実施形態の中性子測定装置１０Ｂの信号処理系は、第２の実施形態の中性子測定装置１０Ａの信号処理系１４Ａと構成を同じくするので、同一符号を付して説明を省略する。

第３の実施形態の中性子測定装置１０Ｂのディジタル化処理系１２Ｂの構成を第１の実施形態のディジタル化処理系１２と異にする。第３の実施形態におけるディジタル化処理系１２Ｂは、ＡＤ変換器２５でサンプリングしたデータ（出力信号）をより低いサンプリング周波数で再サンプリングするために、図３に示すように、サンプリング周波数（ローパスフィルタおよび再サンプリング周波数）の選択装置３６と、複数系統のローパスフィルタ３７，３７´および再サンプリング装置３８，３８´とを備える。

第３の実施形態の中性子測定装置１０Ｂは、ＡＤ変換器２５の出力信号から選択装置３６でサンプリング周波数が選択され、ＡＤ変換器２５のサンプリング周波数の１／２より低い周波数をカットオフ周波数とし、このカットオフ周波数以上の周波数成分の信号を除去するローパスフィルタ３７（３７´）と、このローパスフィルタ３７（３７´）の出力を前記カットオフ周波数の２倍以上の周波数でする再サンプリング装置３８（３８´）とを備える。再サンプリング装置３８（３８´）は、サンプリング周期の低周期化（ダウンサンプリング）を行なうもので、サンプリング装置の低周期化（ダウンサイジング）装置として機能する。

さらに、第３の実施形態の中性子測定装置１０Ｂには、ディジタル化処理系１２Ｂの再サンプリング装置３８（３８´）に加えて、再サンプリング周波数の選択装置（図示せず）と、この再サンプリング周波数選択装置で選択された再サンプリング周波数に対応したカットオフ周波数のローパスフィルタ（図示せず）を備え、再サンプリング周波数を選択するローパスフィルタおよび再サンプリング周波数の選択装置とこの再サンプリング周波数の選択装置で選択された再サンプリング周期に対応して、信号選択装置３１で選択するＦＦＴ変換後の信号の選択範囲を変更する信号選択範囲切替手段３５を有する。

［作用（動作）］
第３の実施形態の中性子測定装置１０Ｂにおいては、一旦ＡＤ変換器２５でサンプリングしたデータをより低いサンプリング周波数で再サンプリングするために、再サンプリング周波数の１／２以上の周波数成分はローパスフィルタ３７（３７´）により除去される。さらに、再サンプリング周波数の選択装置３６によりサンプリング周波数を変更する場合には、ＦＦＴ変換後の信号と中性子信号の周波数範囲との対応の変化を信号選択範囲切替手段３５で調整することができる。

［第３の実施形態の効果］
第３の実施形態の中性子測定装置１０Ｂにおいては、同一の時間範囲の中性子信号を測定する場合に、ＡＤ変換器２５のサンプリング周波数より低いサンプリング周波数で再サンプリングすることにより、より低いＦＦＴ次数のＦＦＴ演算ロジックを適用することが可能となり、（中性子測定装置１０Ｂである）監視装置への実装性が向上する。

さらに、再サンプリング周波数を選択可能とすることにより、同一の次数のＦＦＴを使用する場合には、ＦＦＴを実施する時間範囲が可変となるので、測定された中性子信号の統計的ゆらぎによる標準偏差あるいは中性子信号変化に対する応答性が選択可能となる。

また、周波数領域では観測できる周波数範囲が選択可能となるので、測定しようとする中性子信号の周波数に応じて適切な周波数範囲を設定可能となる。すなわち、中性子信号の早い変化を測定する場合は、サンプリング周波数を高く設定して観測できる周波数の上限を高くすることができ、遅い変化を測定する場合は、サンプリング周波数を低く設定して観測できる周波数の下限を低くすることができる。

［第４の実施形態］
図４は、中性子測定装置およびその測定方法の第４の実施形態を示す構成図である。

第４の実施形態に示された中性子測定装置１０Ｃを説明するに当り、第１の実施形態に示された中性子測定装置１０と同じ構成には同一符号を付し、説明を省略あるいは簡略化する。

第４の実施形態の中性子測定装置１０Ｃは、第１の実施形態の中性子測定装置１０とは、ＦＦＴ演算処理系１３Ｃおよび信号処理系１４Ｃの構成を異にする。

図４に示された中性子測定装置１０ＣのＦＦＴ演算処理系１３Ｃは、複数のＦＦＴ演算ロジック４０，４０´を備え、実施するＦＦＴ演算の次数を選択するＦＦＴ次数選択手段４１と、このＦＦＴ次数選択手段４１で選択されたＦＦＴ次数に応じて実施するＦＦＴ演算ロジック４０，４０´を選択するＦＦＴロジック選択装置４２と、複数のＦＦＴ演算ロジック４０，４０´の演算結果を選択するＦＦＴ演算結果選択装置４３と、前記ＦＦＴ次数選択手段４１で選択されたＦＦＴ次数に応じて前記ＦＦＴ演算結果から必要な周波数成分の信号のみを選択抽出する信号選択装置４４を有する。

［作用（動作）］
第４の実施形態の中性子測定装置１０Ｃにおいては、複数のＦＦＴ演算ロジック４０，４０´を予め中性子測定装置に実装しておき、ＦＦＴ次数選択手段４１で選択されたＦＦＴ次数に応じて実施するＦＦＴ演算ロジックをＦＦＴロジック選択装置４２で選択する。ＦＦＴ次数を変更することにより生じるＦＦＴ変換後の信号と中性子信号の周波数範囲との対応の変化は信号選択装置４４で調整する。

［第４の実施形態の効果］
第４の実施形態の中性子測定装置１０Ｃにおいては、ＦＦＴの次数を変更することにより、同一サンプリング周波数の場合には測定する時間範囲が変化するので、中性子信号の測定結果の精度または応答性を変更することができる。すなわち、ＦＦＴの次数を大きくして測定する時間範囲を長くすると中性子信号の測定結果の精度が向上するが、応答性は遅くなる。ＦＦＴの次数を小さくして測定する時間範囲を短くすると中性子信号の測定結果の応答性は速くなるが、精度が劣化する。

このため、ＦＦＴの次数を選択することを可能とすると、中性子信号の測定の目的に応じて、適切な精度と応答性を選択することが可能と成る。また、同一サンプリング周波数でＦＦＴの次数を大きくすると、周波数領域ではより低い周波数まで観測可能となる。

［第５の実施形態］
図５は、中性子測定装置およびその測定方法の第５の実施形態を示す構成図である。

第５の実施形態に示された中性子測定装置１０Ｄを説明するに当り、第１の実施形態に示された中性子測定装置１０と同じ構成には同一符号を付し、説明を省略あるいは簡略化する。

第５の実施形態の中性子測定装置１０Ｄは、第１の実施形態に示された中性子測定装置１０とディジタル化処理系１２Ｄの一部（窓関数乗算器４６）の構成および信号処理系１４Ｄの構成を異にする。ディジタル化処理系１２Ｄの窓関数乗算器４６は、第１の記録装置２６に記録された一定数のディジタル信号を読み出して窓関数計算を乗算しているが、窓関数乗算器４６が読み出すデータ（一定数のディジタル信号）は、ＦＦＴの次数の半分ずつずらして読み出す機能を有する。窓関数乗算器４６は、第１の記録装置２６から読み出したデータをＦＦＴの次数の半分の数ずつずらしながら窓関数乗算演算を行なっている。

また、中性子測定装置１０Ｄの信号処理系１４Ｄは、中性子信号の測定結果の精度や標準偏差または応答性を選択する精度または応答性選択手段４７と、パワースペクトラム密度計算装置３２の出力信号を複数個記録する第４の記録装置４８を備え、前記精度または応答性選択手段４７に対応して複数のパワースペクトラム密度計算装置３２の出力信号加重平均演算する加重平均演算装置４９を有する。

［作用（動作）］
第５の実施形態の中性子測定装置１０Ｄにおいて、ディジタル化処理系１２ＤはＦＦＴの次数と窓関数計数の個数を同数とし、窓関数乗算器４６が時系列に順次サンプリングしたデータに窓関数を掛ける際に、ＡＤ変換器２５が順次サンプリングしたデータを第１の記録装置２６からＦＦＴの次数の半分の数ずつずらしながら窓関数乗算演算を行なう。

ディジタル化処理系１２Ｄの窓関数乗算器４６で窓関数を掛けたデータをＦＦＴ演算処理系１３のＦＦＴ装置２９において、低い次数のＦＦＴで演算し、信号処理系１４Ｄの信号選択装置３１にＦＦＴで演算した結果からパワースペクトラム密度計算装置３２の計算により得られた複数のパワースペクトラム密度を第４の記録装置４８に記録し、複数のパワースペクトラム密度を加重平均演算装置４９で加重平均することにより、高い次数のＦＦＴで同一の時間範囲のデータを１回でＦＦＴして得られるパワースペクトラム密度と同等の値を得る。加重平均演算装置４９で加重平均するパワースペクトラム密度の数は、精度または応答性選択手段４７で選択した精度や標準偏差または応答性よって可変とする。

［第５の実施形態の効果］
第５の実施形態の中性子測定装置およびその測定方法によれば、低い次数のＦＦＴを用いた場合であっても、複数のパワースペクトラム密度を加重平均することにより、高い次数のＦＦＴ演算１回で得られるパワースペクトラム密度と同等の値を得ることができる。

すなわち、低い次数のＦＦＴ演算で短い時間範囲のデータから得たパワースペクトラム密度を複数個加重平均することによって、長い時間範囲のデータから高い次数のＦＦＴ演算を行なって得られるパワースペクトラム密度を得ることができるので、ＦＦＴ演算ロジックを小さくして監視装置への実装性が向上し、ＦＦＴ演算の実行時間を短くして中性子信号の監視の応答性を向上しながら、長い時間の中性子信号を測定することにより測定の精度を向上することができる。さらに、加重平均するパワースペクトラム密度の数を可変とすることで、中性子信号測定の精度あるいは応答性を選択可能とすることができる。

［第５の実施形態の変形例］
図６は、中性子測定装置およびその測定方法の第５の実施形態の変形例を示す構成図である。

この変形例に示された中性子測定装置１０Ｄ_１を説明するに当り、第５の実施形態に示された中性子測定装置１０Ｄと同じ構成は、同一符号を付し、説明を省略あるいは簡略化する。

図６の変形例に示された中性子測定装置１０Ｄ_１は、第５の実施形態の中性子測定装置１０Ｄとは、信号処理系の構成を異にする。第５の実施形態の変形例に示された中性子測定装置１０Ｄ_１の信号処理系１４Ｄ_１は、信号選択装置３１、パワースペクトラム密度計算装置３２、中性子信号変換装置３３の他に、中性子信号の測定結果の精度または応答性を選択する精度または応答性選択手段４７と、中性子信号変換（換算）装置３３の出力信号を複数個記録する第５の記録装置５０と、前記精度または応答性選択手段４７に対応して複数の中性子信号換算装置の出力信号を加重平均演算する加重平均演算装置５１とを有する。

［作用（動作）］
第５の実施形態の変形例における中性子測定装置１０Ｄ_１では、窓関数乗算器４６で窓関数を掛けたデータをＦＦＴ演算処理系１３のＦＦＴ装置２９で低い次数のＦＦＴで演算し、信号処理系１４Ｄ_１の信号選択装置３１がＦＦＴで演算した結果から得られた複数のパワースペクトラム密度または複数の中性子信号の値を第５の記録装置５０に記録する。複数のパワースペクトラム密度、あるいは、複数の中性子信号の値を加重平均演算装置５１で加重平均することにより、高い次数のＦＦＴで同一の時間範囲のデータを１回でＦＦＴして得られるパワースペクトラム密度または中性子信号の値と同等の値を得る。加重平均演算装置５１で加重平均するパワースペクトラム密度または中性子信号の値の数は、精度または応答性選択手段４７で選択した精度または応答性よって可変とする。

［第５の実施形態の変形例の効果］
第５の実施形態の変形例によれば、低い次数のＦＦＴを用いた場合であっても、複数のパワースペクトラム密度または複数の中性子信号の値を加重平均することにより、高い次数のＦＦＴ演算１回で得られるパワースペクトラム密度または中性子信号の値と同等の値を得ることができる。

すなわち、低い次数のＦＦＴ演算で短い時間範囲のデータから得たパワースペクトラム密度または中性子信号の値を複数個加重平均することによって、長い時間範囲のデータから高い次数のＦＦＴ演算を行って得られるパワースペクトラム密度または中性子信号の値を得ることができるので、ＦＦＴ演算ロジックを小さくして監視装置への実装性が向上し、ＦＦＴ演算の実行時間を短くして中性子信号の監視の応答性を向上しながら、長い時間の中性子信号を測定することにより測定の精度を向上することができる。

さらに、加重平均するパワースペクトラム密度または中性子信号の値の数を可変とすることで、中性子信号測定の精度あるいは応答性を選択可能とすることができる。

［第６の実施形態］
図７は、中性子測定装置およびその測定方法の第６の実施形態を示す構成図である。

第６の実施形態に示された中性子測定装置１０Ｅを説明するに当り、第１の実施形態に示された中性子測定装置１０と同じ構成には同一符号を付し、説明を省略あるいは簡略化する。

図７に示された中性子測定装置１０Ｅは、ＦＦＴを用いた信号処理を中性子測定に適用する構成は、第１の実施形態に示された中性子測定装置１０と異ならないが、第１の実施形態の中性子測定装置１０とはＦＦＴ演算処理系１３でＦＦＴ処理した後の信号処理系１４を異にする。

第６の実施形態の中性子測定装置１０Ｅは、ＦＦＴ演算処理系１３のＦＦＴ装置２９でＦＦＴ処理して周波数領域の信号に変換し、周波数領域で必要なフィルタリング処理してノイズ成分を除去して第３の記録装置３０に記録させる。

また、ＦＦＴ装置２９でＦＦＴ処理し、必要なフィルタリング処理をした後、信号処理系１４Ｅの逆ＦＦＴ装置５５で逆高速フーリエ変換（ｉＦＦＴ）処理を行なって、周波数領域の信号を時間領域の信号に戻して第６の記録装置５６に記録される。

中性子測定装置１０Ｅの信号処理系１４Ｅは、逆ＦＦＴ装置５５および第６の記録装置５６とともに、時間領域に戻した信号を二乗平均演算装置５７で二乗平均して中性子測定値を得る構成とされる。

［作用（動作）］
第６の実施形態の中性子測定装置およびその測定方法においては、中性子検出器２１で検出した検出器出力信号（アナログ信号）とアナログ信号処理系１１で信号処理し、サンプリングした時間領域の信号を、ディジタル化処理系１２でディジタル信号に変換処理される。

ディジタル化処理系１２で処理された時間領域のディジタル信号は、ＦＦＴ演算処理系１３に送られてＦＦＴ装置２９でＦＦＴ処理され周波数領域の信号に変換される。ＦＦＴ装置２９では周波数領域のディジタル信号に周波数領域で必要なフィルタリング処理を行なってノイズ成分が除去された後、信号処理系１０Ｅの逆ＦＦＴ装置５５により、逆高速フーリエ変換（ｉＦＦＴ）を用いて時間領域の信号に戻される。逆ＦＦＴ装置５５でｉＦＦＴを実施して時間領域に戻された信号は、二乗平均演算装置５７により二乗平均されて中性子測定値を求めることができる。このため、逆ＦＦＴ装置５５で時間領域に戻した信号と二乗平均演算装置５７で二乗平均して中性子測定値を演算しても、高周波ノイズのノイズ信号が混入することがなく、ノイズ成分を除去した中性子測定値を得ることができ、中性子の測定を精度よく行なうことができる。

［第６の実施形態の効果］
中性子測定に用いられる中性子測定装置（キャンベル測定装置）１０ＥにＦＦＴ演算処理系１３を適用した場合には、ＦＦＴ装置２９でＦＦＴ処理して変換した周波数領域の信号を加工してフィルタリング処理し、ノイズ成分を除去した後、逆ＦＦＴ装置５５によりｉＦＦＴ（逆高速フーリエ変換）を実施して時間領域信号に戻し、時間領域に戻した信号を二乗平均演算装置５７で二乗平均して中性子測定装置を得ることができるので、ノイズ成分を除去して精度のよい中性子測定を行なうことができる。

なお、本実施形態の中性子測定装置は、ディジタル化処理系、ＦＦＴ演算処理系および信号処理系に記録装置を設けた例を示したが、ディジタル化処理系、ＦＦＴ演算処理系および信号処理系にバッファ機能を備えたものであれば、記録装置は必ずしも必要としない。

また、各実施形態において設置可能なパラメータ（サンプリング周期、ＦＦＴ次定数、周波数帯域での選択範囲／選択方法（連続、離散、或いは、特定の周波数のみ選択／非選択など）、加重平均なる数、測定精度あるいは応答性）は大きな自由度を持たせることができ、パラメータの一部を設定可能としたり、一部を固定としたり、あるいは一部を自動設定としてその設定状態を表示できる機能を有する構成も、本発明の技術的範囲に含まれるものとする。

１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｄ_１，１０Ｅ…中性子測定装置、１１…アナログ信号処理系（アナログ測定回路）、１２，１２Ｂ，１２Ｄ…ディジタル化処理系、１３，１３Ｃ…ＦＦＴ演算処理系、１４，１４Ａ，１４Ｃ，１４Ｄ，１４Ｄ_１，１４Ｅ…信号処理系、２１…中性子検出器、２２…前置増幅器、２３…交流増幅器、２４…アナログ・フィルタ装置、２５…ＡＤ変換器、２６…第１の記録装置、２７…窓関数乗算器、２８…第２の記録装置、２９…ＦＦＴ装置、３０…第３の記録装置、３１…信号選択装置、３２…パワースペクトラム密度計算装置、３３…中性子信号変換装置、３５…信号選択範囲切替手段、３６…ローパスフィルタおよび再サンプリング周波数の選択装置、３７，３７´…ローパスフィルタ、３８，３８´…再サンプリング装置（低周期化（ダウンサイジング）装置）、４０…ＦＦＴ演算ロジック、４１…ＦＦＴ次数選択手段、４２…ＦＦＴロジック選択装置、４３…ＦＦＴ演算結果選択装置、４４…信号選択装置、４６…窓関数乗算器、４７…応答性選択手段、４８…第４の記録装置、４９…加重平均演算装置、５０…第５の記録装置、５１…加重平均演算装置、５５…逆ＦＦＴ装置、５６…第６の記録装置、５７…二乗平均演算装置。

Claims (11)

1. 中性子検出器からの検出器出力信号の交流部分のみを増幅して高周波成分除去のフィルタリング処理を行なうアナログ信号処理系と、
   このアナログ信号処理系からの出力信号を一定のサンプリング周期の信号で時系列にディジタル化するディジタル化処理系と、
   このディジタル化処理系からの時間領域の一定数の信号を周波数領域の信号に変換してフィルタリング処理するＦＦＴ演算処理系と、
   このＦＦＴ演算処理系の演算処理から必要な周波数成分の信号を選択抽出してパワースペクトラム密度を計算し、このパワースペクトラム密度を中性子測定値に換算する信号処理系とから構成されたことを特徴とする中性子測定装置。
2. 前記ＦＦＴ演算処理系は、ディジタル化処理系から時間領域の信号を高速フーリエ変換処理して周波数領域の信号に変換するＦＦＴ装置を備えた請求項１に記載の中性子測定装置。
3. 前記信号処理系は、前記ＦＦＴ演算処理系の演算結果から必要な周波数成分の信号を選択して抽出する信号選択装置と、
   この信号選択装置で選択抽出された信号のパワースペクトラム密度を計算するパワースペクトラム密度計算装置と、
   前記パワースペクトラム密度を換算して中性子測定値を求める中性子信号変換装置とを有する請求項１に記載の中性子測定装置。
4. 中性子を検出する中性子検出器と、
   この中性子検出器の検出器出力信号を増幅する前置増幅器と、
   この前置増幅器の信号の交流成分のみを増幅する交流増幅器と、
   この交流増幅器の信号から高周波数成分を除去するアナログ・フィルタ装置と、
   このアナログ・フィルタ装置の出力信号を一定のサンプリング周期でアナログ・ディジタル変換するＡＤ変換器と、
   このＡＤ変換器で変換したディジタル信号を記録する記録装置と、
   前記記録装置から一定数のディジタル信号を読み出して窓関数計数を乗算する窓関数乗算器と、
   この窓関数乗算器の出力信号の高速フーリエ変換を行なうＦＦＴ装置と、
   前記ＦＦＴ装置の演算結果から必要な周波数成分の信号のみを選択抽出する信号選択装置と、
   前記信号選択装置で選択抽出された信号のパワースペクトラム密度を計算するパワースペクトラム密度計算装置と、
   前記パワースペクトラム密度計算装置の出力信号を中性子測定値に換算する中性子信号変換装置とを有することを特徴とする中性子測定装置。
5. 前記信号選択装置は選択する周波数範囲を可変とし、選択した周波数範囲に応じた補正を前記中性子信号変換装置で実施する構成とした請求項４に記載の中性子測定装置。
6. 前記中性子検出器からディジタル信号に変換するまでの測定系の周波数特性範囲を一部含む周波数帯域に対応するＦＦＴ変換後の信号を削除した場合に、削除された周波数帯域の前記測定系の周波数特性に応じた補正を前記中性子信号変換装置で実施する構成とした請求項５に記載の中性子測定装置。
7. 前記ＡＤ変換器の後段側にローパスフィルタとサンプリング周期の低周期化（ダウンサンプリング）装置を備え、サンプリング周期を可変とし、サンプリング周期に対応して前記信号選択装置で選択するＦＦＴ変換後の周波数領域の信号の選択範囲を変更可能に構成した請求項４に記載の中性子測定装置。
8. 前記ＦＦＴ装置は、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を行なうディジタル信号数を可変とし、選択したディジタル信号数に応じて前記信号選択装置で選択するＦＦＴ変換後の周波数領域の信号の選択範囲を変更可能とし、前記信号選択装置で選択するＦＦＴ変換後の周波数領域の信号に応じて前記中性子信号変換装置で中性子測定値の補正を実施する構成とした請求項４に記載の中性子測定装置。
9. 前記信号処理系は、精度または応答性選択手段が、中性子測定結果の標準偏差または応答性の選択機能を備えて、選択された標準偏差または応答性により演算したパワースペクトラム密度計算装置からのパワースペクトラム密度または中性子信号変換装置からの中性子測定値を加重平均演算装置が複数個加重平均する機能を有する請求項１または３に記載の中性子測定装置。
10. 前記信号処理系は、再サンプリング周期、ＦＦＴの次数、加重平均するパワースペクトラム密度あるいは中性子測定値の数、および、中性測定結果の標準偏差または応答性のうち１つ以上パラメータの選択機能を備え、
    選択可能でないパラメータは固定あるは自動選択とし、自動選択されたパラメータを表示する機能を有する請求項１または３に記載の中性子測定装置。
11. 中性子検出器からの検出器出力信号をアナログ信号処理系で交流成分のみの信号を増幅して高周波成分除去のフィルタリング処理を実施し、
    処理された検出器出力信号をディジタル化処理系により一定のサンプリング周期で時系列にディジタル化し、
    ディジタル化された時間領域の信号をＦＦＴ演算処理系で高速フーリエ変換（ＦＦＴ）処理により周波数領域の信号に変換してフィルタリング処理し、
    周波数領域に変換された信号から必要な周波数領域の信号を選択抽出してパワースペクトラム密度を計算し、抽出信号のパワースペクトラム密度から中性子測定値を得ることを特徴とする中性子測定方法。

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