專利名稱：一種瞬發(fā)中子衰減常數(shù)的綜合在線測(cè)定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于隨機(jī)核信號(hào)分析與處理領(lǐng)域，尤其是中子脈沖信號(hào)序列，具體涉及一
種利用中子脈沖信號(hào)序列進(jìn)行綜合、在線測(cè)定核部件瞬發(fā)中子衰減常數(shù)的方法。
背景技術(shù)：
隨著核科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)由核輻射和原子核等構(gòu)成的核信息系統(tǒng)所攜帶的 信息進(jìn)行測(cè)量和分析，是進(jìn)行核信息系統(tǒng)內(nèi)部特征和規(guī)律研究的重要保證。瞬發(fā)中子衰減 常數(shù)a ，是一項(xiàng)與核系統(tǒng)中裂變材料的反應(yīng)性、臨界程度以及裂變材料的多少、形狀密切相 關(guān)的重要參數(shù)，對(duì)其進(jìn)行高精度測(cè)量一直是核信息測(cè)量中的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。
通常而言，對(duì)瞬發(fā)中子衰減常數(shù)a的測(cè)量可以分為時(shí)域測(cè)量和頻域測(cè)量?jī)煞N。時(shí) 域測(cè)量通過Rossi- a方法，借助多道分析器，方法較為成熟，但易受本底噪聲干擾，對(duì)于深 次臨界測(cè)量影響尤為明顯。頻域測(cè)量是基于中子源噪聲驅(qū)動(dòng)測(cè)量分析方法，可有效降低中 子源本底噪聲，提高測(cè)量精度。但由于核反應(yīng)速度較快，數(shù)據(jù)量龐大，難以達(dá)到實(shí)時(shí)在線測(cè) 量。美國NMIS(Nuclear Material Identification System :核材料鑒別系統(tǒng))系統(tǒng)，雖實(shí)
現(xiàn)了納秒級(jí)采樣與同步，但頻譜計(jì)算依賴硬件，測(cè)量中間數(shù)據(jù)無法保存，測(cè)量難以重復(fù)，且 成本極其昂貴，功能無法擴(kuò)展。 因此，如何設(shè)計(jì)一個(gè)瞬發(fā)中子衰減常數(shù)的綜合在線測(cè)定方法，在頻域測(cè)量的同時(shí) 也進(jìn)行時(shí)域測(cè)量，成為本發(fā)明關(guān)注的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種瞬發(fā)中子衰減常數(shù)的綜合在線測(cè)定方法，利用中子脈
沖序列實(shí)現(xiàn)對(duì)瞬發(fā)中子衰減常數(shù)的實(shí)時(shí)綜合測(cè)量。 參見圖1和圖2，本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)手段實(shí)現(xiàn) 1、對(duì)中子脈沖進(jìn)行采集，得到中子源與被中子源激發(fā)的探測(cè)體所產(chǎn)生的中子脈沖 沿時(shí)間軸的排列；該排列即為由"0 "和"1"組成的中子脈沖序列，該序列按照中子脈沖出現(xiàn) 的位置進(jìn)行存儲(chǔ)，沒有脈沖的不存儲(chǔ)； 2、將采集后的數(shù)據(jù)包按給定長(zhǎng)度進(jìn)行分塊，實(shí)時(shí)計(jì)算每一塊中子信號(hào)的相關(guān)函數(shù) 并疊加求和，待采集塊數(shù)到達(dá)設(shè)定閾值時(shí)計(jì)算功率譜密度函數(shù)； 3、對(duì)相關(guān)函數(shù)利用相關(guān)擬合法計(jì)算瞬發(fā)中子衰減常數(shù)，對(duì)功率譜密度函數(shù)按轉(zhuǎn)折 頻率法計(jì)算瞬發(fā)中子衰減常數(shù)； 4、對(duì)上述兩種不同方法計(jì)算的結(jié)果做綜合處理，給出最終測(cè)定結(jié)果。 在步驟1中，對(duì)中子數(shù)據(jù)進(jìn)行采集時(shí)，中子源及被中子源激發(fā)的探測(cè)體產(chǎn)生的中
子由中子探測(cè)器探測(cè)，利用置于計(jì)算機(jī)中的高速數(shù)據(jù)采集卡同時(shí)對(duì)中子源通道信號(hào)和被探
測(cè)的兩個(gè)通道信號(hào)進(jìn)行超高速采集，從而得到三個(gè)通道的中子脈沖信號(hào)的時(shí)間分布。 在此基礎(chǔ)上，在步驟2中，將三通道數(shù)據(jù)按相同大小進(jìn)行分塊，每塊數(shù)據(jù)分別計(jì)算
其自相關(guān)與互相關(guān)。并對(duì)自相關(guān)與互相關(guān)分別應(yīng)用FFT(FastFourier Transform :快速傅
4里葉變換)求得自功率譜和互功率譜。其中，高速數(shù)據(jù)采集卡的采集頻率為lGHz，也可為512MHz， 256MHz或其他頻率。分i央大小為1024，也可為128、256、512等。
為節(jié)省時(shí)間，在不影響計(jì)算精度的條件下，可設(shè)置若干循環(huán)，在所采集數(shù)據(jù)塊數(shù)量達(dá)到一個(gè)設(shè)定閾值后，對(duì)各塊所計(jì)算得到的自相關(guān)序列AC與互相關(guān)序列CC分別求和得到ACS和CCS，對(duì)ACS和CCS進(jìn)行FFT從而得到相應(yīng)的自功率譜APSD和互功率譜CPSD。
若要利用相關(guān)函數(shù)對(duì)瞬發(fā)中子衰減常數(shù)進(jìn)行測(cè)量，需按照以下步驟進(jìn)行
1)如圖3所示，互相關(guān)函數(shù)CC(i)， _N《i《N， i表示延遲時(shí)間，N表示延遲時(shí)間的最大值。提取其中延遲時(shí)間位于l^到l^之間的互相關(guān)函數(shù)數(shù)據(jù)，并將其賦予數(shù)組y，其中y(i) = CC(j+L》，j表示數(shù)組y數(shù)值的下標(biāo)。0《j《1^-1^，20《L！《L2《220，180《LfLi《200。 2)將數(shù)組y賦予列矢量Y，艮卩Y = [y (0) ， y (1) ， ， y (L2_L》]T，其中T表示對(duì)矢量進(jìn)行轉(zhuǎn)置操作。定義變量A、 a，及列矢量B，其中B二 [ln(A)，-a]t， ln()表示自然對(duì)數(shù)。定義一個(gè)2行L3列的矩陣X，其中X的第1列全為1，即X( : ， 1) = 1 ;第2列為按大小順序排列的非負(fù)整數(shù)，即X(: ，2) =
t，L3二L2-L一1。上述數(shù)據(jù)滿足公式XXB = Y。 3)利用上述數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘擬合，擬合公式為y 二Ae鄧(-at)，e鄧()表示以e為底的指數(shù)。擬合結(jié)果包括A和a，其中a就表示瞬發(fā)中子衰減常數(shù)。
若要利用功率譜密度函數(shù)對(duì)瞬發(fā)中子衰減常數(shù)進(jìn)行測(cè)量，需按照以下步驟進(jìn)行
1)如圖4所示，互功率譜密度函數(shù)CPSD(i)，0《i《M-l，i表示互功率譜密度函數(shù)數(shù)值的下標(biāo)，M表示互功率譜密度函數(shù)所包含數(shù)值的總個(gè)數(shù)。其中最高頻位于i = M-l處，也即采樣頻率fs = lGHz。因此，互功率譜密度函數(shù)單位頻率間隔為fintCTval = fs/M。
2)以50MHz和500MHz處為基點(diǎn)，分別作互功率譜密度函數(shù)CPSD通過該點(diǎn)處的切線SI和S2， SI和S2相交于P點(diǎn)，記P點(diǎn)處坐標(biāo)為(Px， Py)。相應(yīng)P點(diǎn)處頻率為fp =[int(Px)+l] * fintCTval。 int()表示取數(shù)值整數(shù)部分的操作。 3)令瞬發(fā)中子衰減常數(shù)為13 ，按照轉(zhuǎn)折頻率法，則"=^。 本方法的步驟(4)中所述的對(duì)瞬發(fā)中子衰減常數(shù)的綜合比對(duì)，按照如下步驟進(jìn)行 1)設(shè)整個(gè)測(cè)量過程進(jìn)行了 K次循環(huán)，每次循環(huán)中，均將兩種方法測(cè)量所得到瞬發(fā)中子衰減常數(shù)記錄下來，譬如第k次循環(huán)中，分別記為cik和Pk，l《k《K，并將所有的Qk禾卩Pk賦予兩個(gè)行向量Q和R，即Q = [a" a2， a3，... ， aj ;R = P2， P3，...， 2)計(jì)算Q所包含元素的均值mq和方差o q，其中^ ="^!>t
1 ^,7》
=一 )2 。計(jì)算r所包含元素的均值和方差。"其中=;玄& ，
5
1)若 <formula>formula see original document page 6</formula>，則認(rèn)為兩種方法測(cè)量所得結(jié)果偏差較大，結(jié)果不可信，應(yīng)再次 <formula>formula see original document page 6</formula>
0.1 ，則認(rèn)為兩種方法測(cè)量所得結(jié)果相近，結(jié)果可
<formula>formula see original document page 6</formula> 本發(fā)明的有益效果如下 雖然瞬發(fā)中子衰減常數(shù)的時(shí)域測(cè)量方法和頻域測(cè)量方法是基于兩套不同的理論，卻反映的是同一事物，因此兩種測(cè)量結(jié)果互為驗(yàn)證，互為補(bǔ)充。本發(fā)明基于對(duì)中子脈沖信號(hào)的超高速采集與實(shí)時(shí)分析，同時(shí)在時(shí)域和頻域?qū)λ舶l(fā)中子衰減常數(shù)進(jìn)行測(cè)量，避免了傳統(tǒng)測(cè)量方法既無法同時(shí)，也無法實(shí)時(shí)進(jìn)行兩種測(cè)量的弊端，顯著提高測(cè)量效率。同時(shí)，測(cè)量結(jié)果隨實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行不斷改變，測(cè)量精度不斷提高，可有效降低測(cè)量誤差，改善測(cè)量結(jié)果的可信度。


圖1為瞬發(fā)中子衰減常數(shù)綜合測(cè)量的過程框圖 圖2為瞬發(fā)中子衰減常數(shù)綜合測(cè)量流程圖 圖3為互相關(guān)函數(shù)測(cè)量結(jié)果圖 圖4為互功率譜密度函數(shù)測(cè)量結(jié)果圖 圖5為互相關(guān)函數(shù)局部及其擬合曲線圖 圖6為轉(zhuǎn)折頻率法測(cè)量結(jié)果圖 圖7為兩組瞬發(fā)中子衰減常數(shù)圖
具體實(shí)施例方式
下面通過實(shí)例進(jìn)一步闡述本發(fā)明，但并不因此將本發(fā)明限制在所描述的實(shí)施范例之內(nèi)。 實(shí)施例1 :本發(fā)明以包含^U核部件，瞬發(fā)中子衰減常數(shù)為0.0375的探測(cè)體為例進(jìn)行說明，所有中子脈沖信號(hào)通過3個(gè)通道進(jìn)行采集。其中第l通道是源通道，用于直接采集來源252Cf中子源的中子脈沖信號(hào)。第2通道及第3通道用于采集探測(cè)體受中子源激發(fā)所產(chǎn)生的中子脈沖信號(hào)。瞬發(fā)中子衰減常數(shù)分別利用第1通道與第2通道之間的互相關(guān)函數(shù)CC12和互功率譜密度函數(shù)G12進(jìn)行計(jì)算，顯然，采用第1通道與第3通道之間的互相關(guān)函數(shù)CC13以及互功率譜密度函數(shù)G13同樣可以得到類似的結(jié)果。 第一步對(duì)中子脈沖進(jìn)行采集，采樣頻率為fs = lGHz，得到中子源與被中子源激發(fā)的探測(cè)體所產(chǎn)生的中子脈沖沿時(shí)間軸的排列；該排列即為由"0"和"1"組成的中子脈沖序列，該序列按照中子脈沖出現(xiàn)的位置進(jìn)行存儲(chǔ)，沒有脈沖的不存儲(chǔ)； 第二步將采集后的數(shù)據(jù)包按給定長(zhǎng)度BlockSize = 1024進(jìn)行分塊，計(jì)算每一塊中子信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)及互相關(guān)函數(shù)，并與前一塊計(jì)算結(jié)果求和。 第三步設(shè)置采集塊數(shù)閾值Th = 10000，開始循環(huán)。當(dāng)采集中子脈沖信號(hào)的塊數(shù)達(dá)到Th的整數(shù)倍時(shí)，對(duì)求和所得相關(guān)函數(shù)進(jìn)行FFT變換，得到自功率譜密度函數(shù)及互功率譜密度函數(shù)。 第四步如圖3所示第1通道與第2通道的互相關(guān)函數(shù)CC12(i)， -1023《i《1023， i表示延遲時(shí)間。提取其中延遲時(shí)間位于20到219之間的互相關(guān)函數(shù)數(shù)據(jù)，并將其賦予數(shù)組y，其中y(j) =CC12(j+20)， j表示數(shù)組y數(shù)值的下標(biāo)，0《j《199。 第五步將數(shù)組y賦予列矢量Y，即Y二 [y(0)，y(l)，.，.，y(199)]T，其中T表示對(duì)矢量進(jìn)行轉(zhuǎn)置操作。定義變量A、a，及列矢量B，其中B二 [ln(A)，-a]T，ln()表示自然對(duì)數(shù)。定義一個(gè)2行200列的矩陣X，其中X的第1列全為1，即X( : ， 1) = 1 ;第2列為按大小順序排列的非負(fù)整數(shù)，即X(: ，2) =
T。上述數(shù)據(jù)滿足公式XXB二Y。
第六步利用上述數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘擬合，擬合公式為y = Ae鄧(_ a mt) ， e鄧()表示以e為底的指數(shù)，m表示當(dāng)前的循環(huán)次數(shù)。擬合結(jié)果包括A和cim，擬合后圖像如圖4所示，其中am就表示當(dāng)前循環(huán)中的瞬發(fā)中子衰減常數(shù)。 第七步如圖5所示第1通道與第2通道的互功率譜密度函數(shù)CPSD(i) ， i表示互功率譜密度函數(shù)數(shù)值的下標(biāo)，O《i《2046。其中最高頻位于i = 2046處，也即fs = 1GHz處。因此，CPSD單位頻率間隔為finterval = fs/2047。 第八步如圖6所示，以50MHz和500MHz處為基點(diǎn)，分別作互功率譜密度函數(shù)CPSD通過該點(diǎn)處的切線SI和S2， SI和S2相交于P點(diǎn)，記P點(diǎn)處坐標(biāo)為(Px， Py) = (466. 7，1. 035X 10—5)。相應(yīng)P點(diǎn)處頻率為fp = [int(Px)+l] * finterval = 0. 228GHz 。 int ()表示取數(shù)值整數(shù)部分的操作。第九步令瞬發(fā)中子衰減常數(shù)為13 m，按照轉(zhuǎn)折頻率法，則&, = ^ = 0.0363 。 實(shí)施例2 :測(cè)量過程中，所采集的中子脈沖信號(hào)劃分為2X10S個(gè)塊，共進(jìn)行了 20個(gè)循環(huán)。因此，兩種方法共測(cè)得20組數(shù)據(jù)，如圖7所示。其均值、方差如表1所示。由
于滿足fcl1^1 ^ 0.1 ，j^4^ O.l且m ^ 0.1 ，易得本次測(cè)量所得到的瞬發(fā)中子衰減常數(shù)為
附f +附g l附J l附gl
k +附" 表l兩組測(cè)量結(jié)果對(duì)比
相關(guān)擬合法轉(zhuǎn)折頻率法
均值0. 0380. 0362
方差0. 00310. 0026
權(quán)利要求
一種瞬發(fā)中子衰減常數(shù)的綜合在線測(cè)定方法，其特征在于所述方法包括以下步驟1)對(duì)中子脈沖進(jìn)行采集，得到中子源與被中子源激發(fā)的探測(cè)體所產(chǎn)生的中子脈沖沿時(shí)間軸的排列；該排列即為由“0”和“1”組成的中子脈沖序列，該序列按照中子脈沖出現(xiàn)的位置進(jìn)行存儲(chǔ)，沒有脈沖的不存儲(chǔ)；2)將采集后的數(shù)據(jù)包按給定長(zhǎng)度進(jìn)行分塊，實(shí)時(shí)計(jì)算每一塊中子信號(hào)的相關(guān)函數(shù)并疊加求和，待采集塊數(shù)到達(dá)設(shè)定閾值時(shí)計(jì)算功率譜密度函數(shù)；3)對(duì)相關(guān)函數(shù)利用相關(guān)擬合法計(jì)算瞬發(fā)中子衰減常數(shù)，對(duì)功率譜密度函數(shù)按轉(zhuǎn)折頻率法計(jì)算瞬發(fā)中子衰減常數(shù)；4)對(duì)上述兩種不同方法計(jì)算的結(jié)果做綜合處理，給出最終測(cè)定結(jié)果。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的瞬發(fā)中子衰減常數(shù)的綜合在線測(cè)定方法，其特征在于所述 步驟(1)中，對(duì)中子數(shù)據(jù)進(jìn)行采集時(shí)，中子源及被中子源激發(fā)的探測(cè)體產(chǎn)生的中子由中子 探測(cè)器探測(cè)，利用置于計(jì)算機(jī)中的高速數(shù)據(jù)采集卡同時(shí)對(duì)中子源通道信號(hào)和兩個(gè)探測(cè)體通 道信號(hào)進(jìn)行超高速采集，從而得到三個(gè)通道的中子脈沖信號(hào)的時(shí)間分布；在此基礎(chǔ)上，所述 步驟(2)中，將三通道數(shù)據(jù)按相同大小進(jìn)行分塊，每塊數(shù)據(jù)分別計(jì)算其自相關(guān)與互相關(guān)，并 對(duì)自相關(guān)與互相關(guān)分別應(yīng)用快速傅立葉變換FFT求得自功率譜和互功率譜。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的瞬發(fā)中子衰減常數(shù)的綜合在線測(cè)定方法，其特征在于所述 步驟(3)中對(duì)相關(guān)函數(shù)利用相關(guān)擬合法計(jì)算瞬發(fā)中子衰減常數(shù)的方法是1) 提取互相關(guān)函數(shù)CC(i)延遲時(shí)間位于1^到l^之間的數(shù)據(jù)，并將其賦予數(shù)組y，其中 i表示延遲時(shí)間，-N《i《N， y (j) = CC(j+L》，j表示數(shù)組y數(shù)值的下標(biāo)，O《j《L2_L1， 20《k《L2《220， 180《1^-1^《200 ;2) 定義列矢量B、 Y、矩陣X以及變量A、 a ;其中Y = [y (0) ， y (1) ， . . . ， y (L2_L》]T， T 表示對(duì)矢量進(jìn)行轉(zhuǎn)置操作；B = [In (A) ， - a ]T， ln()表示自然對(duì)數(shù)；矩陣X為2行L3列，其中X的第1列全為1，即X( : ， 1) = 1 ;第2列為按大小順序排列的非負(fù)整數(shù)，即X( : ，2)=
T， L3 = L2-L,1，且上述數(shù)據(jù)滿足公式XXB = Y ;3) 利用上述數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘擬合，擬合公式為y = Ae^(-at)， e鄧()表示以e為 底的指數(shù)，擬合結(jié)果包括A和a，其中a就表示瞬發(fā)中子衰減常數(shù)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的瞬發(fā)中子衰減常數(shù)的綜合在線測(cè)定方法，其特征在于對(duì)功 率譜密度函數(shù)利用轉(zhuǎn)折頻率法計(jì)算瞬發(fā)中子衰減常數(shù)的方法是1) 對(duì)于互功率譜密度函數(shù)<formula>formula see original document page 2</formula>， i表示互功率譜密度函數(shù)數(shù)值的下 標(biāo)，M表示互功率譜密度函數(shù)所包含數(shù)值的總個(gè)數(shù)，其最高頻位于i = M-l處，也即采樣頻 率<formula>formula see original document page 2</formula>，因此，其單位頻率間隔為<formula>formula see original document page 2</formula>;2) 以50MHz和500MHz處為基點(diǎn)，分別作互功率譜密度函數(shù)CPSD通過該點(diǎn)處的切線SI 和S2，S1和S2相交于P點(diǎn)，記P點(diǎn)處坐標(biāo)為(Px，Py)。相應(yīng)P點(diǎn)處頻率為<formula>formula see original document page 2</formula>3) 令瞬發(fā)中子衰減常數(shù)為P，按照轉(zhuǎn)折頻率法，則<formula>formula see original document page 2</formula>單位為GHz。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的瞬發(fā)中子衰減常數(shù)的綜合在線測(cè)定方法，其特征在于步驟 (3)中對(duì)兩種不同方法計(jì)算的結(jié)果做綜合處理的方法是1)設(shè)整個(gè)測(cè)量過程進(jìn)行了 K次循環(huán)，每次循環(huán)中，均將兩種方法測(cè)量所得到瞬發(fā)中子衰減常數(shù)記錄下來，如第k次循環(huán)中，分別記為cik和Pk，l《k《K，并將所有的ak和|3k 賦予兩個(gè)行向量Q和R，即Q = [、， a 2， a3，...， aK] ;R = P 2， P 3， ， a K];2)計(jì)算Q所包含元素的均值m,和方差o,，其中附g =^|>;c , 二;S("4-附》2 ; 計(jì)算R所包含元素的均值nv和方差。y其中^ =;fA ， =H;(A—附J2 ;3)若<formula>formula see original document page 3</formula>> o.i ，則認(rèn)為兩種方法測(cè)量所得結(jié)果偏差較大，結(jié)果不可信，應(yīng)再次測(cè)<formula>formula see original document page 3</formula>;o.i ，則認(rèn)為兩種方法測(cè)量所得結(jié)果相近，結(jié)果可信，瞬發(fā)中子衰減常數(shù)<formula>formula see original document page 3</formula>
全文摘要
本發(fā)明公開了一種瞬發(fā)中子衰減常數(shù)的綜合在線測(cè)定方法。主要包括以下階段1)對(duì)中子脈沖進(jìn)行采集，得到中子源與被中子源激發(fā)的探測(cè)體所產(chǎn)生的中子脈沖的時(shí)間分布；2)將采集后的數(shù)據(jù)包按給定長(zhǎng)度進(jìn)行分塊，計(jì)算每一塊中子信號(hào)的相關(guān)函數(shù)及功率譜密度；3)對(duì)相關(guān)函數(shù)利用相關(guān)擬合法計(jì)算瞬發(fā)中子衰減常數(shù)、對(duì)功率譜密度按轉(zhuǎn)折頻率法計(jì)算瞬發(fā)中子衰減常數(shù)；4)對(duì)上述兩種不同方法計(jì)算的結(jié)果做綜合處理，給出最終測(cè)定結(jié)果。該方法可以同時(shí)在時(shí)域與頻域?qū)λ舶l(fā)中子衰減常數(shù)進(jìn)行估計(jì)，并與測(cè)量同步，隨測(cè)量的進(jìn)行精度逐步提高，最終實(shí)現(xiàn)在線測(cè)定的目的。
文檔編號(hào)G01T3/00GK101713830SQ20091019149
公開日2010年5月26日 申請(qǐng)日期2009年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月17日
發(fā)明者任勇, 馮鵬, 杜科, 米德伶, 金晶, 魏彪 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)