基于反卷积的自给能中子探测器延迟效应消除方法技术

基于反卷积的自给能中子探测器延迟效应消除方法，步骤如下：(1)根据探测器材料在中子场中的反应画出其原理图；(2)写出各中间核素数量Ni(t)(i＝1,2,3...m)与中子通量密度φ(t)间的微分方程和探测电流I(t)的表达式；(3)取φ(t)为冲激信号δ(t)，上述微分方程很容易求解得到电流单位冲击响应h(t)，而任意情况下I(t)为φ(t)与h(t)的卷积；(4)把该卷积离散化，得到I(n)与φ(n)和h(n)的关系式；(5)对照各中间核素(衰变常数不同)，可得到其缓发电流Ii(n+1)与Ii(n)、φ(n)的迭代关系；(6)进而建立φ(n+1)和I(n+1)、Ii(n+1)的关系；(7)初值φ(0)、Ii(0)可利用采样才开始的m+1个采样点结合第(4)步骤中关系式求出(避开电流突变点即可)。最终利用上述初值确定法和迭代关系式可以实时消除自给能中子探测器的延迟效应。该方法易操作、易理解、精度好。

Deconvolution based delayed effect cancellation method for self energy neutron detector

\u57fa\u4e8e\u53cd\u5377\u79ef\u7684\u81ea\u7ed9\u80fd\u4e2d\u5b50\u63a2\u6d4b\u5668\u5ef6\u8fdf\u6548\u5e94\u6d88\u9664\u65b9\u6cd5\uff0c\u6b65\u9aa4\u5982\u4e0b\uff1a(1)\u6839\u636e\u63a2\u6d4b\u5668\u6750\u6599\u5728\u4e2d\u5b50\u573a\u4e2d\u7684\u53cd\u5e94\u753b\u51fa\u5176\u539f\u7406\u56fe\uff1b(2)\u5199\u51fa\u5404\u4e2d\u95f4\u6838\u7d20\u6570\u91cfNi(t)(i\uff1d1,2,3...m)\u4e0e\u4e2d\u5b50\u901a\u91cf\u5bc6\u5ea6\u03c6(t)\u95f4\u7684\u5fae\u5206\u65b9\u7a0b\u548c\u63a2\u6d4b\u7535\u6d41I(t)\u7684\u8868\u8fbe\u5f0f\uff1b(3)\u53d6\u03c6(t)\u4e3a\u51b2\u6fc0\u4fe1\u53f7\u03b4(t)\uff0c\u4e0a\u8ff0\u5fae\u5206\u65b9\u7a0b\u5f88\u5bb9\u6613\u6c42\u89e3\u5f97\u5230\u7535\u6d41\u5355\u4f4d\u51b2\u51fb\u54cd\u5e94h(t)\uff0c\u800c\u4efb\u610f\u60c5\u51b5\u4e0bI(t)\u4e3a\u03c6(t)\u4e0eh(t)\u7684\u5377\u79ef\uff1b(4)\u628a\u8be5\u5377\u79ef\u79bb\u6563\u5316\uff0c\u5f97\u5230I(n)\u4e0e\u03c6(n)\u548ch(n)\u7684\u5173\u7cfb\u5f0f\uff1b(5)\u5bf9\u7167\u5404\u4e2d\u95f4\u6838\u7d20(\u8870\u53d8\u5e38\u6570\u4e0d\u540c)\uff0c\u53ef\u5f97\u5230\u5176\u7f13\u53d1\u7535\u6d41Ii(n+1)\u4e0eIi(n)\u3001\u03c6(n)\u7684\u8fed\u4ee3\u5173\u7cfb\uff1b(6)\u8fdb\u800c\u5efa\u7acb\u03c6(n+1)\u548cI(n+1)\u3001Ii(n+1)\u7684\u5173\u7cfb\uff1b(7)\u521d\u503c\u03c6(0)\u3001Ii(0)\u53ef\u5229\u7528\u91c7\u6837\u624d\u5f00\u59cb\u7684m+1\u4e2a\u91c7\u6837\u70b9\u7ed3\u5408\u7b2c(4)\u6b65\u9aa4 The formula of the relation is obtained (avoiding the point of sudden change of current). Finally, the delay effect of the self energy neutron detector can be eliminated in real time by using the above initial value determination method and the iterative relation. The method is easy to operate, easy to understand and good in accuracy.

【技术实现步骤摘要】
基于反卷积的自给能中子探测器延迟效应消除方法
本专利技术属于中子探测
，具体涉及一种基于反卷积的自给能中子探测器延迟效应消除方法。
技术介绍
核能因为能量密度高，在可持续能源结构中占有不可替代的地位。但是核安全是核能应用中必须解决的关键问题。在核反应堆中，中子通量密度是监测和控制反应堆正常运行的关键物理量。由于反应堆堆芯是高温高压和强辐照环境，一般的探测器难以胜任。而自给能探测器由于具有不需偏压、结构简单、体积小、全体固化、电子学设备简单等特性，成为监控反应堆堆芯中子通量的重要探测器。目前应用较多的自给能探测器主要有59Co探测器、103Rh探测器、51V探测器等。自给能探测器的探测原理如下：探测器在堆芯中吸收中子后会经过多种途径放出电子，当电子被收集电极收集时将会在回路中产生电流，此电流强度与堆内中子通量密度有相关关系，所以通过测量这一电流强度可以达到测量反应堆中中子通量的目的。但是，自给能中子探测器的电流信号受到中间不稳定核素半衰期的限制，在反映中子通量密度的变化上存在延迟，影响了该探测器在反应堆实时安全保护系统中的应用。针对上述问题，本项目提出了一种消除自给能中子探测器延迟效应的方法，能够把延迟效应降低到1秒之内，能够大大提高反应堆的安全性。国内外的学者对自给能探测器的延迟修正方法有过很多的研究，固然成果不少，但往往涉及拉普拉斯变换、Z变换，较为复杂，难于理解。
技术实现思路
为了克服上述现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种基于反卷积的自给能中子探测器延迟效应消除方法，具有容易理解，精度高的优点。为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：基于反卷积的自给能中子探测器延迟效应消除方法，其详细步骤如下：步骤1：根据探测器材料在中子场中的反应物理过程画出其反应机制原理图；步骤2：根据步骤1画出的反应机制原理图给出的各元素生成及衰变关系写出探测器单位体积内各中间核素数量Ni(t)关于中子通量密度φ(t)的动态微分方程组(1)，写出探测电流I(t)与各中间核素数量及中子通量密度φ(t)的表达式(2)；式中：i表示第i个相关核素，取值为0到m；j表示第j个相关元素，取值为0到j‐1；m表示共有m个相关核素；t表示时间；Σi为在探测器单位体积内反应生成第i个相关核素的宏观截面；fi为探测器内产生第i个相关核素时产生瞬时电流的效率；ji为探测器内的第i个相关核素退激或衰变时的电流产生效率；λi为第i个相关核素的衰变常数；λj为第j个相关核素的衰变常数；Ni(t)为第i个相关核素单位体积内核素数量；Nj(t)为第j个相关核素单位体积内核素数量；步骤3：将中子通量密度φ(t)假设为单位脉冲信号δ(t)，见表达式(3)，具体推导出探测器单位体积内各中间核素数量Ni(t)的表达式(4)及探测电流I(t)与时间t的表达式(5)，那么，以单位脉冲信号输入产生响应的探测电流即为探测器的单位冲激响应(6)；式中：i表示第i个相关核素；t表示时间；∑i为在探测器单位体积内反应生成第i个相关核素的宏观截面；Ni(t)为第i个相关核素单位体积内核素数量；λi为第i个相关核素的衰变常数；h(t)为探测器的单位冲激响应；ai和bi参数因子由具体探测器材料给出；步骤4：对于一般的中子通量密度φ(t)，探测电流I(t)就有关系式(7)，由于探测电流是连续的，所以对中子探测器实际测量的电流值进行采样，得到电流的取样值I(nΔt)；卷积表达式为：I(t)＝φ(t)*h(t)(7)步骤5：将步骤4得到的卷积关系式(7)离散化，对一个单位冲激响应为h(t)的线性时不变因果系统，即在自给能中子探测器系统中，输入信号函数与输出信号函数之间的关系可以用卷积表示为(8)式，离散化后具体表示为(12)式。具体如下所述：离散化处理后卷积表达式为：I(n)＝φ(n)*h(n)(8)I(n)为第n个采样点的电流值；φ(n)为第n个采样点的中子通量密度；h(n)为第n个采样点的单位冲激响应；其中：I(n)＝I(nΔt)(9)Δt为采样时间间隔；I(n)为第n个采样点的电流值用第n个时间点的电流值I(nΔt)表示；φ(n)＝φ(nΔt)(10)Δt为采样时间间隔；φ(n)为第n个采样点的中子通量密度用第n个时间点的中子通量密度φ(nΔt)表示；显然，此处：离散化处理后电流表达式为：设那么离散化处理后电流表示为：其中结合(11)式的积分结果可得：联立(13)、(14)式可得迭代式：其中：S为探测器对中子的瞬时成分的灵敏度；Σi为在探测器内反应生成第i个相关核素的总截面；fi为探测器单位体积内产生第i个相关核素时产生瞬时电流的效率；Ii(n)为第i种缓发电流在第n个采样点的电流值；Ii(n+1)为第i种缓发电流在第n+1个采样点的电流值；hi(n)为第i种缓发电流在第n个采样点的单位冲激响应；步骤6：确定计算中子通量的迭代关系式，首先根据I(n)的表达式列出方程，再列出I(n+1)的方程，看两者的迭代关系，再由I(n+1)式中导出中子通量密度φ(n+1)的表达式；具体过程如下：由式(13)得到：其中：φ(n)为第n个采样点的中子通量密度；i表示第i个相关核素，取值为0到m(m为相关核素的总数)；Ii(n+1)为第i种缓发电流在第n+1个采样点的电流值；结合式(15)、(16)可知，由当前时段的所有缓发电流成分，中子通量密度和当前所测得的电流就可得出下一时间点的中子通量密度值；步骤7：确定迭代式的初值，根据电流信号的是否发生突变来判断中子通量是否发生突变，若是电流信号平稳，那么取前m+1个采样点，即在(m+1)Δt的采样时间内，列出假设中子通量密度不发生变化的齐次线性方程组，解这个方程组便可以得到带入迭代式的初始值；若电流信号发生突变，说明中子通量密度此时刻不稳定，那么，处理方法为将向后延迟几秒取若干个点，列出齐次线性方程组求解得到迭代式初始值；具体过程如下：列出关于初值的矩阵并由Cramer法则求解：步骤8：迭代得到中子通量密度，将步骤7中得到的初值带入下列迭代式中，便能够由当前时间的所有缓发电流成分、中子通量密度和当前所测得的电流就可得出下一时间点的中子通量密度值；其中：Δt为采样时间间隔；i表示第i个相关核素，取值为0到m(m为相关核素的总数)；Ii(n)为第i种缓发电流在第n个采样点的电流值；Ii(n+1)为第i种缓发电流在第n+1个采样点的电流值；λi为第i个相关核素的衰变常数；φ(n)为第n个采样点的中子通量密度；φ(n+1)为第n+1个采样点的中子通量密度；hi(1)为第i种缓发电流在第1个采样点的单位冲激响应；与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：步骤2中影响电流信号延迟的原因考虑周全，不仅有中间核素发生的衰变过程，还包括不稳定核素的退激过程，不会因为忽略小电流是的消除延迟效应的结果产生较大误差。步骤3‐步骤6均为简单的数学处理及迭代过程，相对于进行拉普拉斯变换以及Z变换处理，过程简单易操作。步骤7考虑了进行迭代时初值的选取，在探测器刚开始工作时，初值可以选择为缓发电流成分值为0，瞬发电流成分可依据公式求出，在探测器已测量电流一段时间后，迭代的初值由方程组确定。附图说明图1为本专利技术流程示意图。图2为探测器探测中子相关反应过程图。图3为输入为本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于反卷积的自给能中子探测器延迟效应消除方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1：根据探测器材料在中子场中的反应物理过程画出其反应机制原理图；步骤2：根据步骤1画出的反应机制原理图给出的各元素生成及衰变关系写出探测器单位体积内各中间核素数量Ni(t)关于中子通量密度φ(t)的动态微分方程组(1)，写出探测电流I(t)与各中间核素数量及中子通量密度φ(t)的表达式(2)；

【技术特征摘要】
1.基于反卷积的自给能中子探测器延迟效应消除方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1：根据探测器材料在中子场中的反应物理过程画出其反应机制原理图；步骤2：根据步骤1画出的反应机制原理图给出的各元素生成及衰变关系写出探测器单位体积内各中间核素数量Ni(t)关于中子通量密度φ(t)的动态微分方程组(1)，写出探测电流I(t)与各中间核素数量及中子通量密度φ(t)的表达式(2)；式中：i表示第i个相关核素，取值为0到m；j表示第j个相关元素，取值为0到j-1；m表示共有m个相关核素；t表示时间；Σi为在探测器单位体积内反应生成第i个相关核素的宏观截面；fi为探测器内产生第i个相关核素时产生瞬时电流的效率；ji为探测器内的第i个相关核素退激或衰变时的电流产生效率；λi为第i个相关核素的衰变常数；λj为第j个相关核素的衰变常数；Ni(t)为第i个相关核素单位体积内核素数量；Nj(t)为第j个相关核素单位体积内核素数量；步骤3：将中子通量密度φ(t)假设为单位脉冲信号δ(t)，见表达式(3)，具体推导出探测器单位体积内各中间核素数量Ni(t)的表达式(4)及探测电流I(t)与时间t的表达式(5)，那么，以单位脉冲信号输入产生响应的探测电流即为探测器的单位冲激响应，见表达式(6)；式中：i表示第i个相关核素；t表示时间；∑i为在探测器单位体积内反应生成第i个相关核素的宏观截面；Ni(t)为第i个相关核素单位体积内核素数量；λi为第i个相关核素的衰变常数；h(t)为探测器的单位冲激响应；ai和bi参数因子由具体探测器材料给出；步骤4：对于一般的中子通量密度φ(t)，探测电流I(t)就有关系式(7)，由于探测电流是连续的，所以对中子探测器实际测量的电流值进行采样，得到电流的取样值I(nΔt)；卷积表达式为：I(t)＝φ(t)*h(t)(7)步骤5：将步骤4得到的卷积关系式(7)离散化，对一个单位冲激响应为h(t)的线性时不变因果系统，即在自给能中子探测器系统中，输入信号函数与输出信号函数之间的关系可以用卷积表示为(8)式，离散化后具体表示为(12)式；具体如下所述：离散化处理后卷积表达式为：I(n)＝φ(n)*h(n)(8)I(n)为第n个采样点的电流值；φ(n)为第n个采样点的中子通量密度；h(n)为第n个采样点的单位冲激响应；其中：I(n)＝I(nΔt)(9)Δt为采样时间间隔；I(n)为第n个采样点的电流值用第n个时间点的电流值I(nΔt)表示；φ(n...

【专利技术属性】
技术研发人员：张清民，童大银，李杨，邓邦杰，吕金戈，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61