基于Pulse-Current模式的寬動態范圍中子通量測量系統及方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于Pulse-Current模式的寬動態范圍中子通量測量系統和方法，所述系統包括：裂變室、參考室、Pulse模塊、Current模塊、后處理模塊和模式選擇模塊。本發明還公開了一種基于Pulse-Current模式的寬動態范圍中子通量測量方法。本發明從根本上解決了傳統的寬動態范圍中子通量測量過程中對本底射線抑制能力和信噪比要求之間的矛盾。
【專利說明】基于Pu Ise-Cur rent模式的寬動態范圍中子通量測量系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及核探測領域,尤其是一種基于Pulse-Current模式的寬動態范圍中子通量測量系統及方法。
【背景技術】
[0002]裂變室探測器因其具有較好的Y抑制能力而被廣泛的應用在中子通量監測領域。中子和裂變室中的裂變材料(如235U)相互作用時會產生裂變碎片，碎片在室內漂移過程中引起氣體電離從而輸出脈沖信號。當中子通量較低時，裂變室輸出的脈沖信號堆積概率很小，通過對脈沖進行計數即可得到中子的通量，這種工作模式稱為Pulse模式；隨著中子通量的增加，探測器輸出脈沖開始堆積，Pulse模式將無法得到正確的通量值，此時可采用Campbell模式，即通過測量堆積后脈沖信號的均方值來反推出入射中子的通量；而當中子通量繼續增加以致探測器輸出信號成為緩慢變化的近似直流信號時，多采用Current模式，即通過測量該近似直流信號的平均值來求解入射中子通量。
[0003]采用Campbell模式的最大優勢在于其對本底射線(如Y等)有最優的抑制能力。對于裂變室而言，因作用機理的不同，中子信號的幅度一般遠遠大于本底射線，對信號進行平方后，兩者的幅度差異將進一步增大，從而使得本底射線對均方值的貢獻極大的降低。Current模式由于只取平均值,雖然動態范圍相對于取均方值的Campbell模式有所增力口，但其對本底射線的抑制能力卻遠遠不如Campbell模式，故該模式僅用在中子通量非常大以致可以忽略本底射線影響的情形。因此，大多數情況下的寬動態范圍中子通量的測量均是基于Pulse-Campbell模式進行的。
[0004]然而，由于信號的均方值對信號噪聲非常敏感，故Campbell模式在取得優異本底射線抑制能力的同時，對信噪比的要求也極大的提高。目前發展的技術均集中在如何降低Campbell模式下的系統信噪比，雖然也取得了一定的成效，但均未能從根本上解決這個矛
盾O
【發明內容】
[0005]為了解決傳統的寬動態范圍中子通量測量過程中對本底射線抑制能力和信噪比要求之間的矛盾。本發明提出一種基于Pulse-Current模式的寬動態范圍中子通量測量系統及方法。
[0006]根據本發明的一方面,提出一種基于Pulse-Current模式的寬動態范圍中子通量測量系統，該系統包括:裂變室、參考室、Pulse模塊、Current模塊、后處理模塊和模式選擇模塊，其中:
[0007]所述裂變室用于探測中子，輻射環境中的本底射線以及裂變材料自發裂變所產生的粒子，并向所述Pulse模塊和所述Current模塊分別輸出中子信號、本底信號及其他干擾
信號；[0008]所述參考室用于探測本底射線，并向所述Current模塊輸出本底信號；
[0009]所述Pul se模塊與所述裂變室連接，其工作在Pul se模式下，用于通過幅度甄別的方式從所接收的信號中扣除所述本底信號和其他干擾信號，并對所述中子信號進行計數，完成低中子通量下的測量；
[0010]所述Current模塊與所述裂變室和所述參考室連接,其工作在Current模式下,用于對接收到的脈沖信號進行積分，并求其平均值；對應于所述裂變室的輸出，所述Current模塊所得到的平均值記為V1，對應于所述參考室的輸出，所述Current模塊所得到的平均值記為V2 ;
[0011]所述后處理模塊與所述Current模塊連接，其通過處理兩個平均值V1和V2來求解得到純中子的通量；
[0012]所述模式選擇模塊與所述Pulse模塊和所述后處理模塊連接，用于基于所述Pulse模塊和所述后處理模塊的輸出，在Pulse和Current兩種工作模式之間選擇一模式并將該模式所對應的結果，即所述Pulse模塊的輸出或所述后處理模塊的輸出，作為最終的中子通量輸出，完成寬動態范圍中子通量的測量。
[0013]根據本發明的另一方面，提出一種基于Pulse-Current模式的寬動態范圍中子通量測量方法，該方法包括以下步驟:
[0014]步驟1，裂變室探測中子，本底射線以及裂變材料自發裂變所產生的粒子，并向Pulse模塊和Current模塊分別輸出中子信號、本底信號及其他干擾信號；同時,參考室探測本底射線并向所述Current模塊輸出本底信號；
[0015]步驟2，工作在Pulse模式下的Pulse模塊通過幅度甄別的方式從所接收的信號中扣除所述本底信號和其他干擾信號，并對所述中子信號進行計數，完成低中子通量下的測量；同時，工作在Current模式下的Current模塊對所述裂變室輸出的脈沖信號進行積分，求其平均值，并記為V1 ;對所述參考室輸出的脈沖信號進行積分，求其平均值，記為V2 ；
[0016]步驟3，后處理模塊對所得到的兩個平均值進行處理，得到表征純中子信號的平均值，再通過該平均值即可反解出入射中子的通量；
[0017]步驟4,基于所述入射中子的通量,利用遲滯比較法,在Pulse和Current兩種工作模式之間選擇一模式并將該模式所對應的結果作為最終的中子通量輸出，完成寬動態范圍中子通量的測量。
[0018]本發明的優點為:第一、由于本發明使用Current模式，而噪聲的平均值為0，故極大的降低了系統對信噪比的要求，且動態范圍也比Campbell模式更高；第二、由于采用了參考室，本底射線對平均值的貢獻也可通過平均值相減從而被徹底消除。因此，本發明從根本上解決了傳統的寬動態范圍中子通量測量過程中對本底射線抑制能力和信噪比要求之間的矛盾。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1是本發明基于Pulse-Current模式的寬動態范圍中子通量測量系統的原理框圖；
[0020]圖2是本發明基于Pulse-Current模式的寬動態范圍中子通量測量方法流程圖；
[0021]圖3是ITER國際合作項目中的中子通量監測系統實物圖?！揪唧w實施方式】
[0022]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。
[0023]圖1是本發明基于Pulse-Current模式的寬動態范圍中子通量測量系統的原理框圖，如圖1所示，根據本發明的一方面，本發明提出的所述基于Pulse-Current模式的寬動態范圍中子通量測量系統包括:裂變室、參考室、Pulse模塊、Current模塊、后處理模塊和模式選擇模塊，其中:
[0024]所述裂變室用于探測以下三種粒子:中子，輻射環境中的本底射線(如中子輻射過程中所伴生的α、β、Y射線等)，以及裂變材料自發裂變所產生的粒子，記所述三種粒子在裂變室中產生的脈沖信號分別為:中子信號，本底信號以及其他干擾信號，這三種脈沖信號將被同時發送給所述Pulse模塊和所述Current模塊；
[0025]所述參考室與所述裂變室的結構完全相同，兩者的差別僅在于所述參考室的表層未涂有裂變材料，因此其無法探測中子，僅用于探測本底射線，其輸出的本底信號也只發送給所述Current模塊；
[0026]所述Pul se模塊與所述裂變室連接，其工作在Pul se模式下，用于通過幅度甄別的方式從所接收的信號中扣除所述本底信號和其他干擾信號，并對所述中子信號進行計數，完成低中子通量下的測量；
[0027]所述Current模塊與所述裂變室和所述參考室連接,其工作在Current模式下,用于對接收到的脈沖信號進行積分，并求其平均值；對應于所述裂變室的輸出，所述Current模塊所得到的平均值記為V1，對應于所述參考室的輸出，所述Current模塊所得到的平均值記為V2，其中，V1主要包括以下三種粒子的貢獻:中子、本底射線以及裂變材料自發裂變產生的粒子，而V2中只包含本底射線的貢獻；
[0028]所述后處理模塊與所述Current模塊連接，其通過處理兩個平均值V1和V2:V =V1-V2-K,來反解出純中子的通量。由于參考室和裂變室結構基本相同，故本底射線在裂變室和參考室中的相互作用過程也基本相同，因此本底信號對平均值的貢獻也可視為相同，于是，若從V1中減去V2,即可消除本底射線對于平均值的貢獻；對于裂變材料自發裂變產生的粒子(如α)，因其對V2沒有貢獻，故無法通過減去V2而消除，但由于這一部分粒子的貢獻只與裂變室本身的特性有關，并不隨測量環境的改變而改變，故可以視為一個常量，記為K，顯然，K可以通過一次標定而測得。因此，
[0029]若再從V1-V2中減去K即可扣除自發裂變所產生粒子對于平均值的貢獻，亦即，V1-V2-K就表征了純中子信號的平均值，通過該平均值即可反解出入射中子的通量。
[0030]所述模式選擇模塊與所述Pulse模塊和所述后處理模塊連接，用于基于所述入射中子的通量，在Pulse和Current兩種工作模式之間選擇合適的一模式并將該模式所對應的結果，即所述Pulse模塊的輸出或所述后處理模塊的輸出，作為最終的中子通量輸出，完成寬動態范圍中子通量的測量。其中，模式選擇的方法采用遲滯比較法，即分別設定一個上、下閾值，當入射中子通量超過上閾值時，選擇Current工作模式；當入射中子通量低于下閾值時，則選擇Pulse模式。所述遲滯比較法采用了兩個閾值，相比于一個閾值，其不會因為噪聲的影響導致工作模式的頻繁切換。具體的上、下閾值的取值需通過綜合考慮待測中子輻射的環境、中子信號的形狀、信號堆積的概率等實際因素來設定。
[0031]圖2是本發明基于Pulse-Current模式的寬動態范圍中子通量測量方法流程圖，如圖2所示，根據本發明的另一方面，本發明提出的所述基于Pulse-Current模式的寬動態范圍中子通量測量方法包括以下步驟:
[0032]步驟1，裂變室探測中子，本底射線以及裂變材料自發裂變所產生的粒子，并向Pulse模塊和Current模塊分別輸出中子信號、本底信號及其他干擾信號；同時,參考室探測本底射線并向所述Current模塊輸出本底信號；
[0033]步驟2，工作在Pulse模式下的Pulse模塊通過幅度甄別的方式從所接收的信號中扣除所述本底信號和其他干擾信號，并對所述中子信號進行計數，完成低中子通量下的測量；同時，工作在Current模式下的Current模塊對所述裂變室輸出的脈沖信號進行積分，求其平均值，并記為V1，該平均值主要包括以下三種粒子的貢獻:中子、本底射線以及裂變材料自發裂變產生的粒子；對所述參考室輸出的脈沖信號進行積分，求其平均值，記為V2,該平均值僅包括本底射線的貢獻；
[0034]步驟3，后處理模塊對所得到的兩個平均值進行處理，得到表征純中子信號的平均值:V = V1-V2-K,再通過該平均值即可反解出入射中子的通量。式中，K為一常量，僅與裂變室本身的特性有關，表示裂變材料自發裂變產生的粒子對平均值的貢獻；
[0035]步驟4,基于所述入射中子的通量,利用遲滯比較法,在Pulse和Current兩種工作模式之間選擇一模式并將該模式所對應的結果作為最終的中子通量輸出，完成寬動態范圍中子通量的測量，具體地，采用遲滯比較法對工作模式進行選擇:分別設定上、下閾值，當所述入射中子的通量超過上閾值時，選擇Current工作模式；當所述入射中子的通量低于下閾值時，則選擇Pulse模式。
[0036]目前已成功將本發明方法應用于ITER國際合作項目中的中子通量監測(NFM，Neutron Flux Monitor)系統,該系統主要利用全數字化技術對中子信號進行脈沖計數和數字積分，并采用所述的Pulse-Current工作模式，完成了寬動態范圍的中子通量監測。圖3為ITER國際合作項目中的中子通量監測系統實物圖。
[0037]以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種基于Pulse-current模式的寬動態范圍中子通量測量系統，其特征在于，該系統包括:裂變室、參考室、Pulse模塊、Current模塊、后處理模塊和模式選擇模塊，其中: 所述裂變室用于探測中子，輻射環境中的本底射線以及裂變材料自發裂變所產生的粒子，并向所述Pulse模塊和所述Current模塊分別輸出中子信號、本底信號及其他干擾信號; 所述參考室用于探測本底射線，并向所述Current模塊輸出本底信號； 所述Pulse模塊與所述裂變室連接，其工作在Pulse模式下，用于通過幅度甄別的方式從所接收的信號中扣除所述本底信號和其他干擾信號，并對所述中子信號進行計數，完成低中子通量下的測量； 所述Current模塊與所述裂變室和所述參考室連接,其工作在Current模式下,用于對接收到的脈沖信號進行積分，并求其平均值；對應于所述裂變室的輸出，所述Current模塊所得到的平均值記為V1，對應于所述參考室的輸出，所述Current模塊所得到的平均值記為V2; 所述后處理模塊與所述Current模塊連接，其通過處理兩個平均值V1和V2來求解得到純中子的通量； 所述模式選擇模塊與所述Pulse模塊和所述后處理模塊連接，用于基于所述Pulse模塊和所述后處理模塊的輸出，在Pulse和Current兩種工作模式之間選擇一模式并將該模式所對應的結果，即所述Pulse模塊的輸出或所述后處理模塊的輸出，作為最終的中子通量輸出，完成寬動態范圍中子通量的測量。
2.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述參考室與所述裂變室的結構完全相同，其差別僅在于所述參考室的表層未涂有裂變材料。
3.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述平均值V1包括以下三種粒子的貢獻:中子、本底射線以及裂變材料自發裂變產生的粒子，而所述平均值V2只包含本底射線的貢獻。
4.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，處理兩個平均值V1和V2來求解得到純中子的通量進一步為: 按照下式處理兩個平均值V1和V2得到表征純中子信號的平均值:
V= V1-V2-K, 其中，K為一個常量，表示裂變材料自發裂變產生的粒子對平均值的貢獻； 通過該平均值即可反解出入射中子的通量。
5.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述模式選擇模塊采用遲滯比較法對模式進行選擇:分別設定上、下閾值，當所述入射中子的通量超過上閾值時，選擇Current工作模式；當所述入射中子的通量低于下閾值時，則切換到Pulse模式。
6.一種基于Pulse-Current模式的寬動態范圍中子通量測量方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 步驟1，裂變室探測中子，本底射線以及裂變材料自發裂變所產生的粒子，并向Pulse模塊和Current模塊分別輸出中子信號、本底信號及其他干擾信號；同時,參考室探測本底射線并向所述Current模塊輸出本底信號； 步驟2，工作在Pulse模式下的Pulse模塊通過幅度甄別的方式從所接收的信號中扣除所述本底信號和其他干擾信號，并對所述中子信號進行計數，完成低中子通量下的測量；同時，工作在Current模式下的Current模塊對所述裂變室輸出的脈沖信號進行積分,求其平均值，并記為V1 ;對所述參考室輸出的脈沖信號進行積分，求其平均值，記為V2 ； 步驟3，后處理模塊對所得到的兩個平均值進行處理，得到表征純中子信號的平均值，再通過該平均值即可反解出入射中子的通量； 步驟4，基于所述入射中子的通量，利用遲滯比較法，在Pulse和Current兩種工作模式之間選擇一模式并將該模式所對應的結果作為最終的中子通量輸出，完成寬動態范圍中子通量的測量。
7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，所述平均值V1包括以下三種粒子的貢獻:中子、本底射線以及裂變材料自發裂變產生的粒子，所述平均值V2只包含本底射線的貢獻。
8.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，所述表征純中子信號的平均值表示為:
V= V1-V2-K, 其中，K為一個常量，表示裂變材料自發裂變產生的粒子對平均值的貢獻。
9.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，所述步驟4中，采用遲滯比較法對工作模式進行選擇:分別設定上、下閾值，當所述入射中子的通量超過上閾值時，選擇Current工作模式；當所述入 射中子的通量低于下閾值時，則選擇Pulse模式。
【文檔編號】G01T3/00GK103969677SQ201310030086
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2013年1月25日 優先權日:2013年1月25日
【發明者】陰澤杰, 李世平, 徐修峰, 楊青巍, 楊進蔚 申請人:中國科學技術大學
專業數控銑床產品供應商
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