一种消除自给能中子探测器延迟效应的方法
【专利摘要】一种消除自给能中子探测器延迟效应的方法，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)的动态微分方程组以及探测电流I(t)与各中间核素数量及中子通量密度φ(t)的表达式，通过对方程组和表达式变换得到Ni(nTs)和Ni((n-1)Ts)及I((n-1)Ts)的关系式，同时得到φ(nTs)和Ni(nTs)及I(nTs)的关系式；给出Ni(0),I(0)的初始值；通过测量中子探测器的电流进行取样，得到电流采样的测量值Im(nTs)；对其处理得到Is(nTs)；得出下一步循环中探测器单位体积内各中间核素数量及当前时间段消除时间延迟效应的中子通量密度的瞬时值并输出；本发明克服了半衰期限制带来的电流信号延迟问题；引入噪声过滤使其更适合于反应堆堆芯的复杂的探测环境；无需拉氏变换、Z变换。
【专利说明】一种消除自给能中子探测器延迟效应的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于中子探测【技术领域】，具体涉及一种消除自给能中子探测器延迟效应的方法。
【背景技术】
[0002]核能是人类最具希望的未来能源。在核能反应堆中，中子通量密度是最能直观地体现反应堆功率以及反应堆状态的物理量，同时人们也是通过控制堆内中子通量密度的方式来控制反应堆。由于核反应堆的特殊性以及核反应堆安全运行的重要性，使得中子探测在反应堆内各种粒子以及射线的探测中处于至关重要的地位。
[0003]反应堆堆芯内部探测环境复杂，其对中子探测器的要求较高，要求耐高温、耐辐照，结构简单、小型化。目前常用的中子探测器按其工作机理可以分为气体探测器、半导体探测器、闪烁体探测器以及自给能探测器。其中气体探测器虽然耐高温、耐辐照，但是对于堆内高温高压的探测环境还是难以胜任。半导体探测器只适用于测量反应堆的快中子能谱，对现有的热中子反应堆应用价值不大。闪烁体探测器对高压电源的稳定性要求较高，在反应堆堆芯中难以实现。
[0004]而自给能探测器不需外加偏压、结构简单、体积小、全体固化、电子学设备简单等特性使之特别适宜于反应堆堆芯高中子通量的探测。然而当前的自给能探测器中，主要是103Rh (铑)探测器、51V (钒)探测器和59Co (钴)探测器，自给能探测器的探测原理如附图2所示，探测器放在堆芯中，其吸收中子后会经过几种不同途径放出电子，当电子被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关系，即通过测量这一电流并将其经过某种处理将能够达到测量中子通量的目的。
[0005]在当前的自给能探测器中，103Rh探测器应用较为广泛，但是由于ltl3Rh和51V元素在中子场中吸收中子后形成的同位素会以一定半衰期衰变，产生电子(或者伽玛射线，伽玛射线通过与物质相互作用转变为电子)形成探测器的电流信号。显然，由于半衰期的限制，电流信号不能及时反映中子通量的改变。比如，把自给能探测器突然放入一个恒定的中子场中，电流信号需要几分钟才能达到稳定值。这显然不符合反应堆堆芯中子通量的实时监控的要求。
[0006]下面以ltl3Rh为例具体说明在中子场中探测器电流信号的产生机制。如图2所示，在探测器电流的组成成分上，原理上应该包括三部分:1)第一部分来自ltl3Rh吸收中子瞬时发生(η, Y )反应，((η, Y )反映释放出来的Y射线与物质发生光电效应或者康普顿效应产生电子。此为电流的瞬时成分；2)第二部分来自ltl4nRh退激成ltl4Rh放出的Y射线与物质发生光电效应或者康普顿效应所产生的电子；3)第三部分来自ltl4Rhii衰变产生的电子。后两项因为Rh同位素半衰期的限制，属于延迟成分。
[0007]目前国内外很多学者对铑自给能探测器有过许多研究，得出了很多的成果，同时也有一些不足:1)相关文献上往往只包含了第一和第三部分，忽略了第二部分，这一部分对Rh虽不是主要成分，但是考虑到修正延迟的效果，其作用不容忽视；2)在修正延迟的时候没有考虑噪声的影响。实际上此类探测器的电流信号很小，噪声对其影响较大，所以噪声滤波是必须考虑的；3)文献中提到的方法牵扯拉氏变换、Z变换，具有一定的难度。
【发明内容】
[0008]为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种消除自给能中子探测器延迟效应的方法，I)克服由于半衰期限制带来的电流信号延迟的问题；2)引入噪声过滤使得其更加适合于反应堆堆芯的复杂的探测环境；3)无需拉氏变换、Z变换；在一定程度上比较简单。
[0009]为达到以上目的，本发明采用如下技术方案:
[0010]一种消除自给能中子探测器延迟效应的方法，包括如下步骤:
[0011]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原理图；
[0012]步骤2:根据步骤I画出的反应机制原理图写出探测器单位体积内各中间核素数量Ndt)关于中子通量密度Φα)的动态微分方程组(1)，写出探测电流?α)与各中间核素数量及中子通量密度Φα)的表达式(2);并根据实际探测器刻度数据得到探测器单位体积内材料核素的个数、探测器对中子的瞬时成分的灵敏度、探测器单位体积内材料核素及各中间核素在中子场中的不同反应产生电流的效率参数；
[0013](INi (t) /dt = Fi (N1 (t)Ni (t), Nm (t), Φ (t)) (I)
[0014]I (t) = F(N1 ⑴，....，Ni ⑴，....Nm⑴，Φ ⑴) (2)
[0015]式中:i表示第i个相关核素邱表示共有m个相关核素4表示时间；
[0016]步骤3:将步骤2中得出的中子通量密度表达式(2)整理成表达式(3)的形式，SP将中子通量密度表示为探测电流和各中间核素数量的关系，由于电流中缓发电流都是中间核素衰变产生的，则只要知道各中间核素数目即可将缓发电流消除得到能直接反应中子通量密度的瞬发电流的值，将表达式(3)带入动态微分方程组(I)中得到探测器单位体积内各中间核素数量Ni (t)关于探测电流I(t)的动态微分方程组(4);
[0017]Φ (t) = G(N1 ⑴，....，Ni ⑴，....Nm⑴，I ⑴) (3)
[0018]dNj (t) /dt = Gi (N1 (t)Ni (t), Nm (t), I (t)) (4)
[0019]步骤4:将步骤3中得到的动态微分方程组(4)中的dNiUVdt写成相邻时间段内探测器单位体积内各中间核素的数量之差除以步长(NiOiTs)-Ni((I1-1)Ts)VTJA形式、Ni (t)写成Ni(O1-1) Ts)的形式、I (t)写成I((n-1)TS)的形式，Ts为探测器电流的取样时间间隔，即取样步长，η为步数；得到Ni(IiTs) Ni((H-1)Ts)的关系式(5);
[0020]Ni (nTs) = Gi (N1 ((n-1) Ts)，....，Ni ((n-1) Ts)，....Nm((n-1) Ts)，I (nTs)) (5)
[0021]步骤5:给出探测器单位体积内各中间核素数量Ni (t)和探测电流I(t)在时间t=0时的初始值Ni (O)和1(0)，当停堆时放入探测器并启用或者反应堆稳定功率运行时突然启用探测器时，队(0)=0、1(0)=0 ;当探测器已经启用一段时间时，初始值Ni(O)和I(O)依据不同状态取相应值；
[0022]步骤6:在实际测量中通过测量中子探测器的电流进行取样，得到电流采样的测量值 Im(nTs)；
[0023]步骤7:对电流采样的测量值Im(nTs)使用改进型kalman滤波的自适应调整算法处理，降低噪声的影响并防止将突变平滑化；[0024]所述的改进型kalman滤波的自适应调整算法由滤波和状态判断两部分组成；
[0025](I)滤波:对电流采样的测量值Im(nTs)进行kalman滤波处理得到kalman滤波后电流 I (nTs)；
[0026](2)状态判断:判断反应堆系统是否处于突变状态来防止突变电流被kalman滤波系统过滤掉，其判断规则为:
[0027]利用kalman滤波后电流I (nTs)，对比Im(nTs)与I (nTs)之差的绝对值，看其是否大于阈值；如果大于阈值，则表示电流信号出现比较大的波动，则判断反应堆内中子通量出现了突变，此时将电流采样的测量值Im(nTs)赋给输出电流Is(nTs)并输出；如果小于阈值，则表示电流信号波动比较小，则判断此时波动是由噪声引起，则直接将kalman滤波后电流I (nTs)的值赋给输出电流Is(nTS)并输出；
[0028]步骤8:将步骤7输出的电流值Is (nTs)与当前步探测器单位体积内各中间核素数量 Ni (nTs)分别带入到 Ni ((n+1) Ts) = Hi (N1 (nTs)，....，Ni (nTs)Nm(nTs)，Is (nTs))以及Φ (nTs) = G(N1 (nTs),——,Ni (nTs)，——Nm(nTs), Is(nTs))中，得出下一步循环中探测器单位体积内各中间核素数量Ni((I^l)Ts)以及当前时间段消除时间延迟效应的中子通量密度Φ (nTs)的瞬时值；将Φ (nTs)输出，同时返回步骤6。
[0029]步骤7所述的阈值取噪声标准差的三倍。
[0030]与现有技术相比，本发明具有如下优点:
[0031]步骤2考虑了所有可能产生电流的反应，杜绝了由于忽略小电流导致修正延迟效果产生较大误差的后果，使 修正延迟的效果更加真实。
[0032]步骤3-步骤5均为简单的数学处理及迭代过程，相对于进行拉氏变换以及Z变换处理，过程简单易操作。
[0033]步骤6考虑了噪声的影响能更真实地模拟堆内复杂的探测环境
[0034]步骤7进行了噪声滤波，采取了改进型kalman滤波算法，既能实现噪声滤波，又能在突变的时候防止突变状态被滤波导致信号延迟的发生。
【专利附图】
【附图说明】
[0035]图1为本发明流程示意图。
[0036]图2为探测器探测中子相关反应过程图。
[0037]图3为归一化输出中子通量密度及归一化电流图。
[0038]图4为突变前后归一化中子通量密度及归一化电流图。
【具体实施方式】
[0039]以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。
[0040]下面以铑自给能中子探测器为例进行详细说明:具体方法过程如图1所示。
[0041]步骤1:根据探测器材料ltl3Rh在中子场中的反应物理过程画出其原理图，如图2所
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[0042]步骤2:根据图2写出探测器单位体积内ltl4mRh的个数N1⑴及ltl4Rh的个数N2⑴关于中子通量密度Φα)的动态微分方程(1-1)和(1-2)，并写出探测电流I(t)与&(0、N2(t)及中子通量密度Φ (t)的表达式(2-1)。
【权利要求】
1.一种消除自给能中子探测器延迟效应的方法，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原理图； 步骤2:根据步骤I画出的反应机制原理图写出探测器单位体积内各中间核素数量NJt)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Φα)的表达式(2);并根据实际探测器刻度数据得到探测器单位体积内材料核素的个数、探测器对中子的瞬时成分的灵敏度、探测器单位体积内材料核素及各中间核素在中子场中的不同反应产生电流的效率参数； (INi (t) /dt = Fi (N1 ⑴，——，Ni ⑴，——Nm ⑴，Φ ⑴) (1) I (t) = F(N1 ⑴，——，Ni ⑴，——Nm⑴，Φ ⑴) (2) 式中:i表示第i个相关核素；m表示共有m个相关核素；t表示时间； 步骤3:将步骤2中得出的中子通量密度表达式(2)整理成表达式(3)的形式，即将中子通量密度表示为探测电流和各中间核素数量的关系，由于电流中缓发电流都是中间核素衰变产生的，则只要知道各中间核素数目即可将缓发电流消除得到能直接反应中子通量密度的瞬发电流的值，将表达式(3)带入动态微分方程组(I)中得到探测器单位体积内各中间核素数量Ni (t)关于探测电流I (t)的动态微分方程组(4); Φ (t) = G(N1 ⑴，——，Ni ⑴，——Nm(t)，φ (t)) (3)
(INi (t)/dt = Gi (N1 (t),——，Ni (t),——Nm(t), φ (t)) (4) 步骤4:将步骤3中得到的动态微分方程组(4)中的dNiUVdt写成相邻采样点时间段内探测器单位体积内各中间核素的数量之差除以步长(Ni (nTs) -Ni ((n-1) Ts)) /Ts的形式、Ni (t)写成Ni ((n-1)Ts)的形式、I (t)写成I ((n-1)Ts)的形式，Ts为探测器电流的取样时间间隔，即取样步长，η为步数；得到Ni(IiTs) Ni((H-1)Ts)的关系式(5);
Ni (nTs) = Gi (N1 ((n-1) Ts),...., Ni ((n-1) Ts)，....Nm((n-1) Ts)，I (nTs)) (5) 步骤5:给出探测器单位体积内各中间核素数量Ni⑴和探测电流I⑴在时间t=0时的初始值Ni (O)和I (O)，当停堆时放入探测器并启用或者反应堆稳定功率运行时突然启用探测器时，队(0)=0、I (O) =O ;当探测器已经启用一段时间时，初始值Ni(O)和I(O)依据不同状态取相应值； 步骤6:在实际测量中通过测量中子探测器的电流进行取样，得到电流采样的测量值Im(nTs)； 步骤7:对电流采样的测量值Im(nTs)使用改进型kalman滤波的自适应调整算法处理，降低噪声的影响并防止将突变平滑化； 所述的改进型kalman滤波的自适应调整算法由滤波和状态判断两部分组成； (1)滤波:对电流采样的测量值Im(nTs)进行kalman滤波处理得到kalman滤波后电流I(nTs)； (2)状态判断:判断反应堆系统是否处于突变状态来防止突变电流被kalman滤波系统过滤掉，其判断规则为: 利用kalman滤波后电流I (nTs)，对比Im(nTs)与I (nTs)之差的绝对值，看其是否大于阈值；如果大于阈值，则表示电流信号出现比较大的波动，则判断反应堆内中子通量出现了突变，此时将电流采样的测量值Im(IiTs)赋给输出电流Is(nTS)并输出；如果小于阈值，则表示电流信号波动比较小，则判断此时波动是由噪声引起，则直接将kalman滤波后电流I (nTs)的值赋给输出电流Is (nTs)并输出； 步骤8:将步骤7输出的电流值Is(nTS)与当前步探测器单位体积内各中间核素数量Ni (nTs)分别带入到 Ni ((n+1) Ts) = Hi (N1 (nTs)，....，Ni (nTs)，.…Nm (nTs)，Is (nTs))以及Φ (nTs) = G(N1 (nTs),——,Ni (nTs)，——Nm(nTs), Is(nTs))中，得出下一步循环中探测器单位体积内各中间核素数量Ni((I^l)Ts)以及当前时间段消除时间延迟效应的中子通量密度Φ (nTs)的瞬时值；将Φ (nTs)输出，同时返回步骤6。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:步骤7所述的阈值取噪声标准差的三倍。
【文档编号】G06F19/00GK103943158SQ201310754307
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2013年12月31日 优先权日:2013年12月31日
【发明者】张清民, 许孟轩, 贺朝会, 严俊, 陈宇驰, 吕志鹏 申请人:西安交通大学