[发明专利]一种基于数字电路消除自给能中子探测器延迟效应的方法

权利要求书

1.一种基于数字电路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：根据自给能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中涉及的所有核素的生成及衰变关系写出自给能中子探测器单位体积内中间核素数量N(t)关于中子通量密度φ(t)的微分方程组(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)；所述自给能中子探测器单位体积内中间核素指的是由自给能中子探测器发射体核素俘获中子后生成的不稳定核素，以及由生成的不稳定核素继续衰变或退激后生成的不稳定核素；

其中

i表示第i个中间核素，取值为1到m；

j表示第j个中间核素，取值为1到i-1，或i+1到m；若i-11,微分方程组(1)右边没有第3项；若i+1m,则微分方程组(1)右边没有第4项；

m表示共有m个中间核素；

t表示时间；

Σ_i为在自给能中子探测器单位体积内反应生成第i个中间核素的宏观截面；

f_i为自给能中子探测器内产生第i个中间核素时产生瞬时电流的效率；

j_i为自给能中子探测器内的第i个中间核素退激或衰变时的电流产生效率；

λ_i为第i个中间核素的衰变常数；

λ_j为第j个中间核素的衰变常数；

N_i(t)为第i个中间核素单位体积内核素数量；

N_j(t)为第j个中间核素单位体积内核素数量；

φ(t)为t时刻中子通量密度；

I(t)为t时刻探测器输出的探测电流；

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)，具体推导出自给能中子探测器第i个中间核素单位体积内核素数量N_i(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自给能中子探测器的单位冲击响应，见表达式(6)；

式中：

i表示第i个中间核素，取值为1到m；

t表示时间；

Σ_i为在自给能中子探测器单位体积内反应生成第i个中间核素的宏观截面；N_i(t)为第i个中间核素单位体积内核素数量；

λ_i为第i个中间核素的衰变常数；

φ(t)为t时刻中子通量密度；

I(t)为t时刻探测器输出的探测电流；

h(t)为自给能中子探测器的单位冲击响应；

a_i和b_i参数因子由具体自给能中子探测器给出；

步骤4：对于中子通量密度φ(t)，探测电流I(t)就有卷积表达式(7)：

I(t)＝φ(t)*h(t) (7)

步骤5：对探测器冲击响应函数的表达式(6)进行拉普拉斯变换，得到从中子通量到探测电流的传递函数G(s),其表达式为(8)：

利用反函数法得到延迟补偿传递函数G^-1(s)，其表达式为(9):

根据Σ_i、λ_i、j_i的数值能够求出式(9)中各参数的值；

其中:

∑_i为在自给能中子探测器单位体积内反应生成第i个中间核素的宏观截面；

λ_i为第i个中间核素的衰变常数；

j_i为探测器单位体积内的第i种中间核素退激或衰变产生电流的效率；

G(s)为中子通量到探测电流的传递函数；

s为复频域中自变量；

p为探测器信号瞬发部分经拉氏变换后的形式，因为是瞬发成分，所以在传递函数中表现为一个比例系数；

b_i为延迟响应传递函数中第i个一阶惯性环节的比例系数；

G^-1(s)延迟补偿传递函数；

k₀为比例环节的比例系数；

k_i为延迟补偿传递函数中第i个一阶惯性环节的比例系数；

T_i为延迟补偿传递函数中第i个一阶惯性环节的时间常数；

步骤6：根据式(9)可知：延迟补偿传递函数由一个比例环节和两个一阶惯性环节构成，根据比例环节和一阶惯性环节对应的时域迭代方程能够设计出数字延迟补偿程序的数学表达式；

比例环节对应的时域迭代方程为：

c_b(t)＝k₀r_b(t) (10)

其中:

k₀为比例环节的比例系数；

r_b(t)为系统在t时刻的输入量；

c_b(t)为比例环节在t时刻的输出量；

一阶惯性环节的时域差分迭代方程为：

其中：

r(t)为数字延迟补偿程序在t时刻的输入量；

Δt为输入数据的时间间隔即采样步长；

T_i为第i个一阶惯性环节的时间常数；

c_i(t)为第i个一阶惯性环节在t时刻的输出量；

c_i(t-Δt)为第i个一阶惯性环节在t-Δt时刻的输出量；

根据式(9)中的延迟补偿传递函数，得到数字延迟补偿程序在t时刻输出量的数学表达式为：

其中：

k₀为比例环节的比例系数；

k_i为第i个一阶惯性环节的比例系数；

r(t)为数字延迟补偿程序在t时刻的输入量；

c_i(t)为第i个一阶惯性环节在t时刻的输出量；

O(t)为数字延迟补偿程序在t时刻的输出量；

步骤7：用计算机语言实现式(12)数学表达式所表达的数字延迟补偿程序，计算机程序基本运行逻辑如下：

读取t时刻探测电流数据作为程序在t时刻的输入量r(t)；将t时刻的输入量r(t)分别放入比例环节子函数和若干一阶惯性环节的子函数中，运算后得到子函数的输出量c_b(t)、c_i(t)；将子函数输出量放入累加主函数，得到整个数字延迟补偿程序在t时刻的输出量O(t)；

将探测器输出的探测电流信号输入到该数字延迟补偿程序，得到的输出量O(t)即反映t时刻探测器探测到的中子通量密度的真实值，即消除了延迟型自给能中子探测器的延迟效应。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤6所述的数字延迟补偿程序可以补偿自给能中子探测器的延迟效应；该数字延迟补偿程序及其确立方法适用于任何一种有延迟效应的自给能中子探测器和任何形式的中子通量函数，差别只是在于参数的变化。