[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

说明书

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，其设计步骤如下：根据探测器发射极材料在中子场中的物理过程，写出电流I(t)与各核素数量及中子通量密度φ(t)的关系式；求出探测器冲击响应，进而对探测器冲击响应函数进行拉氏变换得到探测器延迟响应传递函数G(s)＝I(s)/φ(s)；再求出其反函数得到延迟修正传递函数G^‑1(s)＝1/G(s)；根据传递函数G^‑1(s)＝I(s)/φ(s)中各环节对应的时域迭代方程设计数字延迟补偿程序。该系统可以对自给能中子探测器的延迟电流信号进行修正，克服了中间核素半衰期带来的信号延迟；相比于模拟电路对信号延迟修正的方法，该系统还具有参数调整灵活，不容易受外界环节因素干扰的优势。

技术领域

本发明属于中子探测技术领域，具体涉及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。

背景技术

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。

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。

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。

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¹⁰³Rh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。

对于¹⁰³Rh为而言，其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¹⁰³Rh吸收中子瞬时发生(n,γ)反应，((n,γ)反映释放出来的γ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^104mRh退激成¹⁰⁴Rh放出的γ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¹⁰⁴Rhβ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。

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)一些文献中使用了基于最优估计法的二维矩阵滤波器，其中的矩阵运算非常复杂，对用户不友好。3)拉普拉斯变换法显得太过复杂，不易理解。4)模拟电路法对元器件参数的精度要求太高，并且一旦确定，要根据燃耗情况进行改变就不容易了。相比之下，数字电路能够避免上述问题，容易理解并且适用性强。