[发明专利]一种确定自给能中子探测器延迟消除电路组成及其参数的方法

摘要

一种确定自给能中子探测器延迟消除电路组成及其参数的方法，其步骤如下：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；求出对脉冲中子通量的响应电流，即冲击响应，进而求出阶跃中子通量下的电流响应函数；进行拉氏变换并求出其反函数得到延迟修正传递函数G(s)＝Φ(s)/I(s)；根据传递函数G(s)设计电路。该电路可以对自给能中子探测器的延迟电流信号进行修正，能够克服中间核素半衰期带来的信号延迟；该方法先求冲击响应，进而对由卷积关系得到的阶跃响应进行拉氏变换和求反函数得到传递函数，避免了直接对微分方程组进行拉氏变换的繁杂运算；利用传递函数可直接确定延迟修正电路参数，该方法更加简单方便。

主权项

1.一种确定自给能中子探测器延迟消除电路组成及其参数的方法，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反应的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0到m；j表示第j个中间核素，取值为0到i‑1，或i+1到m；m表示共有m个中间核素；t表示时间；∑_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；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0到m；t表示时间；∑_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；h(t)为自给能中子探测器的单位冲激响应；a_i和b_i参数因子由具体的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)就有关系式(7)，为了使接下来的推导更加直观简便，对于俘获中子后生成两种中间核素的典型自给能中子探测器，得到阶跃中子通量下的探测电流方程(8)；I(t)＝φ(t)*h(t)   (7)式中：∑₁为自给能中子探测器单位体积内产生(n,γ)反应生成第一种中间核素的宏观截面；∑₂为自给能中子探测器单位体积内产生(n,γ)反应生成第二种中间核素的宏观截面；λ₁为第一种中间核素的衰变常数；λ₂为第二种中间核素的衰变常数；j₁为自给能中子探测器单位体积内的第一种中间核素退激或衰变放出的γ射线与物质发生光电效应或者康普顿效应的衰变产生电流的效率；j₂为自给能中子探测器单位体积内的第二种中间核素退激或衰变放出的γ射线与物质发生光电效应或者康普顿效应的衰变产生电流的效率；φ₀为单位阶跃中子通量密度；I(t)为探测电流；t₀为单位阶跃响应到来时刻；S为探测电流中的瞬发成分；步骤5：对探测电流I(t)的表达式(8)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其表达式为(9)：利用反函数法得到延迟修正传递函数其表达式为(10):根据∑₁、∑₂、λ₁、λ₂、j₁、j₂的数值能够求出式(10)中各参数的值；具体过程如下：首先为从探测电流到瞬态中子通量密度的延迟修正传递函数设出一级中间参数A、B、C、a、b、c，此时延迟修正传递函数表示为(5‑1)：通过将(10)式与(7)式比较系数，得到A、B、C、a、b、c的参数表示：A为第一一级中间参数，其表达式为：A＝1；B为第二一级中间参数，其表达式为：C为第三一级中间参数，其表达式为：a为第四一级中间参数，其表达式为：a＝1；b为第五一级中间参数，其表达式为：b＝λ₁+λ₂；c为第六一级中间参数，其表达式为：c＝λ₁λ₂；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；为了方便之后的模拟电路设计，将写成一个比例环节，两个惯性环节相加的形式(5‑2):为方便之后通过比较系数法求电路中各元器件表达式和参数，传递函数用一系列二级中间参量表示，设出二级中间参量T₁、T₂、k₁、k₂；参数式中T₁、T₂、k₁、k₂用A、B、C、a、b、c表示；T₁为第一二级中间参量，其表达式为：T₂为第二二级中间参量，其表达式为：k₁为第三二级中间参量，其表达式为：k₂为第四二级中间参量，其表达式为：其中:∑₁为探测器单位体积内产生(n,γ)反应生成第一种中间核素的宏观截面；∑₂为探测器单位体积内产生(n,γ)反应生成第二种中间核素的宏观截面；λ₁为第一种中间核素的衰变常数；λ₂为第二种中间核素的衰变常数；j₁为探测器单位体积内的第一种中间核素退激(或衰变)放出的γ射线与物质发生光电效应或者康普顿效应的(衰变)产生电流的效率；j₂为探测器单位体积内的第二种中间核素退激(或衰变)放出的γ射线与物质发生光电效应或者康普顿效应的(衰变)产生电流的效率；I(s)为探测电流在拉氏变换后的复频域表示；为中子通量密度在拉氏变换后的复频域表示；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；步骤6：根据(10)中的传递函数,设计能够对自给能探测器的探测电流的延迟成分起到修正的模拟电路；1、比例环节描述为一个比例环节电路模块：在第一运算放大器(O₁)同相输入端接第一同相电阻(R₁)，在反相输入端接第一反相电阻(R₂)，在反相输入端与输出端之间接第一定值电阻(R₁₀)，即构成一个比例环节电路模块；2、惯性环节1描述为一个惯性环节电路模块1：在第二运算放大器(O₂)同相输入端接第二同相电阻(R₃)，在反相输入端接第二反相电阻(R₄)，在反相输入端与输出端之间接第二定值电阻(R₅)，在反相输入端与输出端之间接第一电容(C₁)，即构成一个惯性环节电路模块1；3、惯性环节2描述为一个惯性环节电路模块2：在第三运算放大器(O₃)同相输入端接第三同相电阻(R₆)，在反相输入端接第三反相电阻(R₇，在反相输入端与输出端之间接第三定值电阻(R₈)，在反相输入端与输出端之间接第二电容(C₂)，即构成一个惯性环节电路模块2；再根据(10)中的传递函数，将以上三个电路模块连接，得到对自给能探测器的探测电流的延迟成分起到修正的模拟电路；具体连接方式如下：先将输入的电流信号输入三个等值的分压电阻(R₀)，将探测电流信号转化为电压信号；第一个分压电阻靠近正极一端连接第一同相电阻(R₁)的远离第一运算放大器(O₁)端，第一个分压电阻靠近负极一端连接第一反相电阻(R₂)的远离第一运算放大器(O₁)端；第二个分压电阻靠近正极一端连接第二反相电阻(R₄)的远离第二运算放大器(O₂)端，第二个分压电阻靠近负极一端连接第二同相电阻(R₃)的远离第二运算放大器(O₂)端；第三个分压电阻靠近正极一端连接第三反相电阻(R₇)的远离第三运算放大器(O₃)端，第三个分压电阻靠近负极一端连接第三同相电阻(R₆)的远离第三运算放大器(O₃)端；接下来连接各环节电路模块的输出端：惯性环节电路模块2的运放输出端连接到第二同相电阻(R₃)的远离第二运算放大器(O₂)端；惯性环节电路模块1的运放输出端连接到第一反相电阻(R₂)的远离第一运算放大器(O₁)端；将比例环节电路模块中第一运算放大器(O₁)的输出端接到输出电阻(R₉)的一端，将第三同相电阻(R₆)的远离第三运算放大器(O₃)端接在输出电阻(R₉)的另一端，测得的输出电阻(R₉)两端的电压信号即能够实时反映辐照环境内中子通量密度状况；其中：R₀为分压电阻；R₁为第一同相电阻；R₂为第一反相电阻；R₃为第二同相电阻；R₄为第二反相电阻；R₅为第二定值电阻；R₆为第三同相电阻；R₇为第三反相电阻；R₈为第三定值电阻；R₉为输出电阻R₁₀为第一定值电阻；C₁为第一电容；C₂为第二电容；O₁为第一运算放大器；O₂为第二运算放大器；O₃为第三运算放大器；根据比例环节和惯性环节传递函数的标准形式，得到各主要元器件之间的比例关系，设定一个基准值r，再将T₁、T₂、k₁、k₂、m的值代入即能够求出各关键元器件的参数；其中R₀为分压电阻，其数值没有硬性要求；将、R₄、R₇的阻值设为基准值r，各关键元器件参数表达式如下：R₂＝0Ω；R₄＝rΩR₇＝rΩ对于铑自给能中子探测器，电路关键元器件参数确定为：R₀＝1000ΩR₁＝100ΩR₂＝0ΩR₄＝1ΩR₅＝2.6214×10²⁰ΩR₇＝1ΩR₈＝1.0345×10¹⁸ΩC₁＝1.3145×10^‑20FC₂＝3.3333×10^‑16F。