(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 105373698 A (43)申请公布日 2016.03.02
(21)申请号 201510662260.X(22)申请日 2015.10.14
(71)申请人中科华核电技术研究院有限公司
地址518031 广东省深圳市福田区上步中
路西深圳科技大厦15层(1502-1504、1506)
申请人中国广核集团有限公司
中国广核电力股份有限公司(72)发明人吕云峰 郭伟 张益林 黄自平(74)专利代理机构深圳汇智容达专利商标事务
所(普通合伙) 44238
代理人潘中毅 熊贤卿(51)Int.Cl.
G06F 19/00(2011.01)
(54)发明名称
一种消除自给能中子探测器信号延时的方法(57)摘要
本发明提供一种消除自给能中子探测器信号延时的方法，包括：获取自给能中子探测器的元素与中子的核反应方程以及活化元素的β衰变方程、与γ射线的反应方程；建立自给能中子探测器的元素与中子和γ射线反应的状态空间模型；对状态空间模型进行精确离散化；采集消除电缆的本底信号的自给能中子探测器的电流信号，并结合自适应滤波或卡尔曼滤波方法和离散化后的状态空间模型，计算消除延时后的电流信号；根据消除延时后的电流信号计算自给能中子探测器的燃耗及灵敏度，并根据自给能中子探测器的灵敏度获得修正后的中子通量。本发明能够消除自给能中子探测器因半衰期而造成的延时特性，快速反映中子通量的变化。 C N 1 0 5 3 7 3 6 9 8 A权利要求书1页 说明书6页 附图1页
CN 105373698 A
权 利 要 求 书
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1.一种消除自给能中子探测器信号延时的方法，包括：
步骤S1，获取自给能中子探测器的元素与中子的核反应方程以及活化元素的β衰变方程；
步骤S2，获取自给能中子探测器的元素与γ射线的反应方程；步骤S3，建立所述自给能中子探测器的元素与中子和γ射线反应的状态空间模型；步骤S4，对所述状态空间模型进行精确离散化；步骤S5，采集消除电缆的本底信号的自给能中子探测器的电流信号，并结合自适应滤波或卡尔曼滤波方法和离散化后的状态空间模型，计算消除延时后的电流信号；
步骤S6，根据所述消除延时后的电流信号计算自给能中子探测器的燃耗及灵敏度，并根据所述自给能中子探测器的灵敏度获得修正后的中子通量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S5中，采集自给能中子探测器的电流信号，并结合卡尔曼滤波方法和经所述步骤S4精确离散化的状态空间模型计算消除延时后的信号，具体包括：
步骤S51，根据上一时刻的状态变量信息，获得当前时刻的状态变量信息；步骤S52，根据上一时刻状态变量信息的协方差矩阵和系统过程噪声，估计当前时刻状态变量信息的协方差矩阵；
步骤S53，根据上一时刻的协方差矩阵和测量过程噪声的协方差矩阵，估计当前时刻的卡尔曼增益；
步骤S54，利用自给能中子探测器的输出电流值和估计电流值，获得经卡尔曼滤波之后的状态变量信息。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S54获得的状态变量信息中第三个元素为t时刻消除延时之后电流值。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括：步骤S55，根据所述步骤S54获得的状态变量信息，修正所述步骤S52估计的协方差矩阵。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S6具体包括：步骤S61，根据初始时刻自给能中子探测器的灵敏度和其元素的原子数变化情况，获得t时刻自给能中子探测器的灵敏度；
步骤S62，根据所述t时刻自给能中子探测器的灵敏度和所述t时刻消除延时之后电流值，获得修正后的中子通量。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述t时刻自给能中子探测器的灵敏度为初始时刻的灵敏度减去修正值，所述修正值为t时刻的电量与初始时刻的电量之差、自给能中子探测器外壳屏蔽中子效率的因子、自给能中子探测器的元素与中子反应的靶面积三者的乘积。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述修正后的中子通量为所述t时刻自给能中子探测器的灵敏度与所述t时刻消除延时之后电流值的乘积。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采集消除电缆的本底信号的自给能中子探测器的电流信号具体包括：将采集的自给能中子探测器的电流信号与电缆的本底信号做差值运算。
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说 明 书
一种消除自给能中子探测器信号延时的方法
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技术领域
[0001]
本发明涉及核测量技术领域，尤其涉及一种消除自给能中子探测器信号延时的方
法。背景技术
自给能中子探测器有结构简单、体积小、成本低并且不需要外加偏电源等优势，但是自给能中子探测器的中子灵敏度随着不同堆型的中子能谱或中子灵敏物质燃耗不同而不断变化，电流输出的响应也有一定的延时。这使得中子自给能探测器因灵敏度变化太快而难以长期使用和精确测量。通过对自给能中子探测器的数学建模并采用相应的延时消除算法，能够在一定程度上提升自给能中子探测器的响应速度，从而达到实时监测堆芯中子通量的要求。[0003] 但是，现有的有关延时消除的研究只是针对某一种元素进行延时消除分析，并且也未评价电缆在中子照射下所产生的电流和其机理的共通性；其次，采用的离散方法是欧拉离散方法，这种方法因采样时间的不同所得结果差别很大，也使的计算过程存在不稳定的风险；再者，也未综合考虑燃耗的因素，在自给能中子探测器使用一定时间后发射体中的元素数量会不断减少造成在同等中子通量下电流值出现差异。
[0002]
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种消除自给能中子探测器信号延时的方
法，能够消除不同元素在中子照射下产生的信号延时特性。[0005] 为了解决上述技术问题，本发明提供一种消除自给能中子探测器信号延时的方法，包括：
[0006] 步骤S1，获取自给能中子探测器的元素与中子的核反应方程以及活化元素的β衰变方程；
[0007] 步骤S2，获取自给能中子探测器的元素与γ射线的反应方程；[0008] 步骤S3，建立所述自给能中子探测器的元素与中子和γ射线反应的状态空间模型；
[0009] 步骤S4，对所述状态空间模型进行精确离散化；[0010] 步骤S5，采集消除电缆的本底信号的自给能中子探测器的电流信号，并结合自适应滤波或卡尔曼滤波方法和离散化后的状态空间模型，计算消除延时后的电流信号；[0011] 步骤S6，根据所述消除延时后的电流信号计算自给能中子探测器的燃耗及灵敏度，并根据所述自给能中子探测器的灵敏度获得修正后的中子通量。[0012] 其中，所述步骤S5中，采集自给能中子探测器的电流信号，并结合卡尔曼滤波方法和经所述步骤S4精确离散化的状态空间模型计算消除延时后的信号，具体包括：
[0004]
步骤S51，根据上一时刻的状态变量信息，获得当前时刻的状态变量信息；[0014] 步骤S52，根据上一时刻状态变量信息的协方差矩阵和系统过程噪声，估计当前时
[0013]
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说 明 书
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刻状态变量信息的协方差矩阵；[0015] 步骤S53，根据上一时刻的协方差矩阵和测量过程噪声的协方差矩阵，估计当前时刻的卡尔曼增益；[0016] 步骤S54，利用自给能中子探测器的输出电流值和估计电流值，获得经卡尔曼滤波之后的状态变量信息。[0017] 其中，所述步骤S54获得的状态变量信息中第三个元素为t时刻消除延时之后电流值。
[0018] 其中，所述方法还包括：[0019] 步骤S55，根据所述步骤S54获得的状态变量信息，修正所述步骤S52估计的协方差矩阵。
[0020] 其中，所述步骤S6具体包括：[0021] 步骤S61，根据初始时刻自给能中子探测器的灵敏度和其元素的原子数变化情况，获得t时刻自给能中子探测器的灵敏度；[0022] 步骤S62，根据所述t时刻自给能中子探测器的灵敏度和所述t时刻消除延时之后电流值，获得修正后的中子通量。[0023] 其中，所述t时刻自给能中子探测器的灵敏度为初始时刻的灵敏度减去修正值，所述修正值为t时刻的电量与初始时刻的电量之差、自给能中子探测器外壳屏蔽中子效率的因子、自给能中子探测器的元素与中子反应的靶面积三者的乘积。[0024] 其中，所述修正后的中子通量为所述t时刻自给能中子探测器的灵敏度与所述t时刻消除延时之后电流值的乘积。[0025] 其中，所述采集消除电缆的本底信号的自给能中子探测器的电流信号具体包括：将采集的自给能中子探测器的电流信号与电缆的本底信号做差值运算。[0026] 本发明实施例的有益效果在于，能够对自给能中子探测器的主要元素，包括发射体元素(如铑、钒、钴等)和电缆芯线元素，在与中子进行核反应的过程中，通过采集其微电流信号计算出消除因半衰期而造成的延时特性，从而能够快速的反映中子通量的变化，在信号的响应速度上明显得到了改善，同时也使得自给能中子探测器的应用具有可靠的理论分析基础。附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现
有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0028] 图1是本发明实施例一种消除自给能中子探测器信号延时的方法的流程示意图。
[0027]
具体实施方式
以下各实施例的说明是参考附图，用以示例本发明可以用以实施的特定实施例。
[0030] 自给能中子探测器的原理就是依靠发射体元素与中子进行核反应从而产生相应的微电流，通过测量该电流值而确定中子通量的大小。而活化后的同位素因为存在半衰期
[0029]
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说 明 书
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所以不能立即释放电子，所以必须通过对发射体元素和中子的反应过程分析，确定消除其因半衰期导致信号延时的方法。构成自给能中子探测器的信号主要由瞬时响应和延时响应两个大部分构成，不同元素和中子的反应过程并不相同。本发明则能够消除不同元素在中子照射下产生的信号延时特性。[0031] 请参照图1所示，本发明实施例提供一种消除自给能中子探测器信号延时的方法，包括：
[0032] 步骤S1，获取自给能中子探测器的元素与中子的核反应方程以及活化元素的β衰变方程；
[0033] 步骤S2，获取自给能中子探测器的元素与γ射线的反应方程；[0034] 步骤S3，建立所述自给能中子探测器的元素与中子和γ射线反应的状态空间模型；
[0035] 步骤S4，对所述状态空间模型进行精确离散化；[0036] 步骤S5，采集消除传输电缆的本底信号的自给能中子探测器的电流信号，并结合自适应滤波或卡尔曼滤波方法和离散化后的状态空间模型，计算消除延时后的电流信号；[0037] 步骤S6，根据所述消除延时后的电流信号计算自给能中子探测器的燃耗及灵敏度，并根据所述自给能中子探测器的灵敏度获得修正后的中子通量。[0038] 以下对各步骤分别进行详细说明。[0039] 步骤S1中，获取元素(假设该元素为X)与中子的核反应方程以及活化元素的β衰变方程为：
[0040] [0041]
此部分因β衰变存在半衰期而构成自给能中子探测器信号的延时部分。
[0043] 以元素X为铑元素Rh为例，则铑与中子的核反应方程和活化元素的β衰变方程为：
[0042] [0044] [0045]
步骤S2中，获取自给能中子探测器的元素X与γ射线的反应方程(包括康普顿
效应和光电效应)为：
[0046] [0047]
此部分构成自给能中子探测器信号的瞬时部分。
[0049] 同样以元素X为铑元素Rh为例，铑元素Rh与γ射线的反应方程为：
[0048] [0050]
[0051] 应当理解的是，针对不同的元素，通过步骤S1和S2获得的方程各不相同，由此在
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说 明 书
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步骤S3中建立的状态空间模型也不相同。为叙述简便，以下均以铑元素为例进行说明。[0052] 步骤S3根据步骤S1和步骤S2的反应过程，建立铑元素Rh与中子和γ射线反应的状态空间模型，包括瞬时部分和延时部分：
[0053]
I(t)＝Cx(t)+v[0055] 在式中，
[0054]
[0056]
[0057] (状态转移矩阵)
C＝[0 K104λ104 Kp(σ104+σ104m)Rh103](观测矩阵)
[0059] 其中，Kp：瞬时部分电流的比例；K104：延时部分电流的比例；λ104：Rh104衰变常数；λ104m：Rh104m衰变常数；Rh103，Rh104，Rh104m：相应元素的原子数；σ104：Rh103与中子反应生成Rh104的靶面积；σ104m：Rh103与中子反应生成Rh104m的靶面积；φ(t)：t时刻，堆芯归一化的中子通量(未考虑燃耗)；I(t)：t时刻，探测器的输出电流；w(系统噪声矩阵)：系统过程噪声，如环境噪声和干扰噪声等；v(测量噪声矩阵)：测量过程噪声，如传导噪声等。x是状态变量矩阵，共三个变量，前两个为延时部分，第三个为瞬时部分。[0060] 步骤S4对步骤S3的状态空间模型进行精确离散化：
[0058] [0061] [0062] [0063] [0064]
其中，
w为系统过程噪声，v为测量过程噪声，w的协方差矩阵为Q，v的协方差矩阵为R。
[0066] 步骤S5中，电缆的本底信号是在电缆传输过程中的噪声信号，属于上述系统过程噪声w的一部分。采集消除电缆的本底信号的自给能中子探测器的电流信号具体包括：将采集的自给能中子探测器的电流信号与电缆的本底信号做差值运算，得到是消除传输噪声的信号。
[0067] 按照一定的采样时间采集消除传输电缆的本底信号的自给能中子探测器的电流信号Id，并结合卡尔曼滤波方法和离散化的状态空间模型计算消除延时后的信号Idp，具体包括：
[0068] 步骤S51，根据上一时刻的状态变量信息，获得当前时刻的状态变量信息，即：
[0065]
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其中，为离散化后的转移矩阵，x(k-1|k-1)为上一时刻的状态变量值，x(k|k-1)
为当前时刻的状态变量估计值。[0071] 步骤S52，根据上一时刻状态变量信息的协方差矩阵和系统过程噪声，估计当前时刻状态变量信息的协方差矩阵，即：
[0072]
其中，P为协方差矩阵。[0074] 步骤S53，根据上一时刻的协方差矩阵和测量过程噪声的协方差矩阵，估计当前时刻的卡尔曼增益K(k)，即：
[0073] [0075]
其中，R为系统测量过程噪声的协方差矩阵。[0077] 步骤S54，利用自给能中子探测器的输出电流值和估计电流值，获得经卡尔曼滤波之后的状态变量信息，即：
[0076] [0078]
进一步地，还包括步骤S55，根据步骤S54获得的状态变量信息，修正步骤S52估计的协方差矩阵，即：
[0079] [0080]
其中，所述步骤S54获得的状态变量信息x的第三个元素φ(t)(堆芯归一化的中子通量)就是消除延时之后的信号Idp(t)。[0082] 需要说明的是，前述当前时刻与上一时刻是相对概念，如果当前时刻为t时刻，则“上一时刻”即为t时刻的上一时刻。[0083] 步骤S6中，根据步骤S5获得的消除延时后的电流Idp(t)计算自给能中子探测器的燃耗，即已活化的Rh103的原子数，并推导自给能中子探测器的灵敏度，根据灵敏度修正中子通量，具体来说，包括：[0084] 步骤S61，根据初始时刻自给能中子探测器的灵敏度和其元素的原子数变化情况，获得t时刻自给能中子探测器的灵敏度；
[0081]
步骤S62，根据所述t时刻自给能中子探测器的灵敏度和所述t时刻消除延时之后
电流值，获得修正后的中子通量。
[0086] 初始时刻自给能中子探测器的灵敏度表达式如下：
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[0087] S(t)＝KnσaeRh(t)[0088] 其中，Kn为探测器外壳屏蔽中子效率的因子；σa为Rh103与中子反应的靶面积；e为电子电荷常数；Rh103(t)为t时刻Rh103的原子数。
103
[0089] Rh的原子数变化情况(即原子数随时间变化的微分方程)如下：
[0085] [0090]
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联立上述两式可解得，t时刻的灵敏度的表达式如下：[0092] S(t)＝S(0)-Kn×σa×(Q(t)-Q(0))
[0093]
其中，S(0)为初始时刻的灵敏度，Q(0)为初始时刻的电量，为当
前时刻的电量。也就是说，t时刻自给能中子探测器的灵敏度为初始时刻的灵敏度减去修正值，该修正值为t时刻的电量
与初始时刻的电量Q(0)之差、自给能中子
探测器外壳屏蔽中子效率的因子Kn、自给能中子探测器的元素与中子反应的靶面积σa三
者的乘积。
[0094] 根据t时刻的灵敏度和当前时刻消除延时之后电流值，获得修正后得中子通量φn(t)＝S(t)Idp(t)，即该修正后的中子通量为所述t时刻自给能中子探测器的灵敏度与所述t时刻消除延时之后电流值的乘积。[0095] 通过上述说明可知，本发明能够对自给能中子探测器的主要元素，包括发射体元素(如铑、钒、钴等)和电缆芯线元素，在与中子进行核反应的过程中，通过采集其微电流信号计算出消除因半衰期而造成的延时特性，从而能够快速的反映中子通量的变化，在信号的响应速度上明显得到了改善，同时也使得自给能中子探测器的应用具有可靠的理论分析基础。
[0096] 上面结合实施例对发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，采用钒Vh、钴Go或是电缆线芯元素都可以使用本发明进行分析，只是步骤S1和步骤S2有所区别，其他步骤基本一致。
[0097] 以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
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