专利名称：一种基于²⁵²Cf源驱动的核部件材料特征预判别方法
技术领域：
本发明属于数字信号处理及核查技术领域，涉及一种基于252Cf源驱动的未知核部件材料预判别方法。
背景技术：
核查技术领域中的核材料/核武器识别系统(Nuclear Material IdentifiedSystem,匪IS)，即核材料核查系统，其宗旨在于测量核材料的特征参数，从而推断其使用领域。其重要功能是检测核材料的富集度(核材料的富集度是区分武器级和民用级的重要标志，并可以从中推断出其拥有国核工业水平)。从获取核材料辐射信号的途径而言，核查技术路线通常分为被动式和主动式两种。限于铀(U，Uranium)材料自发辐射能量较低，针对其的核查技术需采取主动式测量，即通过外加激励源注入能量引起核材料的链式反应，通过探测其裂变产物来取得必须的信息，又称为源驱动式测量方法。源驱动噪声分析系统核查原理如

图1所示。首先，#1通道中的自发裂变源252Cf为驱动中子源，其出射的自发裂变中子入射至待测核部件并诱发链式反应。链式反应会产生若干中子和Y射线，并被#2和#3通道的探测器所捕获。252Cf源平均每次裂变放出4个自发裂变中子和6个Y光子。自发裂变中子进入待测核材料中诱发链式反应产生一系列诱发裂变中子，即待测核材料“受激”后，携带其相关信息的中子被探测器探测，得到多通道的脉冲中子信号。通过源驱动方法获得的脉冲中子信号，经匪IS时域信号分析处理后，即可得到相应的时域相关信号标签。传统匪IS时域相关信号粒子计数组成如图2所示。图中左边斜率较大的尖峰是最先被探测到的直射Y光子，它直接穿过了待测核部件而未经过任何碰撞；在一个波谷后较平缓的第二个峰值区分别由散射Y光子、直射中子、散射中子和诱发裂变中子组成，它们如图中标注的那样在时间轴上大致依次排列。直射中子、散射中子以及诱发裂变中子的产生机制与能量都有所不同，因此到达探测器的时间也有差异，并造成了时域上的展宽。显然，源-探测器信号间时域相关函数在诱发裂变中子的时间区间(通常取20-100ns)的计数值对被测235U材料的富集度存在敏感性，随着核材料的富集度升高而增大，故可利用核信号时域相关信号的这一特性来识别核材料富集度。虽然理论上针对系统相关函数的数学分析已经相对较为完备，然而仅限于相对理想的情况。匪IS的工作原理决定了现场取得的特征函数必须与标定值相比较才能得出结论——显然，传统的匪IS无法得知待测部件是不是核部件、是否值得测量，而只是机械地将其“当作”核材料产生的信号，并套用固定的时间区间来进行富集度判断。这样不仅带有相当大的盲目性，可能浪费大量宝贵的时间和系统资源，并且可能引入非常大的误差，最终影响匪IS的识别和判读结果，造成严重的后果。图3是匪IS测量下几种不同情况下源-探测器互相关函数仿真结果，其中包括①不同物质，包括核材料与非核材料;③不同材料厚度一不同核材料富集度。为了突出欲说明的问题，图中对Y峰做了一定的截幅处理，重点比较中子峰间的区别。从图中可以看出，即使是在无噪声的情况下，无论是中子峰的幅度、下降趋势还是出现的时间，核材料与非核材料间、不同富集度核材料间乃至不同厚度材料间均不一样，相互纠缠在一起。如果按照传统匪IS通过积分方式来判别富集度，很可能将其中某些非核材料当作核材料判断，抑或将同等富集度而厚度不同的核材料判断为富集度不同的核材料，等等。可见，单纯凭借时域相关函数的积分值来进行富集度的判断存在着其本质的缺陷。因此，提出一种基于Y及中子时域相关波形分辨的材料预判方法，利用其对未知核部件的性质进行预判，能够在匪IS运作之前剔除无用信息并获取核部件材料特征参数的核部件材料特征预判别方法，就成为了本发明所关注的问题。

发明内容
本发明解决的技术问题是如何获取未知核部件厚度信息、去除非核材料的干扰，确定未知核部件材料特征，判断材料厚度和材质，从而克服现有系统无预判机制、易受非核·材料干扰且特征参数单一的缺点。考虑到匪IS和中子脉冲信号的特点和性质，本发明的目的是提供一种基于252Cf源驱动的核部件材料特征预判别方法，通过对传统匪IS取得的互协方差信号做相应的中子峰、Y峰信号提取与分析，提取未知核部件材质、厚度，并剔除非核材料的干扰。该方法对信息利用充分，抗非核材料干扰能力强且能获取核部件材料特征，使基于脉冲中子信号的源驱动噪声分析和信号处理方法达到了更高的精度且扩展了其应用范围。为了达到以上目的，本发明采用如下技术方案一种基于252Cf源驱动的核部件材料特征预判别方法，首先，采用252Cf源驱动噪声分析法和一系列标准材料建立能够体现材料厚度及材质的中子峰值位置、中子峰值比及Y峰计数数值标定数据库；然后，采用252Cf源驱动噪声分析法对待测部件进行中子峰值位置、中子峰值比及Y峰计数数值提取；最后，将提取的三项数值与所述标定数据库进行比较和计算得到待测部件材料特征参数；
所述材料特征参数包括厚度判读、非核材料剔除、材质判读和识别结果加强；其中
(I)厚度判读通过源-探测器时域相关函数中子峰时间点分析获取核部件厚度信
息；
①通过对基于源驱动式噪声分析方法的核武器核查系统获取的核材料的脉冲中子信号计算其源-探测器互协方差函数；将原始数据分为&块，而为某一块数据中时间轴上某一时间点，采用的脉冲中子源-探测器互协方差函数某一点的无偏估计的计算公式为
f V>r.1 Γ1-----——VX O Ir- 4 f \
* - -
因而整个互协方差信号的无偏估计为
r<jr'r, = T7^il,*'(r|
其中4代表某一路信号、的复共轭，则是另一路探测器信号；M为数据块长度，以离散点数表示，由于采样间隔为1ns，则点间距为Ins J为时延；而是数据块的总个数；
③提取—00的中子峰，从物理模型本质出发，将其看作是前半部分散射Y光子、直射中子、散射中子及后半部分诱发裂变中子的组合。实验证明，前半部分即中子峰值出现时间对于材料是否是放射性核材料并不敏感，而只与粒子在材料中的行程有关一一材料越厚，粒子的行程越大，三者特别是直射中子和散射中子到达探测器所需的时间就越长；
事实上是一个由不同幅值的时间点组成的时间序列，包括中子峰及Y峰两个部分。Y峰与中子峰总是顺序出现且互不干扰的。因此，只需利用时间区间法将@<0中第二个峰提取出来，即得到所需中子峰图像及值；
'通过252Cf源驱动式噪声分析系统针对标准核材料获取其在不同厚度下产生的脉冲中子信号并进行时域相关分析，产生一系列中子峰标定数据，作为获取材料厚度的参照标准和标定数据库的一部分；
+准确定位中子峰值点出现的时间，将其与材料厚度标定数据库比对，获取未知核部件材+I的厚度；
(2)非核材料剔除并核部件材质初步判断通过中子峰占比法剔除非核材料并初步判读核部件的材质；
①基于原子核物理实验方法，从源裂变事件出发，通过裂变事件条件概率、裂变链相关条件概率等概率事件，推测出如下结论
a.Y射线的计数值同时受到材料厚度和材料的原子序数影响，在厚度类似的情况下与原子序数有关；
b.中子峰的计数值随着材料及厚度的变化而变化，但核材料由于有诱发裂变中子的存在，因此其下降沿较非核材料明显放缓，即下降沿中子计数占总计数的比例升高；相对应地因无诱发裂变中子的存在，非核材料下降沿无上述特征；
从源-探测器间互协方差函数中提取的中子峰进行上升/下降沿分析，此处引入一个新的模式识别参数r，即脉冲上升/下降沿所占比例
权利要求
1.一种基于252Cf源驱动的核部件材料特征预判别方法，其特征在于，首先，采用252Cf 源驱动噪声分析法和一系列标准材料建立能够体现材料厚度及材质的中子峰值位置、中子峰值比及Y峰计数数值标定数据库；然后，采用252Cf源驱动噪声分析法对待测部件进行中子峰值位置、中子峰值比及Y峰计数数值提取；最后，将提取的三项数值与所述标定数据库进行比较和计算得到待测部件材料特征参数；所述材料特征参数包括厚度判读、非核材料剔除、材质判读和识别结果加强；其中(1)材料厚度判读通过源-探测器时域相关函数中子峰时间点分析获取核部件厚度信息；Φ通过对基于源驱动式噪声分析方法的核武器核查系统获取的核材料的脉冲中子信号计算其源-探测器互协方差函数；将由探测器所采集到的时域脉冲序列信号分为块， 而 为某一块数据中时间轴上某一时间点，采用的脉冲中子源-探测器互协方差函数某一点的无偏估计的计算公式为C I r — ~..V. ItI * I /.+ Γ {因而整个互协方差信号的无偏估计为f Vni Γ I = — ^ ( HY < Γ|Λ -1其中<代表某一路信号4的复共轭H则是另一路探测器信号；况为数据块长度，以离散点数表示，由于采样间隔为1ns，则点间距为Ins 为时延；而1是数据块的总个数；②提取—00的中子峰叫)包括中子峰及Y峰两个部分；利用时间区间法将帅)中第二个峰提取出来，即得到所需中子峰图像及值；③通过252Cf源驱动式噪声分析系统针对标准核材料获取其在不同厚度下产生的脉冲中子信号并进行时域相关分析，产生一系列中子峰标定数据，作为获取材料厚度的参照标准和标定数据库的一部分；'41准确定位核部件的中子峰值点出现的时间，将其与材料厚度标定数据库比对，获取核部件材料的厚度；(2)非核材料剔除并核部件材质初步判断通过下式，即称为中子峰占比法剔除非核材料并初步判读核部件的材质；一(妙Gi J式中_是上升沿积分值，Grf为下降沿积分值，而表示中子峰上升沿的时间区间，h 表示中子峰下降沿时间区间，<Μ,(τ)是源通道与探测器通道的互协方差函数；针对不同材质的标准核部件脉冲中子信号进行时域相关分析，得出其在中子峰占比值 r上的明显区别，根据r值进行分类，作为标定数据库的一部分；将计算所得r值与标定数据库比对，剔除非核材料的干扰，并初步判读核部件材质；(3)核部件材质明确及识别结果加强通过Y峰计数判别法进一步识别前两步未能准确区分的材质细微差别，并加强识别效果；①根据步骤(I)中识别所得材料厚度将不同厚度材料的互协方差函数进行分类，并从中提取出Y峰值点的计数值；②针对相同厚度不同材质的标准核部件脉冲中子信号进行时域相关分析，得出其在 Y峰值点的计数值上的明显区别，根据计数值进行分类，作为标定数据库的一部分；③将实测Y峰值点的计数值与标定数据库进行比对，获取核部件材质信息；④将材质信息与步骤(2)中获取·的信息进行验证，进一步区分不同类型、厚度核部件。
全文摘要
本发明公开了一种基于252Cf源驱动的核部件材料特征预判别方法。主要包括针对核部件材料厚度和材质信息，利用时域相关模型和信号处理方法进行预判别工作。时域相关模型及信号处理方法包括三个主要方面利用源-探测器间时域相关函数中子峰出现位置进行未知核部件材料厚度判读；对中子峰上升沿及下降沿进行分析，提出中子峰占比法，并以其剔除非核材料的干扰并初步判断核部件的材质；利用源-探测器间时域相关函数γ峰计数值，明确未知核部件的材质并对判断结果加强。本方法因前所未有的非核材料剔除能力以及针对核部件材质和厚度特征的判读能力，取得了较好的核部件材料特征预判别效果。
文档编号G01B15/02GK102999693SQ20121038600
公开日2013年3月27日 申请日期2012年10月12日 优先权日2012年10月12日
发明者杨帆, 魏彪, 冯鹏, 米德伶, 任勇 申请人:重庆大学