专利名称：用于中子共振透射谱测温数据处理分析的系统和方法
技术领域：
本发明涉及数据分析系统和方法，更具体地，涉及中子共振透射谱测温中的数据分析系统和方法。
背景技术：
脉冲中子束(能量 eV)通过样品时，满足一定能量要求的中子被样品中的特定重金属核俘获形成激发态的复合核。置于样品后面的探测器记录中子的飞行时间谱，谱中的共振能级位置将出现凹陷。对于特定的吸收核同位素，其共振特征(包括宽度和深度等) 是唯一的。除了依赖于本征性质外，共振吸收谱的形状依赖于多普勒展宽效应，即热运动造成的靶核速度分布或晶格振动模式的影响，通过对中子的共振谱拟合可求得被测样品的温度。除了本身的展宽和温度的因素外，影响线形的主要因素还有1.从中子源中出来的脉冲中子是经过慢化剂减速成的过热中子(印ithermal neutron, I-IOOeV)。快中子在慢化剂中由于和轻元素核的碰撞而减速，基于统计的考虑，不同的中子会在不同的地方减速，使得从慢化剂出射的中子即使是同一能量也不一定在同一时刻逸出，这样，入射到靶之前的中子在时间上存在一个分布，会使峰变宽，变钝。可以将这种影响加入到仪器分辨函数的展宽中去。2.使用闪烁体作为探测中子的仪器，当中子与探测器作用时，闪烁体放出荧光信号， 但在后面的时间里，还会有荧光放出，这就使得计数上叠加了积累的荧光背景，使得计数升高。可以看出，从实验上要尽量减少这种因素，就要求用于探测的闪烁体有很快的衰减时间，能级结构简单，杂质能级少。3.样品厚度的影响。忽略中子速度在样品中的变化，利用常用的e-指数形式来进行考虑。4.电子仪器的时间滞后。以上的影响最好都以单独的形式进行考虑，这样一方面可以明晰各因素对线形的影响方式，也可以将它们分离出去，单纯的考察温度对线形造成的影响。中子共振测温具有以下主要优点1.比较光学测温方法， 可以测量内部温度，且可避免数据处理与样品的不透明带来的限制；2.可以将特定的金属微量的注入样品的指定区域，在测量温度的同时，对样品本身造成影响非常小；3.为远距测温，不需要与样品接触。4.无需校准，且测温范围很大。为了通过对实验中的中子共振透射谱数据进行分析从而得到测试样品的温度值， 需要对数据进行处理；为了提高测温精度，需要对不同实验条件进行模拟研究；为了实验人员使用简单方便，数据分析软件需要具有图形界面功能。迄今为止，国内对该领域的研究处于起步状态，国内外还未见有针对该特定领域的实验模拟和数据处理的计算机软件。

发明内容
本发明的目的在于提供用于中子共振透射谱测温数据处理分析的系统和方法，以满足上述需求。为了达到以上目的，本发明采用的技术方案是一种用于中子共振透射谱测温数据处理分析的系统，其特征在于，该系统包括拟合分析模块，用于基于各种共振截面模型、各种晶体模型以及实验条件描述的中子共振透射谱数据的最小二乘法拟合；面积法分析求解模块，用于构建中子共振透射谱的时间尺度下的面积函数，利用该面积函数对样品自遮蔽系数进行定标，对样品温度进行求解；优化厚度求解模块，用于对应温度误差最小的样品最佳厚度的求解；温度灵敏度与误差数值模拟模块，用于对共振位的温度误差及不同能量处的温度灵敏度进行求解。其中，该拟合分析模块基于有效自由气体模型、谐振晶体模型、爱因斯坦晶格振动模型、扩展Nernst-Lindemarm晶格振动模型、德拜晶格振动模型进行运算；采用幂函数形式描述入射中子的能量分布以及高斯函数描述探测仪器分辨函数，或者采用，6重自由度的 χ 2"分布函数描述的慢化剂出射中子的时间展宽，以及e指数多项式描述的具有多荧光信号的探测器。其中，该面积法分析求解模块根据飞行时间数据、透射数据、参量输入、参量注释、 温度、对应温度下的自遮避系数值，利用时间尺度下的面积函数求解得到样品温度值。其中，该优化厚度求解模块采用数值算法求得某一共振位在一定温度时，不同样品厚度下的温度误差值，从而得到对应温度误差最小的优化厚度值。其中，该温度误差模块运用数值计算方法求解某一共振位不同能量处的温度灵敏度，以及整体温度误差值。其中，该系统还包括扩展功能模块用于对某一中子实验线的慢化参数及探测器各个荧光成分进行初步标定，其中该模块在已知用于产生中子的质子脉冲峰型和探测时间道宽的情况下，采用数值优化方法，通过拟合处理实验中子共振透射谱数据，可得到本底比例和整套的慢化参数，利用以上获得的慢化参数，通过对实验中子共振透射谱数据的优化拟合，得到探测器的不同荧光成分参数值。本发明的技术方案还包括一种用于中子共振透射谱测温数据处理分析的方法，包括拟合分析，基于各种共振截面模型、各种晶体模型以及实验条件描述的中子共振透射谱数据的最小二乘法拟合；面积法分析求解，利用该面积函数对样品自遮蔽系数进行定标，对样品温度进行求解；优化厚度求解，对应温度误差最小的样品最佳厚度的求解；温度灵敏度与误差数值模拟，对共振位的温度误差及不同能量处的温度灵敏度进行求解。其中，该拟合分析步骤基于有效自由气体模型、谐振晶体模型、爱因斯坦晶格振动模型、扩展Nernst-Lindemarm晶格振动模型、德拜晶格振动模型进行运算，采用幂函数形式描述入射中子的能量分布以及高斯函数描述探测仪器分辨函数，或者采用，6重自由度的 χ 2"分布函数描述的慢化剂出射中子的时间展宽，以及e指数多项式描述的具有多荧光信号的探测器。其中，该面积法分析求解步骤中，根据飞行时间数据、透射数据、参量输入、参量注释、温度、对应温度下的自遮避系数值，利用时间尺度下的面积函数求解得到样品温度值。其中，该优化厚度求解步骤采用数值算法求得某一共振位在一定温度时，不同样品厚度下的温度误差值，从而得到对应温度误差最小的优化厚度值。其中，该温度灵敏度与误差数值模拟步骤运用数值计算方法求解某一共振位不同能量处的温度灵敏度，以及整体温度误差值。其中，该方法还包括扩展处理步骤，对某一中子实验线的慢化参数及探测器各个荧光成分进行初步标定，其中在已知用于产生中子的质子脉冲峰型和探测时间道宽的情况下，采用数值优化方法，通过拟合处理实验中子共振透射谱数据，可得到本底比例和整套的慢化参数，利用以上获得的慢化参数，通过对实验中子共振透射谱数据的优化拟合，得到探测器的不同荧光成分参数值。由于采用了上述技术方案，本发明的特点是提供一种包含了多个功能模块的实验数据处理分析系统，应用该系统的不同功能模块，可对实验中子共振透射谱数据进行多种方法的处理分析获得样品温度等关键参数值，也可对共振测温实验进行数值模拟，以优化实验方案。


图1是本发明的系统的框图。图2是本发明的方法的流程图。图3是计算实验透射谱下面积值所需要的特征量曲线图。
具体实施例方式以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。如图1所述，一种用于中子共振透射谱测温数据处理分析的系统100，其特征在于，该系统100包括拟合分析模块110，用于基于各种共振截面模型、各种晶体模型以及实验条件描述的中子共振透射谱数据的最小二乘法拟合；面积法分析求解模块120，用于构建中子共振透射谱的时间尺度下的面积函数，利用该面积函数对样品自遮蔽系数进行定标，对样品温度进行求解；优化厚度求解模块130，用于对应温度误差最小的样品最佳厚度的求解；温度灵敏度与误差数值模拟模块140，用于对共振位的温度误差及不同能量处的温度灵敏度进行求解。其中，该拟合分析模块110基于有效自由气体模型、谐振晶体模型、爱因斯坦晶格振动模型、扩展Nernst-Lindemarm晶格振动模型、德拜晶格振动模型进行运算，采用幂函数形式描述入射中子的能量分布以及高斯函数描述探测仪器分辨函数，或者采用，6重自由度的χ 2_分布函数描述的慢化剂出射中子能量分布，以及e指数多项式描述的具有多荧光信号的探测器。其中，包括如下组合方式1)采用爱因斯坦晶格振动模型，有效自由气体模型(EFGM)，幂函数描述的入射中子束的能量分布，以及高斯函数描述的探测器分辨率函数，对中子共振透射谱进行模拟；对中子共振透射谱数据进行最小二乘法拟合。可以选用多种拟合模式温度单变量拟合可得到实验样品温度；分步拟合用于在已知实验温度的情况下，对实验参数，即入射中子能量分布，探测器分辨宽度以及样品核数密度进行标定；手动拟合用于对以上两种拟合模式中的所有参数进行拟合。2)采用爱因斯坦晶格振动模型，有效自由气体模型，6重自由度的X2-分布函数描述的慢化剂出射中子的时间展宽，以及e指数多项式描述的具有多荧光信号的探测器， 对中子共振透射谱进行模拟；对中子共振透射谱数据进行最小二乘法拟合。用户可以选用多种拟合模式温度单变量拟合可得到实验样品温度；手动拟合用于对样品温度和实验参数，即慢化剂参数与探测器荧光成分进行拟合。3)采用扩展Nernst-Lindemarm晶格振动模型代替以上1)中的爱因斯坦晶格振动模型，该模型描述晶体振动的双特征频率，以及这两个频率各自的权重。
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4)采用扩展Nernst-Lindemarm晶格振动模型代替以上2)中的爱因斯坦晶格振动模型。5)采用德拜晶格振动模型代替以上1)中的爱因斯坦晶格振动模型，其中该模型描述晶体振动的频率谱(准连续值)，以及各个频率对应的权重。6)采用德拜晶格振动模型代替以上2)中的爱因斯坦晶格振动模型。7)采用谐振晶体模型(HCM)代替以上1)中的有效自由气体模型，该模型在运算时考虑多声子项的贡献。8)采用谐振晶体模型代替以上2)中的有效自由气体模型。9)采用谐振晶体模型代替以上3)中的有效自由气体模型。10)采用谐振晶体模型代替以上4)中的有效自由气体模型。11)采用谐振晶体模型代替以上5)中的有效自由气体模型。12)采用谐振晶体模型代替以上6)中的有效自由气体模型。对于有效自由气体模型，温度较高时，该模型自动过渡成为自由气体模型 FGM(Free GasModel)。例如，对于高的Debye温度400K，室温300K时，采用FGM代替EFGM， 实际温度和有效温度的相对差别< 2%0。对于晶体全谐振模型，该模型用于描述晶体中键能不能忽略的情况；该模型下的中子共振截面首项为EFGM描述的截面，其它项由系数和包含Hermite多项式的积分组成， 这些系数都与温度的高次项成反比，Hermite多项式对应一些声子过程，其起伏比系数小一个量级以上，因此，当温度较高时，HCM自动过渡为EFGM。对于爱因斯坦模型，当中子共振自然展宽较Debye频率(能量单位)为大时，可忽略低频模对共振谱型的影响而采用该模型描述晶格。对于实际的测温实验，几十K以上皆可采用该模型。分步拟合是指首先已知准确温度拟合实验描述参数(入射中子能量分布参数， 靶核密度，仪器分辨率宽度)，在以后的拟合中固定这些参数，拟合温度值。手动拟合是对所有参数(包括实验描述参数和温度)同时进行拟合。具体示例如下实验环境1 采用幂函数形式描述入射中子的能量分布
权利要求
1.一种用于中子共振透射谱测温数据处理分析的系统，其特征在于，该系统包括拟合分析模块，用于基于各种共振截面模型、各种晶体模型以及实验条件描述的中子共振透射谱数据的最小二乘法拟合；面积法分析求解模块，用于构建中子共振透射谱的时间尺度下的面积函数，利用该面积函数对样品自遮蔽系数进行定标，对样品温度进行求解；优化厚度求解模块，用于对应于温度误差最小的样品最佳厚度的求解；温度灵敏度与误差数值模拟模块，用于对共振位的温度误差及不同能量处的温度灵敏度进行求解。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该拟合分析模块基于有效自由气体模型、 谐振晶体模型、爱因斯坦晶格振动模型、扩展Nernst-Lindemarm晶格振动模型、德拜晶格振动模型进行运算；采用幂函数形式描述入射中子的能量分布以及高斯函数描述探测仪器分辨函数，或者采用，6重自由度的χ2-分布函数描述的慢化剂出射中子能量分布，以及e 指数多项式描述的具有多荧光信号的探测器。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该面积法分析求解模块根据飞行时间数据、透射数据、参量输入、参量注释、温度、对应温度下的自遮避系数值，利用时间尺度下的面积函数求解得到样品温度值。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该优化厚度求解模块采用数值算法求得某一共振位在一定温度时，不同样品厚度下的温度误差值，从而得到对应温度误差最小的优化厚度值。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该温度误差模块运用数值计算方法求解某一共振位不同能量处的温度灵敏度，以及整体温度误差值。
6.根据权利要求1-5任一项所述的系统，其特征在于，该系统还包括扩展功能模块用于对某一中子实验线的慢化参数及探测器各个荧光成分进行初步标定，其中该模块在已知用于产生中子的质子脉冲峰型和探测时间道宽的情况下，采用数值优化方法，通过拟合处理实验中子共振透射谱数据，可得到本底比例和整套的慢化参数，利用以上获得的慢化参数，通过对实验中子共振透射谱数据的优化拟合，得到探测器的不同荧光成分参数值。
7.一种用于中子共振透射谱测温数据处理分析的方法，包括拟合分析，基于各种共振截面模型、各种晶体模型以及实验条件描述的中子共振透射谱数据的最小二乘法拟合；面积法分析求解，利用该面积函数对样品自遮蔽系数进行定标，对样品温度进行求解；优化厚度求解，对应温度误差最小的样品最佳厚度的求解；温度灵敏度与误差数值模拟，对共振位的温度误差及不同能量处的温度灵敏度进行求解。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，该拟合分析步骤基于爱因斯坦晶格振动模型、有效自由气体模型、扩展Nernst-Lindemarm晶格振动模型、德拜晶格振动模型、谐振晶体模型计算，采用幂函数形式描述入射中子的能量分布以及高斯函数描述探测仪器分辨函数，或者采用，6重自由度的χ 2-函数描述的慢化剂出射中子的时间展宽，以及e指数多项式描述的具有多荧光信号的探测器。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，该面积法分析求解步骤中，根据飞行时间数据、透射数据、参量输入、参量注释、温度、对应温度下的自遮避系数，利用时间尺度下的面积函数求解得到样品温度值。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，该优化厚度求解步骤采用数值算法求得某一共振位在一定温度时，不同样品厚度下的温度误差值，从而得到对应温度误差最小的优化厚度值。
11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，该温度灵敏度与误差数值模拟步骤运用数值计算方法求解某一共振位不同能量处的温度灵敏度，以及整体温度误差值。
12.根据权利要求7-11任一项所述的方法，其特征在于，该方法还包括扩展处理步骤， 对某一中子实验线的慢化参数及探测器各个荧光成分进行初步标定，其中在已知用于产生中子的质子脉冲峰型和探测时间道宽的情况下，采用数值优化方法，通过拟合处理实验中子共振透射谱数据，可得到本底比例和整套的慢化参数，利用以上获得的慢化参数，通过对实验中子共振透射谱数据的优化拟合，得到探测器的不同荧光成分参数值。
全文摘要
一种用于中子共振透射谱测温数据处理分析的系统，该系统包括拟合分析模块、面积法分析求解模块、优化厚度求解模块、温度灵敏度与误差数值模拟模块、以及扩展功能模块。应用该系统可对实验中子共振透射谱数据进行多种方法的处理分析获得样品温度等关键参数值，也可对共振测温实验进行数值模拟，以优化实验方案。本发明还公开了一种用于中子共振透射谱测温数据处理分析的方法。使用本发明系统的不同功能模块，可对实验中子共振透射谱数据进行多种方法的处理分析，获得样品温度等关键参数值，也可对共振测温实验进行数值模拟，以优化实验方案。
文档编号G01K11/30GK102466527SQ201010533348
公开日2012年5月23日 申请日期2010年11月5日 优先权日2010年11月5日
发明者倪晨, 刘小林, 刘波, 方弘, 顾牡, 黄世明 申请人:同济大学