面向核軍控核查的基于252Cf中子源頻譜分析系統(tǒng)幾個關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、自1945年核武器問世以來,核武器的存在和發(fā)展嚴重地威脅著全球的安全和人類的生存,如何防范和控制核武器擴散(核軍控核查),一直是國際社會關(guān)心的一個嚴峻課題。美國總統(tǒng)奧巴馬獲得了2009年度諾貝爾和平獎!諾貝爾獎評審委員會透露,奧巴馬總統(tǒng)“無核(武器)世界”的暢想,既為獲獎的關(guān)鍵也為國際政治帶來了“新氣象”。在國際政治戰(zhàn)略格局的新變化中,如何有效防范和控制核武器擴散,軍備控制條約是否得到有效的執(zhí)行,關(guān)鍵在于核查。核裁軍、武器級核燃(材)料

2、的生產(chǎn)監(jiān)督、核擴散等都有賴于相應(yīng)的核查技術(shù)及方法。因此,能否掌握有效的核查手段,爭得在軍控、裁軍條約核查中平等的權(quán)力,這不僅關(guān)系到維護一個國家的主權(quán),而且還攸關(guān)一個國家的安全利益。有鑒于此,本文著眼于核軍控(核軍備控制,即,防范核武器及核材料的潛在核擴散)進行核查的理論、儀器及方法技術(shù),且側(cè)重于方法技術(shù)的研究,研究力求追蹤國外該領(lǐng)域前沿,依托總裝備部“十二·五”軍工預研項目等課題,率先在國內(nèi)構(gòu)建了面向核軍控核查的基于252Cf中子源頻譜

3、分析系統(tǒng)研究系統(tǒng)(平臺)?；?開展了基于PC平臺的高速、實時頻譜分析的幾個關(guān)鍵技術(shù)的研究工作。本研究主要內(nèi)容是：
　　 (1)率先在國內(nèi)構(gòu)建了面向核軍控核查的基于252Cf中子源頻譜分析系統(tǒng)研究平臺。本論文基于的252Cf中子源為自發(fā)裂變中子源,每自發(fā)裂變一次,產(chǎn)生約3.5個中子(n),形成弱中子脈沖,且弱中子脈沖信號是隨機的。論文在闡述脈沖中子源測量法、Rossi-α測量法的基礎(chǔ)上,從在核查現(xiàn)場快速提交核查結(jié)果的儀器技術(shù)及方

4、法出發(fā),引出了基于252Cf中子源的核噪聲分析法(也稱功率譜密度分析法),探討了252Cf中子源驅(qū)動噪聲分析測量法的分析測量原理。論文在詳細研究功率譜密度分析法的基礎(chǔ)上,針對系統(tǒng)采樣率高(高達1GHz)、數(shù)據(jù)量巨大(1×109 Block,每個Block長度最大為4096),且實時進行分析處理的要求,依據(jù)在分辨率達lns的時間倉內(nèi),如果有裂變信號記為“1”,沒有裂變信號則記為“0”,構(gòu)成了具有“0、1”特殊結(jié)構(gòu)的中子脈沖序列,基此,本論

5、文建立了頻譜分析系統(tǒng)的測量模型。針對國外頻譜分析系統(tǒng)的某些不足,研究采用“PC平臺+高速采集卡”的架構(gòu),完成了系統(tǒng)的總體設(shè)計。此可在確保高速、實時性的前提下,存儲測量數(shù)據(jù)的中間結(jié)果以實現(xiàn)后續(xù)回訪處理等工作。
　　 (2)開展了基于252Cf中子源頻譜分析系統(tǒng)的時頻分析研究。論文在基于252Cf中子源的頻譜測量中,第1探測器通道設(shè)為源通道,其它兩個探測器系測量通道,分別設(shè)為第2通道和第3通道。252Cf中子源裂變所產(chǎn)生的中子,進入

6、反應(yīng)堆或核材料后會發(fā)生散射、吸收、誘發(fā)裂變,誘發(fā)裂變產(chǎn)生的中子又被散射或引起下一代誘發(fā)裂變,多代誘發(fā)裂變形成一個中子裂變鏈。采集裂變鏈的數(shù)據(jù),可以得到不同測量通道測得的粒子在時間上自相關(guān)和互相關(guān)的特性,以及信號功率譜的特征。這些特性與核材料的同位素成分、量的多少及結(jié)構(gòu)形狀等屬性有關(guān)。論文描述了與信號時間相關(guān)的特征函數(shù),在系統(tǒng)中被稱為時域分析標簽；與此相對應(yīng)的是在頻域內(nèi)進行特征描述的頻域分析標簽?；?本文以實驗實際測得的數(shù)據(jù)為例,開展了

7、時頻分析研究工作。計算分析了三個通道中各通道的自相關(guān)函數(shù)、通道之間的互相關(guān)函數(shù)、各通道的多重性以及總的多重性等時域分析參數(shù)。通過功率譜密度分析模型,計算獲得了三個通道中各通道的自功率譜密度、通道間的互功率譜密度、相干性和功率譜密度比等頻域分析參數(shù)。功率譜的計算尤為關(guān)鍵,它不僅要滿足后續(xù)參數(shù)計算的需要,更重要的是,還應(yīng)滿足頻譜系統(tǒng)對實時性分析的要求。
　　 (3)研究了基于252Cf源的功率譜密度計算及優(yōu)化的關(guān)鍵技術(shù)。針對經(jīng)典功率

8、譜直接計算時,估計量不是一致估計的問題,論文采用了分段平均的修正方法——對每段分別估計其功率譜,然后求其平均值作為最后的譜估計。為滿足系統(tǒng)對頻譜實時性分析的需要,論文在分析了FFT提升效率有限的情況下,采用自相關(guān)法計算功率譜。利用傅立葉變換的線性特性,對所有Block自相關(guān)序列的FFT變換求和,可以簡化為先對自相關(guān)序列求和,然后對求和后的序列進行FFT變換,從而達到優(yōu)化功率譜計算的目的,這為實時性頻譜分析創(chuàng)造了條件。
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9、)開展了基于252Cf中子源頻譜分析系統(tǒng)實時性關(guān)鍵技術(shù)研究。論文從系統(tǒng)本身的中子脈沖序列的特點出發(fā),研究并設(shè)計了傅立葉變換和自(互)相關(guān)的算法。針對傅立葉變換的實時性問題,設(shè)計了基于中子脈沖序列的DFT快速算法。該算法針對中子脈沖序列信號本身所具有特殊的“0、1”結(jié)構(gòu)特點,通過構(gòu)造旋轉(zhuǎn)因子表,僅利用加法和尋址運算實現(xiàn)了一種中子脈沖序列的DFT快速算法。同時,論文針對自(互)相關(guān)算法的實時性問題,充分利用了中子脈沖序列的特點,設(shè)計了快速偏

10、移的方法,僅考慮相關(guān)序列在兩者均為“1”時才計算,其余點可以不參與計算,由此可以大大提高計算效率。系統(tǒng)測試表明,算法的計算時間與計數(shù)率成正比。在計數(shù)率為3×106s-1,Block長度為1024時,設(shè)計的DFT算法的計算時間為5.65μs,相應(yīng)的FFTW的計算時間為11.53μs,計算效率提高204％；設(shè)計的相關(guān)算法的計算時間為0.52μs,相應(yīng)的Intel Math Kernel Library的相關(guān)計算時間為129.95μs,計算效

11、率提高250倍。
　　 (5)開展了基于252Cf源頻譜分析系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的分析測定研究。論文構(gòu)造的頻譜分析測量平臺,與其他核探測系統(tǒng)一樣,總是存在著使某些核事件丟失的死時間。死時間越短,測量結(jié)果越具有真實性。為此,論文針對基于時域測量開展核輻射探測系統(tǒng)死時間修正工作盼復雜性,提出并研究了利用系統(tǒng)自相關(guān)圖譜測量系統(tǒng)死時間的新方法,該方法可以直觀、準確、便捷地測量核系統(tǒng)的死時間。在實驗中,測得系統(tǒng)的死時間為40ns,測量精度高,達到

12、了ns級。對系統(tǒng)增殖標簽進行了死時間修正,提高了系統(tǒng)測試的準確性。同時,論文研究了一種實時虛擬多道系統(tǒng),并利用得到的多道數(shù)據(jù)進行擬合求得了瞬發(fā)中子衰減常數(shù)。該方法在數(shù)據(jù)采集的過程中,以252Cf源信號為起始信號,將另一探測通道的數(shù)據(jù)進行實時轉(zhuǎn)換,模擬數(shù)據(jù)進入多道的方式,實現(xiàn)了模擬多道方式測量。該方法具有測量精度高、實時性強的優(yōu)點。同時,利用多道測得的瞬發(fā)中子衰減曲線,借助最小二乘法進行指數(shù)擬合,得到瞬發(fā)中子衰減常數(shù)。
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13、)研究設(shè)計了實時頻譜分析系統(tǒng)的應(yīng)用軟件。本論文在構(gòu)建了面向核軍控核查的基于252Cf中子源頻譜分析硬件平臺后,應(yīng)用軟件設(shè)計也是系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。論文研究了多核PC平臺的軟件設(shè)計方法。為充分發(fā)揮多核CPU的作用,系統(tǒng)采用多線程并行計算。論文從任務(wù)分解、數(shù)據(jù)分解以及數(shù)據(jù)流分解出發(fā),進行線程的劃分以及多線程的設(shè)計,使得任務(wù)之間可以協(xié)同、并行地進行頻譜信號的處理與分析。系統(tǒng)在線程并行處理的同時,還對關(guān)鍵線程中的計算進行了內(nèi)存管理和SSE優(yōu)化設(shè)

14、計,即,系統(tǒng)在基于中子脈沖序列的FFT和自(互)相關(guān)計算時,充分利用SSE進行優(yōu)化。系統(tǒng)性能測試表明,利用SSE優(yōu)化,其優(yōu)化效果十分明顯,計算效率提升超過了100％,這為系統(tǒng)的實時計算提供了保證。本論文的上述研究成果,不僅已在項目研制系統(tǒng)(平臺)移交甲方的工程實踐中得到了實際應(yīng)用,而且系統(tǒng)的主要性能指標如同步精度、分析頻率、高低頻脈沖及連續(xù)信號采集、Block大小等方面,優(yōu)于國外已解密的類似系統(tǒng)NWIS(Nuclear Weapon I