抽注水多层同心球中子谱仪软件系统研究

作     者：黄伟杰 

作者单位：成都理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨剑波

授予年度：2022年

学科分类：082704[工学-辐射防护及环境保护] 08[工学] 0827[工学-核科学与技术] 

主      题：抽注水多层同心球中子谱仪 能谱重建 软件系统 实时监控 多线程 

摘      要：中子能谱测量是中子探索的重要环节,当前多球中子谱仪是众多测量中子能谱方法中最简单的一种。传统的多球中子谱仪存在一致性差、造价昂贵等问题,为解决上述问题,课题组依托国家自然科学基金项目“抽注水多层同心球宽量程新型中子能谱探测器研究（No.41774120）、四川省科技计划项目“抽注水多层同心球中子谱仪剂量校正（No.2021YJ0329）自主研发了一台用于中子能谱测量的抽注水多层同心球中子谱仪。 目前操作抽注水多层同心球中子谱仪主要存在如下问题:（1）测量人员需要手动发送控制命令进行抽注水操作;（2）无法直观地获取当前谱仪的工作状态和各水层的水量;（3）进行中子能谱重建操作时,需要第三方解谱工具求解中子能谱。因此,本文开展了抽注水多层同心球中子谱仪的软件系统开发与研究,完成了抽注水多层同心球中子谱仪配套的软件系统,实现了自动化控制、抽注水过程动态显示、能谱重建等功能。主要获得成果如下: （1）针对抽注水多层同心球中子谱仪软件系统,在详细需求分析的基础上,构建了界面层、业务逻辑层、接口访问层和数据层等四层构架,采用C#编程语言研发了一套抽注水多层同心球中子谱仪软件系统,实现了实时监控、能谱重建、数据管理、系统设置、水层管理等功能模块。经测试该系统各个功能模块响应时间均小于30ms,CPU使用率最高数值为41%,界面人机交互友好,运行流畅,满足设计要求。 （2）采用GDI+技术研发了系统控制设备控件。通过自定义数据传输协议,完成了抽注水多层同心球中子谱仪软件系统与下位机控制设备的数据采集、传输、控制等功能,采用GDI+技术研发了系统控制设备控件,并根据实时反馈的数据信息,实现了抽注水过程动态显示、流量计、电磁阀、水泵等设备状态的实时监控,使操作者能够直观了解设备的运行状态,在意外情况发生时,可以快速做出抉择,为抽注水多层同心球中子谱仪在中子能谱测量中提供了安全保障。 （3）采用多线程技术研发了水层管理模块,实现了中子能谱测量过程中的水层组合自动切换功能。通过遗传算法和蚁群算法相结合,建立了蚁群-遗传算法模型,首先将蚁群算法获得的水层组合最优方案作为初始种群,其次使用遗传算法进行计算,最后完成水层组合最优方案的求解。经测试该算法得到32种不同水层组合的最短切换总时间为2672s,对比以前课题组仅用遗传算法计算得到的最短时间缩短了540s,进一步缩短了中子能谱测量操作用时,提高了测量效率。 （4）建立了中子能谱重建算法模型,实现了软件系统中子能谱解谱功能及展示功能模块。首先选取252Cf中子源和18种不同的水层组合进行中子能谱模拟测量,得到18个不同水层组合下的模拟实验数据;其次通过252Cf中子源的参考能谱与抽注水多层同心球中子谱仪的响应函数矩阵卷积,得到18个不同水层组合下的模拟实验测量中子计数;最后通过遗传算法模型,完成了能谱重建。经该算法获得的结果与参考能谱数据对比分析,分析结果显示,检验统计量F值为0.012556,临界值F crit为4.130018,检验统计量数值远小于临界值,即两组中子计数之间无显著差异,表明能够较好地通过抽注水多层同心球中子谱仪软件系统进行中子能谱重建。 本论文的主要创新点为: （1）设计开发了一套与抽注水多层同心球中子谱仪配套的软件系统,完成了从数据采集到传输再到数据分析处理、能谱重建等功能的无缝衔接与流畅运行,简化了抽注水多层同心球中子谱仪进行中子能谱测量的操作流程,提高了中子能谱测量效率。 （2）结合蚁群算法和遗传算法建立了蚁群-遗传算法模型,解决了水层组合最优方案求解速度慢,易陷于局部最优解等问题。采用蚁群-遗传算法求解32种不同水层组合的最优方案,得到水层组合切换总时间最短为2672s,缩短了540s。减少了中子能谱测量操作时间,提高了测量效率。