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基于信赖域算法的中子能谱反演方法研究

基于信赖域算法的中子能谱反演方法研究

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作者：林存宝国防科学技术大学

学位级别：硕士

在核物理研究、反应堆控制、加速器技术及空间探测、核辐射防护等领域,都需要精确了解辐射场内中子能谱分布。基于探测器响应函数和脉冲幅度谱反演中子能谱作为中子探测的一项关键技术,具有极其重要的科学研究和实际应用价值。本文基于... 详细信息

在核物理研究、反应堆控制、加速器技术及空间探测、核辐射防护等领域,都需要精确了解辐射场内中子能谱分布。基于探测器响应函数和脉冲幅度谱反演中子能谱作为中子探测的一项关键技术,具有极其重要的科学研究和实际应用价值。本文基于液体闪烁体探测器开展了中子解谱方法的研究,提出了一种新的基于信赖域算法(TR)的中子能谱反演方法。论文介绍了基于液体闪烁体探测器反演中子能谱的基本原理,检验了O5S蒙特卡罗程序仿真的探测器响应矩阵的病态性。对病态解谱问题中脉冲幅度谱含有噪声和响应矩阵与脉冲幅度谱同时含有噪声的情况进行了误差分析,二者分别被用于后文仿真验证和实验验证的理论参考。利用奇异值分解法(SVD)对响应矩阵病态性的主要成因进行了剖析,引出了已有的适用于求解病态反演问题的中子能谱反演方法。对于探测器响应矩阵严重病态性的特点,检验了Jacobi法、行(列)均衡法、Gauss-Seidel法、逐次超松弛法(SOR)、对称逐次超松弛法(SSOR)对该矩阵的预处理效果,通过对比处理后矩阵的条件数和数值测试的结果选取了行均衡法作为与信赖域算法相结合的预处理方法。仿真验证中利用最小二乘法(LS)、截断奇异值分解法(TSVD)、Tikhonov正则化法和信赖域算法,分别对信噪比(SNR)为∞、140dB、100dB、60dB下的单峰、多峰、1/E峰进行了测试,测试结果显示信赖域算法具有更高的求解精度和更好的鲁棒性。实验验证中搭建了由多种中子源、液体闪烁体探测器、光电倍增管、电子学电路和计算机构成的硬件平台,设计了基于ORTEC核电子学标准插件的硬件测量电路。分别对D-T单能中子源、241 Am-Be放射性同位素中子源和252Cf自发裂变中子源进行了测量,依次经过n/γ甄别、扣除本底、能量刻度、反冲电子谱到反冲质子谱的转换四个步骤的处理得到了最终所需的反冲质子谱。利用信赖域算法与Tikhonov正则化法对三种中子源进行了能谱反演,通过与参考值的对比显示两种方法都能够求得有效的结果,两种方法之间的对比显示信赖域算法可以获得更高的精度要求,由此证明了信赖域算法是一种切实有效的中子能谱反演方法。

关键词：中子探测液体闪烁体探测器中子能谱反演信赖域算法 Tikhonov正则化法

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自适应中子能谱解析算法研究

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作者：杨芮成都理工大学

学位级别：硕士

在中子辐射防护、反应堆控制、中子检测技术等应用场合,快速获取中子能谱信息至关重要。多球中子谱仪测量方法具有能量测量量程宽、仪器结构简单等特点,广泛应用于中子能谱测量。在多球中子谱仪测量中子能谱的过程中,能谱的反演计算是... 详细信息

在中子辐射防护、反应堆控制、中子检测技术等应用场合,快速获取中子能谱信息至关重要。多球中子谱仪测量方法具有能量测量量程宽、仪器结构简单等特点,广泛应用于中子能谱测量。在多球中子谱仪测量中子能谱的过程中,能谱的反演计算是关键步骤,影响中子能谱测量结果的准确性。目前各中子能谱反演算法中,MLEM算法具有较好的反演精度与稳定性,但该算法对迭代初始值的要求较高,需要设置具有先验信息的初始谱作为迭代初始值。然而,在未知的测量环境中,初始谱难以准确预置。基于多球中子谱仪测量系统,本文深入研究了中子能谱反演方法。文章提出了一种基于模式识别原理的中子能谱反演初始谱预置方法,并设计了PSO-MLEM反演算法。为了评估算法的性能,使用蒙特卡罗模拟方法,对3He正比计数器多球探测系统进行了模拟计算,并采用模拟数据对初始谱预置方法和PSO-MLEM反演算法进行了验证。在实验方面,使用金刚石探测器中子测量系统开展了测量实验,获得了热中子和超热中子探测数据,并应用初始谱预置方法与PSO-MLEM算法开展了中子解谱,评价了算法的准确性。论文取得的重要成果:（1）提出了一种基于模式识别原理的中子能谱反演初始谱预置方法。该方法解决了中子能谱反演计算过程中初始谱的预置问题。根据中子能谱测量系统的待解方程组,初始谱预置方法可以自动的从数据库中配置反演迭代初始谱,显著提升了中子能谱解析的精度与自动化程度。在模拟数据加入±10%随机误差的情况下,初始谱预置方法识别结果依然与期望初始谱保持了较高的相似性,表现出了较强的稳定性与匹配精度。（2）提出了混合PSO、MLEM算法的PSO-MLEM算法。该算法改善了MLEM算法后期易陷入局部最优解的问题,并通过动态加速因子提高了粒子的寻优效率与计算精度。通过模拟实验数据验证,PSO-MLEM算法重建出来的中子谱,对比PSO算法,稳定性更佳,曲线更光滑;对比MLEM算法,形状与期望结果相似度更高,避免了局部最优解的影响。（3）开发了自动中子能谱解析程序。解谱程序对上述的两种算法进行了实现,并使用多线程并行的方式提升了运算速度。使用自动中子解谱程序解析了来自金刚石探测器中子测量系统的实验数据,成功反演出了入射热中子、超热中子能谱,反演结果具有较好的稳定性与计算精度。

关键词：中子能谱反演多球中子谱仪 MLEM PSO 模式识别

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