中子多重性移位寄存器功能模擬實現

管才路 張全虎 王中杰 劉 杰

(第二炮兵工程學院 西安 710025)

中子多重性測量是軍控核查研究中的重要屬性測量技術，在軍控核查和核安全保障領域中應用廣泛[1]。不同于傳統的符合測量方法，多重性測量分別記錄中子符合分辨時間內的分布情況，得到二重符合中子、三重符合中子、四重符合中子等更多重符合中子，所以中子多重性測量在處理中子脈沖時采用更為先進的多重性移位寄存器來處理中子脈沖[2]。本文在研究多重性移位寄存器(Multiplicity Shift Register, MSR)工作原理基礎上，用C語言編程模擬MSR，以處理中子脈沖序列，為后續計算得到樣品信息奠定基礎。

1 MSR原理

圖1 移位寄存器處理四個脈沖以及這四個脈沖的可能符合情況Fig.1 Example of shift register operation with four neutron pulses and possible coincidence pairs between 1, 2, 3 or4 pulses.

自發裂變、誘發裂變可同時發射1個或多個中子，脈沖序列既可看作是事件隨時間的分布，也可以看作是裂變事件間的時間間隔分布。理想的中子脈沖序列有相關事件和非相關事件，相關事件與非相關事件的時間間隔較大，沒有干擾。實際的脈沖序列則要復雜很多，主要是因為不同的本底事件之間、不同的裂變事件之間、本底事件與裂變事件之間的交迭。樣品發射出的中子在經過一系列的慢化、散射之后，被探測、吸收或逃逸。在此過程中，中子的數量逐漸減少，其規律遵循Rossi-a分布[3]。移位寄存器能在實際測量中處理中子脈沖序列輸出真符合和偶然符合計數。

1.1 傳統移位寄存器

符合電路在計數時，會受到門寬G的影響，即損失門寬時間內的符合計數。傳統移位寄存器可很好解決此問題[3]。與符合電路不同，移位寄存器保存每個通過移位寄存器的脈沖，而這些脈沖都會產生自己的符合門與其他的脈沖比較，其算法可用圖1來說明。

當4個相關聯的中子脈沖通過移位寄存器時，移位寄存器的可逆計數器(Up-down Counter)類似于電梯，電梯上同時出現的中子數量可有0、1、2、3四種情況，累加器計數分別是0、1、3、6，最后共有6種符合情況。也即對n個事件，記錄到的符合計數為n(n–1)/2，即組合數Cn2。移位寄存器原理示意圖如圖2所示：

圖2 傳統移位寄存器Fig.2 Conventional shift register circuit.

輸入脈沖首先觸發 R+A計數器，將可逆計數器[4]中的脈沖數記錄到R+A計數器中，選通脈沖經過一個較長延遲(～4096 μs)后，再將可逆計數器中脈沖數存入A計數器中；然后輸入脈沖進入預延遲電路，經過預延遲后進入移位寄存器。

1.2 多重性移位寄存器

圖3是MSR的工作示意圖。MSR的基本原理與傳統移位寄存器類似，不同之處在于它可以記錄符合時間內脈沖個數的分布[4]。 基于這一思想，使中子脈沖序列的每一個中子脈沖都激發一個門寬，判斷后面的中子脈沖信號有多少在該門寬內，并記錄下來。如有1個在該門寬內，則標記為“1”的計數器加1，若有2個在該門寬之內，則標記為“2”的計數器加 1，依次進行判斷。這樣記錄下來的中子脈沖既含有真符合事件，也含有偶然符合事件。為得到偶然符合事件的計數分布，可隨機激發產生與上述門寬相同數量的同寬度門寬，判斷后面的脈沖信號是否在此門寬內，采用同樣的記錄方式，這樣得到的就是偶然符合計數。偶然符合計數也可通過脈沖長延遲后激發一個同寬度門寬來得出，處理方式相同。

圖3 MSR工作示意圖Fig.3 Multiplicity shift register circuit.

2 MSR參數

MSR 的參數主要有符合門寬(tg)、死時間(δ)、預延遲(tp)、長延遲(t)）。在模擬時，也要根據實際情況設定合適的參數。

(1) 符合門寬：MSR在一個中子脈沖到達時，激發產生有一定寬度的時間，比較此脈沖后所有脈沖到達的時刻是否在此寬度內。門寬若過小，則有可能漏記真符合事件，過大，則大量偶然符合事件也被記錄，兩種情況都造成真符合事件計數(R+A)-A和偶然符合事件計數A的誤差偏大。

(2) 死時間：由于受探測器電流收集時間、脈沖成形時間、基線恢復時間、脈沖甄別或門(OR gate)電路、移位寄存器同步輸入等影響，測量中會有死時間，造成中子計數率損失與測量誤差[5]。

(3) 預延遲：由于電子器件的影響，一個中子脈沖到達時，并不能立即激發產生一個門寬，所以增設預延遲電路，預延遲tp值已固化在MSR電路中[6]。但在模擬MSR時，不存在電子器件的影響，可以根據需要設定一個預延遲，也可不考慮預延遲，即：tp=0。

(4) 長延遲：其目的是測量偶然符合事件計數，長延遲之后激發的門寬內中子脈沖相對于激發脈沖信號都是偶然符合事件。長延遲的值要適當選擇，如過小，則長延遲后的門寬內有可能含真符合事件，測量結果不準確。

3 MSR模擬及結果

基于上述原理和思想，本文利用計算機C語言編寫程序，通過 MATLAB軟件運行后，實現了對MSR功能的模擬，并用該程序對模擬钚樣品中子脈沖序列進行了分析。圖4為模擬示意圖。

圖4 MSR模擬示意圖Fig.4 Sketch map of MSR computer simulation.

4π立體角計數器模擬測量238Pu樣品輸出的中子脈沖序列為：2.7831200E–7、7.2670700E–7、7.7297311E–5、 1.1569005E–4、 1.1734291E–4、8.8941688E–4、 8.9037518E–4、 8.9320438E–4、1.0966829E–3、 1.9703140E–3、 1.0966829E–3、1.9739338E–3、 2.4581264E–3、 2.6776674E–3、2.6781093E–3、2.67810939E–3、2.7074169E–3、2.7139145E–3、3.4010066E–3、3.4045689E–3, ··。

用該MSR程序分析上述脈沖序列，得到(R+A)和(A)的分布情況，見表1，bin為計數的標記分類。

表1 238Pu模擬測量數據的中子多重性情況Table1 1Neutron multiplicity distribution from simulation data of 238Pu

4 分析與結論

由表1，在bin=0時，A的數據甚大于A的其它數據，多重性次數多達223809次，偶然符合計數非常少。其原因主要有兩點：(1)本次所用的計數器是一種理想的模型，其衰退時間非常短，只要裂變產生中子，就立刻被3He俘獲；這就使偶然符合計數減少；(2)對于計算機模擬而言，所產生的中子脈沖序列以及MSR的處理相對于實際測量時較理想，不存在實際測量中的電子學器件的影響，使偶然符合計數減少。

在得到(R+A)和A的分布后，計算它們的階乘矩，得到中子多重性測量方程的一重符合計數率(S)、二重符合計數率(D)、三重符合計數率(T)，求解測量方程可得到樣品信息。計算結果與相同條件下的實驗數據偏差較小[7]，說明本文所采用的模擬方法是正確可行的。

1 Ensslin N, Harker W C, Krick M S, et al.Application guide to neutron multiplicity counting [Z].USA: Los Alamos National Laboratory, 1998, 5–10

2 丁大釗, 葉春堂, 趙志祥, 等.中子物理學 [M].北京:原子能出版社, 2001, 100–102 DING Dazhao, YE Chuntang, ZHAO Zhixiang, et al.Neutron physics [M].Beijing: Atomic Energy Press, 2001,100–102

3 許小明.中子多重性測量技術研究 [D].北京: 中國原子能科學研究院, 2008, 32–34 XU Xiaoming, Development of neutron multiplicity counting [D].Beijing: China Institute of Atomic Energy.2008, 32–34.

4 Ensslin N, Krick M S, Langner D G.Passive neutron multiplicity counting [Z].USA: Los Alamos National Laboratory, 1991.13–15

5 Dytlewski N.Dead time corrections for multiplicity counters [J].Nucl Instr Meth, 1991, A305:492–494

6 Krick M S, Swansen J E.Neutron multiplicity and multiplication measurements [J].Nucl Instr Meth, 1984,A219: 384–393

7 Peerani P, Weber A, Swinhoe M T, et al.ESARDA multiplicity benchmark exercise [J].Esarda Bulletin, 2009,42: 1–15