面向核軍控核查的基于252Cf中子源頻譜分析系統(tǒng)幾個(gè)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(yán)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(kuò)散(核軍控核查),一直是國(guó)際社會(huì)關(guān)心的一個(gè)嚴(yán)峻課題。美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬獲得了2009年度諾貝爾和平獎(jiǎng)!諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)審委員會(huì)透露,奧巴馬總統(tǒng)“無核(武器)世界”的暢想,既為獲獎(jiǎng)的關(guān)鍵也為國(guó)際政治帶來了“新氣象”。在國(guó)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(kuò)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(jí)核燃(材)料

2、的生產(chǎn)監(jiān)督、核擴(kuò)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(zhēng)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(hù)一個(gè)國(guó)家的主權(quán),而且還攸關(guān)一個(gè)國(guó)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(kuò)散)進(jìn)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(guó)外該領(lǐng)域前沿,依托總裝備部“十二·五”軍工預(yù)研項(xiàng)目等課題,率先在國(guó)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(tái))?；?開展了基于PC平臺(tái)的高速、實(shí)時(shí)頻譜分析的幾個(gè)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(guó)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(tái)。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(gè)中子(n),形成弱中子脈沖,且弱中子脈沖信號(hào)是隨機(jī)的。論文在闡述脈沖中子源測(cè)量法、Rossi-α測(cè)量法的基礎(chǔ)上,從在核查現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)噪聲分析測(cè)量法的分析測(cè)量原理。論文在詳細(xì)研究功率譜密度分析法的基礎(chǔ)上,針對(duì)系統(tǒng)采樣率高(高達(dá)1GHz)、數(shù)據(jù)量巨大(1×109 Block,每個(gè)Block長(zhǎng)度最大為4096),且實(shí)時(shí)進(jìn)行分析處理的要求,依據(jù)在分辨率達(dá)lns的時(shí)間倉內(nèi),如果有裂變信號(hào)記為“1”,沒有裂變信號(hào)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(cè)量模型。針對(duì)國(guó)外頻譜分析系統(tǒng)的某些不足,研究采用“PC平臺(tái)+高速采集卡”的架構(gòu),完成了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。此可在確保高速、實(shí)時(shí)性的前提下,存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)的中間結(jié)果以實(shí)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(shí)頻分析研究。論文在基于252Cf中子源的頻譜測(cè)量中,第1探測(cè)器通道設(shè)為源通道,其它兩個(gè)探測(cè)器系測(cè)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(jìn)入

6、反應(yīng)堆或核材料后會(huì)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(gè)中子裂變鏈。采集裂變鏈的數(shù)據(jù),可以得到不同測(cè)量通道測(cè)得的粒子在時(shí)間上自相關(guān)和互相關(guān)的特性,以及信號(hào)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(hào)時(shí)間相關(guān)的特征函數(shù),在系統(tǒng)中被稱為時(shí)域分析標(biāo)簽；與此相對(duì)應(yīng)的是在頻域內(nèi)進(jìn)行特征描述的頻域分析標(biāo)簽?；?本文以實(shí)驗(yàn)實(shí)際測(cè)得的數(shù)據(jù)為例,開展了

7、時(shí)頻分析研究工作。計(jì)算分析了三個(gè)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(shí)域分析參數(shù)。通過功率譜密度分析模型,計(jì)算獲得了三個(gè)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(jì)算尤為關(guān)鍵,它不僅要滿足后續(xù)參數(shù)計(jì)算的需要,更重要的是,還應(yīng)滿足頻譜系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性分析的要求。
　　 (3)研究了基于252Cf源的功率譜密度計(jì)算及優(yōu)化的關(guān)鍵技術(shù)。針對(duì)經(jīng)典功率

8、譜直接計(jì)算時(shí),估計(jì)量不是一致估計(jì)的問題,論文采用了分段平均的修正方法——對(duì)每段分別估計(jì)其功率譜,然后求其平均值作為最后的譜估計(jì)。為滿足系統(tǒng)對(duì)頻譜實(shí)時(shí)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(jì)算功率譜。利用傅立葉變換的線性特性,對(duì)所有Block自相關(guān)序列的FFT變換求和,可以簡(jiǎn)化為先對(duì)自相關(guān)序列求和,然后對(duì)求和后的序列進(jìn)行FFT變換,從而達(dá)到優(yōu)化功率譜計(jì)算的目的,這為實(shí)時(shí)性頻譜分析創(chuàng)造了條件。
　　 (4

9、)開展了基于252Cf中子源頻譜分析系統(tǒng)實(shí)時(shí)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(diǎn)出發(fā),研究并設(shè)計(jì)了傅立葉變換和自(互)相關(guān)的算法。針對(duì)傅立葉變換的實(shí)時(shí)性問題,設(shè)計(jì)了基于中子脈沖序列的DFT快速算法。該算法針對(duì)中子脈沖序列信號(hào)本身所具有特殊的“0、1”結(jié)構(gòu)特點(diǎn),通過構(gòu)造旋轉(zhuǎn)因子表,僅利用加法和尋址運(yùn)算實(shí)現(xiàn)了一種中子脈沖序列的DFT快速算法。同時(shí),論文針對(duì)自(互)相關(guān)算法的實(shí)時(shí)性問題,充分利用了中子脈沖序列的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了快速偏

10、移的方法,僅考慮相關(guān)序列在兩者均為“1”時(shí)才計(jì)算,其余點(diǎn)可以不參與計(jì)算,由此可以大大提高計(jì)算效率。系統(tǒng)測(cè)試表明,算法的計(jì)算時(shí)間與計(jì)數(shù)率成正比。在計(jì)數(shù)率為3×106s-1,Block長(zhǎng)度為1024時(shí),設(shè)計(jì)的DFT算法的計(jì)算時(shí)間為5.65μs,相應(yīng)的FFTW的計(jì)算時(shí)間為11.53μs,計(jì)算效率提高204％；設(shè)計(jì)的相關(guān)算法的計(jì)算時(shí)間為0.52μs,相應(yīng)的Intel Math Kernel Library的相關(guān)計(jì)算時(shí)間為129.95μs,計(jì)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(cè)定研究。論文構(gòu)造的頻譜分析測(cè)量平臺(tái),與其他核探測(cè)系統(tǒng)一樣,總是存在著使某些核事件丟失的死時(shí)間。死時(shí)間越短,測(cè)量結(jié)果越具有真實(shí)性。為此,論文針對(duì)基于時(shí)域測(cè)量開展核輻射探測(cè)系統(tǒng)死時(shí)間修正工作盼復(fù)雜性,提出并研究了利用系統(tǒng)自相關(guān)圖譜測(cè)量系統(tǒng)死時(shí)間的新方法,該方法可以直觀、準(zhǔn)確、便捷地測(cè)量核系統(tǒng)的死時(shí)間。在實(shí)驗(yàn)中,測(cè)得系統(tǒng)的死時(shí)間為40ns,測(cè)量精度高,達(dá)到

12、了ns級(jí)。對(duì)系統(tǒng)增殖標(biāo)簽進(jìn)行了死時(shí)間修正,提高了系統(tǒng)測(cè)試的準(zhǔn)確性。同時(shí),論文研究了一種實(shí)時(shí)虛擬多道系統(tǒng),并利用得到的多道數(shù)據(jù)進(jìn)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(hào)為起始信號(hào),將另一探測(cè)通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換,模擬數(shù)據(jù)進(jìn)入多道的方式,實(shí)現(xiàn)了模擬多道方式測(cè)量。該方法具有測(cè)量精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí),利用多道測(cè)得的瞬發(fā)中子衰減曲線,借助最小二乘法進(jìn)行指數(shù)擬合,得到瞬發(fā)中子衰減常數(shù)。
　　 (6

13、)研究設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)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(tái)后,應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)也是系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。論文研究了多核PC平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)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(jì)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(jìn)行線程的劃分以及多線程的設(shè)計(jì),使得任務(wù)之間可以協(xié)同、并行地進(jìn)行頻譜信號(hào)的處理與分析。系統(tǒng)在線程并行處理的同時(shí),還對(duì)關(guān)鍵線程中的計(jì)算進(jìn)行了內(nèi)存管理和SSE優(yōu)化設(shè)

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