基于信赖域算法的中子能谱反演方法研究

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景和研究意义
• 1.1.1 选题背景
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 本文主要研究工作和内容安排
• 1.3.1 主要研究工作
• 1.3.2 本文内容安排
• 第二章 基于液体闪烁体探测器的中子解谱
• 2.1 液体闪烁体探测器的组成和工作过程
• 2.2 中子解谱原理分析
• 2.2.1 中子解谱的基本原理
• 2.2.2 液体闪烁体探测器响应函数
• 2.2.3 解谱过程的病态分析
• 2.3 中子解谱方法概述
• 2.3.1 最小二乘法
• 2.3.2 截断奇异值分解法
• 2.3.3 正则化方法
• 2.3.4 随机化方法
• 2.4 本章小结
• 第三章 结合预处理方法的信赖域算法研究
• 3.1 病态问题的预处理方法
• 3.1.1 Jacobi预处理法
• 3.1.2 行（列）均衡预处理法
• 3.1.3 Gauss-Seidel预处理法
• 3.1.4 SOR预处理法
• 3.1.5 SSOR预处理法
• 3.2 信赖域算法的基本原理和求解步骤
• 3.2.1 信赖域算法的基本原理
• 3.2.2 基于截断共轭梯度法的信赖域算法求解步骤
• 3.3 预处理方法的选取
• 3.4 各种算法仿真验证的对比结果
• 3.4.1 单峰能谱仿真验证
• 3.4.2 多峰能谱仿真验证
• 3.4.3 1/E能谱仿真验证
• 3.5 本章小结
• 第四章 信赖域算法反演中子能谱的实现
• 4.1 实验装置
• 4.1.1 中子源
• 4.1.2 硬件平台和测量电路
• 4.2 实验数据处理
• 4.2.1 n/γ甄别
• 4.2.2 扣除本底
• 4.2.3 能量刻度
• 4.2.4 反冲电子谱到反冲质子谱的转换
• 4.3 解谱结果验证与分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 本文工作总结
• 5.2 未来工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果