【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于中子探測(cè)，涉及一種獲取spnd絕緣層空間電場(chǎng)演化及計(jì)算探測(cè)器靈敏度的方法，具體涉及一種基于絕緣層空間電場(chǎng)演化計(jì)算spnd探測(cè)器靈敏度的方法、系統(tǒng)、終端設(shè)備及存儲(chǔ)介質(zhì)。
技術(shù)介紹
1、自給能中子探測(cè)器(self-powered?neutron?detector，spnd)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耐高溫高壓和抗強(qiáng)輻照等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于反應(yīng)堆中子的測(cè)量。探測(cè)器主要由發(fā)射極、絕緣層和收集極構(gòu)成，發(fā)射極通常采用中子俘獲截面較大的金屬材料，中間使用絕緣材料，收集極則采用導(dǎo)電性良好的合金。當(dāng)探測(cè)器置于反應(yīng)堆內(nèi)時(shí)，發(fā)射極材料會(huì)俘獲中子，通過(guò)衰變直接產(chǎn)生電子或通過(guò)發(fā)射伽馬射線產(chǎn)生次級(jí)電子。這些電子穿過(guò)絕緣層到達(dá)收集極，產(chǎn)生的電流大小與中子流強(qiáng)相關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)堆內(nèi)中子的測(cè)量。
2、在spnd的工作過(guò)程中，電子可能由于動(dòng)能不足而滯留在絕緣層中，形成空間電場(chǎng)，該空間電場(chǎng)會(huì)影響后續(xù)電子在絕緣層中的輸運(yùn)行為，進(jìn)而影響探測(cè)器的靈敏度。因此，為了提高對(duì)探測(cè)器靈敏度的計(jì)算精度，需要對(duì)絕緣層的空間電荷效應(yīng)(也稱靜電效應(yīng))進(jìn)行定量分析。此外，在設(shè)計(jì)探測(cè)器時(shí)，必須結(jié)合工作環(huán)境，計(jì)算絕緣層的最大電場(chǎng)強(qiáng)度，確保其不超過(guò)絕緣材料的擊穿強(qiáng)度，否則絕緣層可能因擊穿而失效，最終導(dǎo)致探測(cè)器失效。
3、目前，對(duì)spnd靜電效應(yīng)的研究已有許多，但仍存在一定的不足，主要體現(xiàn)在：1)多數(shù)研究中，絕緣層電荷分布形式是假設(shè)的，與實(shí)際情況存在較大差異；2)部分研究通過(guò)蒙特卡洛方法模擬電荷沉積，在模擬過(guò)程中加入真實(shí)電場(chǎng)，通過(guò)迭代模擬電場(chǎng)的累積過(guò)程，雖然能夠反映電場(chǎng)的
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本專利技術(shù)的目的在于提供一種獲取spnd絕緣層空間電場(chǎng)演化及計(jì)算探測(cè)器靈敏度的方法與系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有技術(shù)計(jì)算效率低，耗時(shí)長(zhǎng)，難以滿足設(shè)計(jì)需求的技術(shù)問(wèn)題。
2、為了達(dá)到上述目的，本專利技術(shù)采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：
3、一種獲取spnd絕緣層空間電場(chǎng)演化及計(jì)算探測(cè)器靈敏度的方法，包括：
4、建立電荷密度演化的動(dòng)態(tài)方程；
5、將總輻照電流密度分解為穩(wěn)定部分與時(shí)變部分，通過(guò)蒙特卡洛方法模擬在衰變平衡情況下單個(gè)源粒子貢獻(xiàn)的穩(wěn)定電流密度分布與時(shí)變電流密度分布；
6、獲取spnd時(shí)變部分電流密度的表達(dá)式，求解電荷密度演化動(dòng)態(tài)方程，得到電荷密度演化的解析表達(dá)式；
7、基于電荷密度演化的解析表達(dá)式，通過(guò)積分獲取電場(chǎng)強(qiáng)度分布的演化過(guò)程，并模擬獲得探測(cè)器的靈敏度。
8、進(jìn)一步的，所述建立電荷密度演化的動(dòng)態(tài)方程的步驟包括：
9、基于電荷守恒定律，如下所示：
10、
11、式中，表示總電流密度，ρ(r,t)表示電荷密度，為拉普拉斯算符，即梯度算符；總電流密度可以寫(xiě)為輻照電流密度與傳導(dǎo)電流密度之和，即：
12、
13、結(jié)合歐姆定律，得到：
14、
15、及電場(chǎng)與電勢(shì)的關(guān)系如下：
16、
17、建立描述電荷密度隨時(shí)間和空間變化的偏微分方程，如下所示：
18、
19、其中，σ為探測(cè)器絕緣體的電導(dǎo)率(體電阻率的倒數(shù))，ε為絕緣體介電常數(shù)。
20、進(jìn)一步的，所述獲取spnd時(shí)變部分電流密度的表達(dá)式，求解電荷密度演化動(dòng)態(tài)方程，得到電荷密度演化的解析表達(dá)式的步驟包括：
21、對(duì)于瞬發(fā)型spnd，當(dāng)電場(chǎng)較小時(shí)，忽略電場(chǎng)對(duì)信號(hào)電子的影響，與t無(wú)關(guān)，那么有(令記為時(shí)間常數(shù))
22、
23、對(duì)于延遲型spnd，其電流密度可分為兩部分，包括時(shí)變部分與非時(shí)變部分(當(dāng)電場(chǎng)較小時(shí)，忽略電場(chǎng)對(duì)信號(hào)電子的影響)，即：
24、
25、對(duì)于共有m個(gè)不穩(wěn)定核素的發(fā)射體，第i個(gè)核素的時(shí)變部分的輻照電流密度可以寫(xiě)為：
26、
27、式中，λi為第i個(gè)核素的半衰期，ai(r)為穩(wěn)態(tài)時(shí)，第i個(gè)核素衰變每次衰變?cè)诮^緣層產(chǎn)生的面電流密度分布，ni,s為衰變平衡時(shí)，第i個(gè)的核子數(shù)密度，φ為中子通量密度，αij為常系數(shù)，e是自然常數(shù)。
28、那么，當(dāng)與任何一個(gè)核素的半衰期都不相等時(shí)，得到
29、
30、當(dāng)與某個(gè)核素的半衰期相等時(shí)，有
31、
32、可以看到，瞬發(fā)型spnd電場(chǎng)平衡時(shí)間由τ決定，而延遲型spnd由τ和核素半衰期共同決定。
33、進(jìn)一步的，所述通過(guò)蒙特卡洛方法模擬在衰變平衡情況下的穩(wěn)定電流密度分布與時(shí)變電流密度分布的步驟包括：
34、將輻射場(chǎng)信息和探測(cè)器幾何結(jié)構(gòu)及材料輸入蒙特卡洛模擬程序，模擬射線與探測(cè)器的相互作用，分別統(tǒng)計(jì)穩(wěn)定電流密度分布(來(lái)源于中子俘獲時(shí)產(chǎn)生的伽馬所產(chǎn)生的次級(jí)電子的貢獻(xiàn))和時(shí)變電流密度分布(衰變過(guò)程所產(chǎn)生的貢獻(xiàn))。
35、進(jìn)一步的，所述基于電荷密度分布，通過(guò)積分獲取電場(chǎng)強(qiáng)度分布，并模擬獲得探測(cè)器的靈敏度的步驟包括：
36、根據(jù)電場(chǎng)與電荷密度的關(guān)系，對(duì)得到的電荷密度解析表達(dá)式進(jìn)行空間積分，計(jì)算電場(chǎng)強(qiáng)度分布；利用計(jì)算得到的電場(chǎng)強(qiáng)度分布，模擬并評(píng)估探測(cè)器在不同工作條件下的靈敏度。
37、進(jìn)一步的，所述對(duì)電荷密度進(jìn)行積分的方法為數(shù)值積分或解析積分，積分表達(dá)式如下所示：
38、
39、其中，ri為發(fā)射體外半徑，ro為絕緣體外半徑；ξ是積分變量，用來(lái)指明在該方程中需要被積分的變量。
40、進(jìn)一步的，所述方法用于分析探測(cè)器參數(shù)和中子通量對(duì)空間電場(chǎng)演化的影響，為spnd的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。
41、一種計(jì)算自給能中子探測(cè)器絕緣體中空間電荷效應(yīng)的系統(tǒng)，包括：
42、建立模塊，用于基于電荷守恒定律，建立電荷密度演化的動(dòng)態(tài)方程；
43、模擬模塊，用于將輻照電流密度分解為穩(wěn)定部分與時(shí)變部分，利用蒙特卡洛方法模擬在衰變平衡情況下的穩(wěn)定電流密度與時(shí)變電流密度；
44、計(jì)算模塊，用于獲取spnd時(shí)變部分電流密度的表達(dá)式，求解電荷密度演化動(dòng)態(tài)方程，得到電荷密度演化的解析表達(dá)式；
45、積分模塊，用于基于電荷密度分布，通過(guò)積分獲取電場(chǎng)強(qiáng)度分布，并模擬獲得探測(cè)器的靈敏度。
46、一種終端設(shè)備，包括存儲(chǔ)器、處理器及存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器上并可在處理器上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序時(shí)實(shí)現(xiàn)所述方法的步驟。
47、一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，所述計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)所述方法的步驟。
48、與現(xiàn)有技術(shù)本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種獲取SPND絕緣層空間電場(chǎng)演化及計(jì)算探測(cè)器靈敏度的方法，其特征在于，包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的獲取SPND絕緣層空間電場(chǎng)演化及計(jì)算探測(cè)器靈敏度的方法，其特征在于，電荷密度演化的動(dòng)態(tài)方程是基于電荷守恒定律建立獲得，描述電荷密度隨時(shí)間和空間變化的偏微分方程，方程式如下：
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的獲取SPND絕緣層空間電場(chǎng)演化及計(jì)算探測(cè)器靈敏度的方法，其特征在于，通過(guò)蒙特卡洛方法模擬在衰變平衡情況下單個(gè)源粒子貢獻(xiàn)的穩(wěn)定電流密度分布與時(shí)變電流密度分布的操作包括：
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的獲取SPND絕緣層空間電場(chǎng)演化及計(jì)算探測(cè)器靈敏度的方法，其特征在于，獲取SPND時(shí)變部分電流密度的表達(dá)式，包括：
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的獲取SPND絕緣層空間電場(chǎng)演化及計(jì)算探測(cè)器靈敏度的方法，其特征在于，基于電荷密度分布，通過(guò)積分獲取電場(chǎng)強(qiáng)度分布，并模擬獲得探測(cè)器的靈敏度的步驟包括：
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的獲取SPND絕緣層空間電場(chǎng)演化及計(jì)算探測(cè)器靈敏度的方法，其特征在于，對(duì)得到的電荷密度解析表達(dá)式進(jìn)行空間積分的方法為數(shù)值積分或
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于絕緣層空間電場(chǎng)演化計(jì)算SPND探測(cè)器靈敏度的方法，其特征在于，積分表達(dá)式如下：
8.一種快速獲取自給能中子探測(cè)器絕緣層空間電場(chǎng)演化的系統(tǒng)，基于權(quán)利要求1～7中任意一項(xiàng)所述的獲取SPND絕緣層空間電場(chǎng)演化及計(jì)算探測(cè)器靈敏度的方法，其特征在于，包括：
9.一種終端設(shè)備，包括存儲(chǔ)器、處理器及存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)器上并可在所述處理器上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序，其特征在于，所述處理器執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序時(shí)實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1至7任一項(xiàng)所述方法的步驟。
10.一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，所述介質(zhì)上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，其特征在于，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1至7任一項(xiàng)所述方法的步驟。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種獲取spnd絕緣層空間電場(chǎng)演化及計(jì)算探測(cè)器靈敏度的方法，其特征在于，包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的獲取spnd絕緣層空間電場(chǎng)演化及計(jì)算探測(cè)器靈敏度的方法，其特征在于，電荷密度演化的動(dòng)態(tài)方程是基于電荷守恒定律建立獲得，描述電荷密度隨時(shí)間和空間變化的偏微分方程，方程式如下：
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的獲取spnd絕緣層空間電場(chǎng)演化及計(jì)算探測(cè)器靈敏度的方法，其特征在于，通過(guò)蒙特卡洛方法模擬在衰變平衡情況下單個(gè)源粒子貢獻(xiàn)的穩(wěn)定電流密度分布與時(shí)變電流密度分布的操作包括：
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的獲取spnd絕緣層空間電場(chǎng)演化及計(jì)算探測(cè)器靈敏度的方法，其特征在于，獲取spnd時(shí)變部分電流密度的表達(dá)式，包括：
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的獲取spnd絕緣層空間電場(chǎng)演化及計(jì)算探測(cè)器靈敏度的方法，其特征在于，基于電荷密度分布，通過(guò)積分獲取電場(chǎng)強(qiáng)度分布，并模擬獲得探測(cè)器的靈敏度的...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：張清民，劉時(shí)語(yǔ)，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：西安交通大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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