基于异常特征图卷积网络的核电站温度传感器系统集成故障定位与诊断方法

《Applied Sciences》：An Integrated Fault Localization and Diagnosis Method for NPP Temperature Sensor Systems Based on Abnormal Feature-GCN

　　

为确保大型公共活动的核安保，便携式探测器对于广域调查和验证核与放射性物质（NRMs）的缺失至关重要。快中子探测器能够实现广域中子发射源和核材料的定位调查。研究人员采用了一种对快中子敏感的脉冲形状甄别（PSD）塑料闪烁体制成的中子探测器，从而抑制了对散射中子的响应并降低了伽马射线（gamma-ray）本底。通过采用板状闪烁体，该探测器表现出高特征方向性。根据沿调查路径测量的计数率分布，可以从分布的峰值和宽度推断出源距离和最近点。然而，为实现更快速和可靠的中子源（NS）定位，能够再现测量计数率分布的经验函数具有高度需求。本文提出了简单的经验函数，并证明通过卡方拟合（chi-squared fitting）可以确定可靠的源位置。

**论文解读文章**

**研究背景与问题**
核安保是全球关注的关键问题，随着核能利用和放射性同位素（radioisotopes）的广泛应用，涉及核与放射性物质（NRMs）的恐怖主义潜在威胁促使各国加强核安保措施。伽马射线探测器在NRMs探测、测量和调查中发挥主要作用，但其信号易被屏蔽材料衰减，并受天然放射性物质（NORMs）及商业医疗/工业放射性同位素干扰。相比之下，中子能穿透伽马射线屏蔽材料，提供核材料和中子源（NS）的独特特征，尤其武器级核材料是核安保的最大关切。环境中子本底通量极低（约100 n/s m²），主要来自宇宙射线。传统热中子探测器常依赖³He气体，但³He紧缺问题日益突出；且热中子探测器需慢化剂将快中子慢化，导致探测器体积大、重量高，并丢失入射中子能量、到达时间和方向等关键信息。现有方向性中子源（NS）调查方法基于准直器或中子屏蔽，但存在局限性。因此，需要紧凑、便携的快中子探测器，利用脉冲形状甄别（PSD）塑料闪烁体实现中子-伽马射线甄别，并借助方向性特征实现快速定位。本文旨在通过经验函数拟合测量计数率分布，实现快速、可靠的中子源定位。

**研究内容与结论**
研究人员开发了一种基于PSD塑料闪烁体（EJ-276，250 mm×250 mm×25 mm）的板状快中子探测器，配备四支光电倍增管（PMT），用于中子源调查。通过实验测量不同探测器取向角（θ）下的快中子计数率分布，发现其呈现明显的角度依赖性，并提出了经验函数（式1）以拟合这种依赖关系。进一步，针对沿调查路径移动的探测器，构建了计数率分布的经验函数（式4-7），用于不同探测器取向角（θ=0°、45°、90°、135°）下的源定位。通过卡方拟合（chi-squared fitting）和修正因子B，能够从实验数据中估计出源距离（R₀）和最近点（x₀）。实验验证显示，对于水平距离1 m、高度0.7 m的PuBe(α, n)中子源（1.4×10⁶ n/s），拟合结果与真实位置偏差小于10%。此外，通过分析不同取向角探测器的计数率之和与差，可进一步确定源方位角（φ）。该方法在多个中子源场景下也表现出良好空间分辨能力，取向角θ=90°的探测器因其窄凹陷特征，相对分辨率可达R=0.13，优于非方向性探测器（R=2）。该研究发表于《Applied Sciences》。

**主要关键技术方法**
研究人员使用了以下关键方法：①基于PSD塑料闪烁体（EJ-276）的快中子探测器系统，配备四支PMT（H11934-100-010）和DT5730数字化仪（14位、500 MS/s），通过短/长时间窗积分得到电荷Q_short和Q_long，并计算PSD参数（(Q_long-Q_short)/Q_long）实现中子-伽马事件甄别；②采用板状探测器，通过测量沿X轴移动路径的计数率分布，利用经验函数（式1-7）进行拟合，经验函数基于探测器角度依赖性和几何关系推导；③通过卡方拟合（chi-squared fitting）从实验数据中估计中子源参数（x₀、R₀），并引入修正因子B（表1）消除经验函数与真实距离的偏差；④对多个中子源场景，利用不同取向角探测器的计数率差（如θ=0°与θ=90°）简化分布并提高空间分辨率。样本队列来源于实验室实验，使用PuBe(α, n)中子源（1.4×10⁶ n/s），测量时间为600 s/点或5 min/点。

**研究结果**
（保留原文小标题，并说明结论）

**Experimental Setup**
研究人员搭建了板状PSD塑料闪烁体探测器系统，并利用PuBe中子源进行实验。探测器在取向角θ=0°、45°、90°、135°下测量，发现计数率随角度变化显著，且在θ=0°时（探测器平面垂直于源方向）达到最小值，证明了强方向性。

**Empirical Functions for Detector Response of Neutron**
通过实验测量计数率与探测器取向角的关系，提出经验函数（式1）成功拟合了角度依赖性（图2）。对于移动探测器，针对不同θ推导了计数率随位置x的经验函数（式4-7），并用卡方拟合验证了其与模拟计算分布的一致性（图3），发现修正因子B（表1）可补偿距离偏差，拟合曲线在实用中误差可忽略。

**NS Localization by Fitting**
将经验函数应用于实验数据（图5），通过卡方拟合估计源位置参数（x₀、R₀），结果与真实值偏差小于10%（表2）。对于源高度H=0.7 m的情况，θ=0°探测器仍能有效定位，而θ=90°探测器的计数率分布展宽，但通过拟合仍可得到合理结果。

**NS Survey Using Moving Detector**
模拟了不同距离和测量时间下移动探测器的计数率分布（图7），讨论了测量时间τ与空间分辨率的权衡。随着源距离增加，计数率按1/R²衰减，但通过归一化位置（x/R₀）可保持分布形状。本底（伽马射线、宇宙射线中子、散射中子）的影响被简化忽略，但文中指出未来需评估。

**Multiple NS Localization**
提出相对分辨率概念（R=2对于非方向性探测器，R=0.13对于θ=90°探测器），指出θ=90°探测器因其窄凹陷特征可显著提高多源分辨能力。通过不同取向角探测器的计数率差可简化分布并突出源位置，有利于多源场景。

**讨论与结论**
总结讨论部分：研究人员指出，板状PSD塑料闪烁体探测器在大型活动的中子源调查中具有实用价值。经验函数和卡方拟合方法简化了数据分析，降低了统计波动影响，提供了可靠定位。对于不同高度的源，θ=0°探测器响应一致，且可通过四支PMT的信号差异推断方位角（φ），精度优于20°。θ=90°探测器的峰值响应随源高度变化，可提供额外信息。整体上，探测器的方向性使其适用于无人地面车辆和自主移动机器人集成，实现高效自动化中子源调查。

研究结论部分翻译：
“为了在大型活动中进行高效的中子源调查，我们引入了一种使用板状PSD塑料闪烁体的快中子探测器。所开发的探测器对快中子敏感，有效抑制散射中子信号并甄别伽马射线事件。板状形状赋予了方向性，使得探测器响应沿调查路径呈现特征计数率分布，指示源位置。经验函数再现了探测器取向角θ=0°、45°、90°和135°下对于与探测器相同高度的中子源的响应模式。因此，通过卡方拟合可以定量确定源位置，实现简化数据分析、降低统计波动并提供可靠源定位。在实际调查中，源可能位于不同高度，这会影响探测器计数响应。取向角θ=0°的探测器在不同源高度下提供一致的响应。常规经验函数允许通过卡方拟合确定源位置（x₀和R₀）。此外，可以从四个光电倍增管（PMT）在x₀处最大信号对应的计数率推断方位角（φ）。板状探测器在四角配备四个PMT，输出信号幅度取决于中子与闪烁体的相互作用位置。通常，靠近闪烁事件的PMT记录更大信号。因此，四个PMT的最大信号计数率因探测器取向和源位置而异。当中子源位于探测器侧面时，这种不对称性尤为显著。对于取向角θ=0°的探测器，可在最近点x₀附近以优于20°的精度确定方位角（φ）。因此，使用单个取向角θ=0°的探测器即可在圆柱坐标（r, φ, x）中定位源。取向角θ=90°的探测器表现出简单的峰值响应，仅峰值计数和宽度随源高度变化，这种依赖性为源定位提供了额外信息。观察到的随归一化横坐标（即x/R₀）的计数率分布，在固定归一化区域上积分后按1/R₀缩放，而瞬时计数率遵循1/R²关系。忽略本底贡献，指示源存在的信号强度（即缩放区域上的总计数）与1/R₀成正比。总体而言，所提出的方向性探测器适用于与无人地面车辆和自主移动机器人系统的集成，并可能为大型公共活动中的中子源调查和伽马射线源定位提供高效、自动化的方法。”