放射性氙高灵敏度现场快速自动化监测系统研制

放射性氙监测是禁核试核查现场视察和核设施安全监测的重要项目之一,能够快速准确地甄别违约核活动和预警识别核设施的泄漏。本文综合运用超低温动态吸附、中空纤维膜除杂和现场低本底测量等技术,研制了一套放射性氙高灵敏度现场快速自动化监测系统,用于放射性氙现场取样、分离和测量。测试结果表明,该系统在氡浓度为20 Bq/m^(3)、采样体积为2 m^(3)、分析周期不大于120 min时,氙回收率为79.9%,对^(133) Xe的最小可探测活度浓度(MDC)小于0.26 Bq/m^(3),测量结果的不确定度小于±12%。该系统具有灵敏度高、分析周期短、全流程自动化的特点,能够应用于核设施安全监测、现场视察放射性氙监测、核应急放射性气体监测等场合。

γ射线探测综合实验教学平台开发

针对传统γ射线探测实验装置定位精度不高、搭建麻烦、可开展的实验项目少,不利于实验重复与教学等缺点,该文设计开发了一款γ射线探测与测量综合实验教学平台,完成了平台的机械设计加工以及γ射线探测专用数字化多道分析器研制。基于该平台,可完成多个关于γ射线探测与应用的认知、基础、综合型、探究型实验项目。实践教学效果证明,该平台稳定性好,操作性强,实验结果准确,方便教师教学,能使学生更好地理解与掌握γ射线的性质、γ射线与物质相互作用的机制以及γ射线的应用。

深空探测超宽光谱定标黑体源研制

针对深空探测超宽光谱定标黑体源的关键技术问题,构建了一种基于优化微结构和纳米超黑涂层的深空探测星上黑体定标源。基于有限元方法仿真,验证了微锥结构不同宽高比与黑体发射率间的对应关系,确定了周期性线阵V槽结构相对于平面结构在黑体发射率方面的提升作用。优化星上黑体源高发射率微结构,优选空间超黑高发射涂层,设计星上黑体源高精度测温系统,进而完成黑体源工程设计。最后,通过星上黑体源发射率计量及实验室辐射定标稳定性测试进行验证。检测结果表明,深空探测超宽光谱定标黑体源具有超宽光谱范围、高发射率、高温度稳定性等特点,其光谱范围为5~50μm,法向平均发射率为0.986,温度稳定性达到0.16 K。该定标黑体源可大幅提升高发射率辐射定标源的光谱范围,为深空探测载荷的在轨高精度星上辐射定标提供支撑。

探测器机械结构静力学分析与轻量化设计

在产品设计过程中,机械结构的静力学分析与轻量化设计对产品的整体质量有着极为重要的影响。对产品的机械结构进行静力学分析可以保证产品有较好稳定性,对产品进行轻量化设计则是提高产品的综合性能,比如在不影响强度的情况下减小产品质量,从而提高产品综合品质。基于此,本文将结合3He管探测器的设计,对其主要部件进行静力学分析,并借助静力学分析结果对探测器的密闭腔体与盖板进行轻量化设计。

CO_(2)预处理对CR-39中子个人剂量计增敏特性的研究

本文研究了CO_(2)预处理对CR-39探测器灵敏度及径迹特征形成影响。以经^(252)Cf中子源照射的CR-39探测器为研究对象,通过统计探测器记录径迹数与径迹尺寸,分析了不同CO_(2)预处理时间和压力对CR-39探测器灵敏度及径迹尺寸分布的影响规律。研究结果表明:经CO_(2)预处理后CR-39探测器灵敏度及最大径迹尺寸得到显著提高,灵敏度最大提升870%,最大径迹尺寸由20μm增大至40μm;探测器灵敏度与预处理压力时间存在特定正相关关系,灵敏度随CO_(2)压力线性增大;最大径迹尺寸在40μm附近增长达到饱和,继续提高预处理时间和压力,径迹包含的中子能谱特征不再被保留;本实验获得的CO_(2)预处理下CR-39形成径迹保留能谱特征的最佳灵敏度为6.25 tracks·mm^(-2)·mSv^(-1)。这项研究对于提高CR-39中子个人剂量计灵敏度及选择合适CO_(2)预处理条件方面具有重要意义,同时也提供了一种在提升径迹可读性时保留径迹能谱特征信息的预处理方法,可应用于基于中子能谱特征优化中子个人剂量当量评估。

γ能谱级联符合相加效应校正技术研究进展

使用γ谱仪近距离测量具有级联衰变关系的放射性核素时会不可避免地发生级联符合相加效应。级联符合相加效应会导致能谱中的全能峰计数变化,并产生干扰能谱分析的加和峰,从而影响γ能谱分析的准确性和效率,为此,国内外研究机构建立了多种方法和技术用于γ能谱级联符合相加效应的校正。本文在详细总结级联符合相加效应校正技术发展历程的基础上,对级联符合相加效应的产生机制、校正算法、校正软件、技术应用等进行了综述,并对不同校正算法和软件进行了比较。结合发展现状,对级联符合相加效应校正技术今后的研究方向提出了建议。

恒流源三侧向电阻率测井模块研制及应用

为进一步提高砂岩型铀矿地层电阻率参数在测井解释中的应用效果,尤其是对泥砂泥交互薄层的精细测量与识别,研究了基于OPA547放大器的恒流源三侧向电阻率测井模块,通过设计以OPA547为恒流激励源的数字激励控制电路,实现了正弦激励信号的恒流输出;设计了正弦检测信号的恒流反馈电路,实现恒流源的负反馈稳定输出;设计了交流电压检测电路,实现了交流信号的低通滤波与信号半波整流;最后,在实验室利用标准刻度器进行了研制模块的系数刻度,且在砂岩型铀矿钻孔进行了实际测井应用对比。经对比分析,研制的恒流源三侧向电阻率测井模块能够与砂岩铀矿综合测井中的其他参数组合使用,输出激励电流可调,对岩性及岩性界面具有较高的识别能力,对于交互薄层、钙质夹层等地层岩性变化的响应显示明显。

基于中子位置灵敏探测器对点源的三维定位方法研究

使用中子法对密封容器内的放射源进行定位具有重要的现实意义。本研究使用4根矩形分布的中子位置灵敏探测器对探测空间内AmLi源进行定位,首先使用蒙特卡罗方法设计了探测器的慢化屏蔽体;然后设计了延迟电路加到探测器的一端,根据探测器两端探测到中子信号的时间差来确定源y轴(探测器轴向)的位置坐标,并对每个探测器的轴向位置函数进行了刻度;利用探测器围绕密封容器搭建测量空间,使用相邻探测器探测到中子计数率的比值来确定x轴和z轴(另两个方向)的位置坐标并进行了函数刻度。测量时,首先选择计数率最大的探测器来确定源的轴向坐标,再根据与此探测器相邻两根探测器计数率的比值来确定源的另两个方向的坐标,实现了对源的定位。使用该方法测量了点源在探测器空间内的5个不同位置,每个坐标轴上的定位偏差均在1.5 cm之内,并对造成偏差的原因进行了分析。该方法验证了使用中子位置灵敏探测器对放射源进行定位的可行性,并为进一步测量核设施工艺设备内核材料的位置打下了良好的基础。

小动物PET/MRI的定量性能探索

小动物PET/MRI是结合了PET高性能分子显像功能与MRI卓越软组织对比功能的一体化显像设备,在药物的开发与评价、药理及疾病的机制研究等方面具有独特的优势和应用价值。为了验证该设备在定量分析中的可行性和准确性,本研究探索了Bruker BioSpec 94/30 USR+PET insert对^(18)F的线性检测范围、稳定性及定量性能,同时利用高分辨率MRI图像,去除胆囊、血管等测量干扰项,评估其在动物体内定量的准确性。结果显示,Bruker BioSpec 94/30 USR+PET insert小动物PET/MRI在1~1500μCi的活度范围内具有极佳的线性关系(R^(2)=0.9992),且重复性良好,同时还具有准确的体内定量性能。本研究为后续利用Bruker BioSpec 94/30 USR+PET insert开展核素示踪剂在活体内的显像、分布、代谢及药效评价等研究提供了可靠的数据支持。

便携式数字多道脉冲幅度分析器的设计

为便于野外测试,设计了一款便携式的数字多道脉冲幅度分析器。采用ARM+FPGA的设计方案,通过嵌入式Linux系统实现控制和用户交互。脉冲信号经调理电路处理后,由采样电路转为数字信号,并在FPGA中完成滤波成形等数字处理,最终由嵌入式系统处理并显示能谱图。采用银粉样品测试,全能峰处能量分辨率为2.80%,道址漂移在2个道址以内,能够满足设计要求。

集成芯片硅微条探测器电子读出系统设计

设计了基于VATA460.3专用集成芯片(ASIC)的多通道、低功耗带触发硅微条探测器读出系统,该系统实现了共32路粒子入射信息读出。测试结果表明:该系统各通道基线稳定,等效噪声水平均低于0.17 fC,动态范围可达90 fC。

GECAM卫星溴化镧晶体性能研究

GECAM卫星伽马射线探测器(GRD)设计使用3 in(1 in=25.4 mm)直径的溴化镧晶体(LaBr3晶体)作为伽马射线探测灵敏材料,后端耦合硅光电倍增管(SiPM)进行读出。对引力波最高能电磁对应体全天监测器(GECAM)卫星所用的LaBr_(3)晶体进行了本底测试,并根据晶体的掺杂类型进行了分类,使用放射源对所有晶体的性能进行了测试。为了研究LaBr_(3)晶体的辐照损伤情况,使用^(60)Co放射源对晶体进行了辐照损伤性能测试。测试结果表明,LaBr_(3)晶体的本底可分为单掺杂和双掺杂两个类型。GECAM卫星的LaBr_(3)晶体的能量分辨<18%@59.5 keV,满足设计使用要求。在1.65 kGy剂量的累积辐照后,经过较长时间的退激发,LaBr_(3)晶体试验前后662 keV的峰值变化小于15%,满足空间环境条件下(GECAM卫星在轨3年)的使用要求。

一款紧凑型磁谱仪的特性参数分析与实验刻度研究

超短脉冲激光与靶相互作用可产生高能电子以及质子、离子、X/γ射线等次级粒子和射线,这些粒子和射线在惯性约束聚变、激光核物理、实验室天体物理、生物、医学以及材料科学等领域具有广泛的应用前景。高能电子的特征参数测量对理清激光等离子体相互作用过程、优化粒子参数和拓展其应用具有重要意义。本文研究设计了一款紧凑型矩形结构磁谱仪,在永磁铁均匀场中采用前、侧、后三面IP板布局,满足了几十keV到10 MeV的电子能谱测量需求,并对磁谱仪的特征参数如能量色散、能量色散梯度、能量分辨率、斜入射效应等进行详细分析。基于北京大学DC-SRF-Ⅱ射频超导光阴极电子枪开展了磁谱仪能量刻度实验,在真空条件下实验测量了0.7~1.8 MeV区间内多个能量的电子能谱,结果显示,磁谱仪的能量测量与监测系统结果基本符合。电子能谱的能量分辨率主要决定于磁谱仪自身分辨能力,为提高能量分辨率,需通过准直系统进一步减小入射孔径和电子发散角。

基于多距离系统矩阵叠加伽马图像重建方法研究

为了使伽马相机准确定位未知辐射场中多个放射源,本文基于最大似然期望最大化(maximum likelihood expectation maximization,MLEM)算法提出一种多距离系统矩阵叠加伽马图像重建算法。首先,通过蒙特卡罗模拟软件分析伽马相机结构,保证能够快速获取足够伽马光子计数;其次,根据放射源距离对探测器采集效率的影响,计算不同距离系统矩阵;最后,将多个系统矩阵叠加后估计放射源,最终得出放射源的位置信息。实验结果表明:该方法能对放射源快速定位;单源时具有较高的收敛性,多源时能准确定位多个放射源;相较于相关解码算法而言,本文方法具有更远的成像距离和较高的定位精度。

氙同位素丰度参考气制备方法研究

氙同位素丰度比高精度质谱分析技术强烈依赖于氙同位素丰度参考气,参考气的准确制备是关键技术。研究分析了高纯^(128)Xe同位素气体原料中杂质同位素的丰度,采用重量法制备了丰度为80%、91%和92%的^(128)Xe同位素丰度参考气,评定了参考气制备过程引入的不确定度,并采用稀有气体同位素质谱仪对制备的参考气进行验证。结果表明,^(128)Xe同位素丰度参考气制备过程引入的扩展不确定度为0.7%(k=2),制备值与验证值的偏差小于0.2%,表明制备的^(128)Xe同位素丰度参考气量值准确可靠,该同位素丰度参考气能够满足实验室分析质量控制的要求。

基于蒙特卡罗模拟的透射式XRD背景的定量分析

XRD背景主要来源于空气、装置和样品中光子的散射,XRD分析需准确扣除背景,常用的扣背景方法具有一定的局限。蒙特卡罗模拟可实现光子的甄别与统计,因此可将其用于XRD背景来源的定量分析。相干散射的模拟中需考虑物质的Form Factor,这可由Baró等的拟合式、独立原子模型或德拜公式给出;在20 keV能量及透射几何模式下,通过对骨、尼龙、水等物质的XRD模拟,对探测器中光子来源进行了区分和统计。结果表明,德拜公式计算的空气背景大于独立原子模型;空气散射在小角度时背景占比大,随散射角的增加从100%减小至40%以下,而样品中康普顿散射的计数占比则从0增大至60%以上。该方法可对不同样品组成以及复杂装置结构的XRD背景进行定量分析。

基于大厚度六方氮化硼中子探测器的制备

六方氮化硼是一种中子敏感材料。介绍了使用低压气相化学沉积在1673K下以大约20μm/h的生长速率制备了高质量203μm厚的六方氮化硼。在氮化硼的两侧沉积厚度为100nm的金电极,制备了垂直结构的六方氮化硼中子探测器。该器件的电学性质表明制备的六方氮化硼材料的迁移率寿命的乘积(μτ)为2.8×10^(-6)cm^(2)/V,电阻率为1.5×10^(14)Ω·cm。在850V电压下,该探测器对热中子的探测效率为34.5%,电荷收集效率为60%。

基于U-Net的γ测厚方法研究

噪声环境或复杂放射性本底环境下采用γ吸收法测厚时,由于噪声和其他同位素特征峰会对测厚结果产生不利影响,γ吸收法测厚方法的稳定性和抗干扰能力有待进一步提升。因此,基于深度学习建立一种新颖的γ能谱测厚方法,并利用^(241)Am放射源和碲锌镉探测器搭建了一套γ测厚装置,对测厚方法进行训练和验证。首先,利用搭建的测厚装置对不锈钢、陶瓷和塑料等不同材质、不同厚度的样品进行测量。随后,利用采集到的能谱数据建立数据集对测厚方法进行训练,在原始能谱数据中添加高斯噪声和高斯峰模拟不同程度的噪声和放射性环境,研究了γ测厚方法在不同噪声和放射性环境下测厚稳定性,并与传统方法进行对比。结果表明,在相同噪声环境下,建立的γ测厚方法引起的最大峰面积变化率仅0.049%,优于传统方法的0.85%;在有其他高斯峰干扰的情况下,建立的γ测厚方法能有效扣除其他高斯峰,最大峰面积变化率仅7.58%,优于传统方法的33.29%,抗干扰能力优于传统方法。因此,基于深度学习建立的测厚方法为γ射线测厚的数据处理提供了新思路,提高了γ测厚方法的抗噪能力和抗干扰能力,有助于将γ测厚方法应用于复杂放射性环境,进一步拓宽γ测厚方法的应用领域。

SiC材料辐照性能的热释光表征分析研究

碳化硅(Si C)在航空航天、核裂变和核聚变反应堆等高辐照环境中有着广泛应用。由3c-SiC包覆层构成的TRISO燃料颗粒已商业化并应用于先进的高温气冷堆。其中35μm厚的3c-SiC包覆层是承受内压、阻挡裂变产物释放和高效导出核芯热能的关键层,是保证高温气冷堆安全的关键屏障之一。本文利用热释光(TL)分析对3c-SiC材料展开研究,实验证明SiC材料的发光峰强度随辐照剂量升高而增加。辐照后的发光峰随剂量增加向低温方向移动,遵循TL二阶动力学方程。在辐照环境下载能粒子使Si、C原子偏离晶体格点位置产生过饱和空位、间隙离子、错位原子等点缺陷,新增加了约194.5℃处的发光峰。晶体在生长过程中固有缺陷的浓度依赖于Gibbs自由能、结晶温度的变化,其固有缺陷浓度可以用TL的390℃发光峰表征。这两部分缺陷浓度的增加会使SiC层的包覆性能降低。本文还讨论了SiC材料的TL与Gibbs自由能、结晶温度和固有缺陷浓度的关系,SiC材料的缺陷浓度随结晶温度的增加而降低。本文研究结果对SiC包覆层的缺陷和性能分析有很好的参考价值,对辐照前后SiC包覆层的性能表征有一定的参考意义。

基于LORA在线式γ辐射监测系统

针对γ辐射监测过程中核辐射对工作人员的伤害,本文介绍了一种基于LORA在线式γ辐射监测系统,该系统有效地减少了监测过程中γ射线对人体的照射。本文基于碘化钠探测器对γ射线进行监测,由单片机作为控制核心完成对脉冲信号的模数转换,获取现场辐射计数总量,经LORA无线通信技术将监测数据传输至上位机,上位机软件完成人机交互。结果表明:该系统实现了γ射线监测数据的无线传输和可视化实时监测,且运行稳定,安全性和实时性高,可以满足使用过程中的实际需求。