集成电路和功率器件抗辐射工艺加固技术研究综述

随着我国空间装备的高速发展,尤其是深空探测器,微电子器件抗辐射性能得到广泛关注。抗辐射工艺加固是实现器件抗辐射性能提升的重要途径之一。本文围绕空间总剂量效应和单粒子效应,对近年来集成电路和功率器件辐射效应机理和工艺加固技术的研究进展进行了介绍和总结,为抗辐射工艺加固技术的发展与应用提供了有益参考。

反应堆产医用同位素及药物的创新发展研究

医用同位素及药物是核医疗健康产业的重要组成部分和主要物质基础,系统梳理反应堆产同位素及药物发展现状对于加快我国同位素及药物发展、推动自立自强全链条体系建设具有现实意义。本文采用文献调研、问卷调查、实地调研、行业研讨等方法,分析了国内外反应堆产医用同位素及药物的供需情况、发展现状与趋势。研究发现,目前我国仅实现了131I、177Lu、89Sr等反应堆产医用同位素的自主供给,但供给量尚未完全满足国内需求,多数临床常用的同位素依然依赖进口;反应堆产同位素相关的放射性药物存在药品种类少、研发创新不足、生产规模小等瓶颈,难以满足临床实际需要。研究建议,研判供需现状与趋势,实现反应堆产医用同位素供给与品种的多元化;以临床需求为牵引,带动反应堆产医用同位素的规模化制备,支持放射性药物的研发与应用创新,加快建设反应堆产医用同位素及其放射性药物的自立自强发展体系;丰富发展模式并形成创新观念,为我国核医疗持续发展提供坚实保障。

基于弹道亏损形状特征的堆积脉冲识别方法

识别与拒绝堆积脉冲是提升高辐射环境下X荧光光谱性能的有效方法。本文提出一种堆积脉冲甄别方法,该方法首先将原始脉冲成形为三角脉冲和梯形脉冲;然后计算其幅度比值,该比值称为时不变脉冲形状标签(TIPS);最后通过TIPS的大小判别脉冲是否堆积。这种方法不需要测量脉冲宽度,且不受脉冲幅度变化的影响。与逆锯齿波成形器相比,三角脉冲成形器能更有效地抑制TIPS展宽,从而有利于甄别堆积脉冲。在1.22×10^(6)s^(-1)通过率下,使用该方法识别铅黄铜样品中堆积脉冲。结果表明,当非堆积脉冲损失率为15%时,准确率、召回率及F1得分分别提升到73.55%、78.75%和76.06%,铜的Kα峰峰总比提高到76.60%。本文提出的方法可以有效识别堆积脉冲和提高能谱的峰总比。

联硒透明质酸的制备及其在射线辐照下对肿瘤的联合治疗评价

为提高抗肿瘤药物的效力及生物相容性,本研究开发了联硒透明质酸作为在射线辐照下的肿瘤联合治疗药物。在对正常细胞的毒性评价中发现,采用适当分子量的透明质酸复合联硒基团可减小药物毒性。在低治疗剂量4 Gy的射线辐照下,短时间内可达到对肿瘤的显著治疗效果,实现肿瘤细胞存活率30%所需要的药物浓度仅为27μg/mL。以上结果表明,本研究开发的联硒透明质酸可为在射线辐照条件下对肿瘤的治疗提供更有效方案。

基于投影误差优化网络的碳/碳材料CT稀疏角度重建方法

在采用^(60)Co作为射线源的碳/碳复合材料的计算机断层扫描(CT)中,降低采样角度数量可以显著缩短检测时间,提升检测效率。然而常规的解析重建算法,稀疏角度的重建图像中包含大量的噪声和伪影,干扰图像中缺陷的检出,影响检测系统在快速检测条件下对被检构件的质量评价。本研究提出了一种基于投影误差优化神经网络的稀疏角度CT图像重建方法,采用未训练的编码-解码卷积神经网络优化重建图像的投影误差,结合图像的总变分先验,采用自适应动量估计(ADAM)算法进行优化。与传统的深度学习重建算法相比,该方法无需训练样本集,具备更强的泛化能力和鲁棒性。CT检测实验结果表明,该方法相比于传统的解析和重建算法,重建图像质量大幅提升,在保留被检测构件细节信息的同时,显著抑制了重建图像中的伪影与噪声。

医院中子照射器治疗束中子参数测量

为了对医院中子照射器的设计指标进行验证,利用金箔活化法测量了其治疗束出口处中子注量率,并采用金刚石探测单元的扫描装置测量治疗束出口处热中子、超热中子、快中子和γ射线注量率的径向分布。结果显示,在30 kW满功率运行时,热中子束及超热中子束出口中心处,热中子注量率分别为1.75×10^(9)cm^(-2)·s^(-1)和6.57×10^(7)cm^(-2)·s^(-1),超热中子注量率分别为1.41×10^(7)cm^(-2)·s^(-1)和3.14×10^(8)cm^(-2)·s^(-1);治疗束主要分布在束流孔径内,靠近束流边缘会出现指数级下降现象。该测量结果为医院中子照射器开展后续相关测试及实验提供了参数支持。

时间分辨热化学原位XAFS方法

为了利用X射线吸收精细结构(X-ray absorption fine structure,XAFS)谱学技术开展热化学反应动力学研究,在上海光源X射线吸收精细结构谱学线站(BL14W1)开展了时间分辨热化学原位XAFS方法的研究。采用自主研制的数据采集设备解决了时间分辨XAFS技术中不同类型信号同步触发和同步采集的问题,实现了数据间的精准匹配。在单色器转速为720"/s、数据采集设备采样率为2MS/s、数据长度为1200eV的条件下,获得了一个9.6s的Cu标样的数据谱,通过与常规XAFS数据和标准XAFS数据进行对比,结果表明本文得到的时间分辨XAFS实验系统具有良好的准确性、分辨率和信噪比。在此基础上,进一步结合线站自主研制的原位装置开展了时间分辨热化学原位XAFS方法,并利用高温常压原位装置开展了CuO还原为金属Cu的验证性实验。在230℃恒温氢气气氛下30min内观测到Cu吸收边能量逐渐向低能量处偏移,同时它位于8998eV的主峰强度逐渐减弱并且劈裂为双峰结构,出现明显的金属Cu的特征。实验结果表明此方法达到了捕获物质动态演化过程的预期目的,在拓展XAFS谱学实验平台的同时,为热化学反应的动力学过程研究提供了一种强大的实验手段。

热室气动位置传感器反馈滞后补偿研究

热室辐照环境中的各类型射线会严重影响电子元件的服役寿命,因此目前多采用气动位置传感器来替代,其将感知及信号处理部分分别置于辐照环境和热室绿区来提高传感器的可靠性。由于气体的可压缩性,气动位置传感器存在信号反馈滞后现象。为了改善上述问题,分析了气动位置传感器的流量特性,建立了管道内流场数值模型并采用特征线法进行求解,构建了传感器压力响应预测模型,推导得到滞后量,并基于此提出了补偿策略。最后搭建了气动位置传感器响应检测平台,验证了预测模型及滞后补偿策略的有效性,结果表明:补偿后的位置相对预期值最大差值在0.5 mm以内,能够满足工程应用要求。

深穿透跨尺度辐射场分析软件NECP-MCX研发及应用

西安交通大学核工程计算物理实验室自主研发了深穿透跨尺度辐射场分析软件NECP-MCX。针对大空间伽马射线辐射输运模拟、聚变堆停堆剂量模拟和点源屏蔽问题等新应用场景下的新问题与新挑战,在NECP-MCX中研发了对应的新方法与新功能。针对km尺度的伽马射线辐射输运问题,提出一致性共轭驱动重要性抽样(CADIS)-下次事件估计器(NEE)耦合方法,该方法能够精确高效地获得km尺度距离处的光子通量密度,计算效率比传统的NEE高6.8倍;针对聚变堆停堆剂量问题,采用粒子输运-燃耗-活化-源项耦合分析方法,获得PF线圈、TF线圈、真空室和偏滤器处停堆剂量随停堆时间的变化;对于点源屏蔽问题,提出首次碰撞源(FCS)-CADIS方法,解决CADIS方法对点源进行源偏倚的局限性,FCS-CADIS方法的计算效率比CADIS方法高2倍。

基于多元统计学分析^(60)Co-γ射线辐照对川芎挥发性成分的影响

川芎挥发性成分是其主要活性成分之一,也是评价川芎药用品质的重要指标。为探究^(60)Co-γ射线辐照对川芎挥发性成分的影响,本研究以不同吸收剂量处理川芎样品,采用电子鼻结合顶空固相微萃取-气相色谱-质谱技术(HS-SPME-GC-MS),通过主成分分析、线性判别分析、正交偏最小二乘法和聚类分析的多元统计学方法分析数据,以期了解川芎辐照前后挥发性成分的变化。电子鼻与GC-MS结果都表明:川芎气味主要由烷烃类、醇类、醛类、酮类贡献,10 kGy剂量以下的辐照处理对川芎挥发性气味成分影响不大;川芎经0 kGy(对照组)、3 kGy、7 kGy、10 kGy剂量辐照处理后,共鉴定出60种化合物,其中烃类23种,醇类12种,脂类10种,醛酮类4种,其他类11种;筛选到21种辐照前后的差异特征性指标物,它们在川芎挥发性成分中只占约12.92%,不是川芎的主要挥发性成分。经10 kGy剂量以下的辐照处理后,川芎中没有新生成的物质被鉴定出来。研究结果提示经10 kGy以下剂量处理川芎不会影响其主要挥发性成分。

数字集成电路电离总剂量辐射效应原位测试系统的研究与实现

电离总剂量效应将会导致数字集成电路电参数超差,甚至功能失效。目前数字集成电路的电离总剂量效应试验主要采用移位测试,移位测试需要一定时间将器件移动到测试机上进行测试,移动耗费的时间将导致器件有不同程度的退火,同时只有在移位测试过程中才能获得辐射效应数据,相较于在线原位测试数据量较少。数字集成电路测试系统采用PXI系统,系统内装配数字向量测试模块和电源量测模块,同时编写了测试软件和制作了测试板。通过对一款NAND Flash存储器进行在线原位辐照测试,测试结果满足对数字集成电路在X射线辐照过程中的DC、AC及功能测试要求。系统的装备应用为未来应用到各种加速器或其他辐射源的数字集成电路的在线测试奠定了基础。

肿瘤放射治疗的发展

恶性肿瘤是目前人类死亡的主要原因之一,以美国为代表的发达国家中,超过半数的肿瘤患者在治疗过程中需要单独或联合使用放射治疗。过去的半个世纪以来,放射治疗围绕着“增效减毒”的原则展开技术迭代,不断和手术、化疗以及新兴的免疫疗法等其他手段相结合,极大地提高了治疗疗效和可及性。21世纪以来,通过采用更先进的剂量递送方式、结合实时影像的自适应规划、引入人工智能和新的粒子辐射类型等先进技术,放射治疗的安全性和有效性都得到了提高。本文回顾了近几十年来放射治疗领域的技术进步,展示了在加速器平台上进行高剂量率放射治疗研究的典型案例,总结了放射治疗相关的新兴研究热点,并对该领域的发展方向做出了展望。

^(10)BF_(3)制备H_(3)^(10)BO_(3)反应进程在线监测

工业规模生产富集^(10)B的硼酸(H_(3)^(10)BO_(3),^(10)B>19.8%)时需要监测反应的进行程度和判定反应的终点。为解决现有监测方法步骤繁琐、人为误差大、精准度低等问题,本文设计并建造了一套在线监测反应进行程度的实验装置,并采用该实验装置对通过富集^(10)B的三氟化硼(^(10)BF_(3),^(10)B>19.8%)与难溶于水的碳酸锶(SrCO_(3))反应制备H_(3)^(10)BO_(3)的实验进行原位、实时、在线监测。测试得到的溶液离子浓度随时间变化的数据曲线可以用c_(t)-c_(1)=c_(0)e^(-kt)公式进行拟合,其拟合系数R^(2)为1.00000。在相同条件下,进行了4次重复性测试实验,得到的4条溶液离子浓度随时间变化的数据曲线用c_(t)-c_(1)=c_(0)e^(-kt)公式拟合,其拟合系数R^(2)都为1.00000,说明用该实验装置进行长时间、多次测试,得到的数据精准度高、误差小、重现性好;且拟合方程的3个参数c1、c0、k的标准偏差(s)均小于0.3%,这说明用c_(t)-c_(1)=c_(0)e^(-kt)方程拟合的精密度高。c_(t)-c_(1)=c_(0)e^(-kt)方程可以用于^(10)BF_(3)制备H_(3)^(10)BO_(3)反应的进行程度监测。实验得到的离子浓度-时间曲线的拟合方程c_(t)-c_(1)=c_(0)e^(-kt)与化学反应的一级动力学方程ct=c_(0)e^(-kt)在表现形式上一致,表明用c_(t)-c_(1)=c_(0)e^(-kt)方程拟合^(10)BF_(3)制备H_(3)^(10)BO_(3)反应的进行程度符合化学反应进行实质,c_(t)-c_(1)=c_(0)e^(-kt)方程能够作为^(10)BF_(3)制备H_(3)^(10)BO_(3)反应进行程度和反应终点的判定依据。^(10)BF_(3)制备H_(3)^(10)BO_(3)较合理的加料方式是难溶固体粉末SrCO_(3)与H2O先混溶,搅拌下形成悬浮液,然后把悬浮液加热至设定温度并保持恒定,再向悬浮液中加入^(10)BF_(3)。在线监测结果表明,^(10)BF_(3)制备H_(3)^(10)BO_(3)需经过3步加羟基脱氟取代反应,其前两步反应是快反应,第3步反应是慢反应,即第3步反应是^(10)BF_(3)制备H_(3)^(10)BO_(3)反应的速率控制步骤。^(10)BF_(3)制备H_(3)^(10)BO_(3)反应为表观化学一级动力学反应。

3.8 MV快前沿电磁脉冲模拟器脉冲驱动源研制

为满足强电磁脉冲试验的需求,研制了一台输出电压可达3.8 MV的全气体绝缘快前沿脉冲驱动源。该脉冲源采用二级脉冲压缩技术路线,由Marx发生器、中储电容、中储开关、陡化电容及陡化开关等组件构成。内部各组件均采用模块化、紧凑型设计思路,并整体放置在一个层层嵌套的腔体中,各层之间充有不同压力的SF_(6)气体。整机具有输出电压高、结构紧凑、重量轻及便于移动等优点。测试结果表明,在驱动75Ω倒立圆锥天线负载时,初级源最大输出电压大于3.8 MV,负载处输出电场波形的脉冲前沿小于2 ns。通过开关导通时刻的调节,在天线处生成的辐射场波形满足IEC 61000-4-25标准中关于电磁脉冲试验波形的规定,因此可将其作为电磁脉冲模拟器的脉冲驱动源,开展系统级电磁脉冲试验,用于电磁脉冲效应及加固防护技术研究等工作。

压水堆破口事故下裂变产物源项释放及衰变热分析

反应堆严重事故时堆芯发生熔化现象,导致部分放射性源项不再留存于燃料中,将会通过各种途径释入环境,对周围造成严重的放射性污染。为了研究不同模型下裂变产物在压力容器内外释放量及其衰变热分布,分析喷淋系统对控制源项释放及热量的影响。基于典型的百万千瓦级压水堆核电站模型,利用一体化安全分析程序MAAP建模,分析计算CORSOR-M、CORSOR-O和ORNL-BOOTH三种源项释放模型反应堆一回路热管段破口叠加高、低压安注失效的事故序列和后果。结果表明:裂变产物源项主要在压力容器内释放,释放量远多于压力容器外的释放量。CORSOR-O模型下压力容器最晚融穿,安全壳失效最早;ORNL-BOOTH中压力容器虽最先融穿,但安全壳失效远晚于其他两种模型。源项释放差异导致不同模型衰变热现象不同,主要热源皆为挥发性裂变产物。开启喷淋不仅可以使悬浮碘化物充分控制在安全壳内,还能有效带走源项产生的衰变热,降低安全壳压力,保证安全壳完整性。

脉冲宽度对高功率微波阵列天线辐射特性的影响

为了研究馈入脉冲波形的脉冲宽度(脉冲半高宽)对高功率微波阵列天线辐射特性的影响,以L波段(1.575 GHz)高功率微波波导缝隙阵列天线为例,首先从理论分析、数值仿真方面研究不同馈入脉冲波形脉宽对阵列天线辐射增益和辐射脉冲脉宽的影响,然后根据仿真模型加工制作了一款由4根波导组成的宽边纵缝阵列天线,并将波导缝隙阵列天线结合功分网络与吉瓦级微波源(高功率微波磁控管)连试,开展了高功率微波辐射实验。数值仿真结果表明,当馈入的L波段微波脉冲脉宽约为10 ns时,阵列天线辐射增益比连续波馈入时的增益减小2.2 dB,脉宽展宽2.6 ns;当馈入脉冲波形脉宽约为15 ns时,阵列天线时域增益比连续波馈入时的时域增益减小1.5 dB,脉宽展宽1.9 ns。高功率微波实验结果表明,与辐射场脉宽为9.6 ns的高功率微波相比,辐射场脉冲脉宽为15.65 ns的高功率微波功率密度提升了3.1 dB。

放电等离子烧结参数对U_(3)Si_(2)芯块力学和热学性能影响的研究

U_(3)Si_(2)是轻水堆中最具前景的事故容错核燃料之一,有望在未来取代UO2核燃料而被广泛使用。目前,采用放电等离子烧结(Spark Plasma Sintering,SPS)技术制备U_(3)Si_(2)芯块的研究已被广泛报道,但SPS参数对芯块性能的影响还尚不明确。本文采用SPS技术制备了U_(3)Si_(2)芯块,并研究了不同烧结温度(1000~1300℃)和压力(30~90 MPa)对芯块的力学和热学性能的影响。利用激光导热仪测量了芯块的热扩散率,并计算出芯块的热导率。通过纳米压痕仪测量芯块的力学性能,包括硬度、杨氏模量和断裂韧性。研究结果表明:所制得的U_(3)Si_(2)芯块热导率在27~700℃范围内均呈现线性增加的趋势,并随着烧结温度和压力的升高而增大;芯块的硬度和杨氏模量随烧结温度升高而增大,且随着压力的升高呈现先增加后平缓的趋势,并在60 MPa趋于平缓;芯块的断裂韧性随烧结温度升高而降低,并随着烧结压力的升高而增大。基于上述结果,提出了优化的SPS参数。本研究将为高性能U_(3)Si_(2)燃料的制备提供参考。

小角中子散射谱仪放射性样品测量装置研制

辐照试样研究对评估材料性能具有重要意义。因其带有放射性,常规表征手段受到一定限制,而小角中子散射(Small-Angle Neutron Scattering,SANS)技术几乎不受γ、β等射线的影响,且制样简单。依托中国先进研究堆小角中子散射谱仪,研发了一台放射性样品测量装置,用于放射性试样内部纳米结构的测量分析。装置的屏蔽厚度利用蒙特卡罗模拟进行优化,结合自动换样和远程控制功能,提高了实验效率和安全性。利用该装置成功开展了A508-Ⅲ钢辐照监督试样的小角中子散射实验,结果表明低剂量长周期辐照对压力容器钢纳米结构影响较小。该装置和相关技术方法可用于放射性试样的纳米结构表征。

磁约束核聚变托卡马克装置研究进展与展望

本文围绕磁约束核聚变实验阶段的重点科学问题以及聚变工程化过程中面临的主要挑战,重点介绍了国内外托卡马克装置的发展历程及现状,概述了主要在役托卡马克装置的基本参数、主要任务、重要里程碑、当前重点研究方向及相关发展规划等。国际磁约束聚变研究已由等离子体物理实验为主逐步迈向重点聚焦聚变堆核工程与技术研发阶段,加快建立聚变能开发产业体系是推动受控核聚变技术发展的关键。本文还对磁约束核聚变托卡马克的未来发展方向和技术路径进行了分析和展望,并归纳提出加速聚变发展需尽快布局的核工程与核技术重点方向。

缪子库伦散射成像技术中能量与靶几何结构关系的Geant4模拟研究

基于Moliere多重散射理论的缪子散射成像技术,可用于分析材料内部元素分布并确定原子序数。相对于高能量的宇宙射线缪子,加速器打靶产生的缪子束流能量偏低(约为45~450 MeV/c),Moliere多重散射理论的适用性有待探讨。本文利用Geant4软件模拟研究了中、低能量区(<800 MeV)缪子的库仑散射过程,分析了散射角的均方根分布,并通过散射成像算法对模拟结果进行了图像重建。结果表明,中、低能量缪子的散射与成像物体的几何结构密切相关,能量为400 MeV的缪子束流散射成像仅可用于厚度分别小于9.78 mm、56.9 mm、140.7 mm的W、Si、Na材料内部元素的分布信息。研究结果可为Moliere多重散射理论在该能区缪子散射成像技术的应用提供理论指导,推动缪子在核材料检测、文物鉴定、海关安检等领域小尺寸物品的成像分析与应用研究。