第四代同步辐射光源加速器物理与技术

同步辐射光源是20世纪应用最广泛的高性能X射线源,已成为物理、化学、能源环境、生物医学、先进材料等领域前沿研究的重要工具。进入21世纪,基于电子储存环的同步辐射光源的发展前沿是第四代同步辐射光源(4GLS)。其采用紧凑型的多弯铁消色散结构,可以实现接近甚至达到X射线衍射极限的超低束流发射度,将光源亮度在第三代光源基础上进一步提升2—3个数量级。文章将重点介绍第四代同步辐射光源关键的加速器物理与技术,以及国际范围内第四代同步辐射光源装置的发展情况。

中国散裂中子源二期靶站关键部件辐照损伤模拟计算

中国散裂中子源一期工程于2018年通过国家验收,当前束流功率已经达到140 kW.为进一步提高靶站慢化器输出中子强度,已经提出中国散裂中子源二期500 kW功率升级计划.靶站关键部件长期受到高通量、高能量的粒子辐照,会产生较强的辐照损伤,影响着这些部件的使用寿命.本文首先使用PHITS3.33程序计算了钨、SS316不锈钢、6061铝合金3种材料的质子和中子原子离位截面以及氢、氦的产生截面,并分析了NRT(Norgett-Robinson-Torrens)模型和热平衡前原子复位修正(athermal recombination corrected,ARC)模型对材料离位损伤的影响.在此基础上结合中国散裂中子源二期靶站基线模型计算了靶站关键部件在500 kW的束流功率下运行5000 h产生的原子离位次数(displacement per atom,DPA)以及氢、氦的产额.计算结果表明,钨靶受辐照后产生的NRT-dpa,ARC-dpa,H和He产额最大值分别为8.01 dpa/y(1 y=2500 MW·h),2.39 dpa/y,5110 appm/y(atom parts per million,appm,每百万原子中产生该原子的个数)和884 appm/y.同样也计算了靶容器、慢化器反射体容器和质子束窗的辐照损伤值,根据这些部件的辐照损伤值预估了各自的使用寿命.这些结果对分析中国散裂中子源二期靶站关键部件的辐照损伤情况,构建合理的维护方案有着十分重要的意义.

HEPS增强器凸轨磁铁脉冲电源的设计与实现

高能同步辐射光源(HEPS)是国内首台第四代同步辐射光源,包括一个储存环、一个增强器以及一个直线加速器。作为典型的低发射度储存环(LER),其动力学孔径远小于物理孔径,对此选择了一种新颖的在轴置换注入方案。其中,增强器负责实现束流从500 MeV到6 GeV的升能。为了降低增强器引出冲击磁铁的冲击强度,在引出环节之前使用4台凸轨磁铁来辅助冲击磁铁完成这一动作。凸轨磁铁磁场波形要求底宽小于1 ms的半正弦波。根据仿真以及测试结果,采用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)串联快恢复二极管的经典LC谐振电路拓扑。此外,设计了能量回收支路,来降低电容在充电过程中功率损耗以及对输出脉冲电流波形的影响。目前,已完成脉冲电源样机的研制与测试,各项结果表明,该脉冲电源能够满足高能光源增强器高能引出系统的各项要求。

基于透镜阵列多元聚焦的连续晶体三维位置灵敏探测器设计和仿真

连续晶体闪烁体探测器可以实现γ射线作用点的三维位置定位。本文提出一种新的探测器结构,引入透镜阵列实现作用点定位。探测器采集多元聚焦图像,从而改变对连续晶体闪烁光分布探测的需求。文中建立连续晶体、透镜阵列和光子计数器阵列的模型进行模拟研究,建立多元聚焦的光路反演重建算法定位γ射线作用点的三维位置。通过重建结果分析评估基于透镜阵列的连续晶体探测器性能,这种结构具有较好的定位能力和位置分辨。对于尺寸为48 mm×48 mm×45 mm的硅酸钇镥(LYSO)闪烁晶体,实现了xy平面位置分辨优于1.54 mm,z方向位置分辨优于3.13 mm。基于连续晶体和透镜阵列结构的探测器还可对多作用点的情形进行重建,分析三组选定位置的重建结果,该结构对双作用点定位具有可行性。

用于恶性肿瘤治疗的^(225)Ac放射性药物的研究现状与展望

^(225)Ac具有半衰期较长(10 d)、射程短(<100μm)和高能量沉积(80~100 keV/μm)等优点,是重要的医用α核素之一。^(225)Ac衰变产生的高传能线密度α粒子可以导致肿瘤细胞的DNA双链断裂,具有重要的临床应用价值。本文综述了^(225)Ac的衰变特性、生产来源以及^(225)Ac与靶向配体偶联的螯合剂,总结了^(225)Ac-前列腺特异性膜抗原(PSMA)-617、^(225)Ac-PMSA-I&T、^(225)Ac-1,4,7,10-四氮杂环十二烷-1,4,7,10-四羧酸(DOTA)-SP和^(225)Ac-1,4,7,10-四氮杂环十二烷-N,N′,N″,N-四乙酸d-苯丙氨酸1-酪氨酸3-奥曲肽(DOTATE)等药物在前列腺癌、脑胶质瘤、乳腺癌和肺癌治疗中的研究及临床应用进展,展望了^(225)Ac治疗药物研发面临的困难与挑战,以期为^(225)Ac放射性药物在恶性肿瘤治疗中的研究与应用提供参考。

同步加速器脉冲励磁电流质量量化方法

同步加速器中,磁铁励磁电流高频的纹波误差能够引起磁场纹波,进而导致束流接受度降低。励磁电流低频的跟踪误差会影响磁场与束流能量的匹配程度,同时会引起束流闭合轨道畸变。为了从以上两方面评估励磁电流误差对于束流的影响,研究了HIAF BRing二极磁铁磁场纹波与励磁电流纹波之间的关系,并提出了一套基于高低频分离的脉冲励磁电流质量量化方法。该方法利用高斯平滑处理得到励磁电流低频的跟踪误差分量和高频的纹波误差分量,采用三倍标准差作为励磁电流跟踪性能及纹波质量的量化指标。方法中低通滤波器参数由磁铁磁场纹波与励磁电流纹波的响应关系确定,该方法同时准确地量化评估了磁场纹波质量。此外,由该方法得到的电流跟踪误差波形能够应用于同步加速器励磁电源的给定修正,进而提高磁场与束流能量匹配程度。

用于^(211)At生产的高功率金属Bi靶热效应模拟

为提高用于医用同位素^(211)At生产的金属Bi靶在高束流功率作用下的可靠性与使役寿命,对多种束流均匀化方法进行了模拟与对比,利用计算流体力学(CFD)方法模拟分析了在wobbler磁铁作用下强度为500 eμA的α束流轰击Bi靶产生的热效应,为靶系统的设计和寿命的延长提供了关键技术支撑。结果表明,通过扫描实现束流均匀化可大幅降低靶上的最大热功率密度;在靶前采用wobbler磁铁对束流进行周期性圆扫描可有效降低Bi靶的表面温度。当扫描频率为50 Hz时,Bi靶最高温度为189.8℃,低于其熔点(271.3℃),能够满足Bi靶在此高功率束流照射下安全运行的温度要求。

采用多丝正比室读出的屏栅电离室能量分辨研究

搭建了一个基于多丝正比室读出的屏栅电离室探测器,使其保留屏栅电离室屏蔽特性的同时具备雪崩放大功能,通过在探测器内部对原初电离信号进行预放大,以提高信噪比,改善探测器的能量分辨率。利用241Am源详细测试了探测器在不同气压、沉积能量、阳极丝径时能量分辨率及增益随阳极电压的变化关系。探测器最佳能量分辨对应的工作电压与入射粒子在漂移区中沉积的能量有关,能量沉积越小,对应的最佳工作电压越高,探测器的增益越大。对于5.486 MeV的241Am α粒子源的能量分辨率可达1.45%。

加速器驱动次临界系统用嬗变核燃料研究进展分析

加速器驱动次临界系统(Accelerator driven subcritical system,ADS)是乏燃料安全处理处置关键瓶颈问题的优秀解决方案,而开发适用于该系统的嬗变核燃料正是ADS研发的关键任务之一。然而由于嬗变对象次锕系元素的固有特殊性质、嬗变燃料体系相关机理尚不十分明确、制备技术难度大、嬗变核燃料相关试验数据和运行经验的欠缺等原因,ADS用嬗变核燃料的研发十分复杂且极具挑战。本文系统综述了作为ADS重要候选嬗变燃料的氧化物弥散型燃料CERCER/CERMET、氮化物燃料和金属燃料的研究进展,包括制备工艺、辐照实验和辐照后检验结果、物性参数、主要优缺点等内容,以期为我国ADS用嬗变核燃料的研发提供一定思路和参考。

利用离子阻停对电子俘获致核激发的研究

当特定能量的自由电子被原子核外电子轨道俘获时,有可能导致原子核被共振激发,这就是电子俘获致核激发.该机制的一个应用愿景是通过操纵电子使同核异能态所储存的核能按照人们的需求释放出来.如果能够实现这种技术,有望为核能的储存和利用带来巨大变革.本文对比了近年来基于加速器装置,在高电荷态离子阻停过程中测量电子俘获致核激发几率的两次实验研究工作.对于两次测量结果的不一致,从误差水平评估这一个新的角度分析了可能的原因.此外,通过评估四种可能的熔合蒸发反应道,发现94Zr束流和氦气靶可能是利用次级束开展下一步实验工作的理想弹靶组合.

小单元多丝漂移室探测器系统研制

为精确测量CSR外靶终端靶前入射粒子的径迹,研制了多套小单元多丝漂移室探测器,该探测器灵敏面积为80 mm×80 mm,每套探测器包括x、x′、y、y′4个探测电极面,每个电极面引出16个阳极丝信号。前端电子学采用基于SFE16芯片的放大器,数据读出系统采用基于HPTDC芯片的数据采集卡。采用两套小单元多丝漂移室对400 MeV/u的^(16)O束流位置进行了测试,探测器的工作气体为Ar(80%)+CO_(2)(20%),阳极丝电压为+900 V,场丝与阴极丝均接地,拟合得到的单层电极的位置分辨(拟合残差)为105.9μm,探测效率为99.3%,该指标可以满足现阶段CSR外靶终端大部分核物理实验对反应靶点的定位要求。

用于GEM-TPC探测器读出芯片的10 bit20 MSPS SAR ADC设计

随着大面积气体电子倍增器——时间投影室探测器的不断发展,其对读出电子学的密度和集成度要求越来越高。基于180 nm的CMOS工艺设计完成了一款10 bit、20 MSPS的逐次逼近寄存器型模数转换器原型芯片。利用该芯片结合模拟前端模块和数字信号处理器,可实现全数字化的前端读出专用集成电路用于GEM-TPC的读出。该ADC主要由DAC模块、动态比较器模块、异步时钟生成模块和SAR逻辑模块构成。仿真结果表明,输入信号频率为1.836 MHz时,ENOB为8.61 bit,内核功耗约为3.3 mW/Ch。

Xe^(23+)离子束轰击低温工况下的无氧铜表面解吸性能研究

强流重离子加速器运行时产生动态真空效应引起束流寿命缩短,需安装无氧铜束流准直器来降低该效应。为探究无氧铜材料在离子束轰击下的解吸性能,本工作设计并研制了满足低温工况的解吸率测试装置,在兰州重离子加速器国家实验室利用Xe^(23+)离子束完成了无氧铜温度在4.2 K、20 K、77 K和300 K,以及束流能量为0.58 MeV/u、0.96 MeV/u和1.3 MeV/u的在束试验。结果表明,离子束轰击无氧铜表面时解吸出最多的分子为H_(2),其次分别为H2O、CO、CO_(2)、Ar和O_(2);当温度为4.2 K、束流能量为0.58 MeV/u时无氧铜解吸出H2的比例为87.74%。在同一能量下,随着无氧铜表面温度的升高,解吸率呈增加趋势,能量为0.58 MeV/u时,4.2 K下无氧铜的解吸率仅为25 mol/ion,小于300 K时的600 mol/ion,表明温度越高其解吸产额越大。在同一温度下,随着束流能量的升高无氧铜表面解吸率增加,但增加趋势逐渐减缓,解吸产额趋向饱和。

三维原子探针的电场结构模拟研究

本文针对目前世界上被广泛使用的局部电极原子探针的样品及局部电极几何结构,通过有限元方法,结合多物理场仿真技术,研究了局部电极与针状样品的距离z、样品尖端曲率半径ρ、局部电极的入口直径φ、厚度w、开口角度α和入口长度h等参数对样品尖端附近的局部电场的影响。模拟结果表明:当z与φ的取值满足z/φ≥1时,既能在样品尖端得到较高的蒸发电场强度,又能降低局部电极对离子轨迹的影响;局部电极的厚度w和开口角度α的取值对样品尖端的电场影响较小;增大局部电极入口长度h的值有利于提高样品尖端电场强度;随着原子的蒸发(样品尖端曲率半径ρ增大),为维持原子蒸发所需的电场强度,施加在样品上的电压V与样品尖端的曲率半径ρ成正比,且所需维持的电场强度越高,施加的电压V越大。

300 MeV质子重离子加速器直线注入器定时系统设计与实现

针对哈尔滨工业大学空间环境地面模拟装置(SESRI)-300 MeV质子重离子加速器直线注入器,设计了直线定时系统,为脉冲工作模式的直线注入器斩波器、高频低电平系统、束流诊断与反馈系统提供精准的、符合物理调束需求的工作时序触发信号。系统硬件基于现场可编程门阵列(FPGA)设计和开发,实现了内触发模式与外触发模式两种模式下对直线加速器相关设备的精准时序控制以及斩波器的控制与安全联锁。硬件支持光信号通信、W5300以太网通信、多路继电器输出与多路同步触发信号的精准时序输出。同时,系统采用光信号通信模块方便系统的级联,易于系统扩展,可满足大规模直线加速器定时系统需求。用户上位机软件基于实验物理和工业控制系统(EPICS)分布式架构开发。该系统已成功运用在300 MeV质子重离子加速器装置、近代物理研究所SSC-LINAC装置,且长期运行稳定、可靠,无任何故障。

能谱CT在铁质文物定量分析中的应用

铁器的制造和使用标志着人类文明进入了新的历史时期,对铁质文物的研究可以帮助研究者更深入地了解古代社会。随着科技的发展,越来越多的新技术被应用到铁质文物的研究领域。具有能量分辨能力的能谱CT作为一种新兴的CT技术,在对铁质文物的研究中有着广阔的应用前景。本文将能谱CT应用于铁质文物样品的定量分析中,使用物质分解算法估计出铁质文物样品中基物质的组成比例。本文使用了两件铁质文物样品进行实验,实验结果说明,能谱CT在铁质文物样品的定量分析中具有很高的应用价值。

基于像素化芯片的质子透射成像模拟研究

利用高能质子对病灶区域进行成像,直接获得病灶区域对质子的阻止能力,对于减小质子治疗中射程不确定度具有重要意义。作为质子CT的基本功能,透射成像对于辅助摆位具有重要意义。本研究在Geant4程序中设计并构建基于有源阵像素CMOS芯片的紧凑型质子CT探测器,并利用180 MeV质子对该系统的透射成像能力进行评估。通过径迹角度进行精确重建,对CTP404、CTP528以及自定义材料的CTP515模块进行模拟,获得空间、密度分辨力,以及质子相对阻止能力RSP的模拟结果。结果显示选用2°质子偏转角截断值时图像信噪比得到提升,使用CTP528模块测算的空间分辨力为3~4 lp/cm;使用CTP404模块测算密度分辨力优于0.05 g/cm^(3),RSP分辨力在5%以内;通过对选定材料的CTP515模块进行成像,表明该系统具备用于人体常见组织成像的潜力。

中国加速器驱动嬗变研究装置堆芯流量分配设计与优化

针对中国加速器驱动嬗变研究装置的液态铅铋冷却反应堆,采用计算流体力学软件对燃料组件的上下管座段以及堆芯的流动传热进行了三维计算。针对上下管座段的水力学分析,得到了部件阻力系数与流速、开口面积等参数的关系,为堆芯流量分配的设计工作奠定了基础。基于上述结果,采用多孔介质模型建立了全堆流动传热分析模型,针对流量分配问题进行了数值模拟,以功率份额为流量分配的参考依据,通过调整每盒燃料组件入口面积的大小,使得各个组件的流量分配份额与功率份额基本一致,冷却剂在组件出口处的温度分布得到了较好的展平。

高能电子三维成像技术实验研究

高能电子成像技术被首次提出作为温稠密物质和惯性约束聚变实验研究的高时空分辨诊断工具之一,现已通过前期实验证明其对中尺度科学诊断的可行性.为了进一步提高高能电子成像技术诊断样品的能力,来获取样品内部信息,将高能电子成像技术和三维重建算法结合,提出了高能电子三维成像技术.本文主要通过实验研究了高能电子三维成像技术的可行性.不同三维重建算法重建样品的结果首次证实了高能电子三维成像技术的可行性,使用的三维重建算法包括滤波反投影算法、迭代算法-代数重建技术和联立代数重建技术,最终重建的x,y,z方向上的不同重建切片图像清楚地显示了样品的详细结构.实验证实的高能电子三维成像技术将有利于拓展高能电子成像技术的应用领域,尤其是在中尺度科学领域.

基于XRT的晶圆检测技术进展

随着晶体管和激光器的发明和发展,工业上对高质量单晶体的需求量大幅度增长。单个集成电路中器件密度在逐渐增加,需要晶圆在组成、组分和晶体结构上高度均匀。X射线形貌术(XRT)是一种能够对完整晶圆的表面及内部进行无损检测的技术,从20世纪中后期就开始用于硅等传统半导体材料生产的质检环节中,并在近年来初步应用在碳化硅、氮化镓等新一代半导体晶圆的检测。同时,XRT在X光管、准直系统和探测器技术以及仿真方法上取得了许多进步和突破。本文旨在介绍近年来基于XRT的晶圆检测原理方法、技术进展和应用。