基于非结构网格粒子输运的蒙特卡罗模拟计算研究

传统的构造实体几何的建模方式不能满足复杂几何输运、多物理耦合计算和大尺度核辐射效应模拟等问题,目前MCNP程序允许在非结构化的网格下跟踪粒子,它是作为一个网格空间嵌入在传统的构造实体几何之中,非结构网格几何采用有限元程序ABAQUS创建,使用MCNP的径迹长度估计器计算非结构网格单元内的输运结果,并在非结构网格上执行单元对单元的跟踪,结果可以输出到ABAQUS或者Paraview进行可视化和其他物理分析。本文分析了两种典型的基准实验:Ueki固定源和Godiva临界源问题,模拟结果表明,UM几何的运行时间和与CSG几何的计算偏差与输入网格单元的数量、单元的阶数成正比,同样阶数的四面体比六面体结果误差更小,本文的非结构网格计算结果与传统的构造实体几何结构结果具有很好的一致性。

反射中子对金属快中子脉冲堆特性参数的影响研究

快中子脉冲堆对墙壁反射中子比较敏感,反射中子会改变快中子脉冲堆波形,当反射中子较多时可能会对脉冲堆的运行安全造成不利影响。本文建立了考虑墙壁反射中子效应的点堆动力学方法、蒙特卡罗中子学计算方法和ANSYS热力学计算方法三者耦合的“核-热-力”耦合方法,并对含有墙壁反射中子效应的快中子脉冲堆Godiva-Ⅰ瞬态过程进行分析。结果表明:反射中子使脉冲后沿提高,使冲坪时的反应性变低,使堆芯位移、应力有所提高。

基于电流组分分离模型的钒SPND伽玛效应计算方法和实验验证

钒自给能中子探测器(Self-Powered Neutron Detector,SPND)在核反应堆混合辐射场中会产生显著的γ噪声电流,从而影响中子通量测量和堆芯在线监测的准确性。针对钒SPND的γ效应,根据探测器响应机理建立了电流组分分离模型,并构建了脉冲研究堆堆内SPND电流计算方法。基于不同电流组分的时间特性,利用200 kW辐照腔的停堆衰减测量实验量化了瞬发γ电流分量,电流组分分离模型在计算钒探测器稳态电流和稳态电流瞬发分量方面与实验数据吻合良好。通过对商用压水堆甩负荷瞬态试验过程的钒SPND模拟,进一步验证了探测器数值模型的动态响应跟踪和瞬发γ电流模拟能力。研究表明:在理论计算和测量分析中均需要考虑钒SPND的γ效应,在实际堆芯中,γ响应存在不同电流组分之间的相互补偿作用。

可见光脉冲输入下微通道板光电倍增管的动态范围研究

结合理论分析与实验测试,研究了在可见光脉冲输入条件下频率以及第二片微通道板与阳极之间电势差对微通道板光电倍增管动态范围的影响。研究结果表明:随着信号光脉冲频率的增大,微通道板壁面电荷补充不充分致使阳极输出偏离线性,并逐渐趋于饱和。当输入可见光脉冲宽度为50 ns,频率为500 Hz时,阳极的最大线性输出达到2 V(即40 mA);当输入光频率增加到1000 Hz,阳极输出在1 V(即20 mA)时线性偏离程度达到10%以上;当输入光频率增加到5000 Hz,阳极输出在0.3 V(即6 mA)时线性偏离程度达到约15%。随着第二片微通道板与阳极之间电势差的增大,阳极最大线性输出电压呈现波动性变化而非与其呈线性关系。当第二片微通道板与阳极之间的电势差在200 V左右时,阳极线性输出电压达到峰值,随着电势差不断增大,阳极线性输出电压开始出现波动,在电势差为500 V左右时达到第二个峰值,这主要是由于极板间电场强度与空间电荷效应共同作用的结果。该研究可为提升微通道板光电倍增管的动态范围提供指导,便于其应用于强辐射脉冲测量、激光通信等领域。

双极集成电路低剂量率辐射损伤增强效应的高温辐照加速实验

选择了四种典型双极集成电路,在两种不同剂量率下,开展了不同温度的高温辐照加速实验,测量了典型双极集成电路的辐射敏感参数在不同高温辐照下的变化规律。实验结果表明:高温辐照能够给出空间低剂量率辐射损伤增强效应的保守估计,且存在最佳辐照温度,最佳辐照温度随总剂量的增加向低温区漂移,随剂量率的增大向高温区漂移,在相同剂量率和总剂量下,输入级为NPN晶体管的双极集成电路比输入级为PNP晶体管的最佳辐照温度低。

9.5 m高水平极化有界波电磁脉冲模拟器内场分布特性的初步实验研究

测量了9.5 m高的水平极化有界波电磁脉冲模拟器的内部场,并根据实验测量结果分析了该模拟器内场分布特性,包括一定区域内场均匀性的定量分析及模拟器内部有效测试空间的确定方法,进而对最低位置为距离地面2 m的有效测试空间进行了预估。实验结果表明:位于该模拟器双锥中心正下方且距离该中心5.5~7.5 m的测点场的峰值基本按照测点与双锥中心间距的倒数衰减,且随着测点与双锥中心间距的增大,因锥与极板不连续结构导致的波形变化在时间轴上滞后,而因地面影响导致的波形变化在时间轴上提前;在距离地面比较高的水平面上,两极板之间场的外泄方向场的衰减比双锥中轴线方向场的衰减更慢;该模拟器内部距离地面2 m的水平面上12 m×12 m的区域内所取测点的归一化场平均峰值约为0.678,归一化场平均峰值的标准偏差约为0.0689,场的均匀性约为2.039 dB。

商用CMOS工艺SRAM脉冲中子辐射效应实验

为研究互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺静态随机处理内存(SRAM)脉冲中子辐射效应机理,对SRAM翻转效应进行了蒙特卡罗模拟。该模拟基于脉冲中子辐照下SRAM翻转是单粒子翻转的叠加的假设,计算了单位翻转和伪多位翻转在总翻转数中的百分比。在西安脉冲反应堆上对3种特征尺寸商用SRAM开展了脉冲工况实验研究,得到了单位翻转和伪2位翻转数据,结合模拟结果分析了SRAM在脉冲中子作用下的翻转机制。

中子辐照后CMOS工艺静态随机存储器瞬时电离辐射翻转效应实验研究

对0.15μm特征尺寸CMOS工艺商用静态随机存储器(SRAM)开展了中子辐照后的瞬时电离辐射效应实验研究,获得了中子辐照后SRAM器件的瞬时剂量率翻转效应规律,并与未经中子辐照SRAM器件的瞬时剂量率翻转效应规律进行对比。结果表明:中子辐照能有效提高CMOS工艺SRAM器件的瞬时剂量率翻转阈值,中子辐照引起的少数载流子的寿命降低是产生这种现象的主要原因。

0.18μm CMOS电路瞬时剂量率效应实验研究

利用脉冲激光源及脉冲X射线源,开展了超深亚微米CMOS反相器及CMOS静态随机存储器的瞬时剂量率效应实验,测量了CMOS电路瞬时剂量率效应,并与微米级电路的瞬时剂量率效应进行了比较。结果表明,对于CMOS电路,特征尺寸的缩小对其抗瞬时剂量率性能的影响与电路的规模有关。0.18μm CMOS反相器的抗瞬时剂量率性能远优于微米级反相器,而0.18μm CMOS静态随机存储器的抗瞬时剂量率性能远低于微米级及亚微米级存储器。

西安脉冲堆大空间中子辐照实验平台辐射场参数测量

西安脉冲堆于2010年建成了大空间中子辐照实验平台。本文介绍了该实验平台辐射场设计参数、辐射场测量方法和实测结果。采用蒙特卡罗方法计算了实验平台内中子初始谱。利用多箔活化法测量了中子能谱,解谱方法采用遗传算法,并与SAND-Ⅱ解谱方法进行了对比,对比结果较为一致,证明了遗传算法解谱的有效性。应用热释光剂量计测量了γ射线吸收剂量率。测量结果表明,该实验平台辐射场参数符合设计要求。

CMOS图像传感器总剂量辐照效应及加固技术研究进展

CMOS图像传感器(CIS)在空间辐射或核辐射环境中应用时,均会受到总剂量辐照损伤的影响,严重时甚至导致器件功能失效。文章从微米、超深亚微米到纳米尺度的不同CIS生产工艺、从3TPD(Photodiode)到4TPPD(Pinned Photodiode)的不同CIS像元结构、从局部氧化物隔离技术(LOCOS)到浅槽隔离(STI)的不同CIS隔离氧化层等方面,综述了CIS总剂量辐照效应研究进展。从CIS器件工艺结构、工作模式和读出电路加固设计等方面简要介绍了CIS抗辐射加固技术研究进展。分析总结了目前CIS总剂量辐照效应及加固技术研究中亟待解决的关键技术问题,为今后深入开展相关研究提供理论指导。

多路并联二极管辐射场剂量均匀性研究

多路并联二极管结构是实验室获取低能量、大面积、高剂量率X射线的有效途径之一。本文采用点源数值积分的方法开展了单环和五环并联结构二极管的辐射场剂量均匀性研究。结果表明:距离圆环很近的平面上,辐射场主要集中于圆环在该平面的投影位置,随着距离的增大,辐射逐渐向其他区域分散;对于单环结构二极管,当距离z<15 cm时,随着距离的增大,剂量均匀性>80%的面积先增大后减小,而计算区域内的总剂量逐渐减小;综合考虑剂量均匀性和总剂量,单环结构二极管辐射场最佳实验区域为z=7~9 cm;圆环内径减小只会增强环中心投影点附近的剂量,而平面上剂量均匀性会变差,当圆环外径为10 cm时,最佳内径为8~9.5cm;相比单环,五环并联结构二极管能够大幅增强辐射剂量,明显改善辐射场剂量均匀性和显著增大有效实验区域,z为11~17 cm范围内,五环结构二极管剂量均匀性没有出现大的波动。

基于平面波叠加的混响室场环境模拟与测试仿真

针对电磁混响室难以仿真的问题,分析了平面波叠加模拟混响室场分布的合理性,根据理想混响室特征给出了叠加平面波的幅值、极化角度等参数设置的细节信息。在此基础上,利用Matlab调用FEKO的混合编程方法进行了场环境模拟,检验结果表明,叠加场环境特性与混响室场分布特性保持了一致。利用该方法,对某开缝矩形腔体的屏蔽效能进行了仿真测试,并取得了与实测数据相符的结果,其屏蔽效能约为15 d B。该方法有效避免了对混响室的精确建模,大大降低了混响室条件下相关测试仿真的难度与计算量,同时为深入分析混响室场环境特性提供了一条捷径。

辐射源压缩感知成像重建算法研究

提出将超快压缩成像技术应用于脉冲功率加速器焦斑图像测量。采用MATLAB软件模拟正向成像过程,实现迭代收缩等3种重建算法。以相关系数作为评价标准,优化重建算法经验参数。采用快速投影梯度算法,迭代次数11次、正则化参数0.5,去噪效果最优。采用两步迭代收缩算法收敛速度快,可调参数(α、β)设置为(1.3,0.5),可获得高质量的重建图像。结果表明,重建算法满足基于压缩感知的脉冲功率加速器焦斑超快成像应用需求。

低剂量率辐照损伤增强效应的高温辐照加速试验机理研究

本文建立了包含温度场的低剂量率辐照损伤增强效应(ELDRS)的物理模型,利用有限元方法仿真了辐照温度、剂量率、总剂量和辐射感生产物浓度的相互关系,分析了工艺参数,如氧化物陷阱浓度、能级,含H缺陷浓度及界面陷阱钝化能对最佳辐照温度的影响。结果表明,最佳辐照温度是辐射感生产物产生与退火相互竞争的结果,且辐射感生产物的退火行为是决定最佳辐照温度的主要因素,因此氧化物陷阱的热激发能及界面陷阱的钝化能对最佳辐照温度的影响最为明显,是不同器件最佳辐照温度差异性的主要原因。

SGEMP等效脉冲电流注入波形研究

采用电磁范数对系统电磁脉冲(SGEMP)脉冲电流注入(PCI)波形参数的确定方法进行研究。负载分别为高阻和低阻时,对SGEMP敏感端口响应典型波形进行电磁范数参数化表征,综合考虑等效波形的上升时间、峰值、携带的能量和电荷量与响应波形的差异情况,开展了PCI等效波形参数研究。仿真结果表明,方波等效波形可以很好地模拟出响应波形,等效波形与响应波形的峰值一致,频谱特征近似;等效波形的上升时间、携带的能量和电荷量等参数通过调整脉宽即可实现与响应波形一致。因此,可采用电磁范数对SGEMP响应波形进行参数化表征等效,获得的等效波形容易在实验室生成,从而为采用电流注入方法开展SGEMP研究提供一种新的途径。

不同复合阳极靶轫致辐射场参数的数值模拟

电子束辐照材料后发生轫致辐射可以产生脉冲X射线,轫致辐射产生X射线的能谱、转化效率等参数与电子束能量,靶材料及其结构相关。利用二极管的电压、电流波形计算了电子束参数,建立了复合靶蒙特卡罗粒子输运计算模型,模拟了电子和光子在不同材料中的输运规律,研究了钽和有机玻璃组成的复合阳极靶对X射线辐射场的影响,结果对于产生低能、高注量、高转化效率、低透射电子能量用复合阳极靶的设计具有指导意义。计算结果表明:复合阳极靶中有机玻璃具有软化电子能谱、衰减透射电子的作用;采用慢化电子靶比相同厚度薄靶产生的X射线能谱相对要硬;减小钽的厚度有利于减小平均光子能量,而增加钽的厚度有助于提高能量转化效率;选用有机玻璃2 cm、钽10μm的薄靶时,X射线平均能量为133.22 keV,光子能量转化效率为0.055%。

掺锗石英光纤的稳态和瞬态γ辐射效应研究

开展了掺锗石英光纤在1.0×10^(-4)~0.5Gy(Si)/s剂量率下的稳态γ辐照实验和10~6~10~9 Gy(Si)/s剂量率下的瞬态γ辐照实验。结果表明:光纤辐射感生损耗与辐照总剂量呈饱和指数关系,与色心浓度微分方程推导出的结论相一致。在辐照总剂量相同的情况下,光纤辐射感生损耗随辐照剂量率的增大而增大。辐照期间有光注入较无光注入时的光纤辐射感生损耗低,证实了光褪色效应的存在。对实验用650、850和1 310nm 3个波长,光纤辐射感生损耗随波长的增大而减小。与光纤稳态辐射感生损耗相比,光纤瞬态辐射感生损耗要大得多;光纤瞬态辐射感生损耗峰值与脉冲总剂量呈线性关系,这与饱和指数关系在低剂量下的泰勒展开近似一致。

快前沿直线脉冲变压器平台单丝电爆炸实验研究

基于前沿约100ns、电流约100kA的快前沿直线脉冲变压器(FLTD)平台,开展了单丝电爆炸相关实验研究。围绕FLTD平台搭建了激光探针和可见光分幅相机等离子体图像诊断系统,采用可见光PIN和XRD分别测量了单丝电爆炸的辐射特性。实验获得了不同时刻对应的W丝(15μm)和镀膜W丝(15μm W+2μm聚胺亚胺)电爆炸的物理图像,呈现了两种情况下金属丝融蚀过程以及等离子体不稳定性发展的过程。实验结果表明,镀膜能够增加电流初始阶段的能量馈入,进而改善金属丝的电爆炸特性。

GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池辐照损伤效应及加固技术研究进展

文章首先重点介绍了国内外开展GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池的电子、质子及其他辐射粒子或射线辐照实验的研究进展,然后从辐照损伤效应的仿真模拟研究、抗辐射加固技术、损伤预估方法等方面综述了GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池辐照损伤效应及加固技术的研究进展,最后梳理了当前GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池辐照损伤效应研究中亟待解决的关键技术问题,为深入开展GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池辐照损伤效应实验方法标准制定、损伤机理分析、在轨寿命预估及抗辐射加固技术研究提供了理论指导和实验技术支持。