中国先进研究堆工程科学应力谱仪性能优化与刻度研究

为充分发挥中国先进研究堆工程科学应力谱仪在工程构件残余应力表征的作用,在常用金属测试所需的中子波长约0.164 nm下进行谱仪的性能优化和刻度研究。在此波长下,将Fe(211)衍射峰的峰位误差作为光路优化的品质因数,通过调整单色器的水平聚焦和垂直聚焦姿态,获得了最优性能的聚焦光路。采用金箔活化法测试了样品处中子注量率,在反应堆满功率60 MW的条件下,样品处中子(波长0.164 nm)注量率为3.0×10^(7)cm^(−2)·s^(−1)(±4.5%),在衍射角约90°的分辨率为0.42%。使用带缝隙的镉片测试了探测器的位置分辨,获得探测器水平方向的位置分辨为(1.44±0.03)mm。本工作完成了谱仪的光路优化与性能刻度,为谱仪投入运行奠定了实验基础。

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。

小角中子散射原位热力耦合加载装置

热力耦合近工况条件下材料微观结构的原位实验研究,对于深入理解材料服役性能演化机制十分重要,可给出样品微观上的纳米结构尺度分布。为充分发挥小角中子散射统计性好、取样体积大可开展原位实验等优势,本文基于中国先进研究堆小角中子散射谱仪,设计并研制了一台高温和拉力同时加载的原位实验装置,并实现了高温高压下原位测量材料的纳米尺度形貌变化。实验测试结果表明,装置最大载荷可达20 kN,最高温度800℃,控温精度优于±1℃。利用该装置对镍基单晶高温合金样品进行了原位小角中子散射测试,发现温度拉力条件下样品内部纳米结构的明显变化,表明基于该装置可开展热力耦合加载下的原位小角中子散射实验。该装置及其相应实验方法,可用于核电不锈钢等多种高温结构材料的原位加载实验研究,提供微观结构演化数据。

粒子源水吸收剂量绝对测量装置内部电场模拟

拟研制125I粒子源水吸收剂量绝对测量电离室,通过Maxwell软件建立电离室内部模型,模拟得出电离室无保护极、不同保护极环宽度,不同绝缘环宽度、不同栅极个数、不同栅极形状和不同栅极厚度下的电场强度分布,并进行了定性和定量的分析。结果表明:绝缘环宽度的增加会使收集极边缘处的边缘效应增强,应尽量使绝缘环宽度减小;在设计电离室时,应当使保护极宽度和收集极半径比值不低于2。当栅极个数为15个时,电场强度的变化幅度可减少为1%左右,表明通过增加栅极个数能有效改善电场的均匀性。相较于栅极截面为圆形和三角形,当栅极截面为矩形时,电场强度的变化幅度较小。栅极厚度越大,栅极边缘处的边缘效应越严重,应尽量减少栅极厚度。本次研究结果将为后续粒子源水吸收剂量绝对测量标准装置的优化设计提供支撑。

基于7Li(p,γ)8Be共振核反应伽马源的光核嬗变实验原理验证研究

光核嬗变可作为长寿命核废料嬗变的一种补充手段.随着强流质子加速器技术的发展,共振核反应γ源的流强可达到较高强度.7Li(p,γ)8Be共振核反应产生的148MeV与176MeV伽马射线恰好位于巨共振区内,是研究光核嬗变的较好选择.本工作基于中国原子能科学研究院2×17MV串列加速器,利用7Li(p,γ)8Be共振核反应产生的高能伽马射线对197Au进行了光核嬗变实验研究.在质子流强081μA的条件下,当金靶厚度为2mm时,反推得到4π方向上的总嬗变率为(58683±2298)s-1.该实验结果为将来利用共振核反应伽马源进行光核嬗变实验研究奠定了技术基础.

BNCT治疗束γ能谱仪的校准方法研究

受硼中子俘获疗法(BNCT)治疗束的特点所限,源项γ射线能谱的测量难度较大,国际上开展的相关工作很少,且未对其谱仪进行校准。为得到准确的源项γ能谱,本文主要开展了适用于BNCT治疗束γ能谱仪的校准方法研究。谱仪由高纯锗(HPGe)探测器及屏蔽系统组成,因为屏蔽效果很好,无法通过实验方法校准整个谱仪系统的γ响应。由于其主要影响因素是HPGe探测器的死层分布,谱仪可通过下述方法进行校准:对裸探测器进行校准,获取探测器的准确模型;利用精细测量及材料分析得到屏蔽体的精确模型,建立谱仪的计算模型;通过MCNP计算获得谱仪的响应函数。由此将结果溯源至相应的国家或国防标准,确保谱仪关键参数的准确可靠,为后续解谱工作奠定基础。

^(18)F气溶胶监测仪校准方法研究

压水堆冷却系统压力边界的泄漏会引发严重安全事故。冷却剂在反应堆高中子通量下会产生^(18)F,在泄漏后形成的放射性气溶胶可使用^(18)F气溶胶监测仪连续监测,以确认泄漏的位置与严重程度;监测仪测量结果的准确性关系到核电站的稳定运行,但目前尚缺乏可用的现场校准方案。本文对^(18)F气溶胶监测仪进行校准方法研究,使用放射性^(18)F标准滤膜源、22 Na及68 Ge/68 Ga标准点源对国内新设计的某型号^(18)F气溶胶监测仪进行计量校准,确定新测量方案下仪器的活度响应,研究不同校准方法对活度响应的影响。利用^(18)F标准滤膜源得到的活度响应的扩展不确定度为6.0%(k=2),满足监测仪校准的准确度要求。利用22 Na及68 Ge/68 Ga标准点源进行的校准研究还表明,正电子发射能谱对该监测仪活度响应的影响最大,应选取与^(18)F能谱接近的长寿命核素作为替代,现场校准推荐使用22 Na点源或标准滤膜源。

基于热释光剂量计的少道谱仪研究

针对脉冲X射线单次脉冲时间短,瞬时剂量率大的特点,研究了一种基于热释光剂量计(TLD)的少道谱仪,该谱仪可用于脉冲X射线的能谱测量。本研究对该谱仪的吸收片及探测器进行选型,结合蒙特卡罗方法模拟少道谱仪对不同能量单能光子的响应矩阵,分析其对谱仪能量分辨率的影响,使用最大熵法开展脉冲X射线解谱验证工作,分析初始迭代谱对解谱效果的影响。结果表明,基于热释光剂量计研制的少道谱仪,可以开展短脉冲、高剂量率脉冲X射线能谱测量工作,同时也适用于其他大剂量率辐射场的能谱测量。

基于FPGA的磁量热计数据采集系统研制

磁量热计是基于量热法的低温粒子探测器,可实现射线高分辨测量。为解决磁量热信号微弱易受到噪声影响导致信号采集困难的难题,本研究基于现场可编程门阵列(FPGA)研发了一套磁量热计数据采集系统,并对搭建的系统进行测试,成功实现了^(60)Co能谱数据和磁量热信号噪声谱的采集,且能谱展宽与信号放大倍数之间的线性拟合R2达到0.978 1,表明该系统可有效实现信号采集。在离线模式下使用梯形滤波、平顶尖峰滤波、高斯滤波对传统核探测器信号、模拟及实际的磁量热信号分别进行成形效果及能量分辨力优化效果的对比,三者中平顶尖峰滤波性能最优越,可以使高纯锗对^(241)Am源59.54 keV的γ能量分辨力从0.598 keV提高到0.536 keV,验证了数字滤波的必要性,可为磁量热计数字滤波方法选择提供可靠依据。

核子钟技术研究动态

原子核跃迁的新型时钟——核子钟具有重要的研究价值,其原理是利用原子核跃迁产生的电磁波频率对时间进行精确计量。目前,最有希望用于核子钟的原子核被认为是^(229)Th核的第一激发态^(229m)Th。如何将^(229)Th核激发至第一激发态与获得第一激发态^(229m)Th的参数是目前的研究重点。最新激发态能量的测量数据为E_(is)=8.28±0.17 eV,对应于直接光激发^(229)Th至^(229m)Th所需的光波长为149.7±3.1 nm。这对激发态的直接激光激发提供了数据参考。除直接激光激发外,电子桥激发也是一种值得考虑的间接激发方式。同时,介绍了核子钟技术的一些潜在应用,如秒的新定义、研究基本常数的时间变化和暗物质探测等。

基于空气辐射荧光的α活度测量模型的建立

基于传统α辐射探测技术探测距离近的现状,利用α辐射诱导空气辐射荧光的原理,研究远程α辐射活度测量模型。通过建立基于点源的α辐射活度测量模型,利用光电倍增管对α辐射诱导辐射荧光的光子进行测量,建立了放射源活度与光电倍增管荧光净计数率的经验公式。研究不同能量的放射源、介质和压强对荧光转换效率的影响。结果表明,^(241)Am源在空气中的荧光转换效率为3.24×10^(-6)~7.83×10^(-6),能量较高的放射源具有更高的荧光转换效率;压强与荧光转换效率呈线性正相关;在空气、氮气和氩气三种气体中,氩气能有效提高荧光转换效率。利用经验公式计算放射源活度,探究荧光转换效率的影响因素,可为提高远程α辐射探测效率和准确性提供参考。

金刚石探测器脉冲响应特性实验研究

脉冲辐射场具有瞬时剂量率高、持续时间短的特性,传统核辐射探测器在脉冲辐射场中存在信号堆叠、离子复合、死时间等问题,难以实现对脉冲辐射剂量的准确测量。金刚石探测器具有禁带宽度大、载流子迁移率高、抗辐照能力强、时间响应快等优点,本研究利用毫秒级与纳秒级脉冲X射线参考辐射场、高剂量率γ照射装置对TW60019型单晶金刚石探测器开展脉冲辐射场响应特性测试。结果表明,金刚石探测器的单脉冲响应随脉冲剂量的增大而减小,探测器收集效率随单脉冲剂量的增大而减小。基于该实验现象,分析了人工合成金刚石薄膜中的杂质与缺陷对探测器收集效率的影响规律,讨论了在金刚石探测器信号收集过程中后端电子学系统对收集效率的影响,验证了金刚石探测器能够满足快响应、高瞬时剂量率的脉冲辐射测量要求,为后续进一步实现脉冲辐射剂量实时监测,解决医疗诊断、工业探伤等领域中广泛存在的脉冲辐射剂量监测技术需求提供了基础。

基于中红外腔衰荡光谱的CO_(2)检测系统研制

^(14)C是核反应放射性流出物中最受关注的放射性核素之一,核设施产生的^(14)C主要与CO_(2)标记,因此对^(14)CO_(2)气体进行在线检测具有重要意义。本研究采用腔衰荡光谱技术(CRDS),以CO_(2)为研究对象,选取^(14)CO_(2)吸收谱线的中心波长2 209.11 cm^(-1)附近检测^(14)CO_(2)的吸收光谱。采用中红外波段量子级联激光器、光学谐振腔、合理的光路设计和气体管路设计,研制基于中红外腔衰荡光谱的CO_(2)检测系统。并采用研制的系统检测不同浓度的CO_(2)(0.5%~1.3%)进行验证。结果表明,待测气体浓度与衰荡时间的倒数之间呈线性相关,证实研制的中红外腔衰荡光谱系统可行。该系统成功实现了对不同浓度CO_(2)气体在中红外波段下的精准测量,使用中红外腔衰荡技术测量得到^(14)CO_(2)的吸收光谱。为未来激光光谱快速原位检测^(14)CO_(2)研究提供了重要的技术支持。

质子束水量热计中量热芯的超纯水制备与预辐照

针对质子束的水吸收剂量绝对测量中化学热缺陷的修正问题,本研究基于热敏电阻研制水量热计,并进行气体饱和超纯水系统的设计。通过向量热芯内的超纯水充入高纯气体形成饱和状态,最大程度减少辐射化学反应的产额。在量热芯封装后通过预辐照,使量热芯超纯水中O2充分发生辐解反应,使量热芯内水环境达到无热损的稳定状态,成功研制了稳定的零热损水量热计,减少了量热芯热损对水吸收剂量绝对测量结果的影响,可为后续水吸收剂量的绝对测量提供技术支持。

极低水平γ射线辐射场散射辐射研究

为了搭建极低水平γ射线辐射场及其量值传递系统,基于中国锦屏地下实验室实验条件,对辐射场中不同机械装置结构带来的散射贡献进行研究。本研究利用蒙特卡罗模拟软件建立照射装置、量值传递探测器和屏蔽箱及内部传动结构的蒙特卡罗模型;对照射装置射线出射角度、探-边距和源-探距三种空间变量引起的散射贡献进行模拟研究,得出较优的装置设计和布局方案。设计20°、30°、40°的辐射出射张角,并且在三种源探距的情况下,分别计算有、无屏蔽箱时探测器灵敏体积中的能量沉积;分析三种照射装置位置改变带来的能量沉积的变化;在更多种源-探距下,模拟计算灵敏区域的能量沉积。结果表明,在辐射出射张角为20°和照射装置远离屏蔽箱的内侧面时,散射辐射对探测器灵敏体积内的能量沉积影响最小。本研究得到和分析了多种照射条件下散射辐射引起的能量沉积,优化了辐射场中装置设计和布局,为极低本底辐射场的建立提供了设计思路,并完成了中国锦屏地下实验室的实地测量。

脉冲X射线参考辐射场研究与建立

脉冲辐射在新型探测器研制、工业探伤、X射线诊断、核事故应急和科学研究等领域中已得到了广泛应用,但其辐射剂量(率)测试难度极大。本文基于稳态X光机、脉冲X光机和便携式X光机研究建立了脉冲X射线参考辐射场,并基于脉冲X射线次级标准电离室和脉冲时间测量系统对辐射场的脉冲时间、脉冲剂量和瞬时剂量率等剂量学特性进行了研究。脉冲X射线参考辐射场的脉冲时间在50 ns~10 s之间可调,瞬时剂量率范围为2.5×10^(-3)~6.7×10^(5)Sv/h。本文所建立的脉冲X射线参考辐射场涵盖了环境水平、防护水平、诊断与治疗水平、核应急水平和核临界水平等剂量率水平范围,可用于主动式脉冲辐射剂量仪、个人剂量计和核临界事故探测与报警系统的脉冲响应特性研究,对于解决脉冲辐射剂量监测仪器的校准难题具有重要意义。

脉冲X射线参考辐射场设计与研究

脉冲辐射在新型探测器研制、工业探伤、X射线诊断、核事故应急和科研等领域中已经得到了广泛应用,其辐射剂量(率)测试难度极大。为解决主动式辐射剂量仪的脉冲响应测试技术难题,基于多种X射线机建立了脉冲X射线参考辐射场,结合次级标准电离室及脉冲时间测量系统开展了脉冲辐射剂量(率)定值。实验结果表明,所建立的脉冲X射线参考辐射场的脉冲宽度在25 ns~10 s之间可调,瞬时剂量率范围为:5 mSv/h~6.7×10^(5) Sv/h,可广泛开展主动式辐射剂量仪的脉冲响应特性研究,对于解决脉冲辐射剂量监测仪器的校准难题具有重要意义。

氚气标准源活度浓度测量不确定度分析

氚气标准源的活度浓度量值对于氚活度浓度监测与校准的溯源非常重要,对于氚气活度浓度的测量,通常采用长度补偿法,本研究基于内充气正比计数器测量氚活度浓度的方法,对测量结果不确定度的来源进行了分析,并给出了评定结果。氚活度浓度的不确定度主要来源于本底与计数的统计涨落、体积测量、死时间修正、壁效应修正、以及测量重复性与稳定性。结果表明,对于7×10^(3)Bq/L的氚气标准源,其活度浓度测量结果的合成标准不确定度u_(c)=1.6%。

用于车载加速器中子源的边缘冷却靶结构研究

为解决车载加速器中子源锂靶出射中子衰减的问题,提出了冷却水在侧面流动的边缘冷却靶结构,研究其辐照损伤、冷却效果和出射中子品质等性能。在靶结构中引入由钒制成的中间层,从氢原子扩散和辐照损伤的角度分析了质子对靶结构材料的影响;基于有限元软件COMSOL Multiphysics,建立了不同质子束流轰击下的共轭传热模型来预测锂靶温度,并通过实验进行了验证;采用蒙特卡罗方法比较了靶结构的前冲方向中子产额,并对边缘冷却靶结构的感生放射性进行了评估。结果表明:钒中间层的引入可以有效促进氢原子的扩散和容纳过程,减轻氢脆对铜基板的影响;对于功率为250W、半径大于0.75cm的高斯分布质子束斑,边缘冷却靶结构的最高温度可以控制在140℃以下,冷却模拟结果相比于实验结果更为保守;边缘冷却靶结构在前冲方向的中子产额损失更小,具有10%左右的优势。边缘冷却靶结构在保证高效冷却的基础上,提高了前冲方向的中子产额,在车载加速器中子源上具有长寿且可靠运行的潜力,可为靶结构的相关研究提供参考。

相转移法制备^(137)Cs 3D打印用光敏树脂的可行性研究

为弥补目前国内外精密异形放射源制备工艺的不足,将3D打印技术引入放射源制备领域。本研究采用相转移方法制备^(133)Cs3D打印用光敏树脂,使用高分辨电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)进行检测,探索制备条件。并通过溴化镧探测器对制备的^(137)Cs3D打印用光敏树脂材料进行检测。结果表明,通过相转移方法制备的三种^(133)Cs3D打印用光敏树脂和^(137)Cs3D打印用光敏树脂中铯元素分布不均匀度<5%。相转移法作为一种操作简便、反应条件温和的方法可用于制备含有铯元素的3D打印用光敏树脂,且具有一定普适性。