BNCT治疗计划系统剂量分布模拟与验证

硼中子俘获治疗(BNCT)的治疗计划系统(TPS)根据患者的医疗影像信息,模拟中子束照射的剂量分布,为医生提供个性化的肿瘤治疗方案,是BNCT系统不可缺少的组成部分。本文针对TPS的应用需求,利用Python语言编制软件,实现了医疗数据处理、组织结构划分、三维重建等主要功能。利用该软件对3D打印及真实人体头部的医疗影像数据进行处理,并结合MCNP程序,对人头内部剂量分布进行了模拟。模拟结果表明,中子源的能谱对治疗效果的影响至关重要。中子源中的快中子会和H元素发生相互作用,在人体的皮肤处产生较高的剂量,损伤人体的正常组织。中子源中较高的超热中子含量,有利于在肿瘤部位形成较高的热中子注量,从而提高含硼药物与热中子发生相互作用的概率,增强治疗效果。本文的研究结果为BNCT-TPS的自主研发提供了重要依据。

谐波减速器故障特征频率计算方法研究

谐波减速器是一种依赖柔性构件的可控变形的传动机构,其主要部件长期受持续变化的交变应力影响,故障风险显著高于常规传动机构。谐波减速器部件的故障位置、运动关系及承载区的时变特性会导致其故障特征频率呈现出区间分布及周期性变化的特点。同时谐波减速器依靠多个旋转部件在狭小空间内的紧密配合实现传动,单一故障的横向传播会导致多种故障特征同时出现,增加了故障定位难度。该研究提出一种等效方法,通过将柔性轴承在连续瞬态下的运动关系等效为常规轴承的方式明确了柔性轴承故障特征频率的时变规律;给出了刚轮、柔轮、柔性轴承及交叉滚子轴承典型故障特征频率的计算方法;开展了谐波减速器故障模拟试验,基于试验数据对谐波减速器故障特征频率的理论计算结果进行了验证,给出了多种故障模式下的时、频域故障特征。结果表明,试验实测值与理论分析结果相符,利用给出的故障特征分析方法可以获取准确的谐波减速器故障特征频率。

月球样品的中子活化分析技术研究

月球的起源是月球研究的核心问题。月球探测任务返回的数据和样品极大地提高了人类对地月系统的认知,同时也发现了更多未解之谜,亟待未来的探测任务和科学研究来解答。嫦娥五号月壤是我国首次地外天体采集返回的样品,也是继美国和苏联探月采样任务45年后人类再次获得的月球样品。鉴于月球样品的珍贵性和特殊性,利用先进技术开展其全元素含量的非破坏精准分析对于认识月球演化和月球资源就地开发利用具有重要的意义。依托大型核反应研究堆和加速器中子注量率优势,利用中子活化分析技术可实现月球样品中的全元素非破坏分析:1)仪器中子活化分析技术(INAA)可测量Na—U元素之间的60余种元素;2)瞬发γ中子活化分析技术(PGNAA)可补充测量INAA不适合测量的元素如H、B、C、N等;3)中子深度剖面分析技术(NDP)可测量样品近表面(微米级)聚变能源3He的浓度深度分布;4)缓发中子测量技术(DNC)可定量样品中痕量裂变核素如^(235)U和^(239)Pu,并结合INAA可测量238U/235U同位素比值;5)14 MeV快中子活化分析技术(FNAA)可测量INAA和PGNAA不灵敏或不适合测量的元素如O、Si、P等。因此,中子活化分析技术(NAA)可有效解决月球样品中全元素、非破坏和精准测量问题,为我国深空探测珍贵样品研究提供核分析技术支撑。

先进中子检测技术在核工业材料研究中的应用

中子检测技术具有深穿透性、同位素灵敏、无损及可开展原位实验等优势,在核工业材料研发领域具有重要支撑作用。中国原子能科学研究院依托中国先进研究堆中子科学平台,针对核燃料元件、压水堆包壳、压力容器钢、阀杆不锈钢和堆用多组元合金新材料等核工业关键部件和材料开展了中子无损检测研究,获得了燃料元件元素分布、锆合金包壳氢聚行为、压力容器钢焊接残余应力、阀杆老化纳米尺度演化、核级材料织构等关键信息,为核工业材料研发和关键部件性能评估提供了重要方法及关键数据。

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。

地外样品的核分析技术研究进展

地外样品是目前能获取到的来自其他天体的最直接地质证据。研究地外样品的目的在于揭示太阳系及其所含天体的宏观与微观演化过程,并为行星与星际环境和星际移民与外星生命的可能性提供新的见解。地外样品成分的原位或地面实验室精细分析研究对于人类认识天体演化以及我国后续月球探测与资源就地开发利用具有重要的意义。鉴于地外样品的特殊和珍贵,通常优先选用非破坏分析方法对其开展研究。而核分析技术是在实验核物理和核化学基础上发展起来的一门新型学科,是利用粒子与物质的相互作用、辐射效应、核谱学和核效应等基本原理和实验的方法,比如中子活化分析、离子束分析以及X射线荧光光谱分析等,利用其非破坏性、灵敏度高、准确度好和多元素同时分析等优点,非常适合开展地外珍贵样品的分析研究。未来十年是我国深空探测的关键时期,其主要目标是加深对宇宙的认知、拓展人类的活动空间、探寻地外生命信息,并进一步揭示宇宙奥秘与生命起源、了解保护地球以及激发科学探索精神。核分析技术作为对样品无损分析的科学手段,其生命力在于与物理、化学、材料、医学、地质、环境等学科领域的高度融合。随着我国深空探测的发展需求,核分析技术将会在我国月球、小行星、火星等深空探测以及采集的珍贵样品分析中发挥重要的作用。

中子织构谱仪原位加载装置

原位加载过程中织构演化研究对于深入理解材料在不同变形工艺及服役条件下变形方式和性能演化机制具有重要意义。本文基于中国先进研究堆(CARR)中子织构谱仪,设计并研制了一台专用原位加载装置。该装置的最大加载力为10 kN,加载速率在0.01~3 mm/min范围内连续可调,可绕中子织构谱仪欧拉环χ角在0°~90°旋转、沿装置拉伸轴进行0°~360°自转,以实现多晶材料在原位拉伸和挤压过程中微观结构和体织构实时演变测量。利用该装置对热挤压Mg-1.2Al-0.3Ca-0.47Mn(MMK1)合金原位拉伸过程中织构演化的研究发现,随着拉伸位移的增加,(0002)基面织构强度不断增加,表明该装置可实现多晶材料原位加载过程中织构演化测量。CARR中子织构谱仪原位加载装置的设计和研制,为了解多晶材料微观结构与力学性能关系,尤其是在外部载荷条件下材料结构演化的规律和机理研究提供了重要的技术支撑。

反应堆瞬发γ活化成像技术研究进展

瞬发γ活化成像技术(Prompt Gamma Activation Imaging,PGAI)是基于瞬发γ中子活化分析技术(Prompt Gamma Neutron Activation Analysis,PGAA)的一种新型元素成像技术,具有PGAA非破坏性、高灵敏度的多元素分析特点,同时可研究大体积样品内元素含量的三维分布情况。与移动中子源(如同位素中子源、加速器中子源)相比,反应堆中子源具有高通量的冷/热中子,因此,基于反应堆中子源的PGAI装置具有更加广阔的应用前景。鉴于PGAI技术的重要性,主要介绍了PGAI技术原理和测量方法、列举了国内外具有代表性的PGAI装置及特点,并指出当前PGAI技术研究现状与应用进展。其中,与中子层析成像(Neutron Tomography,NT)结合的PGAI是目前研究的重点。随着国内高通量中子反应堆的持续稳定运行以及PGAI装置的建立和技术发展,相信未来PGAI技术能在我国更多领域得到广泛和深入应用。

能量选择中子成像技术及其应用

能量选择中子成像技术是利用特定范围波长(能量)的中子进行成像。在热/冷中子范围内(<25 meV),能量选择中子成像技术主要基于布拉格边效应和衍射机制,相比常规中子成像技术不但可以显著提高图像对比度,而且能分析应变、应力、织构。在超热中子范围内(>1 eV),能量选择中子成像技术主要基于中子共振吸收,中子截面随能量变化是同位素特有的,存在明显的共振吸收峰,因此可以进行同位素的“指纹”识别。概述了能量选择中子成像技术的基本原理及特点、单色化技术及其应用现状,重点探讨了能量选择中子成像技术的应用前景和科学价值。未来,能量选择中子成像技术将在工程、材料、化学、物理、生物、考古等众多科研领域发挥重要作用。

基于改进遗传算法的一类多资源测控调度问题研究

研究一类测控弧段具有优先级约束的多资源、大规模测控调度问题。首先对问题中的约束条件进行分析和处理,并建立问题的数学模型。进而针对问题特点,以遗传算法为基础,通过设计选择适当的交叉、和变异算子,设计了一种改进的遗传算法。最后通过算例计算表明,应用该方法求解此类测控资源调度问题具有较为理想的性能,是合理、有效的。

针对滚动体损伤的滚动轴承损伤严重程度评估方法

通过对振动信号分析,研究一类滚动体损伤的滚动轴承损伤严重程度评估方法。找出能反映损伤严重程度参数,通过实验方式考察其刻画能力。在此基础上,提出基于均方根值的损伤严重程度评估方法,用于细化滚动体损伤评估。即提取不同磨损量标准试件的振动特征,进行三次样条曲线拟合,建立损伤严重程度评估标准曲线,作为损伤严重程度评估标准。通过实验验证该方法的有效性、准确性。数据表明,当将损伤严重程度划分为正常、轻微损伤、严重损伤三个区间时,该方法能正确评估NJ312滚动轴承的损伤严重程度。

三轴稳定卫星点目标观测任务优化调度技术

首先进行了三轴稳定卫星观测问题的背景分析,建立了相应的数学模型,进而提出了一种基于遗传算法和模拟退火算法的混合遗传算法,通过多个仿真算例验证了其有效性,并与模拟退火算法的运算结果进行了比较分析,结果表明其运算速度和全局寻优能力均优于单独使用模拟退火算法。

航天器自主规划系统分析与设计

首先提出了一种包括规划与调度、执行以及执行监控与故障诊断的航天器自主控制系统。在此基础上,重点针对航天器分系统众多、组成复杂、知识表示困难的特点,提出了基于分层结构的航天器自主规划与调度系统的设计方法。该方法能够有效地表示和管理航天器的相关知识,并能根据给定的高级任务目标,结合自身状态进行推理,搜索出合理的指令序列,当发生故障或其他紧急情况时,能够进行重规划。

基于蚁群算法的航天器观测动态调度研究

为了处理航天器实际运行过程中的不确定性扰动因素,解决航天器观测动态调度问题,首先结合航天器运行的实际背景,建立了航天器观测动态调度问题的数学模型;由于该问题的NP完全性,以及航天观测活动中扰动因素种类繁多的原因,使用现有方法进行求解效率不高;针对这一问题,基于蚁群算法设计了一种具有普适能力的动态调度方法,能够有效处理多种不确定性干扰因素;采用该方法求解某型地球观测卫星的观测任务动态调度问题,能够得到满足实际要求的动态调度方案,验证了该方法的有效性。

复合添加剂对石蜡性能影响的研究

以聚乙烯蜡和硬脂酸为添加剂,采用水浴加热混合蜡测量滴熔点和粘度,在聚乙烯蜡质量百分含量为0%～15%、硬脂酸质量百分含量为0%～60%范围内,对石蜡的使用性能进行改性研究。实验结果表明,聚乙烯蜡和硬脂酸均对石蜡滴熔点和运动粘度有一定的影响。在聚乙烯蜡添加量为0%～15%的范围内,改性石蜡的性能得到明显改善,其中改性石蜡的滴熔点呈缓慢增高趋势,后保持稳定;当其添加量在3%～5%的范围内,改性石蜡的熔点快速升高。在聚乙烯蜡加入量为3%时加入质量分数为5%～60%硬脂酸进行对比试验。硬脂酸在添加量为5%～25%时,改性石蜡滴熔点呈下降趋势;硬脂酸添加量为25%～60%时,改性石蜡滴熔点上升,但上升效果不明显。

不同水肥作用下西藏青稞生长动力学机制与模拟研究

【目的】构建西藏高原地区多因子作用下的青稞动态生长模型。【方法】于2016─2017年在西藏农牧学院农田水利试验场,监测了不同水分和氮素状态下的青稞动态生长过程,基于方差分析法研究了水分和氮素对青稞动态过程的交互作用,在此基础上构建了包括4个自由度、描述土壤水分和氮素对春青稞干物质形成以及累积过程函数关系,构建了多因子作用条件下的青稞动态关系模型,分别采用2016年和2017年的试验资料对模型进行了参数率定和验证。【结果】西藏高原地区青稞动态生长过程受到了多种因素的影响,青稞的干物质增量和累积量与土壤水分和氮素投入量表现出非线性响应关系;采用偏相关系数能够有效地反映青稞的产量与干物质指标关系。模拟不同水分和氮素条件下的青稞生长过程与实测结果相比,全生育内Nash-Sutcliffe系数平均值为0.873;5%的显著水平下,不存在系统性偏差。【结论】构建的青稞动态生长关系模型能够描述西藏地区气候和土壤条件对青稞生长动态过程影响机理,具有较高的模拟精度。

多因子胁迫下的西藏高原青稞生长动力学模拟

【目的】探究耦合气象、土壤水分和氮素状态对青稞生长的影响机理,构建西藏地区青稞生长动力学模型。【方法】于2016─2017年在拉萨市墨达灌区开展了试验研究,测定了青稞生育期气象参数、土壤水分和氮素质量浓度变化过程。基于日光合作用和呼吸作用模拟日干物质增长量,提出了开关因子计算青稞由发育生长到生殖生长的临界时间,根据叶面积指数变化和干物质质量平衡,以及青稞生育期干物质分配和转化关系发展了干物质日增长量分配关系,基于动态平衡原理,提出了气象条件、土壤含水率和氮素影响下的干物质胁迫关系。基于2016年观测值率定模型参数,模拟2017年青稞生长。【结果】模型在本地参数下,模拟结果与实测结果符合良好,Nash-Sutcliffe系数和相对均方根误差分别为0.84和0.05;变化条件下,能够达到较好的模拟精度,Nash-Sutcliffe系数和相对均方根误差分别为0.67和0.11。【结论】所提出的模型能够描述多因子胁迫条件下的青稞生长动力学机制,具有完备的物理机制。

水稻灌区农业面源污染物迁移转化规律模拟研究

模拟水稻灌区中非自然水文过程及其驱动下的面源污染物迁移转化过程对了解水稻灌区面源污染形成机理以及污染控制具有重要的意义。将水稻灌区水文过程分为陆面水文过程和排水沟道水文过程,采用均衡法模拟陆面水文过程中稻田深层渗漏水量以及氨氮(NH4^+)、硝氮(NO_3^-)和磷酸根(PO_4^(3-))的渗漏通量,在此基础上,基于非稳定饱和渗流方程计算稻田深层渗漏过程所形成的侧向排水过程,作为排水沟道水文过程的输入项,基于动力波方程和一阶动力学方程描述了水稻灌区排水网络下的面源污染物运移和转化过程,提出了水稻灌区农业面源污染物迁移转化模型。根据前郭灌区2008—2009年的监测数据对模型渗流过程、主要面源污染物迁移转化过程参数进行率定,采用2010年的监测资料对模拟结果进行了验证。结果表明,基于所提出的方法模拟了稻田和排水沟道2个水文过程中NH4^+,NO_3^-和PO_4^(3-)的质量浓度峰值过程的差异,实现了水稻灌区陆面水文和排水沟水文过程的耦合。稻田水层中模拟NH4^+,NO_3^-和PO_4^(3-)的Nash-Sutcliffe系数分别为0.772、0.758和0.709,相对均方根误差(RMSE)分别为0.042、0.050和0.071,排水系统中模拟NH4^+、NO_3^-和PO_4^(3-)污染物的Nash-Sutcliffe系数分别为0.645、0.704和0.854,相对均方根误差(r RMSE)分别为0.072、0.060和0.031。所提出的方法可有效地模拟稻田渗流过程和排水过程中的面源污染物迁移转化过程。

五寨C波段双偏振多普勒气象雷达数据质量分析

旨在分析五寨C波段双偏振多普勒气象雷达偏振量参数及其关系。对雷达差分反射率因子ZDR、差分传播相移率KDP、相关系数CC与水平反射率因子ZH、信噪比SNR进行参数关系可视化分析,计算分析ZDR、KDP、CC的平均值与标准差对应ZH和SNR变化的关系,得到雷达参数可用阈值。研究发现当回波强度ZH>15dBZ时,雨滴大部分呈球状,差分反射率在0dB附近;当ZH>15dBZ时,KDP标准差变小,平均值变稳定,当ZH>40dBZ时,KDP随ZH增大而增大,降水粒子变大后能够引起KDP的增大,说明KDP对强降水更敏感;当SNR>15dB时,相关系数大多在0.95附近。可作为降水研究雷达数据质控的依据。

西藏林芝地区土壤水分特征曲线适用性研究

西藏地区自然气候特征、成土母质和成土条件有着显著的地区特性,了解西藏高原地区土壤水动力学特性对于研究高原地区水文和水循环过程具有重要的意义。2015年分别在林芝地区米林县(海拔2 905 m),八一镇(海拔3 240 m)和林芝县(海拔3 879 m)3个青稞种植区田间取样,在原状土土壤水分特征曲线测试的基础上,研究了西藏林芝地区土壤基质势和土壤含水率之间的关系,并建立了参数的微分求解方程,发展了土壤水分特征曲线非线性函数的参数估计方法;基于实测值构建Jacobi矩阵,采用全局性最优方法确定了van Genuchten模型和Gardner-Russo模型的参数。结果表明,-11.0^-4.0、-42.0^-11.0 k Pa以及-54.0^-42.0 k Pa基质势区段的单位基质势平均含水率变化量分别为5.4×10-3、11.2×10-3和6.7×10-3cm^3/(cm^3·k Pa),最大差异性发生在-54.0^-42.0 k Pa之间,西藏地区的土壤水分特征曲线形状主要决定于黏粒质量分数,而砂粒质量分数则主要影响土壤水分特征曲线的变异性。van Genuchten模型和模拟6组试验数据的相对误差平均值和最大值分别为0.04和0.09。采用Gardner-Russo模型模拟6组试验数据的相对误差的平均值和最大值分别为0.06和0.14。van Genuchten模型模拟西藏林芝地区的土壤水分特征曲线的精度及有效性显著超过Gardner-Russo模型。