中国原子能科学研究院紧凑型强流质子回旋加速器剥离引出技术研究

中国原子能科学研究院(CIAE)在20世纪90年代建造了一台30 MeV紧凑型强流质子回旋加速器后,经过近30年的发展,先后自主研发成功了基于剥离引出技术的能量为10 MeV、14 MeV、100 MeV、硼中子俘获治疗用14 MeV/1 mA等系列能量的紧凑型强流质子回旋加速器。建成的100 MeV紧凑型强流质子回旋加速器(CYCIAE-100),是目前国际上能量较高的一台紧凑型强流质子回旋加速器,最高流强达到520μA,束流功率达到52 kW。建成的硼中子俘获治疗用的质子回旋加速器,也是我国首次自主研发成功的引出质子束流强达到mA量级的强流质子回旋加速器。在系列能量的紧凑型强流质子回旋加速器研发过程中,CIAE对剥离引出后的束流色散效应、剥离膜与束流夹角对引出后的束流品质的影响、单圈剥离引出技术等紧凑型强流质子回旋加速器剥离引出技术等方面展开了研究,且自主开发出了剥离引出计算程序,为紧凑型强流质子回旋加速器的应用作出了贡献。

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。

应用型电子直线加速器用C波段大功率速调管研究与开发

为满足C波段应用型直线加速器功率源要求,研制了一支C波段大功率速调管。通过对电子枪结构模拟计算并利用正反向组合式聚焦线圈调整过渡区磁场,完成了电子光学系统设计,电子注通过率达到100%,电子注波动率为4.8%。综合应用一维至三维计算程序对注-波互作用段开展参数优化及PIC仿真,最终确定了6个谐振腔的速调管方案。腔体加工冷测调配后焊接形成整管,并开展了高功率测试,在电子注电压为115 kV、电流为79.6 A条件下,馈入频率为5712 MHz、功率为100 W的信号时,该速调管可输出的峰值功率为3.52 MW,增益为45.5 dB,效率为38.5%,达到了预期研制目标。

回旋加速器主磁铁非理想磁场垫补方法研究

回旋加速器主磁场的精密测量和误差垫补技术是回旋加速器技术研究的一个重要方向,也是设备建造的关键环节之一。由于受铁材料内部缺陷、机械加工误差等因素的影响,回旋加速器主磁铁所产生非理想磁场通常会偏离所需要的等时性磁场分布,且含有一定幅值的谐波磁场。因此,在研制回旋加速器的过程中需对非理想磁场进行多次垫补,通过修正实际磁场的分布而最终达到使用要求。与传统磁场垫补算法相比,本文提出了一种基于多元线性回归模型的垫补算法,加入对一次谐波磁场的计算,实现对磁场等时性误差与一次谐波误差同时进行定量化垫补,省去了单独针对一次谐波磁场的垫补过程。为避免增加有限元计算量,本文在新算法中使用了基于1/4磁铁模型获取平均磁场、一次谐波磁场的垫补形状函数。最后使用本文所提垫补方法,将中国原子能科学研究院16 MeV回旋加速器主磁场的等时性误差降低至10-4量级、一次谐波磁场降低至6 Gs以内。实验结果表明,本文提出的算法具有形状函数计算量小、垫补精度高、迭代次数少的特点。

方钴矿热电器件性能衰减影响因素研究

热电器件性能直接影响着热电转换装置的转换效率及使用寿命。本工作针对方钴矿热电器件高温服役环境下性能衰减的问题,采用大功率热电器件测试系统开展热电器件服役性能影响因素研究。结果表明,方钴矿热电转换装置输出功率随着时间延长而显著降低,其主要原因在于高温条件下方钴矿热电材料、电极材料与Fe基防扩散阻挡层之间发生相互反应生成扩散层,致使界面电阻增大;同时,由于热电材料、电极材料与Fe基防扩散阻挡层的热膨胀系数匹配性能不佳,高温条件下焊接界面处开裂,热电器件内阻增大。由此可见,防扩散阻挡层的高温稳定性和热膨胀匹配性是影响方钴矿热电器件性能的关键,成为后续方钴矿热电器件实现工程应用的核心问题。

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。

三氯化硼分子在10μm波段低温光谱的理论研究

商业化的高功率、窄线宽中红外激光器使得采用激光辅助抑制冷凝方法(SILARC)高效分离11B和10B两种稳定同位素成为可能。然而,中红外激光器的可调谐范围受限以及价格高昂的问题成为制约该应用的一大难题。准确确认高效率激发气相硼化物的激光频率成为解决该难题的办法之一。本文采用高精度从头算量子化学理论对三氯化硼分子的电子基态进行了深入研究。在二阶微扰MP2理论和6-311++G(3df, 2pd)基组下,优化了三氯化硼的分子结构,基于PT2理论计算获得了振动基态和基频(硼-氯伸缩振动模)转动参数、振转耦合等光谱参数。基于理论模拟谱与实验光谱相对满意的匹配,确定了三氯化硼同位素分子在10μm波段基频振动带的可信赖的非谐振频率。以上结果表明,本文实现了三氯化硼分子变温光谱(30~300 K)的模拟,确定了10μm波段的P(4)和P(6)二氧化碳激光器更适用于激光辅助抑制冷凝方法(SILARC)的激发11B同位素分子。

基于高品质因数波导型缩比例船形腔的多物理场耦合仿真研究

高能强流质子加速器有着十分广泛而重要的应用,中国原子能科学研究院提出1台2 GeV连续波固定场交变梯度质子加速器,该加速器采用44.4 MHz的大功率高品质因数、高分路阻抗的船形高频腔。为掌握船形高频腔的加工工艺,研制了频率为177.6 MHz的1∶4缩比例船形高频腔样机。本文采用固热分析和流固热分析两种热分析方法对该腔体样机进行多物理场耦合仿真计算,经比较发现,流固热分析方法计算得到的腔体温度分布较固热分析方法更符合实际物理过程,但后者对模型的处理和计算速度更快,两种方法得到的温度和频率调节范围略有差异。对于缩比例腔而言,两种热分析方法得到的结果大体一致,实际应用中稳态热分析已足够满足工程设计需求。

中国发展LEU生产医用^(99)Mo技术的机遇与挑战

^(99m)Tc是核医学临床使用最广泛的医用同位素,它主要来自于^(99)Mo的衰变,而^(99)Mo的主要生产方式是从235 U裂变产物中提取。由于高浓铀(HEU,235 U富集度>90%,通常为93%)的使用受到核不扩散条约的制约,采用低浓铀(LEU,235 U富集度<20%,通常为19.75%)技术生产医用^(99)Mo是发展趋势。目前已有南非、澳大利亚、比利时、荷兰等国家完成了LEU低浓铀转化。本研究在对^(99)Mo的医学应用与需求分析的基础上,对LEU靶件生产裂变^(99)Mo所面临的机遇与挑战进行分析。目前,低比活度^(99)Mo的^(99)Mo-99m Tc发生器制备技术尚未取得突破,非裂变^(99)Mo还不能完全替代裂变^(99)Mo;对LEU生产裂变^(99)Mo技术本身而言,LEU靶件制备技术、^(99)Mo分离纯化的工艺是亟待解决的关键问题。

高温蒸馏坩埚在铅铋合金中的腐蚀行为研究

针对高温蒸馏处理铅铋合金(LBE)冷却剂中210 Po的坩埚腐蚀行为,在1000℃、5000 Pa条件下开展了材料为金属、氧化物和石墨的坩埚与LBE的静态腐蚀试验,获得了不同材料坩埚试验前后的质量变化、腐蚀试验后LBE中引入的杂质含量、坩埚内外表面及LBE表面形貌的变化以及氧化铝坩埚腐蚀试验后与LBE交界面的金相形貌。结果表明:以石英、氧化铝、氧化锆和钼为材料的坩埚高温下质量稳定;腐蚀试验后,以氧化铝、氧化锆、钼和钨为材料的坩埚引入LBE中的杂质含量小于31 ppm;以氧化铝和氧化锆为材料的坩埚腐蚀试验后内外表面均无腐蚀;氧化铝坩埚与LBE金相界面无腐蚀。综上所述,氧化铝坩埚耐LBE腐蚀性能较好,适宜用作LBE高温蒸馏处理210 Po的蒸馏容器。

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。

Dixon填料亲水化处理技术研究

随着热核聚变实验堆(ITER)研究进展与日本福岛事件的发生,联合电解催化交换工艺应用于水氢同位素分离领域的应用越来越普遍。催化交换塔为联合电解催化交换工艺重要工艺装置,塔内部需要填装亲水不锈钢Dixon高效填料。针对Dixon填料的亲水化处理工艺进行了实验研究和分析。实验过程中采用TOC、SEM、称重等分析方法对填料性能处理进行了分析表征,最终确定了不锈钢Dixon填料亲水化处理工艺,为工程化应用提供依据。

散堆不锈钢填料表面处理工艺研究

在核化工氢同位素分离领域,液相催化交换工艺的应用越来越广泛。该工艺过程中,气液相交换反应发生在催化交换床层填装的散堆不锈钢填料表面,为了提高气液相交换效率,需要对散堆不锈钢填料表面进行亲水化处理。针对应用最普遍的三角螺旋填料,对比研究了氢氧化钠溶液与非离子表面活性剂对三角螺旋填料的超声脱脂效果;进一步系统性分析了王水浸泡和亲水氧化对三角螺旋填料表面处理的影响,结合重量和SEM分析对三角螺旋填料的亲水氧化效果进行了分析研究;在此基础上最终确定了三角螺旋填料表面处理的工艺技术路线。

便携式γ射线照射装置散射辐射特性研究

便携式γ射线照射装置对于提高固定式X、γ辐射剂量仪检定率、解决现场校准难题具有重要意义,利用蒙特卡罗模拟与实验测量协同开展便携式γ射线照射装置散射辐射特性研究。结果表明:蒙特卡罗方法可以模拟得到装置自身的散射辐射,实验测量只能获得照射装置以外辐射场中的散射辐射。利用MCNP程序F4卡和CF卡得到距放射源1 m处照射装置自身的散射贡献分别为13.07%和4.55%;反平方律实验和移出实验得到辐射场散射辐射贡献分别为0.2%和3.94%,满足ISO 4037-1:2019和GB/T 12162.1-2000的要求。该装置可用于固定式X、γ辐射剂量仪的现场校准。

UiO-66-(COOH)_(2)的合成及其对锂同位素吸附分离性能研究

为研究金属有机骨架材料对^(7)Li的吸附分离性能,本研以水作为溶剂,四氯化锆和均苯四甲酸为起始原料,采用水热法合成金属有机骨架材料UiO-66-(COOH)_(2),对合成材料的形貌、孔径、热稳定性等进行表征与分析;通过静态吸附实验探讨吸附时间、反应温度、溶液浓度对UiO-66-(COOH)_(2)锂离子吸附性能及同位素分离因子的影响;并对Li^(+)浓度、^(6)Li/^(7)Li同位素丰度进行测定。结果表明,UiO-66-(COOH)_(2)可实现对锂的吸附以及^(7)Li的分离,且在293 K Li_(2)CO_(3)溶液中,每0.05 g UiO-66-(COOH)_(2)对10 mL 0.05 mol/L Li_(2)CO_(3)进行4 h的静态吸附,最大吸附量Q为9.53 mg/g,分离因子S(^(7)Li/^(6)Li)为1.019 54。研究结果为^(7)Li的分离提供了新途径。

γ辐照对AG1-×8树脂吸附Mo(Ⅵ)的性能研究

为评价γ辐照对AG1-×8树脂吸附^(99)Mo的影响,选择吸收剂量分别为37.5、275、825 kGy的AG1-×8树脂,通过静态和动态实验,研究AG1-×8树脂对Mo(Ⅵ)的吸附性能。结果表明,经γ辐照后,AG1-×8树脂表面形态未发生变化及破损;AG1-×8树脂对Mo(Ⅵ)的静态分配系数随吸收剂量的增加而减小;AG1-×8树脂辐照前后对Mo(Ⅵ)的静态分配系数在NH_(4)OH介质中不随介质浓度变化,而在硝酸、氢氧化钠、碳酸铵介质中随浓度的增加而减小;在1 mol/L氨水介质中,AG1-×8树脂辐照前后对Mo(Ⅵ)吸附行为符合Langmuir等温模型,吸附过程为自发、吸热过程,饱和吸附容量分别为74.07、71.02、70.97、57.57 mg/g;Mo(Ⅵ)在NH_(4)OH中吸附、用1 mol/L碳酸铵溶液解吸,Mo(Ⅵ)回收率随吸收剂量的增大而降低。

以三氟化硼为原料制备硼粉工艺的研究进展

综述了以三氟化硼为原料,分别采用金属热还原法、熔盐电解法及气相沉积法制备硼粉的三种工艺路线,分析和比较了每条工艺路线制备硼粉的纯度、产率及其优缺点,提出了一条以三氟化硼为原料先制备硼烷,再由硼烷采用流化床-化学气相沉积法高效、低能、产业化制备硼粉的工艺路线。

六方氮化硼中子探测器的研究进展

六方氮化硼中子探测器具有泄漏电流小、体积小、响应速度快、探测效率高、对γ射线不灵敏等优点,有望取代传统的^(3)He气体探测器和微结构半导体中子探测器而得到广泛应用。文章介绍了六方氮化硼中子探测器的原理,从制备工艺、探测器结构、探测器性能等方面综述了六方氮化硼中子探测器近年来的研究进展。

大面积阵列中子伽马甄别探测器的蒙特卡罗模拟研究

对特殊核材料的检测关乎国土安全,需要一个快速、安全可靠的辐射检测系统。采用Geant4蒙特卡罗模拟软件建立一套基于塑料闪烁体的大面积中子伽马探测系统。研究单根闪烁体晶体不同截面边长、多种层数结构以及不同^(nat)Gd_(2)O_(3)包裹方式等探测器的关键参数,通过调整探测器的响应数目阈值评估探测器的n/γ甄别性能。结果表明,当采用截面边长为6 cm×6 cm的塑料闪烁体包裹25μm厚的^(nat)Gd_(2)O_(3)、探测器之间放置3 mm厚Pb板以及探测器响应数目阈值设置为3时,阵列探测器可以达到约23%的中子探测效率以及约802的n/γ甄别比。计算结果可对大面积阵列探测器的关键参数优化提供理论依据。

用于CSNS反角白光中子源的双屏栅电离室设计及性能研究

为测量中国散裂中子源(China Spallation Neutron Source,CSNS)反角白光中子源150 keV以下能区飞行时间法中子能谱,研制基于^(10)B(n,α)7Li和6Li(n,t)α核反应的双屏栅电离室,采用薄窗和薄底衬的结构设计。通过Garfield++、SRIM和Simcenter Magnet Electric程序对屏栅电离室的工作气体、极间距和电场分布等工作参数进行模拟设计,并采用α源及CF_(4)、P10、90%Ar-10%CO_(2)三种气体对电离室进行性能参数测试。结果表明,选定电子漂移速度快、扩散系数小,以及阻止本领大的CF_(4)作为CSNS/Back-n束上测试工作气体,阴极-栅极和栅极-阳极间距分别为20 mm和5 mm。屏栅电离室收集区∅74 mm范围内是电场均匀区,场强的相对偏差≤0.03%;性能测试结果表明,工作气体为CF_(4)时,电离室对^(239)Pu/^(241)Am/^(244)Cm混合α面源具有很好的能量分辨,最佳能量分辨率为2.4%@5.48 MeV。对比平板型电离室和硅微条探测器的测量结果,验证了本工作研制的屏栅型电离室的能量分辨优势。