中国原子能科学研究院核物理基础研究最新进展与展望

核物理是物质科学研究的基础研究前沿和重大应用领域之一,对人类探索物质结构的微观层次、国家的地位与安全发挥了重大作用。中国原子能科学研究院(简称原子能院)核物理基础研究团队依托北京放射性核束装置、HI-13串列加速器、锦屏深地核天体物理加速器等实验设施,开展了核物理基础相关实验与理论研究,在质子晕核破裂机制、不稳定核衰变新模式、核天体反应深地高精度测量、激光驱动核反应等方面取得了多项创新研究成果。本文评述了“十四五”期间原子能院在核物理基础研究方面取得的一些最新进展,并展望了原子能院未来在核物理大科学装置、特色中小型装置、核理论、新型实验技术、学科交叉融合等方面的发展思路。

锦屏深地核天体物理实验(JUNA)进展

锦屏深地核天体物理实验(JUNA)项目将利用中国锦屏深地实验室(CJPL)的良好条件,在天体物理伽莫夫能量窗口开展核天体关键反应25Mg(p,γ)26Al、19F(p,α)16O、13C(α,n)16O和12C(α,γ)16O的直接测量。目前已成功完成400kV强流加速器和ECR离子源的研发,获得了400keV、10mA的质子束流和一价氦离子束流及800keV、2mA二价氦离子束流。大功率固体靶的研制及实验数据获取系统的建立也已成功完成。超低本底快中子探测器、4πBGO探测器阵列以及大立体角带电粒子探测器阵列已研制组装完成,并测量了地面和锦屏地下实验室的本底水平。总体来说,JUNA项目整体进展顺利,完成了中期设立的目标并通过了基金委评估(A级)和国际评估。

低能核物理若干关键科学问题研究

低能核物理是核能开发与核技术应用的创新源头与基础支撑,在国民经济等中起举足轻重的作用。中国原子能科学研究院的核物理基础研究团队,依托北京HI-13串列加速器等国内外核科学装置,在关键天体核反应的间接测量、天体物理圣杯反应12 C(α,γ)16 O、奇特核体系的光学势和颈部参数对裂变的影响等低能核物理若干关键科学问题研究中取得突破,获得一些创新性的研究结果。本文回顾了近年来团队在低能核物理基础研究方向上取得的一些进展,并对未来的研究工作进行了展望。

一种紧凑型超宽带双陷波天线的设计

提出了一款共面波导馈电的超宽带双陷波天线。该天线主要由梯形共面地、微带馈线和圆形辐射体三部分构成。其中,梯形共面地使天线实现超宽带,圆形辐射贴片上的倒L形槽和弧形槽使天线实现陷波特性。使用Ansoft HFSS软件对所设计天线进行仿真实验,然后加工成实物天线并进行测试。结果表明:天线回波损耗及辐射方向图的实测结果与仿真结果基本吻合,在3.0~10.9 GHz频段内,除陷波频段3.3~3.6 GHz和5.15~5.825 GHz外,天线的回波损耗均在-10 dB以下,相应工作频段内有较好的辐射方向图。因此,所设计的天线性能满足超宽带通信系统应用要求。

基于特征模理论的缝隙宽带天线设计

基于特征模理论,设计了一种新型微带缝隙宽带天线。该天线设计中,首先分析了三种不同天线结构的特征模态,得到初步的天线结构;然后依据该结构的特征电流分布,将天线馈源设置在多个模态的特征电流相似区域,激励出所需的目标模式,得到多模谐振,从而提高缝隙天线带宽。天线由一个长矩形缝隙和对称地镶嵌于其两侧的圆形缝隙构成,其馈源设置在矩形缝隙槽中的非对称位置上。测试表明,在S(11)<-10 dB情况下,该天线的阻抗带宽为1.09~2.79 GHz,相对带宽为87.60%,天线辐射性能良好。该天线结构简单、拥有易于共形的窄缝等特点,在无线通信中有一定应用价值。

基于遗传算法的阵列天线波束能量定量控制技术

提出发射天线(如无线局域网天线、基站天线等)辐射强度随用户信号强度的变化而实时调整的技术.该技术基于遗传算法,将阵列天线波束能量定量控制问题转化为一个带有约束条件的极值问题.在算法的适应度函数设计中,通过自适应罚函数将发射阵列天线和接收天线间的能量传输效率与接收天线信号强度构成一个简单的极值函数,得到阵列天线的最优激励分布.高频电磁结构仿真软件(HFSS)的验证结果表明:阵列天线辐射的信号强度在接收天线处能达预期值.可见,该技术能实现对阵列天线波束能量的定量控制.

基于人工表面等离激元的多波束切换天线

文中提出了一种基于人工表面等离激元的多波束切换天线。该多波束切换天线由6个相同的端射天线围绕同一圆心旋转排列组成,相邻端射天线之间的夹角为60°,端射天线到圆心的距离均为70 mm。每个端射天线由馈源单极子、反射器和能产生人工表面等离激元的开口谐振环结构组成,实现了全向场到定向场的转换及辐射。仿真与测试结果表明,所设计天线在9~10. 8 GHz频段内可以实现波束切换的功能,且具有高增益的特性,平均峰值增益约为19. 3 dBi。

一种等边三角形缝隙环宽带天线的设计

提出一种带有枝节槽的等边三角形缝隙环结构宽带天线。基于多模谐振原理,将天线馈源设置在三角形缝隙环中非对称位置,同时在三角形缝隙环上对称添加2个枝节槽以便形成更多谐振回路,从而激励出多个模式,得到多模谐振,提高缝隙天线带宽。仿真和实测结果基本一致。实测所设计的天线的阻抗带宽为2.11~3.32 GHz,|S11|<-10 dB,相对带宽达到44.5%;在阻抗带宽内,天线辐射性能良好,方向图具有较好的一致性。该天线可用于LTE 40和41频段无线通信系统中,并且三角形缝隙环结构可以给宽频缝隙微带天线的研究提供一定参考。

带有开口谐振环引向器的新型端射天线设计

设计一种带有开口谐振环(SRRs)引向器的新型端射天线。天线由反射板、地板、辐射单极子和开口谐振环组成。天线的反射板结构使天线在低频处阻抗匹配,有效地提高了天线带宽;用六对开口谐振环结构作为天线的引向器,很好地实现了天线的高增益。仿真和实测结果表明,天线阻抗带宽达到73.7%(2~4.21 GHz),增益为4.3~10.3 dB;在天线的带宽内,天线的辐射方向图稳定,设计的天线满足S波段无线通信领域的需求。

双频带切换可调谐带通滤波器的设计与实现

为了改善频谱资源短缺的现状,设计了一款结构简单、双频带切换的可调谐带通滤波器(Bandpass Filter,BPF).该BPF由2个λ/4的阶跃阻抗谐振器(Step Impedance Resonator,SIR)加载变容二极管构成,而每个SIR的组成又有2部分,通过一个开关二极管连接起来.利用开关二极管在通断状态下表现出来的不同特性,实现了在高、低2个频带内的谐振频率切换;通过调整变容二极管的偏置电压,实现谐振频率的调谐.基于仿真模型加工制作了滤波器实物,测试结果显示,在开关二极管导通时,可在1.76~1.98 GHz之间调谐,插入损耗3.59~4.12 dB;断开时,可在2.26~2.52 GHz之间调谐,插入损耗3.22~4.15 dB,测试与仿真结果基本一致.该款滤波器可有效缓解频谱资源问题,具有较强的实际应用价值.

大尺寸BGO晶体的温度特性研究

锦屏深地核天体物理(JUNA)实验项目将在中国锦屏深地实验室开展恒星平稳氦燃烧阶段关键的(α,γ)和(α,n)反应以及恒星平稳氢燃烧阶段关键的(p,γ)和(p,α)反应的直接测量。该项目计划研制一套锗酸铋(BGO)探测器阵列用于(α,γ)和(p,γ)反应的γ射线探测。由于BGO晶体的光产额对温度敏感,温度的变化会导致γ能谱峰位的漂移和能量分辨率的变化。本文使用制冷系统对尺寸为6cm×8cm×25cm的BGO晶体进行降温,利用^(137)Cs源测量了其γ能谱峰位和能量分辨率,对BGO探测器性能随温度的变化关系进行了研究。结果表明:在-20~22.1℃温度区间内,BGO探测器的γ能谱峰位与温度呈良好的线性关系,能量分辨率随温度的降低而提高。

太平湖国家湿地公园土地利用转换及景观格局变化

该文根据近30年来(1990-2020年)的遥感影像数据,综合运用GIS和景观格局指数方法,对黄山市太平湖国家湿地公园的土地利用转换及景观格局的变化进行分析。结果表明,(1)1990-2020年期间,黄山太平湖湿地公园的主要土地利用类型是林地,水体和建筑的土地利用面积波动较大。(2)研究区域在30年间,建设用地的平均斑块面积最小,景观斑块破碎零散;耕地对景观的控制度逐年下降;水体的斑块形状复杂,受人为干扰程度不显著;建设用地斑块形状较规则,受人类活动影响大。(3)2015年景观破碎度达到峰值;2000年区域景观的连通性最大,空间格局分布最均匀;2020年景观形状最复杂,生物多样性最大,景观丰富度最大,各类景观均衡发展。公园景观格局变化是自然因素和人为因素共同作用的结果,其中旅游开发、政策的影响导致了景观格局发生改变,气候、降水对研究区域的景观格局变化也造成了一定的影响。

叶绿醇对铅污染土壤酶活性及土壤铅有效态影响

采用土培盆栽试验,研究了在铅污染土壤中添加叶绿醇对土壤酶活性和土壤铅离子有效态的影响,探讨了不同处理时间下叶绿醇对铅污染土壤的缓解作用。结果表明:短时间内在土壤中添加叶绿醇对土壤过氧化氢酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶活性具有促进作用,对土壤脲酶活性具有抑制作用,且每种酶对叶绿醇的敏感程度不同,其中碱性磷酸酶最为敏感;随着处理时间延长土壤中过氧化氢酶活性、脲酶活性和铅离子有效态降低,蔗糖酶活性和碱性磷酸酶活性显著升高;土壤重金属铅浓度为600 mg/kg时,叶绿醇浓度为50 mg/kg蔗糖酶活性最强,比空白对照组高出122.28%;当土壤中叶绿醇浓度为250 mg/kg时,土壤碱性磷酸酶活性最高,是空白对照组的251.61%。总之,在铅污染的土壤中添加叶绿醇后能改变土壤酶活性,降低土壤中铅的有效态,并且随着培养时间的延长,叶绿醇对铅污染土壤的修复效果逐渐降低。

考虑不同中主应力影响的柱孔卸荷缩孔效应分析

为得到考虑不同程度中主应力影响的柱孔卸荷缩孔解析解,对柱孔开挖卸荷过程中一定卸荷程度下的缩孔和塑性变形进行量化预测,采用统一强度理论(unified strength theory,UST)并引入卸荷因子和缩孔系数,推导得到无量纲化的柱孔卸荷缩孔近似解.对比不考虑中主应力影响的大应变解,给出中间主应力影响系数对孔周位移和应力的分布以及土体刚度、黏聚力、摩擦角对卸荷缩孔的具体影响,结果表明:中间主应力影响参数b越大,卸荷缩孔效应越小,其本质是b的增大使初始屈服卸荷压力降低,推迟外围峰值环向应力的出现,有助于减小孔周塑性区;b对孔周径向位移和环向应力的影响不可忽略,而孔周径向应力受其影响较小;土体刚度对卸荷缩孔关系的影响很大,刚度越大,中间主应力对卸荷缩孔的影响越小.根据无量纲化的卸荷缩孔解析解,可对某指定卸荷程度的柱孔孔径变化进行更合理的定量预测,用于指导隧道支护和开挖、桩基开挖卸荷后的承载特性以及钻井稳定性分析的具体实践.

基于HI-13串列加速器的核天体物理研究

中国原子能科学研究院核天体物理研究组在HI-13串列加速器核物理国家实验室建成了我国首条低能放射性次级束流线,产生了从^(6)He到^(22)Na等11种放射性核束,利用这些放射性束流通过测量逆运动学转移反应开展了一系列核天体物理重要反应的研究,另外还通过厚靶实验方法和电荷交换反应开展了天体物理相关重要核结构信息的研究。在串列加速器Q3D磁谱仪上,利用稳定束测量了许多单核子转移和α基团转移的角分布,基于渐进归一化系数(Asymptotic Normalization Coefficient,ANC)或谱因子方法得到了一系列天体物理关键反应的天体物理S因子和反应率,为元素丰度、天体模型等相关研究提供了重要实验依据。

加卸荷工况对注浆砂土-混凝土接触面剪切特性影响

土-结构物接触面力学特性是岩土工程领域研究的重点与热点问题之一,揭示其机理有利于促进对桩基础、挡土墙等结构物承载性能的认识。本文采用自主设计研发的注浆设备和室内后注浆试验方法,对3种注浆量和4种加、卸荷工况下,共计28组注浆和未注浆大型接触面进行直剪试验,分析不同加、卸荷工况对注浆砂土-混凝土接触面力学特性和剪切影响范围的影响。结果表明:注浆可逐渐消除加卸荷产生的接触面初始剪切模量和剪切应力差异。未注浆接触面未出现软化;注浆接触面呈现软化现象,并且软化出现在剪切法向应力较小的卸荷接触面剪切过程中。后注浆主要通过提高接触面等效黏聚力,改善接触面力学特性,对接触面等效内摩擦角无明显影响。同一注浆量下,浆液对无卸荷工况接触面等效黏聚力的改善效果优于卸荷工况;卸荷工况的接触面剪切影响范围略大于无卸荷工况;加卸荷和注浆工况下,接触面剪切影响范围与接触面峰值剪切应力呈正相关。同一剪切法向应力下,注入浆液,通过压密注浆形成浆块,增大接触面混凝土板的粗糙度,改善卸荷接触面剪切特性;通过浆液渗透形成浆土混合体,对无卸荷接触面处土体特性进行改善。研究成果可为实际工程中桩基工程后注浆提供指导。

砂土-混凝土接触面注浆剪切试验研究

桩侧后注浆技术在桩基工程中被广泛应用,但关于桩土接触面注浆的剪切力学特性研究并不多见.利用改进后可界面注浆的大型多功能剪切仪进行了砂土与结构物接触面注浆情况下的剪切试验,研究了注浆对接触面力学特性的影响.试验结果表明,界面注浆呈压密注浆与劈裂注浆相伴随出现的形式,注浆显著提高了接触面的抗剪强度,接触面强度增大的幅度随着注浆量的增大而有减弱的趋势.在相同法向应力条件下,剪切应力-位移曲线未出现应变软化现象,表现出非线性关系.随着注浆量的增大,接触面的粘聚力随之增大,而摩擦角则随之减小.最后采用修正摩尔库伦模型对试验数据进行了拟合.本文所得结果对桩基工程桩侧后注浆的应用有一定的借鉴意义.

黏土中考虑土体卸荷效应的后注浆压密模型

为研究黏土中考虑土体卸荷条件下后注浆的压密效应,基于球孔扩张理论并通过土体弹性模量折减值来考虑不同卸荷程度的影响,建立考虑土体卸荷效应影响的压密注浆模型,计算不同卸荷程度下压密注浆极限注浆压力、浆体扩张率、塑性区扩张率、径向和环向应力以及径向位移沿径向的分布关系.结果表明:压密注浆极限注浆压力以及塑性区半径随浆体扩散半径增长的速率均随土体卸荷比的增大而非线性减小;同一注浆压力下,当卸荷比小于0.8时,土体卸荷程度不同对土体内部径向应力、环向应力以及径向位移沿径向分布不产生显著影响,当卸荷比大于0.8时,注浆体周围同一位置处的土体径向应力、环向应力以及径向位移显著高于卸荷比小于0.8时的情况;同一注浆量下,相同位置处的土体径向应力,达到最小环向应力、稳定环向应力和稳定径向应力对应的径向距离均随卸荷程度的增大而减小,但是土体径向位移分布不受卸荷程度改变的影响;同一卸荷比下,相同位置处的径向应力,达到最小环向应力、稳定环向应力、稳定径向应力以及稳定径向位移对应的径向距离均随注浆量的增大而增大;最小环向应力值不受卸荷程度和注浆量改变的影响.

梭式窑烟气处理及余热综合利用

梭式窑因间歇式运行,造成烟气量、烟气温度、污染物含量等指标随时都在变化,为烟气环保处理至达标排放带来一系列难题。经过多年实践,梭式窑烟气处理后的污染物含量满足《山东省区域性大气污染物综合排放标准》第四时段标准规定,排放指标控制稳定,实现了3条梭式窑的协同高效运行。

不同注浆工况对砂土-混凝土接触面剪切特性影响

为研究后注浆对土与结构物接触面力学特性的影响,采用自主研发的注浆装置和可注浆的大型直剪仪,通过3种注浆压力、3种注浆量和4种荷载工况下的共计22组后注浆砂土-混凝土接触面大型直剪试验,分析不同注浆工况和荷载工况对砂土-混凝土接触面剪切力学特性、剪胀(缩)性以及强度参数等的影响.结果表明:在注浆压力和法向应力一定的情况下,接触面峰值剪切应力随着注浆量的增大而增大,但随着法向应力的增大,增加注浆量对接触面力学特性的改善效果逐渐减弱;在注浆量和法向应力一定的情况下,注浆压力较低时,接触面峰值剪切应力变化不大,当注浆压力达到一定值,其对接触面峰值剪切应力提高效果较为明显;不同注浆和荷载工况下接触面抗剪强度增强系数介于1.1~2.0;浆液主要通过提高接触面等效黏聚力改善接触面力学特性,等效内摩擦角近似与未注浆接触面一致;接触面在未注浆工况下均发生剪缩,且最大剪缩量随着法向应力的增大而增大;后注浆能够转变较低法向应力下的接触面剪胀(缩)性;同一法向应力下,接触面最大剪胀量均随着注浆压力和注浆量的增大而增大,而最大剪缩量则随着注浆压力和注浆量的增大而减小.