放射性氙高灵敏度现场快速自动化监测系统研制

放射性氙监测是禁核试核查现场视察和核设施安全监测的重要项目之一,能够快速准确地甄别违约核活动和预警识别核设施的泄漏。本文综合运用超低温动态吸附、中空纤维膜除杂和现场低本底测量等技术,研制了一套放射性氙高灵敏度现场快速自动化监测系统,用于放射性氙现场取样、分离和测量。测试结果表明,该系统在氡浓度为20 Bq/m^(3)、采样体积为2 m^(3)、分析周期不大于120 min时,氙回收率为79.9%,对^(133) Xe的最小可探测活度浓度(MDC)小于0.26 Bq/m^(3),测量结果的不确定度小于±12%。该系统具有灵敏度高、分析周期短、全流程自动化的特点,能够应用于核设施安全监测、现场视察放射性氙监测、核应急放射性气体监测等场合。

深空探测超宽光谱定标黑体源研制

针对深空探测超宽光谱定标黑体源的关键技术问题,构建了一种基于优化微结构和纳米超黑涂层的深空探测星上黑体定标源。基于有限元方法仿真,验证了微锥结构不同宽高比与黑体发射率间的对应关系,确定了周期性线阵V槽结构相对于平面结构在黑体发射率方面的提升作用。优化星上黑体源高发射率微结构,优选空间超黑高发射涂层,设计星上黑体源高精度测温系统,进而完成黑体源工程设计。最后,通过星上黑体源发射率计量及实验室辐射定标稳定性测试进行验证。检测结果表明,深空探测超宽光谱定标黑体源具有超宽光谱范围、高发射率、高温度稳定性等特点,其光谱范围为5~50μm,法向平均发射率为0.986,温度稳定性达到0.16 K。该定标黑体源可大幅提升高发射率辐射定标源的光谱范围,为深空探测载荷的在轨高精度星上辐射定标提供支撑。

探测器机械结构静力学分析与轻量化设计

在产品设计过程中,机械结构的静力学分析与轻量化设计对产品的整体质量有着极为重要的影响。对产品的机械结构进行静力学分析可以保证产品有较好稳定性,对产品进行轻量化设计则是提高产品的综合性能,比如在不影响强度的情况下减小产品质量,从而提高产品综合品质。基于此,本文将结合3He管探测器的设计,对其主要部件进行静力学分析,并借助静力学分析结果对探测器的密闭腔体与盖板进行轻量化设计。

γ能谱级联符合相加效应校正技术研究进展

使用γ谱仪近距离测量具有级联衰变关系的放射性核素时会不可避免地发生级联符合相加效应。级联符合相加效应会导致能谱中的全能峰计数变化,并产生干扰能谱分析的加和峰,从而影响γ能谱分析的准确性和效率,为此,国内外研究机构建立了多种方法和技术用于γ能谱级联符合相加效应的校正。本文在详细总结级联符合相加效应校正技术发展历程的基础上,对级联符合相加效应的产生机制、校正算法、校正软件、技术应用等进行了综述,并对不同校正算法和软件进行了比较。结合发展现状,对级联符合相加效应校正技术今后的研究方向提出了建议。

恒流源三侧向电阻率测井模块研制及应用

为进一步提高砂岩型铀矿地层电阻率参数在测井解释中的应用效果,尤其是对泥砂泥交互薄层的精细测量与识别,研究了基于OPA547放大器的恒流源三侧向电阻率测井模块,通过设计以OPA547为恒流激励源的数字激励控制电路,实现了正弦激励信号的恒流输出;设计了正弦检测信号的恒流反馈电路,实现恒流源的负反馈稳定输出;设计了交流电压检测电路,实现了交流信号的低通滤波与信号半波整流;最后,在实验室利用标准刻度器进行了研制模块的系数刻度,且在砂岩型铀矿钻孔进行了实际测井应用对比。经对比分析,研制的恒流源三侧向电阻率测井模块能够与砂岩铀矿综合测井中的其他参数组合使用,输出激励电流可调,对岩性及岩性界面具有较高的识别能力,对于交互薄层、钙质夹层等地层岩性变化的响应显示明显。

基于中子位置灵敏探测器对点源的三维定位方法研究

使用中子法对密封容器内的放射源进行定位具有重要的现实意义。本研究使用4根矩形分布的中子位置灵敏探测器对探测空间内AmLi源进行定位,首先使用蒙特卡罗方法设计了探测器的慢化屏蔽体;然后设计了延迟电路加到探测器的一端,根据探测器两端探测到中子信号的时间差来确定源y轴(探测器轴向)的位置坐标,并对每个探测器的轴向位置函数进行了刻度;利用探测器围绕密封容器搭建测量空间,使用相邻探测器探测到中子计数率的比值来确定x轴和z轴(另两个方向)的位置坐标并进行了函数刻度。测量时,首先选择计数率最大的探测器来确定源的轴向坐标,再根据与此探测器相邻两根探测器计数率的比值来确定源的另两个方向的坐标,实现了对源的定位。使用该方法测量了点源在探测器空间内的5个不同位置,每个坐标轴上的定位偏差均在1.5 cm之内,并对造成偏差的原因进行了分析。该方法验证了使用中子位置灵敏探测器对放射源进行定位的可行性,并为进一步测量核设施工艺设备内核材料的位置打下了良好的基础。

一款紧凑型磁谱仪的特性参数分析与实验刻度研究

超短脉冲激光与靶相互作用可产生高能电子以及质子、离子、X/γ射线等次级粒子和射线,这些粒子和射线在惯性约束聚变、激光核物理、实验室天体物理、生物、医学以及材料科学等领域具有广泛的应用前景。高能电子的特征参数测量对理清激光等离子体相互作用过程、优化粒子参数和拓展其应用具有重要意义。本文研究设计了一款紧凑型矩形结构磁谱仪,在永磁铁均匀场中采用前、侧、后三面IP板布局,满足了几十keV到10 MeV的电子能谱测量需求,并对磁谱仪的特征参数如能量色散、能量色散梯度、能量分辨率、斜入射效应等进行详细分析。基于北京大学DC-SRF-Ⅱ射频超导光阴极电子枪开展了磁谱仪能量刻度实验,在真空条件下实验测量了0.7~1.8 MeV区间内多个能量的电子能谱,结果显示,磁谱仪的能量测量与监测系统结果基本符合。电子能谱的能量分辨率主要决定于磁谱仪自身分辨能力,为提高能量分辨率,需通过准直系统进一步减小入射孔径和电子发散角。

基于蒙特卡罗模拟的透射式XRD背景的定量分析

XRD背景主要来源于空气、装置和样品中光子的散射,XRD分析需准确扣除背景,常用的扣背景方法具有一定的局限。蒙特卡罗模拟可实现光子的甄别与统计,因此可将其用于XRD背景来源的定量分析。相干散射的模拟中需考虑物质的Form Factor,这可由Baró等的拟合式、独立原子模型或德拜公式给出;在20 keV能量及透射几何模式下,通过对骨、尼龙、水等物质的XRD模拟,对探测器中光子来源进行了区分和统计。结果表明,德拜公式计算的空气背景大于独立原子模型;空气散射在小角度时背景占比大,随散射角的增加从100%减小至40%以下,而样品中康普顿散射的计数占比则从0增大至60%以上。该方法可对不同样品组成以及复杂装置结构的XRD背景进行定量分析。

基于大厚度六方氮化硼中子探测器的制备

六方氮化硼是一种中子敏感材料。介绍了使用低压气相化学沉积在1673K下以大约20μm/h的生长速率制备了高质量203μm厚的六方氮化硼。在氮化硼的两侧沉积厚度为100nm的金电极,制备了垂直结构的六方氮化硼中子探测器。该器件的电学性质表明制备的六方氮化硼材料的迁移率寿命的乘积(μτ)为2.8×10^(-6)cm^(2)/V,电阻率为1.5×10^(14)Ω·cm。在850V电压下,该探测器对热中子的探测效率为34.5%,电荷收集效率为60%。

基于U-Net的γ测厚方法研究

噪声环境或复杂放射性本底环境下采用γ吸收法测厚时,由于噪声和其他同位素特征峰会对测厚结果产生不利影响,γ吸收法测厚方法的稳定性和抗干扰能力有待进一步提升。因此,基于深度学习建立一种新颖的γ能谱测厚方法,并利用^(241)Am放射源和碲锌镉探测器搭建了一套γ测厚装置,对测厚方法进行训练和验证。首先,利用搭建的测厚装置对不锈钢、陶瓷和塑料等不同材质、不同厚度的样品进行测量。随后,利用采集到的能谱数据建立数据集对测厚方法进行训练,在原始能谱数据中添加高斯噪声和高斯峰模拟不同程度的噪声和放射性环境,研究了γ测厚方法在不同噪声和放射性环境下测厚稳定性,并与传统方法进行对比。结果表明,在相同噪声环境下,建立的γ测厚方法引起的最大峰面积变化率仅0.049%,优于传统方法的0.85%;在有其他高斯峰干扰的情况下,建立的γ测厚方法能有效扣除其他高斯峰,最大峰面积变化率仅7.58%,优于传统方法的33.29%,抗干扰能力优于传统方法。因此,基于深度学习建立的测厚方法为γ射线测厚的数据处理提供了新思路,提高了γ测厚方法的抗噪能力和抗干扰能力,有助于将γ测厚方法应用于复杂放射性环境,进一步拓宽γ测厚方法的应用领域。

SiC材料辐照性能的热释光表征分析研究

碳化硅(Si C)在航空航天、核裂变和核聚变反应堆等高辐照环境中有着广泛应用。由3c-SiC包覆层构成的TRISO燃料颗粒已商业化并应用于先进的高温气冷堆。其中35μm厚的3c-SiC包覆层是承受内压、阻挡裂变产物释放和高效导出核芯热能的关键层,是保证高温气冷堆安全的关键屏障之一。本文利用热释光(TL)分析对3c-SiC材料展开研究,实验证明SiC材料的发光峰强度随辐照剂量升高而增加。辐照后的发光峰随剂量增加向低温方向移动,遵循TL二阶动力学方程。在辐照环境下载能粒子使Si、C原子偏离晶体格点位置产生过饱和空位、间隙离子、错位原子等点缺陷,新增加了约194.5℃处的发光峰。晶体在生长过程中固有缺陷的浓度依赖于Gibbs自由能、结晶温度的变化,其固有缺陷浓度可以用TL的390℃发光峰表征。这两部分缺陷浓度的增加会使SiC层的包覆性能降低。本文还讨论了SiC材料的TL与Gibbs自由能、结晶温度和固有缺陷浓度的关系,SiC材料的缺陷浓度随结晶温度的增加而降低。本文研究结果对SiC包覆层的缺陷和性能分析有很好的参考价值,对辐照前后SiC包覆层的性能表征有一定的参考意义。

低中水平放射性固体废物活度重建体素优化分析

传统层析γ扫描方法(Tomography Gamma Scanning,TGS)对废物进行放射性核素活度重建过程中,由于划分大量无效体素导致测量时间长,病态方程迭代求解导致重建精度低。提出了一种体素划分优化方法,其中周向划分基于线源效率积分为环源效率,径向划分则基于不规则划分确定最佳指数权重。通过随机点源活度重建实验,对比了体素划分优化方法和传统体素划分方法的误差情况。针对半径为35 cm的400 L水泥废物桶,在距离废物桶中心74 cm处使用探测效率为40%的同轴HPGe探测器(晶体直径6.09 cm,长度5.18 cm)对^(60)Co和^(137)Cs两种核素进行测量,通过计算不同体素划分方法的条件数和计数率偏差,探究了体素划分方法对重建精度的影响规律。结果显示:传统只加密周向体素的划分方法并不能显著提高重建精度。径向加密方法导致计数率偏差曲线中的极小值点的数量增加和极大值点的数值减小,从而提高重建精度。与传统划分方法相比,体素划分优化方法减少了体素数量,从而测量时间缩短约9/10;同时降低了条件数和计数率偏差,从而将最大重建误差减小约2/3。

一价铜离子掺杂无铅钙钛矿Cs_(2)AgBiBr_(6)对晶体结构和电学性能影响第一性原理模拟研究

无铅双钙钛矿Cs_(2)AgBiBr_(6)作为环境友好型材料受到了核辐射探测领域的广泛关注,实验上发现对Cs_(2)AgBiBr_(6)进行Cu^(+)掺杂能够显著提高材料稳定性与光电转换率。目前Cu^(+)掺杂Cs_(2)AgBiBr_(6)的影响还未得到理论系统研究,本文基于第一性原理,采用密度泛函,开展了Cu^(+)掺杂Cs_(2)AgBiBr_(6)对结构和电学性能影响的模拟研究。研究结果表明,Cu^(+)掺杂会提高Cs_(2)AgBiBr_(6)的稳定性。掺杂形成的Cs_(2)Ag_(1-x)Cu_(x)BiBr_(6)与原始材料Cs_(2)AgBiBr_(6)皆为间接带隙半导体,并随着Cu^(+)掺杂比例提高能带间隙会显著缩短。根据态密度图分析,能带间隙缩短是由于Cu^(+)掺杂会导致由Bi6p轨道主导的导带底部下移。Cs_(2)Ag_(1-x)Cu_(x)BiBr_(6)相比Cs_(2)AgBiBr_(6)具有更高的稳定性与更优的电学性能,可作为半导体辐射探测器的候选材料。

NPN型双极晶体管中子位移损伤差异实验研究

利用西安脉冲反应堆(Xi’an pulsed reactor,XAPR)的稳态中子对NPN型双极晶体管(NPN bipolar junction transistor,NPN-BJT)进行中子辐照实验,开展NPN-BJT不同固定发射极电流I_(E)条件下的中子位移损伤差异研究。研究结果表明:同一I_(E)条件下,集成NPN-BJT与2N2222A NPN-BJT的电流增益退化都随辐照中子注量的增加呈逐渐增强趋势;在同一中子注量辐照下,随双极晶体管固定I_(E)的增大,中子辐射损伤常数K_(τ)降低,中子辐照前后电流增益的变化量减小,晶体管电流增益退化程度减弱,因此在一定范围内,提高固定I_(E)可在一定程度上增强NPN-BJT抗中子辐射能力。

γ能谱法测量分析阀门中铀滞留量技术研究

定量测量工艺设备中的滞留量是核设施核材料测量的技术难点之一,对辐射防护、核材料临界安全和核材料闭合衡算具有重要意义。在核材料工艺生产线上,阀门与管道的连接方式不利于取样,因此,非破坏性分析方法更适合用于开展阀门中滞留量的测量。本文采用无源效率刻度,针对球阀和蝶阀这两种最常见的阀门,建立了探测器全能峰绝对探测效率分析模型。运用坐标变换方法,实现了阀门分析模型的快速建立。在实验室条件下采用标准点源和铀样品进行了初步验证,铀样品中235 U含量的测量分析结果和标称值的相对偏差小于15%。坐标变换方法可快速准确地建立各种类型阀门的分析模型,为测量分析模型的建立提供了简便易行的解决方案。

核燃料棒芯块^(235)U丰度检测方法研究

核燃料棒中UO_(2)芯块的^(235)U丰度检测是保证核反应堆正常运行的重要环节,根据铀样品能谱谱形,通过迭代拟合算法精确选取目标信号的能量范围,减少了测量精度受UO_(2)芯块年龄的影响,扩大了目标信号能量选取范围,基于小波变换法,过滤无关频率信号,提高了突变信号的识别精度,进一步提高了检测速度。通过模拟存在异常丰度芯块燃料棒检测验证了方法的可行性。

双峰法测量^(125)I溶液的比活度

采用双峰法对^(125)I溶液的比活度进行了测量,该文章简述了^(125)I放射性核素的衰变特点、双峰法测量^(125)I核素的基本原理、测量装置的组成、测量样品的制备以及测量条件的确定过程,最终给出了^(125)I溶液比活度的测量结果,并对其不确定度进行了评定。

LYSO:Ce电子辐射探测器输出响应影响因素研究

针对地球静止轨道(Geostationary Earth Orbit,GEO)空间粒子辐射对卫星在轨运行时产生的电离总剂量效应,将高性能铈掺杂硅酸钇镥(LYSO:Ce)晶体与铝层结合,来屏蔽质子辐照影响,实现电子辐射剂量的有效探测。基于Geant4建立探测器模型,比较不同材料的屏蔽效果,分析探测器响应特性,研究影响探测器输出响应的因素。结果表明:使用0.022 mm厚的铝层作为屏蔽层包裹光纤,可排除质子辐照影响;基于LYSO:Ce晶体的探测器具有较好的线性响应,电子穿越屏蔽层时产生的次级电子、光子可以提高探测器响应灵敏度;物质对电子的电离阻止本领与入射电子速度的平方近似成反比,适当增加电子与探测器之间传输距离,可增强探测器的辐射响应;探测器对能量区间在0.04~1 MeV的电子探测效率最高。通过研究LYSO:Ce晶体与铝层结合的电子辐射剂量探测器特性,为新型闪烁体空间辐射探测器设计提供技术参考和理论支撑。

不同能量质子辐照CMOS图像传感器的单粒子瞬态效应研究

针对空间环境宽能谱质子辐射导致的CMOS图像传感器单粒子效应问题,开展了不同能量质子辐照试验,研究了质子辐照导致CMOS图像传感器单粒子效应的异常现象、图像特征及参数性能变化规律。试验表明,质子辐照主要导致CMOS图像传感器出现明显的单粒子瞬态(single event transient,SET)效应现象,包括SET亮斑和亮线。通过对比不同条件下的试验结果,分析了质子能量、积分时间等变化对SET亮斑覆盖像素情况、信号水平的影响规律,并结合TCAD仿真工具,分析了SET亮斑的产生机制。研究结果表明:SET亮斑灰度水平和覆盖像素数目均随辐照质子能量增加而增大;SET亮斑覆盖像素最大灰度值、平均灰度值随CMOS图像传感器积分时间增加而增大,通过调节CMOS图像传感器的积分时间,可以明显改变SET亮斑的特征和器件成像性能;从TCAD软件仿真的微观物理过程获得了SET亮斑随积分时间变化的机制,支持了对试验结果的分析和判断。研究结果可为CMOS图像传感器空间辐射效应评估、抗辐射加固提供试验和理论参考。

γ射线探测综合实验教学平台开发

针对传统γ射线探测实验装置定位精度不高、搭建麻烦、可开展的实验项目少,不利于实验重复与教学等缺点,该文设计开发了一款γ射线探测与测量综合实验教学平台,完成了平台的机械设计加工以及γ射线探测专用数字化多道分析器研制。基于该平台,可完成多个关于γ射线探测与应用的认知、基础、综合型、探究型实验项目。实践教学效果证明,该平台稳定性好,操作性强,实验结果准确,方便教师教学,能使学生更好地理解与掌握γ射线的性质、γ射线与物质相互作用的机制以及γ射线的应用。