基于强流脉冲离子束的中子辐照模拟装置及评价技术

依据高能原子辐照与中子辐照的初级离位原子(PKA)能谱相似性,基于TEMP-6M型强流脉冲离子束(HIPIB)系统,研发了一种中子辐照模拟装置,该装置以磁绝缘离子二极管伴生的强流脉冲二次电子束流实现0.1 MeV以上高能离子的高效率中和,获得动能为0.1~1 MeV、脉冲宽度为120~160 ns、脉冲辐照剂量为1012~10^(15)n/cm^(2)的强流脉冲原子或混合束,原子占比为85%~100%。通过辐照缺陷原位差热分析方法,快速确定材料缺陷数量、密度及dpa损伤速率等抗中子辐照性能评价指标。以核级AISI 304奥氏体不锈钢为例,计算PKA相似性定标曲线,采用220~280 keV的C原子等效1.8~2.3 MeV中子进行辐照模拟,调节名义束流能量密度0.5~4 J/cm^(2),实测辐照剂量范围为0.46×10^(13)~8.55×10^(13)n/cm^(2),热分析确定Frenkel缺陷密度为1.99×10^(16)~2.90×10^(17)/cm^(2),外推预测奥氏体不锈钢在1021n/cm^(2)中子剂量条件下的辐照损伤为500 dpa量级,适用于核电厂结构材料60年服役寿期评价需求。

氧化镓中子辐照损伤模拟研究

氧化镓(Ga2O3)材料作为代表性的超宽禁带半导体材料之一,具有宽带隙、高击穿电场等优异的物理性能,在深空探测的器件中具有广阔的应用前景。为了研究和揭示深空环境下Ga2O3材料的辐射损伤对探测器性能的影响,本文利用Geant4模拟研究了不同能量中子辐照Ga2O3材料产生的辐射损伤效应,包括位移损伤和电离损伤。结果表明:Ga2O3中中子产生的反冲原子能量主要在低能区,全部发生小角度散射;对于中子辐照产生的二次粒子,发生非弹性散射和裂变反应时能量损失大,中子有显著的核反应;中子在Ga2O3材料中输运时,还会产生一定数量的次级质子、伽马粒子、中子及alpha粒子,都会对Ga2O3材料造成电离损伤和位移损伤。模拟结果为中子辐照环境下Ga2O3材料的实验研究提供理论指导,对Ga2O3材料应用于深空探测具有参考价值。

基于硅光电倍增管的Cs_(2)LiYCl_(6)(CLYC)探测器快中子辐照效应研究

实验通过将硅光电倍增管(silicon photomultiplier,SiPM)器件和Cs_(2)LiYCl_(6)(CLYC)闪烁体探测器暴露于14 MeV的快中子场中,最高累积注量达到1.53×10^(11) cm^(-2),分析了中子辐照对SiPM器件参数和CLYC探测器性能的影响。重点研究了不同注量辐照前后,SiPM的增益、暗计数率、暗电流、击穿电压和淬灭电阻等参数,以及CLYC探测器探测性能的变化情况和原因,其中暗计数率最高上升了3个数量级,暗电流最高上升了2个数量级,CLYC探测器的能量分辨率去除本底后下降了1.4%。辐照实验后,在室温条件下对SiPM和CLYC探测器进行退火,研究SiPM器件参数和探测器性能恢复情况。SiPM和CLYC探测器的性能会随着中子注量的增加而逐渐变差。对于SiPM,主要表现为暗计数率和暗电流的提高。对于CLYC探测器,主要表现为能量分辨率的降低。退火过程有助于减轻中子辐照的影响,恢复SiPM和CLYC探测器的部分性能。

中子辐照和冷轧(预应变)对高纯铝压缩特性的影响

金属材料的中子辐照脆化一直都是核能安全领域十分关注的问题,辐照硬化效应往往能够定性表征材料的辐照脆化性能.大量冷轧金属被应用于反应堆结构材料,为进一步认识冷轧(预应变)对中子辐照金属材料硬化特性的影响规律及其微观机理,文章研究了退火态和预压缩10%应变高纯铝的准静态压缩性能,以及位错密度,辐照孔洞的尺寸和数密度随辐照剂量的变化规律.结果表明,辐照剂量越高,高纯铝内部孔洞的尺寸和数密度越高,辐照缺陷引起的强化效果越强;预应变引入的高密度位错会抑制辐照孔洞的形核和长大,最终降低孔洞的尺寸和数密度;预应变高纯铝表现出显著的辐照退火效应,随着辐照剂量的增加,辐照退火引起的软化效应明显强于辐照缺陷引起的硬化效应,导致预应变高纯铝的屈服强度随辐照剂量先增加后降低;这一结果暗示退火效应很可能导致辐照冷轧材料的屈服强度低于其未辐照时的初始屈服强度,从而降低反应堆内冷轧态金属结构的安全可靠性.最后,基于Johnson-Cook本构关系的B-Y(Byun-Ye)辐照脆化模型能够适用于辐照金属材料的压缩本构关系预测,且模型预测结果与实验结果吻合较好.

中子辐照诱导钨再结晶的模拟研究

钨作为未来聚变堆偏滤器靶板的候选材料,需要长期服役在高温且受到高能中子辐照的严峻环境,这将导致钨发生中子辐照诱导再结晶,从而提高钨发生沿晶脆断的可能性,威胁偏滤器的运行安全,因此研究中子辐照诱导钨再结晶的物理机制具有重要意义.然而,与最近高通量同位素反应(HFIR)堆高温下中子辐照实验观察到的结果相比,目前考虑辐照增强再结晶驱动力效应的模型低估了中子辐照对再结晶的影响,结果表明仍有其他效应影响再结晶过程.基于此,本文在假设晶界迁移率与自体扩散系数成正比的前提下,引入辐照增强晶界迁移因子(R),建立了新的辐照诱导再结晶动力学模型.模拟结果显示,在综合考虑辐照增强再结晶驱动力和晶界迁移效应后,模型计算出的850℃下达到一半再结晶分数所需要的时间(t_(x=0.5))和HFIR堆中子辐照实验结果相符,这表明辐照增强晶界迁移效应是影响辐照诱导再结晶现象的重要因素之一.另外,模型研究了不同辐照温度下钨的t_(x=0.5).结果表明辐照与未辐照的t_(x=0.5)差别随温度升高而逐渐下降.这是因为随着温度的升高,辐照缺陷复合加剧,辐照缺陷对再结晶驱动力的贡献下降,且热激活扩散系数增大的幅度大于辐照下扩散系数的增大幅度,所以热激活效应会逐渐主导再结晶过程.

AlGaN/GaN HEMTs器件中子辐照效应实验和数值模拟研究

以定制硅(Si)、蓝宝石(Al2O3)和碳化硅(SiC)衬底的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistors,HEMTs)为研究对象,在CFBR-II(China Fast Burst Reactor-II)快中子脉冲堆开展了中子辐照注量范围为10^(13)~10^(15) cm^(-2)的辐照实验研究;运用Sentaurus TCAD软件对Si衬底HEMTs器件开展了数值模拟仿真。结果表明:HEMTs器件的I-V等特性的变化,随着中子辐照注量的增大,并未如预期呈现出单调的线性递减趋势;对于Si衬底的定制器件,在小于10^(15) cm^(-2)的辐照注量下,甚至出现了饱和漏电流增加现象。分析认为,辐照产生的施主型陷阱与受主型陷阱之间的竞争补偿作用过程,是导致实验现象出现的主要物理机制;与原生缺陷相关的施主型陷阱的产生和注量率效应,可用来解释实验观测到的反常增加趋势。基于不同种类陷阱对器件作用机制的定量分析,定位GaN缓冲层为器件的薄弱环节并提出了加固建议,推断器件性能会在注量为10^(15)~10^(16) cm^(-2)时出现显著退化及失效,并尝试开展多轮次搭载实验进行验证。

面向电力保护控制处理器的中子辐照测试装置平台与技术研究

电力系统继电保护装置系统设计复杂,对运行可靠性要求高,装置内部主控元器件受到单粒子效应(SEE)的影响,对电力系统运行稳定构成了威胁。在电力系统装置设计和开发时,必须进行其对抗单粒子效应能力的测试评估。提出了面向电力保护控制处理器的中子辐照测试装置平台和技术,从试验环境、试验软硬件平台架构、试验流程等3个方面建立整个评估测试体系,提出包括主控上位机监视单元、测试系统管理单元、测试系统受试单元、辅助测试单元等在内的测试系统。通过在14 MeV高能中子源上进行测试系统的单粒子翻转试验,结果表明运用该测试系统可以较好评估不同处理器单粒子效应敏感情况,同时该测试系统为电力系统装置程序优化,降低因单粒子效应造成的异常概率提供了量化评估的手段。

混凝土中子辐照数值模拟研究综述

安全高效发展核电是我国能源发展的战略方针。核电站堆腔混凝土的安全服役是核电站长期安全、高效运行的核心要素之一。我国在堆腔混凝土中子辐照领域研究起步晚,目前尚未建立系统、可靠、适用的堆腔混凝土服役行为评价体系,亟需开展相关研究。基于国内外最新进展,介绍了混凝土的中子辐照损伤机理,针对相关的数值模拟研究进展进行了汇总评述。指出目前混凝土中子辐照数值模拟在建模、模拟工具、模型验证方面均存在挑战,需在微观机制研究、辐照试验验证等方面开展进一步工作。

快中子辐照对花生胚小叶体细胞胚胎发生的影响

以花生品种鲁花11号成熟干种子为试材,经快中子0、9.7、14.0和18.0Gy辐照后,取胚小叶外植体接种于添加10.0mg/L 2,4-D的MSB5诱导培养基上诱导体细胞胚胎发生。培养4周后,将其转移到添加4.0mg/L BAP的培养基上进行培养。结果表明,快中子辐照处理对胚小叶组织培养及体细胞胚胎发生有很大影响。未处理的对照,体细胞胚(体胚)形成较早,培养15d开始观察到体胚的形成,并且体胚全部是在诱导培养基上直接从外植体形成,几乎未经过愈伤组织。经辐照处理的种子,其外植体只有少部分在诱导培养基上直接形成体胚,而大部分先形成愈伤组织,当转移到添加4.0mg/L BAP的培养基上后,部分愈伤组织进一步形成体胚。体胚诱导率因辐照剂量的大小存在很大差异,随辐照剂量的增加,体胚诱导率呈明显下降趋势。对照体胚诱导率高达80%以上,而辐照剂量由9.7Gy增加到14.0和18.0Gy时,体胚诱导率则由约55%降低到约40%和30%。本研究结果说明,快中子辐照对诱导花生基因突变是有效的,推断14.0Gy为适宜的诱变剂量。

中子辐照及其与赤霉素复合处理水稻种子对水稻苗期生长的影响

以快中子脉冲堆对水稻种子进行中子辐照后用赤霉素（GA3）处理,对处理的种子发芽和幼苗生长情况进行研究。结果表明,红矮B和CB的致死注量为486×10^10/cm^2,绵恢2009为900×10^10/cm^2,明恢63和绵恢2095则为1350×10^10/cm^2;半致死注量：红矮B和CB为198~486×10^10/cm^2之间,绵恢2009约为486×10^10/cm^2,明恢63为629.48×10^10/cm^2,绵恢2095为774.69×10^10/cm^2。辐射敏感性表现为保持系〉恢复系,即红矮B、CB〉绵恢2009〉明恢63〉绵恢2095。赤霉素为有效的中子辐射防护剂,40和80mg/L是水稻中子辐照复合处理适宜的浓度。

快中子辐照对花生种子胚小叶植株再生的影响

以花生品种花育22号的成熟饱满种子为试材,采用14MeV不同剂量的快中子(0、9.7、14和18Gy)进行辐照处理。处理后的种子经表面杀菌后,取胚小叶作为外植体先后在添加2,4-D和6-苄氨基嘌呤(BAP)的培养基上进行培养,诱导体胚形成和植株再生。结果表明,体胚诱导率和植株再生率因辐照剂量的不同表现出明显的差异,随辐照剂量的增加,外植体形成体胚的频率及再生植株的频率明显降低。推断快中子辐照花育22号的适宜剂量为9.7～14.0Gy。再生小苗经无菌嫁接驯化后移栽田间,得到了成熟种子。

快中子辐照玉米自交系的细胞学效应及后代变异

为了探索快中子辐照玉米的细胞学效应及后代变异,为玉米种质创新及品种改良提供有益的种质资源,本实验采用低剂量(0.36~4.19 Gy)的快中子辐照玉米自交系LY8405和PH6WC干种子。结果表明:两个自交系根尖细胞有丝分裂指数均随吸收剂量的增加而降低;核畸变率随吸收剂量的增加而升高;吸收剂量4.19Gy对自交系LY8405的M1染色体分裂行为影响效应最为明显,2.48 Gy对自交系PH6WC的M_1染色体分裂行为影响效应次之;辐照M_2、M_3代突变类型包括株型、叶色、穗形、株高、籽粒形状及大小等;生物学和细胞学效应表明,2.48~4.19 Gy的吸收剂量是0.36~4.19 Gy范围内快中子辐照选育玉米突变体的适宜剂量。

离子轰击模拟中子辐照在核材料研究中的应用

简要综述了离子轰击模拟中子辐照对材料，尤其是对堆用Ｚｒ合金的结构和性能影响的相关性、方法特点和研究现状。讨论了离子品种、能量、辐照剂量、束流密度和温度等实验参量的选择及其对材料组织、结构、力学和耐腐蚀性能等的影响。离子轰击模拟堆内中子辐照研究核材料是１种具有成熟理论体系、高效、安全和经济的好方法。

快中子辐照对枯草芽孢杆菌的灭菌效果研究

利用快中子脉冲堆(Chinese Fast Burst ReactorⅡ,CFBR-Ⅱ)产生的快中子,采用枯草芽孢杆菌黑色变种为材料,考查了中子辐射灭菌效果及剂量、剂量率、辐照温度、照射状态等辐射灭菌影响因素。结果表明,在剂量率为7.4Gy/min时的D10值为384.6Gy,中子剂量与存活芽孢对数满足y=-0.0026x+10.462的函数关系;在剂量为800Gy时,剂量率与存活芽孢对数满足y=7.7414X-0.0834的函数关系;升高温度有利于中子辐射灭菌;中子辐照不同状态芽孢,其存活率为:菌片>粉末>液体。

中子辐照诱导Si PIN光电二极管暗电流增大的数值模拟

分析了中子辐照诱导Si PIN光电二极管暗电流增大现象的机理,建立了Si PIN光电二极管的器件物理模型和中子辐照效应模型。运用MEDICI软件进行数值模拟计算,得出了1MeV中子在辐照注量为1010～1014cm-2时,Si PIN光电二极管暗电流变化的初步规律。数值模拟结果与相关文献给出的实验结果吻合较好。

中子辐照对锆合金显微组织的影响研究进展

作为反应堆的第一道安全屏障,锆合金包壳材料的显微组织一直是国内外的研究热点。针对目前国内外在中子辐照对锆合金显微组织的影响研究领域现状进行了综述,总结了现有研究的不足并提出了对未来研究方向的建议:采用微观分析手段,针对不同中子注量下锆合金包壳的第二相、氢化物和氧化膜展开研究,获得其在实际使用工况下的演变规律,为我国锆合金包壳材料的优化改进提供支撑。

中子辐照金刚石生成卡宾碳

金刚石在中子辐照下发生相转变,得到了线性结构的卡宾碳。所得产物为覆盖金刚石表面的黑色薄膜状物质,其拉曼光谱在2191cm-1处有强峰,归属于C≡C伸缩振动;同时,其俄歇电子谱的峰位与金刚石相比有5eV的位移,证实了卡宾碳的存在。在中子辐照条件下,金刚石向卡宾碳的转化可能是通过碳原子堆垛形式发生变化而实现的。

快中子辐照对蝴蝶兰离体茎段生理特性的影响

为了探究蝴蝶兰对快中子辐照注量的耐受性,利用快中子脉冲堆对蝴蝶兰Phalaenopsis Taisuco Firebird和Phalaenopsis Neyshanguniang的组培苗茎段进行辐照处理,研究了不同辐照注量对植株抗氧化酶活性、渗透调节物质和膜脂过氧化作用的影响。结果表明,茎段形成的叶片组织内过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)和超氧化歧化酶(SOD)活性,随着辐照注量的增加均呈现先升高后降低的趋势。较低注量(300×10~8n·cm^(-2))辐照促进抗氧化酶活性增强,提高蝴蝶兰茎段的抗辐射能力;高注量(>2 500×10~8n·cm^(-2))辐照显著抑制抗氧化酶活性,造成蝴蝶兰茎段损伤。快中子辐照注量与可溶性蛋白质含量呈极显著负相关(r=-0.734,r=-0.669,P<0.01),低注量辐照促进可溶性蛋白质合成代谢,与丙二醛(MDA)含量呈极显著正相关(r=0.929,r=0.926,P<0.01),高注量辐照会加剧膜脂过氧化作用。Taisuco Firebird茎段比Neyshanguniang茎段更易受快中子辐照的影响。本研究结果为花卉快中子辐照诱变育种研究提供了一定的理论依据和技术参考。

中子辐照导致线阵电荷耦合器件电荷转移效率退化实验研究

利用TRIGA型脉冲反应堆提供的快中子,对线阵电荷耦合器件进行中子辐照实验研究。研究结果表明:在1012-1013cm-2中子注量范围内,该器件的电荷转移效率(CTE)随辐照中子注量的增加而线性下降;电荷转移效率的下降与电荷包在沟道中的转移时间及转移电荷包的电量有关。

小麦-黑麦小片段易位的快中子辐照诱导

为研究快中子辐照对新合成的小麦-黑麦双二倍体染色体结构变化的影响,分别利用5Gy、15Gy和20Gy三种快中子辐照剂量对其种子进行辐射诱变,采用基因组原位杂交(GISH)技术对M0和M1种子的根尖细胞进行了检测。结果表明,三种剂量下发生小麦-黑麦染色体易位的总频率为12.28%,其中发生外源小片段易位、外源大片段易位和罗伯逊易位的频率分别为9.36%,5.85%和2.34%。三种剂量都可引起小麦与黑麦染色体之间发生易位,分别有1.28%、9.04%和44.94%的M1种子产生了易位。说明随着快中子辐照剂量的增加,小麦与黑麦染色体间发生易位的频率也在增高。本研究为外源染色体片段(或优异基因)导入小麦品种提供了一种高效的技术手段。