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。

能量选择中子成像谱仪Timepix3相机数据获取系统的研制

中子数据获取系统作为中子散射实验的核心组成部分,通过收集与物体相互作用的中子信息数据,为科学研究和工程应用提供重要的数据支持,帮助了解物质内部的微观结构。本文针对Timepix3相机在中国散裂中子源(China Spallation Neutron Source,CSNS)能量分辨中子成像谱仪(EnergyResolution Neutron Imaging Spectrometer,ERNI)上的工程应用,设计并研制了一套数据获取系统(Data Acquisition System,DAQ),该系统能够实现相机的自动控制,并依据40 ms的时间周期对数据进行高效的预处理。在系统硬件方面,采用多服务器集群来应对探测器的高数据带宽需求;在控制层面,采用了实验物理和工业控制系统(Experimental Physics and Industrial Control System,EPICS)的软件框架提高了相机的自动化程度和谱仪接口的联动;在数据流处理上,采用了Kafka分布式流处理平台来使读出和分析解耦合,提高灵活性,并通过对数据流按照T_(0)(40 ms为中子打靶的脉冲周期)打包来对中子数据进行预处理。通过在ERNI谱仪上进行的样品透射成像实验,验证了整套数据获取系统在束流条件下运行正常,能够成功获取到中子数据并进行了分析,测试结果符合预期,满足了ERNI谱仪的工程需求。

测距仪信号功率谱及邻道泄露功率

为了解决宽带航空数据链频率资源匮乏的问题,L频段数字航空通信系统(L-DACS,L-band digital aeronautical communications system)将以内嵌的方式部署在航空无线电导航L频段测距仪(DME,distance measure equipment)波道间,因此,不可避免产生测距仪信号干扰L-DACS系统接收机的问题。为了定量描述DME/N(distance measure equipment/normal)与DME/P(distance measure equipment/precision)信号带外泄露对LDACS系统接收机的影响,首先建立了DME/N与DME/P信号数学模型,然后理论推导出DME/N与DME/P信号的功率谱密度表达式,以此为基础研究了DME/N与DME/P信号带外泄露对邻道部署的L-DACS系统接收机的影响,最后通过计算机仿真验证了理论分析结果的正确性。研究表明:DME信号带外泄露对L-DACS系统的影响主要表现在第一邻道,DME/P信号在第一邻道内泄露功率比DME/N信号泄露功率高约10 dB。

伏安极谱仪测定海水中活性态痕量金属

阳极溶出伏安法是一种可以直接用于海水中痕量金属元素检测分析的有效方法,不仅能够实现多元素同时检测,而且不需要样品预浓缩处理.通过伏安极谱仪,研究了富集电位和富集时间等关键参数对阳极溶出伏安法测定痕量金属铜、铅、镉、锌的影响,对过滤后的海水样品直接进行检测,实现了烟台四十里湾不同站位海水中活性态痕量金属铜、铅、镉、锌的测定,为海水中痕量金属元素的形态分析及生物可利用性研究提供了有效技术手段.

基于半经验法多球中子谱仪校准

基于半经验法扣除中子散射本底,提出了一种多球中子谱仪校准的新方法。首先用热中子参考辐射装置校准多球中子谱仪各中子球内He-3正比计数器的探测效率。用多球中子谱仪各中子球单独测量参考^(241)Am-Be中子源,结合半经验法扣除散射,给出了各中子球的注量响应。结合两者实验结果,获得^(241)Am-Be源能谱并给出谱仪注量响应。结果表明,校准的多球中子谱仪具备快中子区测量能力。

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。

面向行星表面元素测量的小型化伽马谱仪原理样机设计

对行星表面物质受宇宙射线激发或天然衰变而产生的伽马射线进行探测,是一种测量行星表面主要元素成分及其空间分布的可靠技术手段,已被多个行星探测任务采用。提出了将CZT探测器与SiPM读出闪烁晶体相结合的行星元素伽马谱仪方案,该方案兼具低能段的高能量分辨率和高能段的高探测效率,同时可以减小来自非探测方向伽马背景的影响,且具有较小的体积、重量和功耗。为进行初步的技术路线验证,设计了一个将CZT阵列(单个灵敏尺寸1 cm×1 cm×0.5 cm)与BGO探测器(晶体的主体尺寸8.4 cm×8.4 cm×4 cm)相结合的小型化伽马谱仪原理样机,并开展了物理模拟。完成了前端探测器模块、数据处理模块和FPGA控制逻辑的设计实现,以及原理样机的组装。使用放射源、上海光源激光伽马光束线和中子激发伽马对谱仪进行了测试,CZT探测器对^(137)Cs@662 keV伽马射线的能量分辨率(FWHM)为2.1%,可以较好地分辨低能伽马射线,BGO晶体能够较好地探测和分辨高能伽马射线。该方案为未来小型化行星伽马谱仪的工程设计提供了参考。

雾滴谱仪的标准粒子计数校准测量与反演

为了提高国产雾滴谱仪的雾滴粒子粒径测量准确性,采用标准粒子进行雾滴谱的散射响应测试,并用最小均方算法对实际测量的雾滴谱的散射响应信号进行了反演,通过理论分析与实验验证,取得了最小均方算法在不同标准粒子响应信号下的粒径反演数据。结果表明,最小均方算法对标准粒子分布的反演能够减小粒径的分布误差,使不同尺寸的粒子得到准确区分,尺寸区分精度可以达到1μm。该研究为雾滴谱仪的精度提升提供了参考。

就地NaI谱仪对面源的刻度研究

核事故应急时,亟需快速确定放射性污染核素种类、污染程度和范围。由于核事故条件下地表沉降的放射性核素近似均匀面源分布,因此问题简化为快速、准确地获取均匀面源的活度浓度。对一台就地碘化钠谱仪建立了蒙特卡罗模型,得到距离地面1m处的谱仪对不同位置点源的探测效率,并通过积分的方式,计算得到谱仪对面源的探测效率。最后建立实验系统,通过实验验证就地碘化钠谱仪数值模拟模型的准确性以及刻度方法的合理性。结果表明,模拟与实验的探测效率偏差在12%以内,通过该刻度方法获得碘化钠谱仪的探测效率可靠。

集成式多球中子谱仪球球干扰影响

模拟计算了集成式多球中子谱仪7路测量通道同时工作与每路测量通道独立测量时的能量响应函数。两种测量模式的能响比值结果显示,球球干扰的影响随着慢化球尺寸增大而减小;对小尺寸慢化球球球干扰随着中子能量增大而增大。

基于4H-SiC探测器多球谱仪的聚变中子能谱测量研究

Bonner多球谱仪作为主要用于测量中子能谱和剂量的仪器,对于聚变装置的辐射监测与防护具有重要意义。为了研究超导托卡马克(Experimental Advanced Superconducting Tokamak,EAST)在中性束注入(Neutral Beam Injector,NBI)加热实验条件下的中子能谱和剂量当量,研制了一套由涂有6LiF的4H-SiC半导体探测器和8个慢化球组成的Bonner中子多球谱仪,在相应放电实验中进行了实验测量。通过与EAST上中子注量监测结果进行源强归一化处理,并结合模拟计算获得的每个慢化球中子响应函数,利用最大熵程序解算出大厅内部中子能谱分布。进一步通过中子注量-剂量转化系数获得中子剂量当量,并与蒙特卡罗方法模拟计算的主机大厅内相应位置的中子能谱和剂量当量进行比较,归一化聚变中子源项下测量位置的中子注量与模拟值的比值为0.98;归一化聚变中子源项下测量位置的周围剂量当量与模拟值的比值为1.05。对比结果验证了该多球谱仪在EAST装置上初步应用的可靠性。

基于机载相控阵海浪波谱仪的海浪谱测量

提出一种机载相控阵海浪波谱仪,是Ku频段、线极化二维相控阵列雷达,发射宽带线性调频信号,在小入射角下照射海面,接收被海面准镜面散射调制的回波功率,获取海面后向散射系数,反演得到一维海浪谱。通过二维相控阵实现0~360°方位向的圆锥扫描,获取二维海浪方向谱,进而计算波高、波向、波长等海浪参数产品。一方面,采用基于二维相控阵的动态波位驻留时序设计,将均匀扫描改为非均匀扫描,增加沿航向的观测时间,提高沿航向斑点噪声抑制水平,改善了中法海洋卫星SWIM载荷的“沿航向信斑比不足”的问题,使观测效能得到提升;另一方面,采用电子扫描,无旋转机构,可大幅度提升波谱仪设备的紧凑性、适装性和可靠性,提高机载平台适应能力。在秦皇岛附近的渤海海域开展了相控阵海浪波谱仪飞行试验,与同步波浪浮标观测数据进行对比,结果表明相控阵海浪波谱仪波向测量精度优于15°,波长测量精度优于10%,有效波高测量精度优于0.3 m,验证了动态波位驻留对沿航向斑点噪声的抑制能力,以及相控圆锥扫描体制获取海面回波、反演海浪谱的性能。

基于NaI(Tl)伽马谱仪的反演分析法在海水放射性探测中的应用

伴随着核能的快速发展和应用,海洋放射性环境安全监测受到了越来越多的关注。因具有成本低、功耗低、探测效率高等优点,NaI(Tl)伽马谱仪成为海洋放射性自动连续监测主要应用的仪器。但是,该谱仪探测分辨能力尚存在不足,导致核素甄别和定量检测存在困难。为了解决该困难,本研究采用理论计算、仿真模拟和实验测量等技术手段,开展基于反演分析的海水伽马能谱处理分析方法研究。研究结果表明:仿真实验中经过反演分析法计算的重构谱线的分辨率得到大幅改善,与仿真能谱中核素的道址和活度的参考值相比,重构谱线的^(134)Cs、^137Cs、^(60)Co和^(40)K核素峰的道址误差在2道以内,活度计算误差在4%以内。在位于青岛的海洋科学实验站进行的海水现场实验结果表明反演分析法对_(40)K核素的活度分析结果为1.218×10^(4) Bq·m^(-3)。该方法能够有效解决NaI(Tl)伽马谱仪探测分辨能力不足的问题,实现准确的海水放射性核素分析。

高纯锗γ谱仪无源效率校准分析

本文对无源效率校准软件LabSOCS进行验证及应用分析。选用两类共7个标准源对LabSOCS效率计算结果进行验证,^(137)Cs、^(60)Co和^(241)Am等41个监测数据表明,混合体源、点源相对偏差均分别位于±7.2%、±2%范围以内,说明点源验证效果较好,混合体源偏差略高。将LabSOCS软件应用于IAEA、中辐院样品能力验证及全国质量考核样品,选取具有代表性的水样、土壤、生物和气溶胶等7个样品进行分析,无源效率计算结果表明:采用IAEA评价准则,^(137)Cs、^(60)Co、^(241)Am等22个数据均为“满意”,即准确度和精密度均合格。

基于雨滴谱仪的大理雷达定量降水估测初探

选取2022年夏季两次强降雨过程,利用激光雨滴谱仪与大理C波段雷达对Z-I关系进行本地化研究,得出如下结论:雷达回波反射率取值采用0.5o仰角和九点平均与雨滴谱仪反演反射率相关性最高,相关系数达到0.9108。建立了Z-I关系,其系数A为193.02,b为1.7。使用五种误差评价指标对估测雨量做出评价,发现利用雷达和雨滴谱两者的反射率因子线性关系式修正雨滴谱反射率因子估算出的降雨量,其效果要好于雨滴谱估测雨量,其雨量均方根误差仅为3.8mm。

激光雨滴谱仪与翻斗式雨量计降水量观测结果对比分析

为探究激光雨滴谱仪和翻斗式雨量计在降水量观测中的差异,本文利用兴隆山森林生态系统国家定位观测研究站林外标准气象场内激光雨滴谱仪与翻斗式雨量计观测的降水数据,对比分析了两种仪器在小、中、大三种降水强度下的降水量、月降水量的差异以及差异产生的原因。结果表明:(1)两种仪器观测的累计降水量在小雨强度下差异最大,主要是由于降水强度很小时,雨滴小而雨速较缓,翻斗式雨量计达到了应翻转雨量才会翻动,反应滞后;(2)两种仪器观测的小时累计降水量相关关系随着雨强的增大而变大;(3)2023年5月—2024年5月,激光雨滴谱仪观测的降水量相对翻斗式雨量计的偏高,其中2023年5—9月差值较小,而2023年10月至次年2月差值较大,主要是由于激光雨滴谱仪能够识别雨夹雪、雪等小粒子。综上所述,激光雨滴谱仪和翻斗式雨量计各有优缺点,在实际应用中可根据具体需求和野外观测条件将两种仪器结合起来进行降水量观测。

两种雨滴谱仪观测对比及对雷达降水估测精度影响研究

利用广东龙门、新丰和佛冈布设的二维视频雨滴谱仪(2D-video-disdrometer,2DVD)和HY-P1000激光雨滴谱仪观测资料,分析了相同地点和相同时间两类雨滴谱仪降水滴谱观测和降水反演精度的差异。根据收集的2018年和2019年的雨滴谱观测数据,拟合了双偏振雷达定量降水估测基本关系式,并应用于S波段双偏振雷达(CINRAD/SAD)定量降水估测(quantitive precipitation estimation,QPE)优化组合方案中。结果表明:较HY-P1000雨滴谱仪而言,2DVD可观测到更多的1 mm以下的小粒子降水,但观测到的大于3.5 mm的雨滴数明显少于HY-P1000雨滴谱仪;对比由2DVD和HY-P1000观测数据计算得到的双偏振参数与CINRAD-SAD 0.5°仰角观测得到的双偏振参数,发现参数间均存在一定的差别,其中差分反射率因子差别相对较大;此外,利用2DVD观测数据可整体提升双偏振雷达QPE精度,对中雨及以下量级精度提升尤为明显。

点源模型刻度就地谱仪角度修正因子影响研究

对于核与辐射事故应急,就地谱仪现场监测辐射事故污染的程度和范围,利于现场指挥快速科学决策。应急准备的一项重要工作是就地谱仪准确校准角度修正因子及其相对偏差及其海拔高度适宜性。采用MCNP模拟计算和试验校准,建立一种就地P型高纯锗谱仪探测器模型。根据就地谱仪校准角度修正因子的点源模型,理论计算其初级γ射线注量率和MCNP模拟计算探测器高度1 m、2 m、3 m、11种入射角和11种γ能量的点源探测效率,以及500 m、2 261 m、3 650 m海拔高度,探测器高度1 m、11种入射角、3种γ能量的点源探测效率和初级γ射线注量率,进而分析其角响应因子、角度修正因子和相对标准偏差。研究结果表明,点源距离大于1 m情况下,其角响应因子和角度修正因子相对标准偏差小于4.35%;海拔高度500~3 650 m情况下,其角响应因子和角度修正因子相对标准偏差小于1.2%;其角度修正因子是能量的自然对数的分段函数,在120~3 000 keV为线性函数,在45~120 keV为指数函数。

高功率激光装置中子飞行时间谱仪抗辐射本质安全设计

本文阐述了高功率激光装置上中子飞行时间谱仪的抗辐射本质安全设计。高功率激光装置实验测试中会产生强烈的电磁辐射,对各种测量仪器带来严重的干扰甚至损伤。本文针对高功率激光装置电磁辐射环境,对中子飞行时间谱仪进行了抗辐射本质安全设计,通过结构设计、空间排布以及屏蔽材料设计等方面的优化,增强了中子飞行时间谱仪的抗电磁辐射和电离辐射干扰的能力,提升了设备运行的稳定性与可靠性。

基于碳化硼慢化体和涂硼微结构中子探测器的通用中子能谱仪设计和解谱方法研究

本文提出了一种基于碳化硼慢化体和涂硼微结构中子探测器的通用中子能谱仪设计方法,获得了计算最优慢化体厚度和探测器响应函数的通用公式,并用蒙特卡罗方法进行了验证和修正,可实现对中子能谱仪的快速设计.该类能谱仪可实现各中子响应函数之间的解耦,使每个探测器对各个分立能量区间的中子最为敏感,具有较强适用性和灵活性.基于该方法,我们设计了一个用于硼中子俘获治疗(BNCT)超热中子能谱测量的能谱仪,通过Gravel算法实现了中子能谱解析,并提出了一种具有良好普适性的基于响应函数的预置谱设置方法.结果表明,该能谱仪对单能中子的峰位解析精度约为1%,对BNCT连续谱的解析均方差约为0.76%,具有较大技术优势和可行性.