基于自研ASIC芯片HEPS中硅微条探测器读出电子学原型系统设计与测试

时间分辨X射线粉末衍射技术是探测物质晶体结构及其演变的重要手段。单光子计数型硅微条探测器因其灵敏度高和死时间低,在高能同步辐射光源(HEPS)的X射线粉末衍射实验中发挥着重要作用。研制适用于单光子计数型一维硅微条探测器的专用ASIC读出芯片(SSDROC)及其读出电子学系统,并采用一种新标定方法解决了SSDROC各通道对同一输入输出响应不一致的问题,该方法可显著提高各通道数据一致性并减小衍射实验数据的统计误差。探测器完成各项性能测试,结果表明整体系统线性优秀、能量分辨能力强、噪声低以及计数率高,为将来大覆盖角度一维硅微条探测器系统研制奠定坚实基础。

基于多目标进化算法的反应堆辐射屏蔽优化方法研究

新型核能与核动力装置的发展对辐射屏蔽设计方法提出了更高要求。面对空间堆、船用堆等装置的小型化、轻量化设计需求,传统辐射屏蔽多目标优化方法存在优化目标少、优化参数单一、全局性差等缺陷,难以满足辐射屏蔽智能设计的需求。本文基于第三代非支配排序遗传算法和改进多目标人工蜂群算法开展面向反应堆屏蔽层重量、体积和特定区域辐射剂量等多目标约束条件下的辐射屏蔽优化方法研究,并对各算法的优化性能、优化方案进行对比分析。结果表明,本文方法相较于传统屏蔽智能设计方法展现了更好的优化性能,并在实际工程问题中体现了可靠性,可为辐射屏蔽设计优化提供新思路。

基于机器学习算法的四角读出型塑料闪烁体探测器缪子定位与散射成像的模拟研究

宇宙线缪子是存在于自然界中一种穿透力极强的天然射线。目前主流的缪子探测器包括气体探测器和塑料闪烁体条探测器,虽然它们具有高精度,但成本较高且结构复杂。本研究基于四角读出的塑料闪烁体探测器,利用长短时记忆网络(LSTM)算法和密度聚类的DBSCAN算法的定位。使用Geant4仿真软件构建大面积(800 mm×800 mm)的四角读出塑料闪烁体缪子成像系统,对模拟数据实现缪子位置重建与成像结果。首先,采用LSTM算法作为探测器上的缪子定位方法,通过与实验中已获得的400 mm×400 mm探测器重建入射位置图像的结果比较以验证本研究模拟方法的可靠性,结果表明,模拟得到的位置分辨可达到厘米级。其次,利用DBSCAN算法对钨块构建的“U”“S”“C”三种形状模型的PoCA散射成像结果进行聚类优化,实现对钨块成像点与噪点的区分,使得成像结果更有区分度,为缪子探测器系统的构建提供新的思路与方向。

质子治疗对细胞自由基产额影响的蒙特卡罗模拟计算

随着质子FLASH治疗等新兴放疗技术的发展,细胞受辐照后生物学效应的不确定性成为急需解决的难题。由于缺乏对物理-化学阶段机理的完整理解,目前的模拟工作仍然以调整化学参数使自由基产额与实验数据相匹配为主。作为一个不断发展的蒙特卡罗软件,Geant4能够在纳米尺度上模拟入射粒子在短时间内通过物理和化学相互作用引起水分子辐解的过程。基于Geant4软件构建了一个简易的细胞模型,模拟了细胞靶体内自由基产额受辐射粒子影响的情况,并对靶内自由基产额的变化趋势进行了详细计算。研究表明,随着LET的逐渐增大,自由基OH^(·)的数目占比从25%下降到10%左右。当考虑质子FLASH透射治疗时,使用25%的自由基OH^(·)数目占比作为化学损伤参数去评估细胞DNA损伤将会更为合理。同时,两种活性氧自由基O_(2)^(·)和O_(2)^(-)在超高剂量率下的产额G(t)随模拟时间的发展都出现了不同程度的升高。研究结果阐明了不同治疗深度下细胞靶体内自由基产额随时间和粒子能量的变化情况,揭示了模拟工作中质子FLASH治疗在布拉格峰区和坪区应该采用不同的化学损伤参数。

硼中子俘获治疗剂量蒙特卡罗计算程序Magic开发与验证

基于成熟的蒙特卡罗方法研制了自主化硼中子俘获治疗(boron neutron capture therapy, BNCT)剂量蒙特卡罗计算程序Magic。基于Magic程序构建了含肿瘤Snyder头部模型的解析模型及1 mm×1 mm×1 mm精细Snyder体素模型进行BNCT剂量计算,以MCNP程序模拟计算深度-剂量率的分布曲线作为参考结果对Magic程序进行验证。数值验证结果表明,二者分布曲线相吻合,硼剂量率、热中子剂量率、超热中子和快中子剂量率、次级光子剂量率及总的相对生物效应剂量率的相对偏差小于5%,满足BNCT临床治疗偏差的要求,初步验证了Magic程序剂量计算的正确性和可靠性。同时基于Magic,建立了10B开放式药代动力学模型,定量研究动态硼浓度下BNCT剂量学,计算得到动态下与稳态下剂量的相对偏差为11.78%,可为开展BNCT临床试验提供参考。

起泡条件下矩形窄缝通道内压力场和温度场数值模拟

当矩形窄缝通道由于辐照肿胀产生形变出现起泡结构时,通道内流动传热特性会发生改变。本文采用数值计算方法分析了起泡条件下矩形窄缝通道内流体压力场和温度场分布。结果表明,起泡对流体的阻碍作用会导致流体在第一个起泡前出现压力高点。经过每一个起泡,局部压降均会先飞升后突降,起泡处流体温度上升,壁面温度下降。通过模型计算分析获得了起泡条件对压力场和温度场的影响规律。