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。

环境微能量收集型无线剂量仪样机设计

环境中存在多种形式未被利用的微能量,通过对其高效收集可供微型设备反复使用。设计了一款低功耗无线剂量仪,通过BQ25505芯片及附属电路进行微能量有效收集与动态管理,采用BGO+SiPM作为探测器,并使用低功耗芯片完成模拟电路设计,最后由CC2541蓝牙芯片完成数据处理和传输。经测试表明,该剂量仪剂量率响应情况良好,且能够收集室内灯光中微瓦级能量为剂量仪进行供电,对抛投式或无人监管等电源供给不便的剂量仪研制具有重要意义。

长寿期小型棒控压水堆控制棒方案研究

小型棒控压水堆舍弃了可溶硼,并高度依赖控制棒与可燃毒物棒控制堆芯的反应性。为研究控制棒对堆芯关键性能的影响,本文以核动力破冰船用KLT-40模型为对象,以轴向功率偏移、堆芯寿期、燃料利用率与径向功率峰因子为指标,开展长寿期小型棒控压水堆控制棒布置与动作策略设计分析。首先,基于OpenMC程序开发带棒燃耗程序;其次,比较堆芯带控制棒与无控制棒运行时的堆芯寿期等指标;最后,分析不同动作策略对轴向功率偏移等指标的影响。结果表明:控制棒将堆芯寿期从590 EFPDs(等效满功率天,Effective full power days)延长至650~698 EFPDs;低价值棒组优先动作策略使轴向功率偏移程度由−0.69与+0.80分别下降至−0.29与+0.52。因此,要准确计算长寿期压水堆寿期必须采用带控制棒燃耗计算策略,并且通过合理的动作策略能够有效减小控制棒带来的轴向功率偏移。

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。

NaCl,NaCl:Al与NaCl:Ca热释光峰值温度偏移特性

为深入地了解纯NaCl本身及其Al和Ca掺杂变体的热释光峰值温度偏移特性,通过第一性原理计算与热释光实验的结合方法,探讨了掺杂如何影响晶体的电子结构,并进一步分析热释光峰值温度的偏移机制.计算结果显示掺杂Al后NaCl的带隙略有增加至5.20 eV,掺杂Ca则导致带隙显著减小至0 eV,这些掺杂不仅改变了带隙宽度,还引入了不同的缺陷形成能,这可能导致热释光峰值温度在较低温度出现,且会随实验条件的变化而偏移.通过热释光实验对理论预测结果进行了验证,结果显示在加热速率增加时,所有样品的热释光峰值温度均有所增加,且NaCl:Al的变化最为显著,从276 K增至340 K;而在1—25 mGy剂量范围内随着辐照剂量的增加,热释光峰值温度的增长变化较小,尤其是NaCl:Ca仅从195 K增至202 K.基于第一性原理的计算及热释光峰值温度偏移特性的实验研究对于不同掺杂材料的应用具有重要参考意义.

基于辐射光致发光的高剂量测量材料应用研究进展

近年来,研究发现若干用于辐射探测的辐射光致发光材料因其可测量剂量限值高及剂量范围宽,已被广泛应用于核退役设施剂量监控、荧光核径迹探测、医学治疗、辐射成像及核辐射场所可视化等领域。本研究针对目前可用于高剂量测量的辐射光致发光材料(包括无机激活剂离子掺杂体系、无机未掺杂体系及有机聚合物体系)的研究现状进行概述,重点对各体系的发光机理、基本特征、种类及应用现状进行梳理,同时对比分析不同体系材料辐射剂量响应高低的影响因素及其性能优劣。本研究旨在对目前适用于高剂量测量的辐射光致发光材料在剂量探测性能提升方面的研究进行概述,同时提出改进优化的可行性举措,并对其未来发展趋势进行展望。

基于缪子成像技术对浅层与深层地质结构的模拟研究

缪子透射成像技术是一种基于物体密度差的新型成像技术,利用穿透物体前后的通量变化实现目标物的远距离无损成像。矿产资源勘查与地质结构的勘探对于经济、社会和环境的可持续发展具有重要意义,缪子透射成像技术可以作为现有勘探手段的有力补充。基于Geant4软件模拟研究宇宙射线缪子在不同地质结构中的物理过程,首先研究了该技术区分两个物体时需要存在的密度差大小,其次在地面结构的模拟中构建了火山模型并对其进行宇宙射线缪子透射成像研究,最后模拟在地下600 m深处对矿洞上方未探明的不同规模矿体使用缪子探测器进行扩展勘探。研究结果表明:使用缪子透射成像技术能够区分密度差大于5%的地质结构,并反演出火山的密度分布;在地下600 m深处,当射线穿透矿体的路径不透明度与周围岩石的路径不透明度差值大于4%时,缪子透射成像技术便能够识别深层岩石中的矿体。因此,当存在合理的密度差时,将缪子透射成像技术应用于地质勘探能够实现无损勘探并获得较高的成像精度。

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。

碳离子与工作气体相互作用的模拟分析

气体探测器因其高倍增能力和分辨率预期可在碳离子测量领域发挥关键作用,工作气体的种类及比例是影响探测器灵敏度和精度的核心因素。本研究通过Geant4模拟碳离子入射不同工作气体的阻止能、射程及能量沉积率,并探讨了气体与碳离子之间的相互作用机制。结果表明:混合气体的阻止能介于纯惰性气体与猝灭气体之间,且随气体比例调整而变化;碳离子在三种混合气体中的射程有所不同;Ar-CF4混合气体在大部分深度范围内呈现更高的能量沉积率,且总体上Ar-CO_(2)/CH4/CF4(60-40)混合气体比例为碳离子能量沉积效果提供了更优的条件。在相同气体比例下,能量沉积率随碳离子能量的增加呈先降低后升高的趋势。本研究成果揭示了不同工作气体及比例对碳离子探测性能的重要影响,并为碳离子测量应用中的气体选择提供了重要的理论依据。

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。

基于C5G7-MOX的中子输运计算方法比较及MOC参数敏感性初步分析

特征线方法(Method of Characteristics,MOC)因其具备强大的几何处理能力,且在计算过程中亦能兼顾计算成本和计算精度,被广泛应用于高保真数值模拟计算中。常见的中子输运计算方法除MOC外,还包括碰撞概率法(Collision Probability method,CP)和界面流法(Interface Current method,IC)等。本文从方法理论以及数值计算两方面将MOC、CP和IC进行比较分析,评估其在pin-by-pin计算中的能力。同时在MOC计算中,不同的参数选择会对计算成本和计算精度产生影响,因此有必要进行敏感性分析以寻求最佳参数。本文首先将三种计算方法从原理上进行比较分析,再基于2D C5G7-MOX基准题完成了数值计算及MOC参数敏感性初步分析。计算结果表明:MOC在计算精度、计算效率和内存开销上均优于CP和IC。MOC的计算耗时和内存开销分别为23.9 min和37.5 MB,与参考解的相对误差仅为6.04×10^(-4)。而CP和IC的计算耗时分别为MOC的56.7倍和15.6倍,内存开销分别为MOC的407.7倍和32.8倍。进一步通过参数敏感性分析发现:网格划分对计算内存开销以及计算时间的影响最大,而极角的选择对计算精度的影响最大,并且给出一组综合优化建议参数:网格划分6×6,极角为GAUS且数目为2,方位角个数为30。该组参数的计算耗时为45.4 min,内存开销为264.7 MB,相对误差为5.9×10^(-5),归一化后的栅元均方根误差为0.002 55。