推动核技术应用科技成果转化的“践行者”--记清华大学工程物理系首席研究员陈志强

【人物档案】陈志强,清华大学工程物理系首席研究员、博士生导师、国务院政府特殊津贴获得者,清华大学核技术及应用研究所所长、危爆物品探测技术国家工程研究中心主任、兼任同方威视技术股份有限公司董事长。陈志强致力于X射线成像理论和CT系统研究,首创直线轨迹CT成像算法,开发出世界首套碳纳米管分布式光源安检CT系统,开创了利用CT对违禁品和特殊涉税物品进行智能审图的先河,使我国成为世界首个掌握新一代静态安检CT核心技术的国家。他积极践行科技成果转化,带领“同方威视”成为全球安检行业领军品牌,转化成果出口170个国家和地区。获国家科技进步奖一等奖、国家科技进步奖(创新团队)、何梁何利科学与技术创新奖及国家“万人计划科技领军人才”等奖项荣誉。

清华大学X波段兆瓦级同轴磁控管的研制进展

在过去的十余年中,清华大学加速器实验室致力于X波段同轴磁控管的研发。自2012年成功研制出X波段1.5 MW同轴磁控管(XM-2012)以来,坚持在物理设计、加工工艺和老炼测试等环节进行深入研究,在原有基础上迭代优化出MGT3、MGT4等型号的同轴磁控管,最新样管峰值功率达到1.7 MW以上,与新研发的X波段加速管集成,研制出高稳定性紧凑型加速器系统,剂量率达到800 cGy/min(1 m)以上,达到与S波段加速器系统同等水平;同时对磁控管锁相理论和功率合成进行了大量研究,并在此基础上发展出平行阴极磁控管,将X波段磁控管的输出功率提升到S波段磁控管水平,为进一步拓展X波段高功率磁控管的应用打下了坚实的基础。

基于自动重要抽样方法的减方差技巧体系构建与验证

屏蔽计算问题根据求解目标不同一般可分为源-探测器问题、区域问题和全局问题。MCShield研究团队针对3类问题中存在的深穿透问题提出了相应的减方差技巧,本文以此为基础构建了基于自动重要抽样(AIS)方法的减方差技巧体系,并开展了验证工作。针对源-探测器问题,采用NUREG/CR-6115 PWR压力容器计算基准题对小探测器自动重要抽样(SDAIS)方法进行验证。结果表明,SDAIS方法的计算效率约为AIS方法的7倍。此外还提出并验证了基于AIS伴随蒙特卡罗的耦合减方差(AIS-CADIS)方法,将AIS方法引入到蒙特卡罗伴随计算中,取得了良好的效果。针对全局问题,提出网格化-AIS方法并使用简化反应堆屏蔽计算算例进行验证,结果表明,网格化-AIS方法的计算效率是AIS方法的12倍左右,是直接蒙特卡罗方法的290倍左右。

连续激光载波同步系统的慢漂抑制

高精度同步系统是加速器产生高品质束流的关键因素之一,基于清华大学已有的连续激光载波同步系统,对不同接收端之间参考微波信号相位差的长时漂移,即同步系统慢漂进行了研究,提出了一种基于接收端参考微波信号幅值的电光调制器(EOM)偏置电压控制方法抑制慢漂。采用该方法后,清华大学甚高频光阴极电子枪测试平台L波段(1300 MHz)同步系统慢漂被抑制到10.45 fs@24 h,清华大学汤姆逊散射装置(TTX)S波段(2856 MHz)同步系统慢漂被抑制到10.53 fs@24 h,并且该方法可以使整套同步系统工作于室温环境,有效地提高了同步系统对工作环境温度的适应性。

中国成年参考人体模内照射剂量转换系数计算

在核科学与技术、核能、核医学等领域中,对相关公众、职业人员、病人等在工作、核事故以及照射治疗的过程中受到的内照射剂量进行准确的评估是人员健康安全的重要保障。参考国际放射防护委员会(ICRP)生物动力学模型和放射性核素信息,通过计算比吸收分数(SAF),得到内照射剂量转换系数。利用ICRP参考人体素模型验证计算方法的正确性,最后基于中国成年参考人体素体模,系统地建立了中国成年参考人的内照射剂量系数数据库。数据库包括中国成年参考人α、β和γ射线比吸收分数、中国成年参考人体模敏感器官(组织)待积当量剂量转换系数和中国成年参考人待积有效剂量转换系数。将计算的结果与GB 18871—2002提供的内照射剂量转换系数进行了比较分析,结果表明采用中国成年参考人体模内照射剂量转换系数数据库,能更加准确地评估中国成年人摄入放射性核素所致的内照射剂量。本工作为中国成年人内照射剂量评估提供了标准化的方法和全面的数据,具有理论价值和实践意义。

基于点云分布的光学发射层析系统响应矩阵计算方法

为满足放射治疗的三维剂量实时测量验证需求,基于闪烁体发光的三维剂量测量技术被提出。该技术利用闪烁体受辐射发光的原理,将三维剂量分布转换为三维光分布,并通过相机和光学发射层析技术进行三维光分布的测量与重建。基于光学发射层析的三维重建需要使用迭代算法,而系统响应矩阵是迭代重建的重要参数。本文基于小孔成像模型提出了基于点云分布的系统响应矩阵计算方法,该方法将体素转化成随机点云,计算点云投影至像素内的数量作为体素对像素的响应。在模拟成像的对比中,相较于传统的基于投影面积的计算方法,该方法抑制了模拟图像上的条纹状误差,提升了模拟成像的均匀性和梯度均匀性,改善了模拟精度,有利于提升三维重建的准确性。

临界事故报警系统的相似性

为了确定用于场所监测的临界事故报警系统合适的报警阈值,需选用相似的基准实验进行验证。根据设备室临界事故报警系统的特征,构建了简易模型和具有代表性的包含多个设备的虚拟设备室模型。针对固定源问题,在蒙卡程序(RMC)中实现了基于微分算符抽样法计算敏感性系数的功能。随后,运用敏感性和不确定度分析方法对系统间的相似性进行了研究,并深入分析了影响相似性的因素。计算分析结果显示,对于简易模型,源项能谱和混凝土材料对系统间的相似性有较大影响,探测器与内侧墙面之间的混凝土厚度对相似性有一定影响,而源项的几何位置对相似性的影响较小,乏燃料成分对相似性的影响可以忽略不计。根据本文提出的相似性分析流程进行计算得出,简易模型与虚拟设备室模型的相似性较高,基于简易模型的研究结论适用于虚拟设备室模型,可为工程上的临界报警系统相似性研究提供参考。

中国医学物理学科的建设与探索专家共识

本共识围绕医学物理学科的教育现状、专业方向建设、课程设计、实习要求及研究生毕业标准等方面探讨了中国医学物理学科的建设与发展,以应对社会对健康与医疗服务需求的增长及医疗设备国产化的挑战。目前,中国医学物理教育面临教育途径多样性、课程设计差异性、师资短缺等问题,在此,讨论了整合国际经验,构建全面、规范化的医学物理学科体系的策略,体系涵盖放射治疗物理、医学影像物理、核医学物理、放射防护物理、放射生物物理及放射工程物理等方向,并强调人工智能技术的融合,以提高诊疗的准确性和效率。此外,还探讨了医学物理研究生教育的改进,包括师资和教学环境建设、专业课程设置等;还需建立教学质量评估机构,确保教育内容与国际标准一致,反馈学生和雇主的需求。本共识提倡全面提升医学物理学科的规模和影响力,提升教育质量和专业水平,实现教育的精细化和精英化,并加强国内外合作,以期达到国际先进水平,支撑“健康中国2030”政策目标。

钍基重水核能系统燃料的物理特性研究

对全铀CANFLEX燃料和含钍CANFLEX燃料的物理特性进行了研究。用WIMS-AECL程序计算了参考栅元的冷却剂空泡反应性、燃耗等参数。通过与铀燃料的对比,展示了含钍燃料在安全性和经济性上的特点。还特别介绍了WIMS-AECL程序在使用过程中的参数选择方法。

合肥国家同步辐射实验室电子储存环束流损失监测系统中的几个物理问题

电子储存环中损失的束流电子 ,在撞击真空室壁时 ,引起“电子 -γ -电子”簇射 ,在撞击点的下游 ,真空室的外表面形成次级电子 (shower电子 )的分布。通过探测这些shower电子 ,可以知道上游某处的束流损失状况。“合肥国家同步辐射实验室加速器二期工程”中的电子储存环束流损失监测系统 ,就是利用了这个原理。在分析了原有加速器束流损失监测系统的缺陷并对国际上各大型加速器进行了调研的基础上 ,对该系统中的探测器选型。

小型长寿命核能系统燃料物理性能的研究

本文在简要说明世界上小型长寿命核能系统研究现状的基础上,提出了使用钍-铀燃料和铅-铋冷却剂构造小型长寿命堆芯的设想,并为此进行了一系列燃料物理性能的研究。对于长寿命核能系统的堆芯物理设计,使反应性随燃耗变动最小非常重要,同时应该尽可能地提高堆芯的燃耗以满足长寿命运行的需求。本文使用MCNP和MCBurn程序详细计算分析了使用不同的初始驱动燃料、不同栅格、燃料成分和类型、富集度条件下,燃料栅元的燃耗反应性变化等性能,并对其进行了能谱、转换比、富集度变化等方面的分析,经过对比初步确定了使用钍-铀燃料构造长寿命堆芯的物理条件,并以此为起点构造出一个堆芯,计算给出了反应性空泡系数等安全参数。

超临界二氧化碳核能动力系统的兴起和发展

超临界二氧化碳(S-CO_(2))核能动力系统以S-CO_(2)为工质,通过直接或间接循环将核释热转换为电能或机械能。本文总结了国际上S-CO_(2)核能动力系统的概念初创、研究重启、协同创新3个历史阶段近60年的发展历程,分析了S-CO_(2)核能动力系统在核反应堆设计、材料工艺、热工流体力学、换热器、涡轮发电系统、系统运行、控制及安全策略等方面的研究现状,并提出了S-CO_(2)核能动力系统在基础研究和工程攻关中面临的技术挑战和攻关方向。目前,以中美为代表的能源强国已初步完成S-CO_(2)动力转换系统的实验室级测试,预计可在5~10年内实现中等规模工程示范甚至规模化应用。S-CO_(2)核能动力系统基本具备了走向工程的前提条件,有望引领先进核能技术变革。

锦屏模式大科学工程的启示

一、引言暗物质是人类在不断探索宇宙奥秘、认识世界过程中提出的一个重大前沿问题,是21世纪新物理发展前沿。2003年,清华大学工程物理系,首先提出采用高纯锗探测器开展暗物质直接探测实验。当时我国没有一个成熟的地下实验室,清华科研人员只能远赴韩国借用其地下实验室的一个拐角开展验证性实验,实验空间受到比较大的限制,而且在实验技术路线上也受到了很多制约,严重影响后续发展。这些亲身经历的实践告诉我们,地下实验室作为基础设施,对于新世纪新物理新突破,具有重大战略意义。自此开始,清华就一直在寻找合适的地方,建立中国自己的地下实验室。

中国锦屏地下实验室与稀有物理实验

中国锦屏地下实验室是目前世界上岩石覆盖最深的深地实验室,对宇宙线μ子具有良好的屏蔽作用,具有极低的宇宙线通量,因此适用于开展对稀有物理事例的探测实验。目前,包括中国暗物质实验(China Dark matter EXperiment,CDEX)、粒子和天体物理氙实验(Particle and Astrophysical Xenon Experiments,PandaX)、锦屏深地核天体物理实验装置(Jinping Underground Nuclear Astrophysics Experiment,JUNA)等实验组已经入驻锦屏实验室,对暗物质直接探测、无中微子双β衰变、天体核反应等一系列稀有物理事例进行实验探测,并给出了一系列国际先进水平的研究成果。本文总结了中国锦屏地下实验室自成立以来的发展过程和本底控制情况,并对实验室中各个实验组所开展实验的物理意义、实验原理、关键技术、物理成果等进行介绍,同时给出实验组接下来的实验计划。

基于蒙特卡罗均匀化的异形几何燃料棒物理性能研究

利用清华大学工程物理系自主开发的3维反应堆蒙特卡罗分析程序RMC-DAGMC模块直接通过CAD对螺旋十字型燃料棒建模并进行中子物理计算,同时,利用蒙特卡罗均匀化,即蒙特卡罗两步法进行组件-堆芯计算,验证了RMC-DAGMC临界计算功能和群常数功能的正确性。对不同螺距的螺旋十字型燃料棒物理性能进行了对比计算分析,结果表明:无扭转十字棒与传统圆棒的有效增殖系数keff有较大差异,螺距对螺旋十字棒keff影响较小。对复杂的异形几何堆芯进行了简要计算,计算方法和结果可为异形几何堆芯设计提供参考。

气候变化背景下北京市极端降水时序特征研究

基于NEX-GDDP数据集,采用气候倾向率法、Mann-Kendall突变检验和小波分析法对北京市2006—2099年极端降水时序变化特征进行分析。结果表明:在RCP4.5和RCP8.5情景下,本世纪内北京地区极端降水呈现增加趋势,世纪末期有较大幅度增加,RCP8.5情景下极端降水增加程度更大。在RCP4.5情景下,年降水量、大雨日数、SDII等多数极端降水指数在2040年前后发生增加突变,而在RCP8.5情景下极端降水表现出更为稳定的上升趋势。极端降水事件在RCP4.5和RCP8.5情景下的主周期均为56年,在该特征尺度下各指标呈现少→多→少→多→少的循环交替,RCP8.5情景下降水量、降水频率和降水强度震荡更加明显。

集装箱CT检查系统二维防散射滤线栅作用分析

基于辐射成像系统蒙卡模拟软件NucRPD,对一款以9 MeV加速器作为辐射源的集装箱CT检查系统进行全系统蒙卡模拟,并使用目标晶体笔标记法、散射部件标记法与断层图像计算法综合分析了位于探测器晶体前方的二维防散射滤线栅对散射X射线的压低作用。计算结果表明此款集装箱CT检查系统中二维防散射滤线栅对于降低散射X射线的作用有限,后续在工程应用中无需使用二维防散射滤线栅,这将极大降低后端集装箱CT检查系统探测器与旋转机架等部件的机械设计难度与工程实现成本。

综放工作面支架与围岩耦合关系及端面顶板稳定性研究

针对综放工作面支架-围岩耦合关系及端面冒顶问题,运用有限元极限分析和模型试验,研究了支架俯仰角、端面距、割煤高度及覆岩破断对端面顶板稳定性及支架-围岩耦合关系的影响,获得了顶煤位移、支架偏载及端面冒顶演化规律。结果表明:顶梁上方顶煤垂直位移呈中间大两端小,水平位移由梁端向采空区方向逐渐增大,而端面无支护区顶煤位移由煤壁向梁端降低;当顶梁俯角为3°时,支架对顶煤提供水平支撑力,顶煤位移更均匀,支架偏载情况更好;端面距和割煤高度均与端面顶板稳定性呈负相关;覆岩回转破断会恶化支架-围岩耦合关系,降低支架支护效果,导致端面冒顶。因此,综放工作面应合理调整支架位态及割煤高度,尽量减小端面距。

基于应急通知方案优化的火灾疏散风险评估:以高层大学宿舍楼为例

大学的应急通信系统组织网络建设对高层大学宿舍楼火灾疏散至关重要。为了研究高层大学宿舍楼发生火灾时,基于组织传播进行应急通知,以及火灾疏散风险评估问题,并充分考虑大学宿舍楼多种情景多种周期的风险差异,通过建立火灾疏散周期风险评估模型,耦合基于组织传播的应急通信系统模型,对北京某高层大学宿舍楼的多情景火灾疏散的应急通知方案优化和周期风险评估进行了案例研究。通过分析基于组织传播的应急通信系统模型,提出了3种应急通知优化方法,形成了21种优化方案。结果表明,减少系统环节数量,提高各环节的传递效率,选择合适的通知顺序,加强晚休时间的安全管理,降低人员密度,能够有效降低火灾疏散周期风险。

非标准型^(3)He中子探测系统性能测试研究

用于核设施现场的非标准型中子探测系统在投用之前要进行性能测试和条件实验,通过搭建测试平台,组建基于3He探测器的中子探测系统,开展了电子学参数选取、最佳慢化厚度和伽马辐射干扰及消除等实验。通过调整探测距离和改变慢化体厚度等条件,测得反应产物全能峰能量分辨率最优为2.94%时,对应的工作高压为900 V、成型时间为6μs,此时中子信号可清晰地与环境伽马本底及电子学噪声分开,验证了工作高压、成型时间的调试方法可行。慢化厚度实验结果表明:该探测器对252Cf中子源的探测效率最大值对应的聚乙烯板厚度介于6~7 cm之间;实验研究发现:实际剂量率为0.39 Sv·h^(-1)时,中子甄别阈值以上区域有显著计数,5 mm的铅板对伽马射线有显著的屏蔽效果。实验方法和结果可为在进行同类探测设备性能测试时提供参考。