空间辐射致中枢神经系统损伤与辐射防护

空间辐射可能是人类进行深空探测活动的最大限制因素之一。本文首先简要介绍了空间辐射的来源、种类及生物损伤效应,侧重介绍了空间辐射对中枢神经系统的损伤效应;并对当前的空间辐射防护措施,包括物理防护方法及生物医学防护方法,以及不同防护手段的基本原理进行了简要的概述。

基于物理加密及KNN算法的核军控核查技术研究

现阶段军控核查技术所面临的困难在于:核查人员需要在不探测敏感信息的前提下,对被检核武器的真实性给出准确结论。本工作结合物理掩模加密技术与K近邻算法,提出一种可自主加密识别核武器身份信息的核查系统。利用Geant4搭建基于中子裂变反应的物理加密辐射指纹采集装置,并通过构造多种作弊情景下的样本建立数据库,同时本研究选择KNN算法建立机器学习模型应用于未知项目的身份认证,并从鲁棒性和安全性两方面量化了该核查系统的可行性。结果表明,当样本同位素丰度由武器级铀变为较低级浓缩铀(235U的丰度由96%变为70%及以下)或者样本几何形状发生细微改变时,该系统对这两种典型的作弊情景具有优良的鉴别能力。该核查方法利用智能算法实现了核武器的自主认证,提高效率的同时有效规避了人工篡改和窥探敏感信息的风险,此外,结合物理掩模加密技术,使得敏感信息从始至终没被测量,在一定程度上降低了通过软件后门等手段作弊的风险。基于物理加密及K近邻算法的核军控核查技术能够在保护被测项目敏感信息的基础上,以较高的准确率和效率鉴定其真实性。

铅铋池式快堆自由液面波动致气体夹带行为研究

铅铋池式快堆具备较好的增殖核燃料以及嬗变核废料潜力,是第四代反应堆中最具潜力的堆型之一,但其存在覆盖氩气被夹带进入液态铅铋致正反应性及缩减反应堆寿命的风险。本研究基于OpenFOAM对堆池局部区域进行了CFD仿真模拟,利用VOF (流体体积界面跟踪)方法对液体下落型气体夹带特性与参数影响展开研究。研究结果表明:液体下落型气体夹带的发展可分为初始阶段,液面波动阶段,夹带阶段和结束阶段;入口速度的增加会增强气体夹带的趋势;液面初始高度的增加阻碍气体夹带的趋势;入口高度的增大减弱自由液面波动的趋势。本研究阐明了四代铅铋池式快堆发生气体夹带的过程与机理,为池式快堆的安全运行提供一定的建议和指导。

基于蒙特卡罗方法的航空机组人员辐射剂量评估

采用辐射仿真人体面元模型和数字化飞机模型,基于蒙特卡罗方法开展了航空机组人员的航空辐射剂量研究。选取昆明至北京航线为例,评估了航空机组人员在该航线飞行时受到的航空辐射有效剂量率,分析了人体参数对航空辐射有效剂量率的影响,并探索了航线参数变化时机组人员受到的航空辐射有效剂量率的变化。结果表明,机组人员在昆明至北京航线受到的航空辐射有效剂量率为2.114μSv/h,基于中国人参考生理特征的体模和高加索人体参数体模的有效剂量率评估结果差异为25.3%;航线参数中航线的高度是最主要的影响因素,14 km飞行高度的航空辐射有效剂量率达到10 km高度时的1.8倍,同时,航线纬度升高时,机组人员受到的航空辐射有效剂量率也会产生显著的提升。该研究对航空机组人员的辐射剂量评估具有一定的参考和指导意义。

核军控核查辐射成像加密算法综述

针对新时期核军控核查加密辐射成像技术的需求,综述了基于模板对比法的射线成像加密算法。重点分析散列函数、压缩感知、数学观察者模型的相关性能,比较优劣,为后续核军控核查技术提供一定参考。同时提出一种全新核查技术的设想,结合随机掩模与霍特林观察者模型,利用Geant4模拟分析其性能。

等效同位素热源设计制备及其性能测试

通用热源(General-Purpose Heat Source,GPHS)是同位素温差电池(Radioisotope Thermoelectric Generators,RTG)中应用最成熟的热源模块,在同位素电源的研制与测试过程中,GPHS是电加热模拟热源等效性的关键参考。为满足同位素电源系统非核单元等效性测试与验证的需求,基于GPHS的各项实际性能参数,设计并仿制了一种电加热模拟热源。基于仿真计算与实验测试结果,分析评价了仿GPHS模拟热源的热输出特性、等效替代性及其在不同应用场景下的运行效果。当输入功率为250 W时,仿GPHS模拟热源表面平均温度可达515 K,且温度随功率变化的趋势与仿真结果相吻合。经实验测试,在250 W热源功率下,RTG模块的能量转化效率可提升至6%左右。本文提出并构建的仿GPHS模拟热源等效性良好,且可适用于同位素温差电池,对同位素电源的性能评价提供一种有效的、统一的参考标准。

辐致光伏效应同位素电池中辐致荧光换能材料的辐照损伤效应研究

辐致光伏效应同位素电池具有结构紧凑、可小型化、换能材料可选范围宽等独特优势,被视为辐射粒子转换型同位素电池的典型代表。辐致荧光换能材料是影响辐致光伏效应同位素电池性能的关键一环,其辐照稳定性是确保电池能够长期高效服役的前提。基于此,本文选取辐致光伏效应同位素电池中的典型辐致荧光换能材料——ZnS:Cu作为研究对象,重点探讨了ZnS:Cu荧光层在经受不同强度与类型的射线粒子辐照前后的发光性能,对比辐致荧光光谱、发光强度及相应同位素电池电学性能的变化情况。经测试研究,ZnS:Cu荧光层的耐辐照性能较为良好,在分别经受200 keV、1.25×10^(14) cm^(-2)的质子和100 keV、4.32×10^(16) cm^(-2)的电子辐照后,其发射光谱的峰值光强相比于未辐照时仅衰减了15.23%和13.94%。同时发现辐照损伤效应会引起辐致荧光强度衰减,这也是导致电池电学性能下降的内在原因。而一定强度的伽马辐照可以促进ZnS:Cu荧光层的辐致发光性能,其中基于丙烯薄膜的ZnS:Cu荧光层受辐照剂量为871.0 kGy的伽马辐照后,相应的辐致光伏效应同位素电池的最大输出功率提升了24.59%。本工作对辐致荧光换能材料及相关器件的辐照稳定性评估与性能优化等方面的研究具有积极的促进作用。

基于蒙特卡罗方法与人体模型的硼中子俘获治疗硼浓度在线监测方法

针对现有的技术难以实现硼浓度在线分布实时监测,提出一种基于康普顿相机的双能瞬发γ硼浓度在线监测方法,并利用蒙特卡罗模拟对其可行性进行验证,实现了利用生成对抗网络算法快速提升康普顿相机重建图像质量的方法,训练后的网络可在0.83 s内优化原始图像,与反投影重建图像相比更接近真实的瞬发伽马分布图像;搭建双能瞬发γ硼浓度监测系统模型实现了基于新方法的硼浓度分布计算,肿瘤区域平均硼浓度计算结果为86.91 ppm,正常组织区域硼浓度为18.37 ppm,肿瘤区域硼浓度与正常组织区域的硼浓度比值平均为4.75,硼浓度比值的计算误差为5.00%,该结果验证了双能瞬发γ硼浓度监测新方法的可行性,为硼中子俘获治疗硼浓度在线监测方法提供了新的思路和理论指导。

针对中微子探测的多变量分析本底抑制方法

为提高中微子探测的本底抑制效果,解决中微子探测器事例重建效率低的问题,本文提出了一种由多个塑料闪烁体单元耦合硅光电倍增管读出的小型阵列中微子探测器方案。基于阵列探测器的多变量分析方法,通过设计并制作小型阵列探测器,对多变量分析方法在中微子探测中对本底的抑制效果进行了研究。搭建了3×3的小型阵列探测器,测试了探测器的脉冲形状甄别能力和中子与伽马的不同拓扑结构。结合基于蒙特卡罗方法的计算,分析了阵列探测器多变量分析方法对本底抑制的有效性。结果表明:仿真与实验结果基本一致,多变量分析方法可以有效抑制本底。

基于GAN的BNCT放疗剂量预测方法及影响因素

硼剂量是硼中子俘获治疗中实际治疗剂量的重要组成,实现治疗过程中硼剂量实时分布的测量对保证治疗效果至关重要。但目前临床上对硼剂量的监测还缺少切实可行的方法。据此,本文提出利用生成式对抗网络(GAN)根据治疗过程中探测到的478 keV瞬发伽马射线的三维分布预测实时硼剂量三维分布。本研究基于具有中国人生理特征的辐射仿真人体模型,构建了19个脑胶质瘤病例,利用蒙特卡罗方法模拟了头顶照射方案下瞬发伽马射线及硼剂量三维分布,其中15个病例样本作为训练集,4例作为测试集。结果表明,对于复杂肿瘤结构及复杂硼分布的病例,GAN预测结果与蒙特卡罗模拟结果的SSIM系数均约为0.98,表明本方法可实现硼剂量三维分布的准确预测。

基于任意三角形网格的中子扩散变分节块法

传统的基于矩形和六角形几何的堆芯计算程序已不适用于具有复杂几何的新型反应堆堆芯计算,本文开展了基于任意三角形网格的多群中子扩散变分节块方法研究。首先,采用ANSYS软件对计算区域进行三角形网格剖分,并利用坐标变换将任意三角形变换为正三角形;其次,采用Galerkin变分技术建立包含节块中子平衡方程的泛函,将三角形节块内变量利用正三角形内正交基函数进行展开;最后,利用变分原理,获得中子通量密度与节块边界上分中子流的响应关系,并基于传统的源迭代法对其进行求解。基于上述理论模型开发了程序TriVNM,并采用不同几何基准题进行了验证。结果表明,TriVNM计算的堆芯k_(eff)和归一化功率分布与参考解吻合较好,该计算方法适用于复杂几何堆芯扩散计算。

基于自生磁场约束效应的脉冲调制X射线源用转换靶

提出了一种基于自生磁场约束效应的调制X射线源结构设计方案,采用蒙特卡罗方法模拟计算了几种后端X射线转换靶常见靶材(铬、镍、铜、铑、钯、银、镉、钨、金),不同转换靶厚度下的X射线产额;计算了在最佳靶厚情况下的X射线能谱、空间角度分布及焦点大小;针对单色X射线的应用背景,计算了几种常见靶材条件下,不同转换靶厚度对应的特征X射线的产额和特征信噪比大小。计算结果表明,基于自生磁场约束效应的调制X射线源具有调制速率快、光子产额高及焦斑尺寸小等优点,结合单色晶体使用,可获得强度高及单色性好的X射线。

特殊构型热电腿增强同位素温差电池输出性能

为了满足航天器内用电器件对电源的功率需求,本文基于增加热电腿的侧面面积、强化侧面散热提出了2种特殊几何结构的热电腿来提升小型同位素温差电池的输出性能。通过傅里叶热传导定律和欧姆定律证明了2种几何结构改善热电腿输出性能的机理;使用有限元分析的方法计算了热电腿的输出性能随几何参数的变化规律。结果表明:特殊构型热电腿产生了更大的温差并降低了平均温度,降低了高温对Seebeck系数和电阻率的负面影响,从而增加了输出性能。相比于传统的圆柱构型,由特殊构型热电腿组成的热电器件同样表现出更佳的输出功率和功率密度。这种优化热电腿的几何结构、增强散热的设计方法可以为小型同位素温差电池以及其他热电器件的功率提升、改善能量转换效率提供设计参考。

变曲率螺旋管内两相流型变迁模拟研究

为进一步提升蒸汽发生器螺旋换热管的传热传质性能,本文提出了一种盘管曲率周期性变化的变曲率螺旋管改进方案。并对变曲率螺旋管内气液两相流动特性开展了数值模拟研究。基于有限元方法,建立了单根变曲率螺旋管内流体六面体结构化网格,采用VOF模型捕捉相界面,分析管内液相流场分布特性。研究发现,在同一根变曲率螺旋管内不同位置管段的两相分布与流型并不相同,部分管段出现了分层流-波状流-塞状流的间歇性流型变迁现象。这是由于盘管曲率的周期性改变,使得管内液相所受离心力不断改变,两相分布在空间位置及时间分布上均不断变化,产生了两相流型变迁的现象。

基于仿脉冲星X射线信标的航天器定位方法

受X射线脉冲星导航技术的启发,提出了一种基于仿脉冲星X射线信标的航天器定位新方法,即利用人造信标模仿脉冲星发送高稳定性高信噪比X射线脉冲信号为航天器提供定位服务。首先介绍了仿脉冲星X射线信标基于三球交汇的定位原理,在分析X射线信标信号覆盖范围与天体引力摄动的影响的基础上,提出了在太阳系行星轨道中的拉格朗日点布置X射线信标的方案。其次,分析论证了人造辐射源的可行性,并基于优选脉冲星准则并结合实际脉冲星特征对辐射源参数进行初步优化。然后针对将来可能的地火转移任务需要,结合航天器动力学模型构建了基于X射线信标的观测方程,采用扩展卡尔曼滤波方法,研究了X射线信标几何分布、观测误差、信标数量、钟差及轨道误差对于航天器位置确定精度的影响。仿真结果表明,在同时观测3颗信标、TOA(Time of Arrival)测量精度为50 ns的条件下,该方法的航天器位置估计精度可达152 m,并且大部分信标组合都能将定位误差控制在1 km内。增加观测信标数量对定位精度较低信标组合的提升显著,但由于太阳系各行星间轨道倾角较小,地火转移轨道航天器同时观测5颗信标时定位误差仍在百米量级。根据深空探测领域航天器的实际需求,X射线信标定位方法有望成为航天器深空探测时导航定位的重要补充。