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2022年加速器技术、射线技术及应用
2022年加速器技术、射线技术及应用
  • 论文汇编
  • “在核聚变研究领域，科学家基于OMFIT平台，结合HL-2M装置参数，研究了杂质浓度变化对ECW沉积位置和电流驱动效率的影响。”

    杨光,钟翊君,龚学余,黄千红,郑平卫,王占辉

    2022, 45(12): 120201. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2022.hjs.45.120201
    摘要：本文基于OMFIT（One Modeling Framework for Integrated Tasks）平台，结合中国环流器二号M（HL-2M）托卡马克装置参数，自洽耦合等离子体平衡、外部辅助加热和电流驱动、输运等物理过程，考虑杂质浓度变化引起的等离子体密度、温度等输运量变化，以及引起的等离子体磁面中心Shafranov位移变化，从理论上进行杂质浓度变化对电子回旋波（Electron Cyclotron Wave，ECW）沉积位置和驱动电流效率的影响研究。研究结果表明，考虑杂质对等离子体的影响时，随着杂质浓度的增加，ECW沉积径向位置先向等离子体芯部移动然后向边缘移动，电流驱动效率先增加后减小。不考虑杂质对等离子体影响时，ECW沉积位置基本不变，电流驱动效率降低。  
    关键词：杂质输运;电子回旋波;HL-2M;OMFIT   
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    更新时间：2024-10-25
  • “在X射线成像领域，卤化铅钙钛矿闪烁体研究取得新进展。通过模拟实验，发现增大复合闪烁体厚度和钙钛矿量子点占比可提高探测效率，降低厚度和增加量子点占比可提高空间分辨率。20 keV X射线激发下，钙钛矿闪烁体空间分辨率可与商用CsI闪烁体相媲美，为低能X射线医疗成像提供新选择。”

    张育育,杨智,盛亮,段宝军,严维鹏,宋岩,汪敏强

    2022, 45(12): 120202. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2022.hjs.45.120202
    摘要：近年来，卤化铅钙钛矿闪烁体在X射线成像领域受到广泛关注。20~120 keV硬X射线医学成像使用闪烁体探测器，其灵敏度和成像空间分辨率是重要指标。利用Geant4模拟卤化铅钙钛矿量子点/聚合物复合闪烁体的X射线相对探测效率和成像空间分辨率，并利用次级电子运动解释能量与钙钛矿量子点占比对分辨率的影响。结果表明：增大复合闪烁体厚度和钙钛矿量子点占比可提高相对探测效率；降低厚度和增加钙钛矿量子点占比都可以提高空间分辨率；当吸收效率达到99.5%时计算得到20 keV X射线激发下钙钛矿闪烁体空间分辨率可与商用CsI闪烁体相媲美，而50 keV X射线激发下空间分辨率则有所下降。表明卤化铅钙钛矿在20 keV低能X射线医疗成像中具有一定应用潜力。  
    关键词：钙钛矿;X射线闪烁体;GEANT4;相对探测效率;空间分辨率   
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    更新时间：2024-10-25
  • “在稀有事例实验领域，专家通过高温高真空冶炼技术，成功去除放射性核素，为探测器创造低本底环境。”

    张涛,韩柯,刘江来,孟月,姚玉坤,王思广,李渤渤,刘茵琪,裴腾

    2022, 45(11): 110201. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2022.hjs.45.110201
    摘要：以暗物质、无中微子双β衰变探测为代表的稀有事例实验所期望的信号极其稀少与微弱，从而对探测器所用材料的放射性本底要求十分苛刻。低本底控制是此类实验的核心工作之一。238U、232Th衰变链前端的226Ra和228Ra具有低沸点高蒸气压的特点，去除226Ra与228Ra就可以截断238U衰变链，或者在一定时间内控制232Th衰变链后端活度，从而降低对稀有事例实验有明显负面影响的核素含量，为探测器运行创造低本底环境。比较不同的冶炼设备，发现高温、高真空环境有助于K、Cs、Ra、Pb、Po、Rn等低沸点高蒸气压放射性杂质的挥发，冶炼试验结果说明，高温高真空冶炼有去除放射性核素的迹象。在真空电子束炉中冶炼的纯钛，232Th-228Ac可小于1.26 mBq∙kg-1，238U-222Rn可小于0.55 mBq∙kg-1，性能较为稳定，可用于下一代PandaX探测器。  
    关键词：低本底;稀有事例实验;暗物质;无中微子双β衰变;真空冶炼   
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    更新时间：2024-10-25
  • “在空间辐射环境下，850 nm VCSEL的退化规律与机理被深入研究，为理解其辐射损伤机制提供重要参考。”

    陈加伟,李豫东,玛丽娅·黑尼,郭旗,刘希言

    2022, 45(11): 110202. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2022.hjs.45.110202
    摘要：为了探究850 nm垂直腔面发射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL）在空间辐射环境中的退化规律与机理，开展了3 MeV和10 MeV质子辐照实验，获得了光输出功率和阈值电流等参数随质子注量的退化规律，同时发现光输出功率和阈值电流在相同位移损伤剂量（Displacement Damage Dose，DDD）下的退化程度基本一致。在实验的基础上使用Silvaco软件进行建模与仿真计算，结果与实验结果具有较高一致性，在仿真模型中提取了陷阱密度、施主与受主电离密度、镜面损失、辐射复合速率和光子数等微观参数，在实验规律基础上深入探究了参数退化规律与辐射损伤机制。仿真结果发现这些微观参数随质子注量增加均有不同程度的变化。该结果对于进一步深入理解VCSEL退化机制具有重要意义的参考价值。  
    关键词：垂直腔面发射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL）;辐射效应;位移损伤效应;Silvaco   
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    更新时间：2024-10-25
  • “在无损测量领域，研究人员提出了一种基于多编码版准直器的PGAI成像方法，利用MLEM算法对氯元素空间分布进行测量分析，为现场应用提供解决方案。”

    贾文宝,陈奕泽,黑大千,赵冬,程璨

    2022, 45(10): 100201. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2022.hjs.45.100201
    摘要：瞬发γ射线活化成像（Prompt Gamma-ray Activation Image，PGAI）技术可对大体积样品内部元素分布进行无损测量，具有广阔的应用前景。目前，PGAI测量平台主要集中在能够提供高中子通量的反应堆中子源上，限制了该技术的现场应用，基于中子发生器和同位素中子源的PGAI技术可用于现场测量，但其较低的中子通量使得测量图像分辨率差。针对此问题，提出一种基于多编码版准直器的PGAI成像方法，采用36块编码准直板和最大似然期望最大化（Maximum Likelihood Expectation Maximization，MLEM）算法对板状样品中的氯（Cl）元素空间分布进行测量分析，编码板的开孔大小为1 cm×1 cm。利用蒙特卡罗程序MCNP对6 cm×6 cm×1 cm（长×宽×厚）样品进行了模拟实验，结果显示：重建图像与原图像的相对偏差为0.065 8，结构相似性（Structural Similarity，SSIM）为0.952 1；表明利用该方法可以对Cl元素的分布进行测量，重建图像与设置的样品图像吻合。  
    关键词：元素成像;瞬发γ射线活化成像;编码板准直器;蒙特卡罗模拟   
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    更新时间：2024-10-25
  • “在核燃料领域，多弧离子镀制备的Cr涂层Zr-4合金展现出优异的抗高温氧化性能，为提高核燃料安全性提供新思路。”

    雷明,肖魏魏,黄景昊

    2022, 45(10): 100202. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2022.hjs.45.100202
    摘要：2011年的福岛核事故暴露出锆合金包壳抗高温氧化性能的不足。为此，国际核燃料领域提出了耐事故燃料这一概念。Cr涂层锆合金包壳作为耐事故燃料包壳近期可商用的技术途径得到了广泛关注。本文旨在研究Cr涂层Zr-4合金在不同温度下的高温氧化行为，采用多弧离子镀技术制备Cr涂层Zr-4合金样品，并在800⁓1 200 ℃空气气氛中氧化4 h，采用扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）、能量色散谱仪（Energy Dispersive Spectrometer，EDS）、电子背散射衍射（Electron Backscatter Diffraction，EBSD）和掠射角X射线衍射仪（X-ray diffractometer，XRD）表征Cr涂层Zr-4合金样品在高温氧化前后的微观结构、物相等。氧化温度对Cr涂层Zr-4合金的微观组织结构、物相、Cr-Zr扩散层厚度以及氧化增重的影响分析结果显示：多弧离子镀制备的Cr涂层Zr-4合金样品表面存在大量尺寸不等的滴液，Cr涂层呈柱状晶形态生长，且沿着（110）晶面择优生长。在800⁓1 100 ℃高温氧化4 h后，样品表面出现不同程度的氧化，但涂层内部依然残留有未被氧化的Cr涂层，样品表面和截面没有出现微观裂纹，Cr-Zr扩散层的厚度随着氧化温度的增加呈线性规律增长，氧化增重增加缓慢。而1 200 ℃高温氧化4 h后，样品表面Cr涂层全部被氧化，表面和截面出现大量宏观裂纹，且Cr-Zr扩散层的厚度和氧化增重急剧增大。因此，采用多弧离子镀制备的Cr涂层Zr-4合金在800⁓1 100 ℃下表现出良好的抗高温性能，而在1 200 ℃发生了加速氧化现象。  
    关键词：Cr涂层Zr-4合金;多弧离子镀;高温氧化;Cr-Zr扩散;氧化增重   
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    更新时间：2024-10-25
  • “在加速器领域，专家设计了故障分析系统，实现了高精度时间数据获取，为故障诊断提供解决方案。”

    程司农,张昭,朱鹏,刘智,王林,徐广磊,张玉亮,雷革

    2022, 45(10): 100203. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2022.hjs.45.100203
    摘要：高性能的加速器对运行的可靠性和稳定性提出了更高的要求，而加速器庞大的设备数量、极高的设备精度及性能导致对外部干扰非常敏感。为实现加速器长期、高效、可靠的运行，故障快速定位、诊断和恢复对现代加速器控制系统至关重要。目前，在加速器运行过程中，常规保存的历史数据可以判断和处理大部分一般故障。但对于类似高频、束测元件等快电子学引发的瞬态故障，由于常规方式保存的历史数据时间粒度不够，导致无法对这类快速故障过程进行有效分析。因此，有必要通过技术手段完整地记录故障发生时刻前后一段时间设备的状态及参数，保存高真实的现场“快照”。本文设计了一种基于高时间相关性和高时间分辨率的加速器故障分析系统，并进行了样机实现。该样机基于事件定时系统实现了同步精度好于16 ns的全局时间戳，采用同步触发的方式进行数据获取，并利用EPICS 7的规范类型进行数据组装和发布。样机实验结果表明，利用获取到的高精度时间数据，可区分不同设备发生故障的先后顺序，验证了故障分析系统的可行性。  
    关键词：故障分析;高精度时间戳;数据获取;EPICS 7;事件定时   
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    更新时间：2024-10-25
  • “在核燃料元件基体石墨辐照研究中，通过慢正电子束和纳米压痕技术，揭示了Xe离子辐照对石墨微观缺陷和宏观力学性能的影响，为核燃料元件性能优化提供重要参考。”

    许红霞,林俊,朱智勇,刘建党,谷冰川,叶邦角

    2022, 45(10): 100204. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2022.hjs.45.100204
    摘要：室温下采用能量为1 MeV、剂量分别为5.8×1014 ions·cm-2和2.9×1015 ions·cm-2的Xe离子对核燃料元件基体石墨进行了辐照试验，用慢正电子束和纳米压痕研究了离子辐照对基体石墨微观缺陷和宏观力学性能产生的影响，根据正电子湮没S参数随正电子入射能量E的变化曲线，获得了辐照缺陷随深度和剂量的变化规律，并与SRIM（Stopping and Range of Ions in Matter）软件模拟的辐照损伤和注入离子随深度的分布进行了对比。慢正电子束测试结果表明：Xe离子辐照在燃料元件基体内引入一个深度约为600 nm的损伤层，且缺陷浓度峰值出现在离表面250~350 nm的深度范围内。S参数在辐照样品损伤层的显著增加表明，辐照引入了高浓度的空位型缺陷，且随着辐照剂量的增加，损伤层内空位型缺陷的浓度或尺寸明显增大。纳米压痕结果表明：在辐照后的样品内出现了明显的硬化现象，原因是辐照引起的高浓度空位型缺陷所致，与慢正电子束的分析结果一致。  
    关键词：慢正电子束;缺陷;辐照;燃料元件;石墨   
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    更新时间：2024-10-25
  • “在材料科学领域，研究人员开发了核孔膜表面重孔分布分析程序，通过计算机模拟计算关键产品参数，为优化工艺参数提供辅助工具。”

    傅楗强

    2022, 45(9): 090201. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2022.hjs.45.090201
    摘要：核孔膜的孔隙率和重孔率是表征其过滤性能的重要参数。通过计算机模拟可计算不同孔隙率下核孔膜表面的单孔、双重孔、多重孔出现概率的分布，以及重孔面积的概率分布情况。基于蒙特卡罗方法开发了核孔膜表面重孔分布分析程序，将模拟计算结果与理论推导结果、核孔膜样本扫描电子显微镜观测结果进行比对，验证了模拟分析程序的可靠性。研究表明：重孔率和孔隙率这两个产品参数满足一定的函数关系，且呈正相关关系，在生产中不能独立控制。随孔隙率的增加，核孔膜表面单孔出现的概率单调递减，而多重孔出现的概率不断增加。当孔隙率为10%时，孔重叠率接近35%；而当孔隙率增加到30%时，孔重叠率达到80%。该模拟分析程序可分析计算孔隙率、连孔率等关键产品参数，可作为核孔膜生产中优化工艺参数的辅助工具。  
    关键词：核孔膜;蒙特卡罗模拟;孔隙率;重孔   
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    更新时间：2024-10-25
  • “在核探测领域，专家利用MCNP5模拟计算点源探测效率，为探测器效率刻度提供参考。”

    叶二雷,南宏杰,沈春霞,许丰,史丽生

    2022, 45(9): 090202. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2022.hjs.45.090202
    摘要：点源与探测器相对位置发生变化时，探测效率会发生很大变化，确定探测效率随探测距、角度变化的函数关系有利于快速得到点源在任意位置处的探测效率。利用蒙特卡罗软件MCNP5模拟计算了152Eu、137Cs、60Co点源在特定位置处的探测效率，与实验结果相比，最大误差不超过6%。基于MCNP5对3.81 cm LaBr3（Ce）探测器做效率刻度，并计算了点源在探测器正面2π空间范围内不同位置处的探测效率，拟合了探测效率与角度和距离的函数关系。结果表明：点源探测效率最大值出现在与探测器轴线夹角90°处，随着探测距离和能量的增大，角度对点源探测效率的影响逐渐减小；空间位置对探测效率的影响实际上是对点源相对于探测器的空间立体角效率。基于效率函数可计算出特定能量γ射线在空间任意位置处的探测效率，对LaBr3（Ce）探测器效率矩阵的求解及效率刻度具有一定的参考价值和指导意义。  
    关键词：LaBr3（Ce）探测器;效率刻度;点源效率函数   
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    更新时间：2024-10-25
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