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同步輻射技術及應用

針對無規(guī)律變化的光源光束點和手動調(diào)束費時費力問題，本文實現(xiàn)了基于實驗物理及工業(yè)控制系統(tǒng)（Experimental Physics and Industrial Control System，EPICS）的同步輻射光束線智能優(yōu)化調(diào)束。該系統(tǒng)基于差分進化算法，建立光束線智能優(yōu)化模型，應用LabVIEW程序?qū)崿F(xiàn)調(diào)束過程的自動優(yōu)化。系統(tǒng)可以自由選擇待優(yōu)化的電機及其搜索范圍，設置算法參數(shù)，跟蹤進化進程，通過CaLab接口模塊與光束線EPICS軟件平臺進行通信，控制電機運動。對該系統(tǒng)在上海光源衍射線站進行了在線測試，首次成功地在EPICS控制平臺上實現(xiàn)了光束線的智能調(diào)束優(yōu)化。測試結果表明：該智能調(diào)束系統(tǒng)能夠較快地收斂于最優(yōu)解，收斂時間大約30 min，較手動優(yōu)化效率提高一個數(shù)量級以上。

針對放射性從業(yè)人員對輻射防護的需求，柔性防護材料無鉛化在保障對X射線有效屏蔽的同時，亦可避免鉛中毒對人體的危害。X射線不同能區(qū)的最優(yōu)屏蔽材料設計，可滿足工作人員在不同工作場所下對防護裝置的高效和舒適性要求。本文通過理論計算與蒙特卡羅模擬相結合方法，針對不同X射線場所下的防護材料進行設計計算，結果顯示：摻Bi是摻Pb的理想替代，Bi2O3可作為無鉛功能填充材料的理想選擇；利用不同元素在X射線低能區(qū)的強吸收作用，摻入多種元素可增強某能段的X射線吸收能力。制作無鉛防護材料時，摻入Bi2O3、Gd2O3兩種功能材料可有效提升復合材料對X射線的吸收效果，在54~66 keV能量區(qū)間具有最優(yōu)的屏蔽性能；摻入Bi2O3、W兩種功能材料的復合材料在66~100 keV能量區(qū)間，對X射線的屏蔽效果顯著提升。

在正電子發(fā)射斷層成像（Positron Emission Tomography，PET）的臨床診斷和科研中，為了減小標準化攝取值（Standard Uptake Value, SUV）在不同受試者間的差異性，通常會以特定的參考區(qū)域為基準計算標準化攝取值比（Standard Uptake Value Ratio, SUVR）。由于PET圖像無法反應腦部結構信息，從PET圖像中無法準確分割出參考區(qū)域，從而影響了SUVR的準確性。本文利用一體化正電子發(fā)射斷層成像/磁共振成像（Positron Emission Tomography-Magnetic Resonance Imaging，PET-MRI）同步采集年齡相近的健康志愿者的PET和MRI數(shù)據(jù)，基于準確反映腦部結構信息的MRI圖像分割出參考區(qū)域，映射到對應的PET圖像后再進行SUVR的計算，將其與利用PET圖像分割參考區(qū)域算出的SUVR進行比較。結果顯示：利用MRI分割參考區(qū)域算出的SUVR變異系數(shù)更小，離散程度更低，在相似的健康志愿者間具有更好的一致性，更好地消除了受試者間的個體差異。

核電場所產(chǎn)生的放射性惰性氣體輻射場主要為β-γ混合場，疊層探測器具有良好的β-γ甄別能力。為了測量放射性惰性氣體，研制了一套4π疊層探測器。該疊層探測器主要是由內(nèi)層側(cè)壁厚度為1 mm的中空圓柱形塑料閃爍體EJ-200，外疊加一層側(cè)壁厚度為20 mm的碘化銫閃爍體CsI(Tl)組成的探頭，兩個圓柱底面用硅油耦合光電倍增管(Photomultiplier Tube，PMT)，使用意大利 CAEN 公司的 DT5790 波形數(shù)字采樣器和DPP-PSD (Digital Pulse Processing-Pulse Shape Discrimination) 控制探頭輸出信號的獲取和處理，后端使用ROOT和MATLAB軟件對獲取結果進行處理。通過使用133Ba和137Cs放射源對該探測器進行標定刻度，實現(xiàn)了β-γ信號甄別，表明該4π疊層探測器具備測量放射性惰性氣體的能力。

編碼孔徑相機是一種定位放射性物質(zhì)的設備，對丟失放射性物質(zhì)的尋找以及監(jiān)測具有重要的意義。為了滿足編碼孔徑相機對核突發(fā)事故的污染區(qū)進行實時定位，并獲得污染面積和污染程度等信息，采用大面積CsI(Tl)晶體陣列與光電倍增管(PhotoMultiplier Tube,PMT)陣列耦合的方式構建高靈敏度編碼相機的探測器，以此提高探測效率并減少探測時間。該探測器由121根CsI(Tl)晶體構成11×11的陣列，每根晶體的尺寸為15 mm×15 mm×15 mm，通過光導與3×3的光電倍增管陣列耦合為一個探測器模塊；由4個探測器模塊組成2×2的陣列作為探頭部件，采用自主設計的放大濾波成型以及單端轉(zhuǎn)差分電路實現(xiàn)探測器信號的讀出處理。通過測試發(fā)現(xiàn)，該探測器模塊在662 keV的γ射線激發(fā)下，能很好地實現(xiàn)各個晶體條的位置分辨，且其平均能量分辨率為9.4%。測試結果表明：該探測器在位置分辨、能量分辨率、峰位一致性以及探測效率一致性等性能方面均能夠滿足高靈敏度編碼相機成像的設計要求。

部分電子設備在使用或檢測中需考慮電離輻射的綜合影響，用熱釋光劑量計是一種測量電離輻射劑量的有效方式。熒光粉被廣泛應用于電子設備中，本文嘗試直接將熒光粉用作熱釋光劑量計。首先用高溫固相反應法制作了發(fā)綠光的YGaAG:Ce(Y2.96Al3.4Ga1.6O12:0.04Ce)熒光粉，用線性升溫法測量了熒光粉的熱釋光發(fā)光曲線和三維熱釋光譜；然后用熱釋光動力學方法擬合計算了材料中的電子陷阱相關參數(shù)，并系統(tǒng)測量了樣品的劑量響應。擬合計算結果表明：材料中存在4種載流子陷阱，對應的激活能分別為0.83 eV、0.99 eV、1.15 eV和1.23eV，相應的頻率因子分別為0.98×1010 Hz、1.28×1011 Hz、1.41×1012 Hz和1.45×1012 Hz。實測結果發(fā)現(xiàn)樣品的發(fā)光峰溫在185 oC左右；已測得磷光體在輻照劑量0.1~200 Gy內(nèi)，其熱釋光響應具有較好的線性，且估算其熱釋光探測靈敏度可能小于2 mGy。研究結果表明：該磷光體可作熱釋光劑量計材料，適合用于檢測電子設備接受的電離輻射劑量。

隨著低密度天然氣水合物地層的勘探越來越受重視，對密度測井的密度測量范圍和精度提出了更高的要求。為了提高密度測井在低密度地層測量的精度，首先分析了密度測井傳統(tǒng)使用的γ射線窄束衰減規(guī)律；然后結合了寬束γ射線的寬束衰減規(guī)律，推導出基于寬束γ射線的密度測井響應模型，并探討出便于刻度的地層密度計算公式；最后利用蒙特卡羅方法模擬了低密度地層的密度測井響應，并對比分析了兩種衰減規(guī)律在密度測井適用范圍和精度。結果表明：在密度測井中，寬束衰減模型更好地描述了γ射線在地層的響應關系，而窄束響應關系只是寬束的一種特殊情況；基于寬束γ衰減模型提出的地層密度計算公式，使密度測井的密度測量范圍擴至1.00~3.00 g?cm-3，并且在密度范圍為1.00~1.60 g?cm-3的天然氣水合物地層中，緊貼井壁測量，遠探測器的測量密度平均誤差從0.092 g?cm-3降低到0.009 g?cm-3，近探測器的測量密度平均誤差從0.251 g?cm-3降低到0.029 g?cm-3，模擬測量精度有了大幅度的提升。為今后γ射線密度測井在低密度地層的精確測量提供了理論及方法基礎。

高壓垂直雙擴散金屬-氧化物半導體場效應晶體管（Vertical Double-diffused MOSFET，VDMOS）是空間廣泛應用的半導體器件，由于空間環(huán)境存在電離輻射，需要開展其抗輻射能力的評估。通常采用國軍標規(guī)定的常溫輻照至考核劑量，再追加50%輻照劑量和168 h的高溫退火評估方法，實驗周期較長。為縮短實驗周期，開展了VDMOS電離輻射效應快速評估方法研究，通過國軍標實驗方法與高溫100 °C輻照結果對比發(fā)現(xiàn)，在較大的劑量范圍內(nèi)，高溫輻照可以縮短測試評估時間，并較好地評估高壓VDMOS器件的抗輻射能力。通過典型數(shù)字電路在高溫100 °C下輻照與國軍標方法對比，證明了高溫輻照方法具有國軍標方法的等效性，且可以節(jié)省168 h的退火時間，極大的縮短了評估周期。本方法可用于高壓VDMOS器件的抗電離輻射能力的快速評估。

快堆(Fast Reactor)具有燃料利用率高、可嬗變核廢料的優(yōu)勢，是目前較為理想的先進堆型之一。快堆廣泛采用池式回路布置，因此對池式快堆（Pool-type Fast Reactor）進行安全分析具有重要意義。本文采用集總參數(shù)法建立池式快堆的一回路模型，基于MATLAB編寫核熱耦合程序并對其進行無保護失流事故工況的安全分析，并將計算結果與實驗值及其他機構計算結果進行了對比。結果顯示：集總參數(shù)法的計算結果與實驗和其他機構計算值均符合較好，驗證了程序的可靠性。使用該程序可對池式鈉冷快堆在無保護失流事故中的堆芯行為與固有安全性做出較為準確的預估計算。

小型模塊化氟鹽冷卻高溫堆（Small Modular Fluoride-cooled High temperature Reactor，SM-FHR)具有固有安全和高溫輸出等特點，適合因地制宜的核能綜合利用，促進能源供給模式的多樣化發(fā)展。簡化反應性控制是SM-FHR的設計要點之一。本文針對特定的SM-FHR設計模型，采用MOBAT燃耗程序，分析研究可燃毒物碳化硼顆粒在不同裝載量、不同顆粒大小以及不同空間布置等情況下，對SM-FHR剩余反應性的影響。計算結果表明：堆芯燃料可燃毒物體積比為52、可燃毒物顆粒大小為200 μm及降低堆芯邊緣組件可燃毒物裝載量的方案效果較佳。該布置方案的最大剩余反應性從38 000×10-5降到2 500×10-5，壽期內(nèi)最大功率峰因子為1.26，其燃耗天數(shù)有所下降，但能滿足兩年以上換料周期預期。研究表明該可燃毒物布置方案展平了堆芯燃耗深度和功率分布，有利于提高堆芯安全性。

火星探測近來成為空間研究的一個主流趨勢。建立火星基地是人類研究和開發(fā)火星的必然選擇。與太陽能儲能系統(tǒng)相比，核反應堆作為火星基地的能源系統(tǒng)，在系統(tǒng)質(zhì)量、操作靈活性和環(huán)境適應性等方面具有顯著優(yōu)勢。給出了火星熔鹽堆（Mars Molten Salt Reactor, M2SR-1）的堆芯設計方案，并建立堆芯計算模型，以MCNP (Monte Carlo N Particle Transport Code)和ORIGEN為計算工具，從物理、安全、熱工等方面對M2SR-1進行了計算分析。分析結果表明：M2SR-1在滿功率運行下可滿足8 a的壽期要求，在不同假設掉落環(huán)境下，有效增殖因數(shù)均小于0.98，滿足臨界安全要求。本研究可以為星球表面熔鹽堆設計提供參考。

熔鹽快堆是當前國際上關注的熱點之一，本文基于堆芯結構雙流體方案，即裂變?nèi)埯}燃料和增殖熔鹽介質(zhì)各自獨立冷卻循環(huán)，利用氟化或氯化熔鹽中釷鈾重金屬鹽高溫下的高溶解度特性，獲得熔鹽快堆的高增殖。通過比較釷鈾燃料循環(huán)熔鹽快堆的三種可行性熔鹽燃料方案（LiF+ThF4+UF4、NaF+ThF4+UF4和NaCl+ ThCl3+UCl3），采用基于反應堆安全分析和設計的綜合性模擬程序SCALE（Standardized Computer Analyses for Licensing Evaluation），計算 了中子能譜、反應性溫度系數(shù)，分析了增殖比BR（breeding ratio）受反應堆裂變區(qū)、增殖區(qū)和ZrC中子反射層的尺寸影響、熔鹽中6Li和35Cl同位素豐度的影響，以及熔鹽密度誤差對BR計算值的準確性影響、易裂變核素隨反應堆運行時間演化等。在釷鈾燃料循環(huán)熔鹽快堆中，通過優(yōu)化處理得到三種熔鹽燃料方案的增殖比BR約為1.2。

本文提出了一種基于重疊網(wǎng)格的反應堆控制棒落棒行為分流域耦合仿真方法，該方法分別建立了控制棒單棒和驅(qū)動桿的二維軸對稱重疊網(wǎng)格模型，保證控制棒和驅(qū)動桿的部件網(wǎng)格和背景網(wǎng)格能夠根據(jù)落棒運動規(guī)律自適應地變化。兩個流域在每個時間步長內(nèi)交換流體阻力計算結果，并根據(jù)運動方程求解得到的速度來更新控制棒和驅(qū)動桿的運動狀態(tài)，實現(xiàn)分流域耦合。本方法建模簡單，通用性好，計算中考慮了驅(qū)動線流道形狀的影響，且在計算時間和求解精度之間取得了良好的折中，此外，本方法在計算條件允許的情況下，還能較容易地擴展到三維模型。本文采用該方法對某反應堆控制棒驅(qū)動線的落棒行為進行了仿真，結果表明:計算結果可信。

采用2 MeV的Ne離子對Ni、Ni-Cr和Ni-Mo合金進行輻照，開展固溶元素對二元鎳基合金輻照性能影響的研究。對輻照后樣品進行掠入射X射線衍射(Grazing Incidence X-ray Diffraction, GIXRD)分析發(fā)現(xiàn)，Ni、Ni-Cr、Ni-Mo合金晶格均未發(fā)生明顯的畸變，也沒有明顯的析出相形成。納米壓痕結果表明：離子輻照導致了Ni、Ni-Cr和Ni-Mo合金硬化，當輻照損傷達到0.5~3.0 dpa(displacement per atom)時，Ni-Cr與Ni-Mo合金出現(xiàn)了硬化飽和現(xiàn)象，而Ni的硬化并未飽和。根據(jù)Orowan模型，分析了合金輻照硬化的機理；利用Makin-Minter方程，發(fā)現(xiàn)Ni-Mo合金的抗輻照能力優(yōu)于Ni-Cr合金，而低冪次方程顯示Ni具備隨輻照量增加繼續(xù)硬化的趨勢。