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同步辐射技术及应用

针对无规律变化的光源光束点和手动调束费时费力问题，本文实现了基于实验物理及工业控制系统（Experimental Physics and Industrial Control System，EPICS）的同步辐射光束线智能优化调束。该系统基于差分进化算法，建立光束线智能优化模型，应用LabVIEW程序实现调束过程的自动优化。系统可以自由选择待优化的电机及其搜索范围，设置算法参数，跟踪进化进程，通过CaLab接口模块与光束线EPICS软件平台进行通信，控制电机运动。对该系统在上海光源衍射线站进行了在线测试，首次成功地在EPICS控制平台上实现了光束线的智能调束优化。测试结果表明：该智能调束系统能够较快地收敛于最优解，收敛时间大约30 min，较手动优化效率提高一个数量级以上。

针对放射性从业人员对辐射防护的需求，柔性防护材料无铅化在保障对X射线有效屏蔽的同时，亦可避免铅中毒对人体的危害。X射线不同能区的最优屏蔽材料设计，可满足工作人员在不同工作场所下对防护装置的高效和舒适性要求。本文通过理论计算与蒙特卡罗模拟相结合方法，针对不同X射线场所下的防护材料进行设计计算，结果显示：掺Bi是掺Pb的理想替代，Bi2O3可作为无铅功能填充材料的理想选择；利用不同元素在X射线低能区的强吸收作用，掺入多种元素可增强某能段的X射线吸收能力。制作无铅防护材料时，掺入Bi2O3、Gd2O3两种功能材料可有效提升复合材料对X射线的吸收效果，在54~66 keV能量区间具有最优的屏蔽性能；掺入Bi2O3、W两种功能材料的复合材料在66~100 keV能量区间，对X射线的屏蔽效果显著提升。

在正电子发射断层成像（Positron Emission Tomography，PET）的临床诊断和科研中，为了减小标准化摄取值（Standard Uptake Value, SUV）在不同受试者间的差异性，通常会以特定的参考区域为基准计算标准化摄取值比（Standard Uptake Value Ratio, SUVR）。由于PET图像无法反应脑部结构信息，从PET图像中无法准确分割出参考区域，从而影响了SUVR的准确性。本文利用一体化正电子发射断层成像/磁共振成像（Positron Emission Tomography-Magnetic Resonance Imaging，PET-MRI）同步采集年龄相近的健康志愿者的PET和MRI数据，基于准确反映脑部结构信息的MRI图像分割出参考区域，映射到对应的PET图像后再进行SUVR的计算，将其与利用PET图像分割参考区域算出的SUVR进行比较。结果显示：利用MRI分割参考区域算出的SUVR变异系数更小，离散程度更低，在相似的健康志愿者间具有更好的一致性，更好地消除了受试者间的个体差异。

核电场所产生的放射性惰性气体辐射场主要为β-γ混合场，叠层探测器具有良好的β-γ甄别能力。为了测量放射性惰性气体，研制了一套4π叠层探测器。该叠层探测器主要是由内层侧壁厚度为1 mm的中空圆柱形塑料闪烁体EJ-200，外叠加一层侧壁厚度为20 mm的碘化铯闪烁体CsI(Tl)组成的探头，两个圆柱底面用硅油耦合光电倍增管(Photomultiplier Tube，PMT)，使用意大利 CAEN 公司的 DT5790 波形数字采样器和DPP-PSD (Digital Pulse Processing-Pulse Shape Discrimination) 控制探头输出信号的获取和处理，后端使用ROOT和MATLAB软件对获取结果进行处理。通过使用133Ba和137Cs放射源对该探测器进行标定刻度，实现了β-γ信号甄别，表明该4π叠层探测器具备测量放射性惰性气体的能力。

编码孔径相机是一种定位放射性物质的设备，对丢失放射性物质的寻找以及监测具有重要的意义。为了满足编码孔径相机对核突发事故的污染区进行实时定位，并获得污染面积和污染程度等信息，采用大面积CsI(Tl)晶体阵列与光电倍增管(PhotoMultiplier Tube,PMT)阵列耦合的方式构建高灵敏度编码相机的探测器，以此提高探测效率并减少探测时间。该探测器由121根CsI(Tl)晶体构成11×11的阵列，每根晶体的尺寸为15 mm×15 mm×15 mm，通过光导与3×3的光电倍增管阵列耦合为一个探测器模块；由4个探测器模块组成2×2的阵列作为探头部件，采用自主设计的放大滤波成型以及单端转差分电路实现探测器信号的读出处理。通过测试发现，该探测器模块在662 keV的γ射线激发下，能很好地实现各个晶体条的位置分辨，且其平均能量分辨率为9.4%。测试结果表明：该探测器在位置分辨、能量分辨率、峰位一致性以及探测效率一致性等性能方面均能够满足高灵敏度编码相机成像的设计要求。

部分电子设备在使用或检测中需考虑电离辐射的综合影响，用热释光剂量计是一种测量电离辐射剂量的有效方式。荧光粉被广泛应用于电子设备中，本文尝试直接将荧光粉用作热释光剂量计。首先用高温固相反应法制作了发绿光的YGaAG:Ce(Y2.96Al3.4Ga1.6O12:0.04Ce)荧光粉，用线性升温法测量了荧光粉的热释光发光曲线和三维热释光谱；然后用热释光动力学方法拟合计算了材料中的电子陷阱相关参数，并系统测量了样品的剂量响应。拟合计算结果表明：材料中存在4种载流子陷阱，对应的激活能分别为0.83 eV、0.99 eV、1.15 eV和1.23eV，相应的频率因子分别为0.98×1010 Hz、1.28×1011 Hz、1.41×1012 Hz和1.45×1012 Hz。实测结果发现样品的发光峰温在185 oC左右；已测得磷光体在辐照剂量0.1~200 Gy内，其热释光响应具有较好的线性，且估算其热释光探测灵敏度可能小于2 mGy。研究结果表明：该磷光体可作热释光剂量计材料，适合用于检测电子设备接受的电离辐射剂量。

随着低密度天然气水合物地层的勘探越来越受重视，对密度测井的密度测量范围和精度提出了更高的要求。为了提高密度测井在低密度地层测量的精度，首先分析了密度测井传统使用的γ射线窄束衰减规律；然后结合了宽束γ射线的宽束衰减规律，推导出基于宽束γ射线的密度测井响应模型，并探讨出便于刻度的地层密度计算公式；最后利用蒙特卡罗方法模拟了低密度地层的密度测井响应，并对比分析了两种衰减规律在密度测井适用范围和精度。结果表明：在密度测井中，宽束衰减模型更好地描述了γ射线在地层的响应关系，而窄束响应关系只是宽束的一种特殊情况；基于宽束γ衰减模型提出的地层密度计算公式，使密度测井的密度测量范围扩至1.00~3.00 g?cm-3，并且在密度范围为1.00~1.60 g?cm-3的天然气水合物地层中，紧贴井壁测量，远探测器的测量密度平均误差从0.092 g?cm-3降低到0.009 g?cm-3，近探测器的测量密度平均误差从0.251 g?cm-3降低到0.029 g?cm-3，模拟测量精度有了大幅度的提升。为今后γ射线密度测井在低密度地层的精确测量提供了理论及方法基础。

高压垂直双扩散金属-氧化物半导体场效应晶体管（Vertical Double-diffused MOSFET，VDMOS）是空间广泛应用的半导体器件，由于空间环境存在电离辐射，需要开展其抗辐射能力的评估。通常采用国军标规定的常温辐照至考核剂量，再追加50%辐照剂量和168 h的高温退火评估方法，实验周期较长。为缩短实验周期，开展了VDMOS电离辐射效应快速评估方法研究，通过国军标实验方法与高温100 °C辐照结果对比发现，在较大的剂量范围内，高温辐照可以缩短测试评估时间，并较好地评估高压VDMOS器件的抗辐射能力。通过典型数字电路在高温100 °C下辐照与国军标方法对比，证明了高温辐照方法具有国军标方法的等效性，且可以节省168 h的退火时间，极大的缩短了评估周期。本方法可用于高压VDMOS器件的抗电离辐射能力的快速评估。

快堆(Fast Reactor)具有燃料利用率高、可嬗变核废料的优势，是目前较为理想的先进堆型之一。快堆广泛采用池式回路布置，因此对池式快堆（Pool-type Fast Reactor）进行安全分析具有重要意义。本文采用集总参数法建立池式快堆的一回路模型，基于MATLAB编写核热耦合程序并对其进行无保护失流事故工况的安全分析，并将计算结果与实验值及其他机构计算结果进行了对比。结果显示：集总参数法的计算结果与实验和其他机构计算值均符合较好，验证了程序的可靠性。使用该程序可对池式钠冷快堆在无保护失流事故中的堆芯行为与固有安全性做出较为准确的预估计算。

小型模块化氟盐冷却高温堆（Small Modular Fluoride-cooled High temperature Reactor，SM-FHR)具有固有安全和高温输出等特点，适合因地制宜的核能综合利用，促进能源供给模式的多样化发展。简化反应性控制是SM-FHR的设计要点之一。本文针对特定的SM-FHR设计模型，采用MOBAT燃耗程序，分析研究可燃毒物碳化硼颗粒在不同装载量、不同颗粒大小以及不同空间布置等情况下，对SM-FHR剩余反应性的影响。计算结果表明：堆芯燃料可燃毒物体积比为52、可燃毒物颗粒大小为200 μm及降低堆芯边缘组件可燃毒物装载量的方案效果较佳。该布置方案的最大剩余反应性从38 000×10-5降到2 500×10-5，寿期内最大功率峰因子为1.26，其燃耗天数有所下降，但能满足两年以上换料周期预期。研究表明该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。

火星探测近来成为空间研究的一个主流趋势。建立火星基地是人类研究和开发火星的必然选择。与太阳能储能系统相比，核反应堆作为火星基地的能源系统，在系统质量、操作灵活性和环境适应性等方面具有显著优势。给出了火星熔盐堆（Mars Molten Salt Reactor, M2SR-1）的堆芯设计方案，并建立堆芯计算模型，以MCNP (Monte Carlo N Particle Transport Code)和ORIGEN为计算工具，从物理、安全、热工等方面对M2SR-1进行了计算分析。分析结果表明：M2SR-1在满功率运行下可满足8 a的寿期要求，在不同假设掉落环境下，有效增殖因数均小于0.98，满足临界安全要求。本研究可以为星球表面熔盐堆设计提供参考。

熔盐快堆是当前国际上关注的热点之一，本文基于堆芯结构双流体方案，即裂变熔盐燃料和增殖熔盐介质各自独立冷却循环，利用氟化或氯化熔盐中钍铀重金属盐高温下的高溶解度特性，获得熔盐快堆的高增殖。通过比较钍铀燃料循环熔盐快堆的三种可行性熔盐燃料方案（LiF+ThF4+UF4、NaF+ThF4+UF4和NaCl+ ThCl3+UCl3），采用基于反应堆安全分析和设计的综合性模拟程序SCALE（Standardized Computer Analyses for Licensing Evaluation），计算 了中子能谱、反应性温度系数，分析了增殖比BR（breeding ratio）受反应堆裂变区、增殖区和ZrC中子反射层的尺寸影响、熔盐中6Li和35Cl同位素丰度的影响，以及熔盐密度误差对BR计算值的准确性影响、易裂变核素随反应堆运行时间演化等。在钍铀燃料循环熔盐快堆中，通过优化处理得到三种熔盐燃料方案的增殖比BR约为1.2。

本文提出了一种基于重叠网格的反应堆控制棒落棒行为分流域耦合仿真方法，该方法分别建立了控制棒单棒和驱动杆的二维轴对称重叠网格模型，保证控制棒和驱动杆的部件网格和背景网格能够根据落棒运动规律自适应地变化。两个流域在每个时间步长内交换流体阻力计算结果，并根据运动方程求解得到的速度来更新控制棒和驱动杆的运动状态，实现分流域耦合。本方法建模简单，通用性好，计算中考虑了驱动线流道形状的影响，且在计算时间和求解精度之间取得了良好的折中，此外，本方法在计算条件允许的情况下，还能较容易地扩展到三维模型。本文采用该方法对某反应堆控制棒驱动线的落棒行为进行了仿真，结果表明:计算结果可信。

采用2 MeV的Ne离子对Ni、Ni-Cr和Ni-Mo合金进行辐照，开展固溶元素对二元镍基合金辐照性能影响的研究。对辐照后样品进行掠入射X射线衍射(Grazing Incidence X-ray Diffraction, GIXRD)分析发现，Ni、Ni-Cr、Ni-Mo合金晶格均未发生明显的畸变，也没有明显的析出相形成。纳米压痕结果表明：离子辐照导致了Ni、Ni-Cr和Ni-Mo合金硬化，当辐照损伤达到0.5~3.0 dpa(displacement per atom)时，Ni-Cr与Ni-Mo合金出现了硬化饱和现象，而Ni的硬化并未饱和。根据Orowan模型，分析了合金辐照硬化的机理；利用Makin-Minter方程，发现Ni-Mo合金的抗辐照能力优于Ni-Cr合金，而低幂次方程显示Ni具备随辐照量增加继续硬化的趋势。