六维相空间物理模型及其动力学方程的适用范围

在分析脉冲束运动规律的基础上,详细讨论了六维相空间动力学理论中的靶测量模型和瞬态分布模型。分别根据这两种物理模型,在直角坐标系和平面曲线坐标系中导出了严格的六维相空间动力学方程组,以及在不同模型与不同坐标情况下的力的表达式。在此基础上分析了K.L.BROWN理论所遵循的模型及相应的动力学方程。最后讨论了两种模型的特点和适用范围,认为靶测量模型理论由于其纵坐标直接选取了时间,并且自变量是与时间无关,它描述的不是脉冲束的瞬态,而是所有粒子到达靶上的状态,可以直接给出脉冲束的时间特性,是描述脉冲束的最好模型。但是当考虑空间电荷效应时,显然靶测量模型不如瞬态分布模型方便。     

脉冲束在三维均匀倾斜场中的传输

本文通过求解六维相空间里的粒子相点运动方程式,给出了脉冲束中任意粒子在三维均匀倾斜场中的非线性传输方程,并通过相对于中心粒子展开,给出了相对运动的线性传输方程及脉冲束的一阶六维传输矩阵,并进而概括地讨论了脉冲束团的传输。从而,完善了静电均匀场的传输理论。     

离子束ns脉冲测量用可变栅距同轴靶

本文讨论了影响同轴靶响应的诸因素以及在离子束ns脉冲测量用同轴靶的设计中的主要问题。在此基础上制成了一个具有可变栅距结构的同轴靶。该靶适用于速度在宽范围内变化的各种离子,曾成功地用于测量β=v/c值低至6.5×10~(-4)的Ar~(+)束脉冲。该靶同轴结构的上升时间约为0.2 ns,曾用其观测到半高宽约为1ns的质子束脉冲。     

高亮度电子束相空间重建技术的实验研究

束团相空间是描述加速器中束流运行状态的重要参数,了解相空间的真实分布对于加速器设计、束团操纵具有非常重要的意义,利用相空间重建技术能够直观地得到束团二维相空间分布。本文结合计算机断层扫描技术(Computer Tomography,CT)与归一化相空间理论,在理论推导和模拟验证的基础上,分别利用MENT(Maximum Entropy)算法和FBP(Filtered Back Projection)算法在上海X射线自由电子激光装置(Shanghai Soft X-ray Free Electron Laser facility,SXFEL)专用束测段(BI1)对电子束团的横向归一化相空间进行重建。通过重建算法变换得到电子束团的真实相空间分布,并对重建结果进行对比和误差分析。实验结果表明,MENT算法能够精确测量电子束团横向相空间分布。     

瞬态中子输运计算程序的研制

开发编制了基于输运理论的瞬态中子动力学程序DOT4-T.该程序是在二维稳态离散纵标程序DOT4.2基础上开发的,对瞬态中子输运方程中的时间变量直接应用无条件稳定的隐式离散格式.为验证该程序的正确性,对一些一维和二维瞬态基准问题进行了校核计算,其结果与基准题吻合良好.     

强流束晕-混沌的滑动模控制方法

本工作在以往工作的基础上,通过进一步理论分析,提出了一种滑动模控制的新方法,可实现对强流质子束的束晕-混沌的控制。该法可简单地把束晕-混沌行为看作为质子两种运动状态之间来回不断地进行动力学行为开与关的切换过程。这两种运动的结合导致了相空间的混沌运动(图1)。 为此,导出等价的控制器     

周期性聚焦系统中束晕形成的模拟研究

运用ＰＩＣ多粒子模拟方法，讨论了周期性聚焦系统中束晕形成的机制。为了真实，自洽地描述束晕的形成，假定相空间的初始粒子分布分别满足水袋型，抛物线型以及高斯型等相空间分布。通过数值模拟计算，得到了束晕强度，发射度增长随失配因子及调谐衰减变化等一系列结果。     

强流脉冲束在轴对称静电场中传输的自洽计算

为计算强流脉冲束在轴对称静电场六维相空间中的传输，设计了一个计算程序。此程序可以计算由漂浮空间、三圆单筒透镜、三膜片单透镜、双圆筒透镜、静电加速管组成的离子光学系统。为了得到强流束传输的自治解，程序采用了迭代过程。用此程序计算了300kV强流脉冲束加速器的光路，所得结果合理。     

预脉冲对超短激光与薄膜靶相互作用加速产生质子的影响

采用波长为744 nm、聚焦功率密度为6×10¹⁶W/cm²的超短激光分别与两种不同厚度的铝薄膜靶相互作用,根据鞘层加速机制在靶后法线方向测量质子束角分布和能谱随靶厚度的变化,研究了预脉冲对质子加速的影响。随着薄膜靶厚度的降低,质子计数迅速增加,但当薄膜靶厚度太薄时,激光预脉冲形成的预等离子体影响了薄膜靶的面型,导致质子横向发散角迅速增加,而薄膜靶面型的破坏减少了激光与等离子体相互作用过程中的电子回流,从而降低了超热电子的产生和鞘层加速电场的维持,影响了质子的加速能谱。因此,超短脉冲激光与薄膜靶相互作用加速产生质子束,应尽量降低预脉冲,不能采用太薄的薄膜靶,以避免预等离子体影响薄膜靶的面型,导致质子的能量降低、发散角增大。     

强流脉冲质子束轰击19F靶产生6-7MeV准单能脉冲γ射线初步实验研究

给出了利用PIN半导体探测器和ST401塑料闪烁体配合光电倍增管测量的强流脉冲质子束轰击含^19F核素的靶产生的6—7MeV准单能脉冲γ射线的初步实验结果。理论上计算了质子束轰击C2F4靶产生的准单能脉冲γ射线产额和核反应截面随入射质子能量的变化曲线，提出了采用质子束传输法分离和降低轫致辐射干扰的方法，利用ST401配合光电倍增管和PIN半导体探测器测量了质子传输不同距离后轰击C2F4靶产生的6—7MeV准单能脉冲γ射线谱以及相对于轫致辐射的时间延迟数据，并根据飞行时间确定了束流峰值时刻的质子能量，还通过实验验证了Cu、Cr和不锈钢靶及其中所含的杂质不能产生明显的其它能量的γ射线干扰。     

低能电磁扫描IMRT光子注量分布M-C模拟

电磁扫描调强是用电子笔束轰击离散分布的靶点,产生脉冲化X线光子束,是实现调强放疗的技术方案之一。本文主要是考察当电子加速能量为低中能时,从可产生的光子注量分布的角度,来探讨低能电磁扫描调强技术的可行性。通过Monte Carlo模拟,计算了不同能量的电子笔束轰击靶材料产生的光子笔束注量分布,以确定较优的靶材料及其几何结构。然后计算不同靶点密度下的光子注量分布,确定合适的入射靶点间隔。最后,以两种常规放射治疗最常用的注量分布为例,通过最优化电子笔束强度来获得所要的注量分布。模拟结果表明,通过选用合适的靶材料结构,结合对电子轰击靶点的强度的最优化,可以实现临床要求的常规光子注量分布。     

双漂移谐波聚束器的物理设计

为了满足北京放射性核束装置计划中超导直线助能器对ＨＩ－１３串列加速器束流脉冲化系统的要求，同时兼顾目前快中子飞行时间测量实验的需要，进行了双漂移谐波聚束器的物理设计。聚束器基频为６ＭＨｚ，可以对质子、氘直至铯等所有离子束进行脉冲聚束，束流利用效率可达５０％—６０％，质子等轻离子脉冲束的脉冲时间宽度小于１ｎｓ。设计中分析了串列加速器束流传输系统中影响脉冲束流性能的各主要因素，通过束流纵向相空间的传输模拟计算，获得了满意的结果。     

偏转磁铁的六维传输矩阵

本文给出在实空间为平面曲线坐标和相空间为六维循环坐标的情况下,离子束团在静磁光学元件的六维相点运动方程组,从此方程出发导出了偏转磁铁的六维线性传输矩阵,并进而给出了由于横向对纵向的耦合效应所引起的脉冲宽度修正公式。     

加速器驱动次临界系统束流瞬态分析模型的开发

加速器驱动次临界系统利用散裂反应产生外源中子驱动次临界堆运行,具有次临界固有安全性,同时具备能谱硬、嬗变能力强等特点,被国际公认为核废料处理的最有效手段。ADS系统中外中子源由质子束流轰击散裂靶产生,束流的瞬态变化将直接引起次临界堆堆芯功率的波动,从而影响整个ADS系统的安全运行。本文在调研分析国际现有的ADS束流瞬态分析模型的基础上,提出一种新型的ADS束流瞬态分析模型。基于通用CFD程序FLUENT,通过用户自定义功能(UDF)将中子动力学模型(PKM)和燃料棒瞬态热分析模型(PTM)集成进入FLUENT软件中,完成FLUENT-ADS束流瞬态分析模型开发。采用OECD/NEA发布的ADS失束事故国际基准例题进行模型验证,关键校验参数与发布结果吻合较好,最大计算误差为5. 2%,与国际同类功能的计算程序相当,模型具有一定的可信度,可满足ADS束流瞬态特性初步分析研究要求。     

低强度脉冲中子束的数字式n/γ分辨测量

针对低强度脉冲中子束测量,使用高速数字示波器作为数据采集设备,配合BC501A液体闪烁体探测器组建了数字式脉冲形状甄别(Digital Pulse Shape Discrimination,DPSD)测量系统,实现了中子的n/γ分辨测量。系统工作时采集并存储探测器输出的中子与γ射线的脉冲波形及其记录时刻,利用DPSD方法甄别中子实现了中子脉冲高度谱统计;系统具有连续记录和具备时间戳的采集窗记录两种工作方式以适应不同的脉冲中子束强度,并通过分析数据记录中脉冲波形的位置或时间戳,实现了中子事件的时间信息统计。使用该系统在Am-Be中子源上使用采集窗工作模式开展了实验,成功获得中子脉冲幅度谱、中子时间谱以及n/γ甄别谱。     

反射层对铀氢锆反应堆脉冲行为的影响研究

对于反射层价值相对较大的小型铀氢锆反应堆,反射层对脉冲动力学行为产生的影响不应忽略。为描述该影响,基于Cohn两点动力学模型建立了严格区分堆芯中子和反射层中子的两点脉冲模型,结合具体算例与单点脉冲模型和采用瞬发中子有效寿命修正的单点脉冲模型进行比较。3种模型中单点脉冲模型仅适用于反射层极薄的特殊情况,其结果在大多数情况下与另两种模型有显著差异;修正的单点脉冲模型的结果在大多数情况下接近两点脉冲模型,但由于未考虑堆芯中子和反射层中子随时间变化的非同步性,因而在反射层较厚、引入初始反应性较大的情况下与两点脉冲模型存在明显差异;两点脉冲模型严格区分了堆芯中子和反射层中子,在小型铀氢锆堆的脉冲行为分析和引入巨大正反应性的严重事故分析时应使用此模型。     

脉冲高度权重技术测量197Au中子俘获截面

脉冲高度权重技术是利用C_6D_6探测器测量中子俘获截面的一种数据处理方法。在中国散裂中子源(China Spallation Neutron Source,CSNS)的反角白光中子源(Back-n)靶站上,通过测量金靶(~(197)Au)的中子俘获截面,验证了该方法的可靠性。首先利用Geant4蒙特卡罗程序模拟给出了不同靶条件下的探测器效率,脉冲高度权重函数等基本项,使得加权后的探测器效率与γ能量成正比。然后通过实验测量了~(197)Au中子俘获截面。结果表明:测量获得的中子俘获截面数据和ENDF/B-VⅢ.0评价数据相符合,同时发现随着实验靶尺寸的不同和质子束功率的增加,会使得实验本底的扣除误差越来越大。     

计算维修不独立马尔可夫系统瞬态不可用度的六种蒙特卡罗方法

在马尔可夫可维修系统状态转移积分模型的基础上 ,给出了维修不独立马尔可夫系统瞬态不可用度的六种估计量 ,结合状态转移时间偏倚抽样技术 ,给出了计算维修不独立马尔可夫系统瞬态不可用度的六种蒙特卡罗方法。用两个实际算例考察了各种计算方法的效率随系统运行时间的变化。给出了各种算法适用范围的结论。     

持续裂变链引发的零维蒙特卡罗模拟

采用基于点动力学模型的零维蒙特卡罗方法,模拟计算了自发裂变中子引发条件下,超瞬发临界5 c / 的GodivaⅠ快中子脉冲堆内持续裂变链引发时刻概率的分布。结果表明,零维模拟程序与基于Geant4 toolkit的三维直接模拟程序的计算结果一致,并与实验结果符合较好。另外,采用零维蒙特卡罗模拟方法,模拟计算了外中子源引发条件下快中子脉冲堆反应性动态加入过程中持续裂变链的引发概率。结果表明,零维方法用于反应性动态加入情形的模拟计算,其结果是合理可信的。可见,在研究快中子脉冲堆的动力学行为时,采用点动力学近似是合理的。     

TMSR白光中子源能量分辨率函数的模拟研究

白光中子源及飞行时间谱仪的能量分辨率函数描述了谱仪装置测量中子能量的分辨率与所测中子的能量之间的函数关系。能量分辨率函数用于中子共振截面测量实验数据分析，对确定共振峰参数至关重要。本工作利用Geant4蒙特卡罗工具包构建了TMSR白光中子源的中子产生靶系统模型，模拟了中子在靶系统内由产生到溢出靶系统的整个物理过程，获得了不同能群中子从产生到溢出的时间分布。基于RPI能量分辨率函数形式，对时间分布进行拟合分析，获得了一套合适的参数，用于确定TMSR白光中子源飞行时间谱仪的中子能量分辨率函数。