9MeV电子束与复合靶作用的模拟研究

电子束与复合靶作用发生韧致辐射是一个复杂的过程,为优化产生X射线的品质,需要详细研究不同条件下电子束与复合靶的作用规律,本文从粒子与物质相互作用理论出发,应用蒙特卡罗模拟程序Fluka研究9 MeV加速器X射线转换靶的设计问题。结合9 MeV电子直线加速器转换靶的实际设计参数,设计高、低原子序数不同组合顺序的复合靶,并模拟分析9 MeV电子束与复合靶作用的剂量场分布、能谱分布、角分布以及漏电子情况等,通过对电子束与不同组合顺序复合靶作用研究,给出不同组合顺序与剂量场分布、能谱分布、角分布及漏电子等的关系与规律,并对能谱的硬化效果进一步分析。同时对部分模拟结果进行了实验验证。结果表明,复合靶中不同靶材的组合顺序对产生光子的能谱、电子能量漏率和角分布等都有一定影响,是复合靶设计时需要考虑的因素之一。     

脉冲硬X射线能谱软化方法数值分析

基于轫致辐射原理,提出了通过轫致辐射靶优化设计软化脉冲硬X射线能谱的方法。采用MCNP程序模拟了复合薄靶和反射靶的输出参数,分析了复合薄靶中转化靶和电子吸收材料厚度对脉冲硬X射线能谱、转换效率以及透射电子份额的影响;给出了反射靶透射和反射X射线能谱、转换效率的差异及其随电子入射角度的变化规律。根据模拟结果分析了两种方法的可行性,并进行了实验验证,为轫致辐射靶的优化设计提供参考。     

系统电磁脉冲空间电荷层振荡特性数值模拟研究

对系统材料表面受到高注量X射线辐照时产生的空间电荷层振荡现象进行了数值模拟,得到了发射电子为单能、连续谱、沿轴向发射及呈余弦角度分布发射条件下的计算结果,并对计算结果进行了分析,总结给出了空间电荷层振荡特性的一般规律,给出了空间电荷层振荡问题的物理解释:空间电荷层的存在必然会存在振荡,每一个轴向电子速度值确定一个振荡频率,对应电子的份额决定振荡的幅度大小;单能电子沿轴向发射是最容易观察到空间电荷层振荡现象的情况,一旦考虑发射电子的角度分布,振荡频谱就可近似为连续谱在时域上观察不到明显的振荡现象。     

辐射输运用泡沫密度测量不确定度分析

低密度泡沫材料是X光辐射输运实验的首选介质,而低能X射线照相法是泡沫密度测量的重要手段。本工作主要研究泡沫密度测量过程中的各种误差来源,按照国际通用方法对各不确定度分量进行合成与扩展,得到了该方法的不确定度评定。结果表明,该方法的横向分辨率优于10μm,密度测量不确定度小于4.7％,已成功用于SGⅡ物理实验中,取得了满意的效果。     

辐射流体力学与中子输运并行数值模拟中的联接算法

复杂物理现象通常由多类复杂的物理过程紧耦合构成,其数值模拟也通常由适用不同物理过程的多类并行应用程序紧耦合完成。如何设计这些物理过程之间的联接算法,既要保证程序之间数据传递的高效,又要保证程序各自运行和总体模拟的高效,还要保证程序各自开发的独立,是一个值得研究的课题。文章基于广泛应用于高温高压物理研究中的辐射流体力学和中子输运多物理并行数值模拟,在非结构网格上,提出了两种联接算法:完全松散联接算法和两层紧耦合联接算法。前者侧重于实现程序各自运行的高效和开发的独立,后者在前者的基础上,还权衡了数据传递和总体模拟的高效。在两台并行机的数百个处理机上,通信复杂度分析和数值实验结果表明,两种算法均是有效的,可推广应用到其他多物理并行数值模拟。特别是,两层紧耦合联接算法是高效可扩展的,取得了近似最优的并行性能。     

参量辐射PXR的性能与应用

参量X射线辐射(Parametric x-ray radiation,PXR)是带电粒子虚光子通过晶体受到晶格衍射按Bragg或Iaue方式形成的X射线.PXR是准单色光、方向性强、能谱窄、光子,电子转换效率高、波长可调的极化束.电子能量范围:MeV-GeV,具有多方面应用的潜力.     

双层膜结构测量CMOS器件X射线相对剂量增强因子及其理论模拟

首次在国内提出了一种双层膜结构相对测量法，用该方法测量了CMOS器件X射线的相对剂量增强因子RDEF（Relative Dose Enhancement Factor)，同时用Monte-Carlo粒子输运方法计算了实验条件下Al/Au/Si,Au/Al/Si 结果界面过渡区剂量分布，理论模拟与实验验证，符合较好。     

利用轫致辐射X射线进行正电子分析的研究

针对现有的正电子分析方法无法分析材料内部缺陷的缺点,提出了一种新的正电子分析方法--光致正电子分析.利用加速器打靶产生的轫致辐射X射线照射样品,通过光子在材料内部发生的电子对效应来产生正电子,然后测量511 keV湮没光子进行正电子分析.通过模拟计算定量研究了该方法用于正电子分析的灵敏度、屏蔽条件等问题;建立了一套实验...     

直流X射线模拟电缆X射线响应的可行性

本文对电缆X射线辐照响应的机理和模拟方法进行了研究,分析了电缆直流和脉冲X射线辐照响应的异同。建立了带状电缆X射线辐照响应一维计算模型,该模型包含电缆屏蔽层和介质层间隙、介质层瞬态辐射感应电导率等计算模型,模拟了带状电缆直流和脉冲X射线辐照电流响应。模拟结果表明,在X射线注量相同的条件下,电缆直流和方波脉冲X射线响应具有类似的波形特征及相同的间隙电压。因此,在该计算模型描述的电缆X射线辐照响应机制下,可利用直流X射线开展相应的脉冲X射线辐照响应机制模拟。     

高能电子在加速器靶物质中射程的数值模拟

为确定高能电子在加速器重金属靶物质中的射程，用蒙特卡罗方法计算能量为1~100MeV的高能电子在加速器常用的重金属靶物质(金、钨、钽、钼)中的射程。将1~20MeV电子在钨靶中射程的计算结果与已发表数据进行对比，计算结果与已发表数据符合较好。对射程计算结果进行数值拟合，得到了实用性较强的1~100MeV宽能区内电子在常用加速器靶物质中的射程计算公式。该公式可为高能电子加速器靶的设计计算提供参考数据。     

辐射条件下球腔冷冻靶温度场分布数值研究

惯性约束聚变冷冻靶系统中,为成功实现靶丸点火,冰层厚度均匀性需达到99%,表面粗糙度的均方根要小于1 μm。控制靶丸表面最大温差小于0.1 mK能满足以上点火要求。为研究辐射对惯性约束聚变间接驱动靶丸的温度场影响,建立了三维对称球腔冷冻靶系统的计算模型。考虑球腔内部激光入射口封口膜吸收率以及外部辐射温度对球腔内部温度场分布的影响,利用FLUENT软件对球腔冷冻靶温度场进行了数值模拟计算。研究表明：球腔由于自身具有的球对称几何结构,其内部的温度场分布更加均匀;受外界辐射影响,有窗侧靶丸表面温度较无窗侧温度高;辐射温度越高,靶丸表面的绝对温度越高,虽然靶丸表面的温差变化基本可忽略,但要防止由于外界辐射温度过高而导致的DT冰层均匀性恶化,应选用多层屏蔽罩结构降低辐射的影响;激光入射口封口膜吸收率大于0.2时,靶丸表面温差显著增大。     

Simulation of Multigroup X-Ray,Alpha-Particle and Neutron Transport in Ion Beam Driven ICF Target

A one-dimensional Lagrangian code, MEDUSA-IB for the analysis of ion beam fusion target behavior was developed. The code included multigroup X-ray, α-particle and neutron transport models. Photon transport equation was solved by variable Eddington method. Particle tracking method and collision probability method were used for the simulation of α-particle and neutron transport respectively. Temperature dependent ion beam energy deposition was also considered. Each routine of the code was verified separately. The analysis of a bare 1 mg DT target after ignition showed that only neutron transport slightly decreases fusion yield. The analysis of a reactor-size hollow single shell target containing 4.2 mg DT fuel, UTLIF target showed: Radiation and α-particle transport, temperature dependence of ion beam stopping and the equation of states decreased fusion gain when they were considered accurately. Neutron transport slightly increased the gain. The momentum deposition of ion beam and α-particles had very slight effects.     

强激光与固体靶相互作用所致硬X射线剂量的蒙特卡罗模拟

本文利用蒙特卡罗程序FLUKA建立了强激光与固体靶相互作用所致硬X射线剂量估算模型,通过与文献结果进行比较,对计算模型进行了验证。利用该计算模型研究了不同电子温度、不同靶材料(包括金、铜和聚乙烯3种常见靶材)和厚度对X射线剂量的影响。计算结果表明,X射线剂量与电子温度密切相关,并会受到靶参数的影响。相同靶厚情形下,Au靶产生的X射线剂量约为Cu靶产生的X射线剂量的1.2倍,约为PE(聚乙烯)产生的X射线剂量的5倍。另外,相较于其他靶厚,当选取电子的平均射程为靶厚时,产生的X射线剂量较大。这些计算结果将为强激光装置中电离辐射剂量的评估提供相关参考。     

Numerical Investigation on Temperature Characteristic of Capsule Surface and Filling Tube of Cryogenic Target under Radiation Condition

During the ice-laying period, a phenomenon is observed that the ice crystal could not be maintained in the filling tube, which results in the direct connection between the capsule and the deuterium source at high temperature. In this paper, a 3D cryogenic target model was established to study the influence of several factors on the temperature along capsule surface and filling tube. The results show that changing the transmittance of the sealing film can effectively solve the problem of being unable to block the filling tube, while changing the shield temperature and the surface emissivity of the aluminum enclosure has no obvious effect on that problem. It is found that the crystal can be maintained in the filling tube under the boundary conditions discussed in this paper with the transmittance of the sealing film greater than 0.025.     

辐射条件下冷冻靶靶丸表面及充气管温度特性数值研究

在惯性约束核聚变冰层均化实验阶段,观测到充气管内冰晶无法保持,从而不能堵管,靶丸直接与高温氘气源连接,无法继续实验。为解决难以堵管的问题,本文建立了三维冷冻靶系统计算模型,研究了辐射条件下屏蔽罩温度、封口膜透射率及铝套筒表面发射率等因素对冷冻靶靶丸表面及充气管沿程温度特性的影响规律。结果表明：改变封口膜透射率能有效降低靶丸与充气管连接处的温度,在本文讨论的边界条件下,封口膜透射率大于0.025时靶丸与充气管连接处温度相对较低,晶核可维持,充气管能被堵管;而改变屏蔽罩温度及铝套筒表面发射率等做法对靶丸与充气管连接处的温度降低作用不明显,充气管无法被堵管。     

冷冻靶的环境热辐射屏蔽技术研究

通过建立三维柱腔冷冻靶计算模型,研究了外界环境辐射对间接驱动冷冻靶靶丸及燃料冰层温度场的影响。考虑柱腔内部激光入射孔（LEH）膜透光率对柱腔内靶丸和冰层温度场分布的影响,利用COMSOL软件对柱腔冷冻靶温度场进行了数值模拟计算。研究结果表明：受外界辐射影响,靶丸表面温度场呈两极热、赤道冷分布;LEH膜透光率越大,靶丸外表面温差和冰层内表面温差越大。当LEH膜透光率小于1%时,冰层内表面最大温差低于0.1 mK,可满足冰层均化和保持的要求。实验中,通过在LEH膜上镀不同厚度的铝层调控其透光率,并选择LEH膜镀铝层厚度为35 nm的冷冻靶开展了氘氘冷冻均化实验。结果表明：当LEH膜上的镀铝层厚度为35 nm时,冰层的保持能力得到大幅提升。从X射线相衬图像可知,冰层的厚度均匀性约为80.2%,粗糙度约为1.65 μm,平均厚度约为50.5 μm。     

Effects of Sputtering of and Radiation by Aluminum on Magnetized Target Fusion Plasmas

We estimate numerically the rate of radiation by aluminum impurities for parameters relevant to magnetized target fusion (MTF) plasmas. We demonstrate that the coronal equilibrium is appropriate for expected MTF plasma parameters. Using the coronal equilibrium, we estimate the power radiated per impurity ion is 0.25–0.5 × 10⁻¹⁶ MW for temperatures and densities relevant to present plasma parameters taken from the FRX-L experiment at Los Alamos National Laboratory and is approximately 75.0 × 10⁻¹⁶ MW for temperatures and densities relevant to anticipated MTF plasmas. We calculate the sputtering rate of aluminum by thermal deuterium and tritium plasma ions is a few percent assuming an impact angle of 45°. Finally, we estimate that with aluminum impurity levels of a few percent, the impurity radiation power density would be approximately 25 kW/cm³ for FRX-L conditions and 2.5 GW/cm³ for anticipated conditions in a MTF plasma. While we have assumed a sputtering model of impurity generation, the results for the power density apply for impurity levels of a few percent, regardless of the generation mechanism.     

氚靶生产现场氚监测系统的构建

氚靶生产过程中的氚监测是保障工作安全进行的有力条件。通过建立1套中央控制多区域监测子系统,并辅之以便携式监测仪器及取样设备,构建成1套完整的氚靶生产现场氚监测系统。系统在氚靶生产过程中得以应用,结果表明,中央控制多区域监测系统的响应时间小于10s,其它设备运行正常,能很好地满足氚靶生产现场的监测要求。