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基于辐射光致发光的高剂量测量材料应用研究进展

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发光学报 2024年第6期45卷 1033-1047页

作者：王克邹雨辰肖万成尹隆乡张海峰王晓冬费雄辉南华大学核科学技术学院湖南衡阳421001 先进核能设计与安全教育部重点实验室湖南衡阳421001

近年来,研究发现若干用于辐射探测的辐射光致发光材料因其可测量剂量限值高及剂量范围宽,已被广泛应用于核退役设施剂量监控、荧光核径迹探测、医学治疗、辐射成像及核辐射场所可视化等领域。本研究针对目前可用于高剂量测量的辐射光致... 详细信息

近年来,研究发现若干用于辐射探测的辐射光致发光材料因其可测量剂量限值高及剂量范围宽,已被广泛应用于核退役设施剂量监控、荧光核径迹探测、医学治疗、辐射成像及核辐射场所可视化等领域。本研究针对目前可用于高剂量测量的辐射光致发光材料(包括无机激活剂离子掺杂体系、无机未掺杂体系及有机聚合物体系)的研究现状进行概述,重点对各体系的发光机理、基本特征、种类及应用现状进行梳理,同时对比分析不同体系材料辐射剂量响应高低的影响因素及其性能优劣。本研究旨在对目前适用于高剂量测量的辐射光致发光材料在剂量探测性能提升方面的研究进行概述,同时提出改进优化的可行性举措,并对其未来发展趋势进行展望。

关键词：辐射光致发光高剂量测量无机激活剂离子有机聚合物

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环境微能量收集型无线剂量仪样机设计

核电子学与探测技术 2024年

作者：张鸿杰胡创业郑秋鑫南华大学核科学技术学院先进核能技术设计与安全教育部重点实验室

环境中存在多种形式未被利用的微能量，通过对其高效收集可供微型设备反复使用。本文设计了一款低功耗无线剂量仪，通过BQ25505芯片及附属电路进行微能量有效收集与动态管理，采用BGO+SiPM作为探测器，并使用低功耗芯片完成模拟电路设... 详细信息

环境中存在多种形式未被利用的微能量，通过对其高效收集可供微型设备反复使用。本文设计了一款低功耗无线剂量仪，通过BQ25505芯片及附属电路进行微能量有效收集与动态管理，采用BGO+SiPM作为探测器，并使用低功耗芯片完成模拟电路设计，最后由CC2541蓝牙芯片完成数据处理和传输。经测试表明，该剂量仪剂量率响应情况良好，且能够收集室内灯光中微瓦级能量为剂量仪进行供电，对抛投式或无人监管等电源供给不便的剂量仪研制具有重要意义。

关键词：环境微能量收集 SiPM 剂量仪

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氢气在颗粒床内流动不稳定性分析

工程热物理学报 2024年第4期45卷 1156-1161页

作者：吉宇毛晨瑞孙俊郎明刚石磊清华大学核能与新能源技术研究院先进反应堆工程与安全教育部重点实验室北京100084

基于颗粒床反应堆的核热推进技术在深空探测等场景有巨大的优势,氢气在颗粒床内被加热可能会发生流动不稳定现象。理解流动不稳定性发生机理并准确判断不稳定边界对颗粒床反应堆的安全运行有重要的意义。本文对一维颗粒床内的流动过程... 详细信息

基于颗粒床反应堆的核热推进技术在深空探测等场景有巨大的优势,氢气在颗粒床内被加热可能会发生流动不稳定现象。理解流动不稳定性发生机理并准确判断不稳定边界对颗粒床反应堆的安全运行有重要的意义。本文对一维颗粒床内的流动过程进行了理论分析,推导了流动稳定性判据和阻力特性指数表达,并得到了流动稳定性边界。采用计算流体力学的方法对颗粒床内的流动换热过程进行了模拟,依据压降–流量特性曲线同样得到了流动稳定性边界,两者预测在趋势上相似,对颗粒床反应堆核热推进系统的设计提供了重要的参考。

关键词：核热推进颗粒床流动不稳定性理论分析数值模拟

NaCl、NaCl:Al与NaCl:Ca热释光峰值温度偏移特性研究

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物理学报 2024年

作者：杨俊赵修良陈瑞达侯佳斌侯玉苗贺三军周超刘丽艳南华大学核科学技术学院南华大学先进核能技术设计与安全教育部重点实验室

为深入了解纯NaCl本身及其Al和Ca掺杂变体的热释光峰值温度偏移特性，通过第一性原理计算与热释光实验的结合方法，探讨了掺杂如何影响晶体的电子结构，并进一步分析热释光峰值温度的偏移机制。计算结果显示掺杂Al后NaCl的带隙略有增加... 详细信息

为深入了解纯NaCl本身及其Al和Ca掺杂变体的热释光峰值温度偏移特性，通过第一性原理计算与热释光实验的结合方法，探讨了掺杂如何影响晶体的电子结构，并进一步分析热释光峰值温度的偏移机制。计算结果显示掺杂Al后NaCl的带隙略有增加至5.20 eV，掺杂Ca则导致带隙显著减小至0 eV，这些掺杂不仅改变了带隙宽度，还引入了不同的缺陷形成能，这可能导致热释光峰值温度在较低温度出现，且会随实验条件的变化而偏移。通过热释光实验对理论预测结果进行了验证，结果显示在加热速率增加时，所有样品的热释光峰值温度均有所增加，且NaCl:Al的变化最为显著，从276 K增至340 K；而在1-25mGy剂量范围内随着辐照剂量的增加，热释光峰值温度的增长变化较小，尤其是NaCl:Ca仅从195 K增至202 K。基于第一性原理的计算及热释光峰值温度偏移特性的实验研究对于不同掺杂材料的应用具有重要参考意义。

关键词：热释光特性 NaCl掺杂第一性原理电子结构

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碳离子与工作气体相互作用的模拟分析

核电子学与探测技术 2024年

作者：侯玉苗赵修良杨俊贺三军周超屈国普南华大学核科学技术学院先进核能技术设计与安全教育部重点实验室

气体探测器因其高倍增能力和分辨率预期可在碳离子测量领域发挥关键作用，工作气体的种类及比例是影响探测器灵敏度和精度的核心因素。本研究通过Geant4模拟碳离子入射不同工作气体的阻止能、射程及能量沉积率并探讨了气体与碳离子之间... 详细信息

气体探测器因其高倍增能力和分辨率预期可在碳离子测量领域发挥关键作用，工作气体的种类及比例是影响探测器灵敏度和精度的核心因素。本研究通过Geant4模拟碳离子入射不同工作气体的阻止能、射程及能量沉积率并探讨了气体与碳离子之间的相互作用机制。结果表明：混合气体的阻止能介于纯惰性气体与猝灭气体之间且随气体比例调整而变化；碳离子在三种混合气体中的射程有所不同；Ar-CF4混合气体在大部分深度范围内呈现更高的能量沉积率，且总体上Ar-CO2/CH4/CF4(60-40)混合气体比例为碳离子能量沉积效果提供了更优的条件。在相同气体比例下，能量沉积率随碳离子能量的增加呈先降低后升高的趋势。本研究成果揭示了不同工作气体及比例对碳离子探测性能的重要影响，并为碳离子测量应用中的气体选择提供了重要的理论依据。

关键词：碳离子 Geant4 气体介质

旋流雾化火焰合成稀土掺杂氧化钇的结构形貌和光电性能调控研究

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工程热物理学报 2024年第2期45卷 569-575页

作者：雷舒婷张易阳李水清清华大学热能工程系热科学与动力工程教育部重点实验室北京100084 清华大学核能与新能源技术研究院先进核能技术协同创新中心先进反应堆工程与安全教育部重点实验室北京100084

稀土元素掺杂的钇基纳米颗粒在荧光发光、激光晶体和透明陶瓷等领域具有广阔的应用前景。本文针对Ce,Nd,Yb和La四种稀土元素,采用旋流雾化火焰合成方法,实现了一步连续合成Re:Y_(2)O_(3)(Re=Ce,Nd,Yb,La)纳米颗粒,并对合成的纳米颗粒形... 详细信息

稀土元素掺杂的钇基纳米颗粒在荧光发光、激光晶体和透明陶瓷等领域具有广阔的应用前景。本文针对Ce,Nd,Yb和La四种稀土元素,采用旋流雾化火焰合成方法,实现了一步连续合成Re:Y_(2)O_(3)(Re=Ce,Nd,Yb,La)纳米颗粒,并对合成的纳米颗粒形貌结构及光电性能进行了探究。结果表明所合成的纳米颗粒粒径均匀分布(约10 nm),结晶度良好,呈立方相。掺杂引起的晶胞畸变程度与掺杂元素的离子半径成正相关。不同稀土掺杂元素均导致材料的相对介电常数和介电损失增高。在200~2000 nm波长范围内,1%Yb元素掺杂带来的光谱吸收比增高最多,增高至22.83%。5%La元素掺杂带来的光谱吸收比增高最低,为14.92%。此外,5%La掺杂使得禁带宽度下降至4.53 e V,导致其在紫外区间内的光学吸收大幅增加。

关键词：火焰合成稀土掺杂氧化钇纳米颗粒光电性能

质子治疗对细胞自由基产额影响的蒙特卡罗模拟计算

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核电子学与探测技术 2024年第1期44卷 18-27页

作者：刘雨晨罗思远肖万成何列王晓冬南华大学核科学技术学院衡阳421200 先进核能技术设计与安全教育部重点实验室衡阳421200

随着质子FLASH治疗等新兴放疗技术的发展,细胞受辐照后生物学效应的不确定性成为急需解决的难题。由于缺乏对物理-化学阶段机理的完整理解,目前的模拟工作仍然以调整化学参数使自由基产额与实验数据相匹配为主。作为一个不断发展的蒙特... 详细信息

随着质子FLASH治疗等新兴放疗技术的发展,细胞受辐照后生物学效应的不确定性成为急需解决的难题。由于缺乏对物理-化学阶段机理的完整理解,目前的模拟工作仍然以调整化学参数使自由基产额与实验数据相匹配为主。作为一个不断发展的蒙特卡罗软件,Geant4能够在纳米尺度上模拟入射粒子在短时间内通过物理和化学相互作用引起水分子辐解的过程。基于Geant4软件构建了一个简易的细胞模型,模拟了细胞靶体内自由基产额受辐射粒子影响的情况,并对靶内自由基产额的变化趋势进行了详细计算。研究表明,随着LET的逐渐增大,自由基OH^(·)的数目占比从25%下降到10%左右。当考虑质子FLASH透射治疗时,使用25%的自由基OH^(·)数目占比作为化学损伤参数去评估细胞DNA损伤将会更为合理。同时,两种活性氧自由基O_(2)^(·)和O_(2)^(-)在超高剂量率下的产额G(t)随模拟时间的发展都出现了不同程度的升高。研究结果阐明了不同治疗深度下细胞靶体内自由基产额随时间和粒子能量的变化情况,揭示了模拟工作中质子FLASH治疗在布拉格峰区和坪区应该采用不同的化学损伤参数。

关键词：蒙特卡罗模拟 Geant4 质子治疗自由基 FLASH

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基于机器学习算法的四角读出型塑料闪烁体探测器缪子定位与散射成像的模拟研究

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核电子学与探测技术 2024年第2期44卷 253-261页

作者：何列罗思远张海峰肖万成王晓冬南华大学核科学技术学院衡阳421200 先进核能技术设计与安全教育部重点实验室衡阳421200

宇宙线缪子是存在于自然界中一种穿透力极强的天然射线。目前主流的缪子探测器包括气体探测器和塑料闪烁体条探测器,虽然它们具有高精度,但成本较高且结构复杂。本研究基于四角读出的塑料闪烁体探测器,利用长短时记忆网络(LSTM)算法和... 详细信息

宇宙线缪子是存在于自然界中一种穿透力极强的天然射线。目前主流的缪子探测器包括气体探测器和塑料闪烁体条探测器,虽然它们具有高精度,但成本较高且结构复杂。本研究基于四角读出的塑料闪烁体探测器,利用长短时记忆网络(LSTM)算法和密度聚类的DBSCAN算法的定位。使用Geant4仿真软件构建大面积(800 mm×800 mm)的四角读出塑料闪烁体缪子成像系统,对模拟数据实现缪子位置重建与成像结果。首先,采用LSTM算法作为探测器上的缪子定位方法,通过与实验中已获得的400 mm×400 mm探测器重建入射位置图像的结果比较以验证本研究模拟方法的可靠性,结果表明,模拟得到的位置分辨可达到厘米级。其次,利用DBSCAN算法对钨块构建的“U”“S”“C”三种形状模型的PoCA散射成像结果进行聚类优化,实现对钨块成像点与噪点的区分,使得成像结果更有区分度,为缪子探测器系统的构建提供新的思路与方向。

关键词：蒙特卡罗模拟 Geant4 缪子成像机器学习

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环境微能量收集型无线剂量仪样机设计

核电子学与探测技术 2024年第3期44卷 507-514页

作者：张鸿杰胡创业郑秋鑫南华大学核科学技术学院衡阳421001 先进核能技术设计与安全教育部重点实验室衡阳421001

环境中存在多种形式未被利用的微能量,通过对其高效收集可供微型设备反复使用。设计了一款低功耗无线剂量仪,通过BQ25505芯片及附属电路进行微能量有效收集与动态管理,采用BGO+SiPM作为探测器,并使用低功耗芯片完成模拟电路设计,最后由C... 详细信息

环境中存在多种形式未被利用的微能量,通过对其高效收集可供微型设备反复使用。设计了一款低功耗无线剂量仪,通过BQ25505芯片及附属电路进行微能量有效收集与动态管理,采用BGO+SiPM作为探测器,并使用低功耗芯片完成模拟电路设计,最后由CC2541蓝牙芯片完成数据处理和传输。经测试表明,该剂量仪剂量率响应情况良好,且能够收集室内灯光中微瓦级能量为剂量仪进行供电,对抛投式或无人监管等电源供给不便的剂量仪研制具有重要意义。

关键词：环境微能量收集 SiPM 剂量仪