基于GAGG闪烁体探测器康普顿相机角分辨率误差来源分析

基于Geant4模拟平台搭建了一个由2层6×6位置灵敏的cerium-doped gadolinium aluminum gallium garnet (GAGG(Ce))闪烁体探测器阵列组成的康普顿相机;从理论上分析了探测器的几何因素、能量分辨率和材料多普勒效应对康普顿相机角分辨率的影响;散射角为5°~90°时,角分辨率<10°．模拟条件:采集了仅考虑几何因素、能量分辨率与多普勒效应,以及综合考虑这3种误差来源等情况的符合数据,并用滤波反投影算法进行图像重建．当2层探测器距离为6.0~16.0 cm时,几何因素是影响角分辨率的主要误差来源,能量分辨率次之,多普勒效应贡献最小．      

光子在LYSO晶体中传输的Monte Carlo模拟

为了获得PET探测器设计中闪烁晶体表面不同处理方式对探测效率的影响,使用DETECT2000对光子在LYSO(Lu1.9Y0.1SiO5∶Ce,硅酸镥)晶体中的光学输运特性进行了蒙特卡罗模拟.探测器由一个4 mm×4 mm×25 mm的LYSO晶体与一个PMT耦合组成.模拟结果显示:入射面为粗糙面(漫反射面),其余均为抛光面并在外层(入射面和与PMT耦合的面除外)包有反射介质。反射介质的反射率越高,则探测效率越高,并且其探测效率是晶体所有表面作抛光处理方式的1.6倍.在探测器设计过程中,需要选取反射率大于0.98的反射介质作为反射层.     

相对永久密封真空康普顿探测器伽马灵敏度研究

针对强流脉冲γ射线探测,研制了厚入射窗结构真空康普顿探测器,并在60Co辐照装置上,准直孔径为40 mm的条件下,对2套样品探测器灵敏度进行了测量,得到了1.25 MeV的γ射线灵敏度,实验值分别为4.65×10-22 C/MeV和4.59×10-22 C/MeV.该实验值与蒙特卡罗程序MCNP的计算值(4.70×10-22 C/MeV)相比,误差范围一致,在0.5～3.0 MeV能量区间,探测灵敏度的能量响应变化小于20%.实验证明:该探测器比薄窗结构真空康普顿探测器的灵敏度提高了60%,克服了薄窗探测器封装加工和静态真空保持的困难;保存使用期可达2年以上,达到了相对永久密封的目的,可应用于粒子注量率为1020 cm-2·s-1以上的强流脉冲γ射线测量.     

面向辐射环境监测的反康普顿γ能谱仪蒙特卡罗模拟研究

使用蒙特卡罗软件Geant4设计模拟了一套用于核事故等辐射环境监测的反康普顿γ能谱仪.主探测器采用HPGe探测器,选择新型闪烁体晶体LaBr3(Ce)作为次级探测器.利用Geant4对探测器系统进行模拟优化,确定最佳的探测器尺寸和结构.模拟的γ射线能量范围从500到1500keV.结果表明,增加主体LaBr3(Ce)晶体厚度能显著提升康普顿抑制系数,当主体LaBr3(Ce)晶体厚度达到60mm时,提升效果明显减弱;在HPGe探测器的后方添加LaBr3(Ce)晶体也能一定程度提升抑制效果,而在HPGe探测器的前方增加LaBr3(Ce)晶体厚度对康普顿抑制系数的提升非常有限.在最优化条件下模拟测量了放射性核素I-131,Cs-134,Cs-137和K-40,对发射单能γ射线的Cs-137和K-40康普顿抑制效果很好,对存在级联衰变的I-131和Cs-134抑制效果相对较弱.     

聚酰胺连续纤维浸渍复合加工的停留时间理论模型

采用停留时间分布（RTD）函数和自行设计的弯曲流道浸渍模具,对连续纤维增强聚酰胺复合材料加工过程中的停留时间进行研究,建立了弯曲流道停留时间的数学模型,并通过实验验证了模型的可靠性,结果表明该模型可以准确预测树脂在浸渍模具中的停留时间。采用Box-Behnken响应面法设计5因素3水平的试验方案,模拟了模具结构对加工过程中外部累积体积分数为95%时所对应的停留时间（t₉₅）的影响,结果表明,流道单元长度和流道单元个数对t₉₅的影响最大。通过模拟优化试验得到了浸渍模具结构的最优参数为：流道单元长度12.5 mm,流道圆角半径3 mm,流道单元个数10个,流道单元夹角160°,模具间隙1.4 mm。     

低能康普顿散射模拟模型在高纯锗探测器中的研究

国际上CDEX、CDMSlite等实验组,在开展直接暗物质探测实验中,发现高能光子本底的来源之一.高能光子在高纯锗探测器中会产生低能本底,这些本底来自于康普顿散射的影响.分析发现低能本底的结构有台阶出现,这与经典理论预测的结果相悖.这是由于原子中电子处于束缚状态,并具有一定的动量,因此康普顿散射在低能部分受到影响.现在已经有低能康普顿散射理论Impulse Approximation(IA)考虑到电子的这些效应,并且应用到模拟实验软件Geant4中. IA理论框架下的模拟模型有三个:Liermore模型、Penelope模型和Monash模型.我们发现三个模型在keV能级以下能谱有康普顿台阶出现,与经典康普顿能谱相比有明显减少.经过计算,在k壳层的台阶高度比例分别为95.92%、92.87%和96.68%,这与只考虑束缚效应而计算出的93.73%不同.三个模型keV能级以下时有大约10%的差异.     

不同表面状态下的扫描电子显微镜能谱分析方法

针对样品表面吸附和污染导致扫描电子显微镜能谱仪成像质量和检测精度下降的问题,提出了一种扫描电镜能谱分析方法——吸附表面二次电子发射数值计算模型。首先,采用Polanyi位势理论在Cu表面构造了N₂多层吸附模型;其次,考虑吸附对功函数及电子散射过程的影响,采用Monte Carlo方法追踪电子在材料和吸附层内的散射轨迹,建立了电子与N₂分子散射模型;最后,将N₂多层吸附模型与电子与N₂分子散射模型合并,建立了吸附表面二次电子发射的精确模拟模型,用于计算N₂吸附分子对能谱的影响规律。数值计算结果表明,当N₂分子吸附量增大至3×10¹⁶ cm^-2时,二次电子能谱的最可几能量和半峰宽分别增大了3.16、4.76倍,二次电子比例减少至原来的215。采用所提模型对探测器进行优化设计,能够提高二次电子信号收集效率、降低噪声信号、提高分辨率。相比以往模型,所提模型突破了仅适用于分子吸附量小于3×10¹⁵ c...     

分赫兹引力波探测助推双中子星并合的多信使研究

作为目前唯一一例人类明确探测到引力波信号及成协电磁对应体的双中子星并合事件, GW170817的发现提供了诸多天体物理过程与现象的关键信息,标志着多信使天文学新时代的开启.但地基引力波探测设备的探测灵敏频段较高,为双中子星并合事件提供引力波预警信号的能力有限.因此,我们考虑利用空间分赫兹引力波探测器为人们提供足够长时标的引力波信号预警,以实现后随电磁搜寻设备对并合事件的及时响应.在假定四年任务运行周期的条件下,本文重点展示了两类空间分赫兹引力波探测器(B-DECIGO和DO-Conservative)定位双中子星并合事件天区及并合时间的能力.对于在探测器开始运行后1–4年内并合的事件,探测器提供的空间、时间定位的预期结果最好,分别可达ΔΩ～10^–2deg²和Δt_c～0.2 s.围绕因双中子星并合而产生的各类电磁暂现事件,我们针对高能辐射、紫外-光学-近红外辐射、射电辐射等举例讨论了可能的天体物理过程,以及利用空间分赫兹引力波探测器实现多信使预警探测的独特优势与未来展望.     

基于TiO2 NRs/CuI异质结的自供电紫外光电探测器

自供电紫外光电探测器(UV-PD)因无需外部能源的潜在应用而备受关注.基于TiO₂ NRs(纳米棒阵列)/CuI结构,结合水热法和浸渍技术及空间限域退火,制备了一种自供电p-n结紫外光电探测器.CuI膜完全覆盖TiO₂ NRs的表面,形成大面积的异质结.器件在自供电模式下具有较高的响应度为75.58 mA/W.器件在施加偏压后(-1V)响应度大幅度提高,可达4.53×10⁴ mA/W.     

流固耦合法模拟岩石爆破时耦合范围的确定

为研究岩石爆破问题模拟中的流固耦合算法以及提高计算效率,文章采用LS-DYNA软件开展大量计算,分别讨论了不同装药半径(r)、不耦合系数(K)和网格精度条件下流固耦合区域半径(R)对单元峰值应力衰减曲线的影响,并结合应力云图和应力时程曲线分析,确定出合理的流固耦合范围。结果表明:随着耦合装药半径r的增大,最小合理流固耦合半径R_(min)与r比值呈减小趋势;相同装药半径下随着K增大,R_(min)/r逐渐增大;网格精度对流固耦合半径取值影响较小;相同条件下,当R较小时,应力云图不稳定且应力时程曲线后期会迅速衰减,适当增大流固耦合半径会逐渐消除该现象。对于一般的岩石爆破问题,建议R/r取5～10。     

单晶体多电极读出高纯锗探测器76Ge的0νββ甄别研究

⁷⁶Ge的无中微子双贝塔(0νββ)衰变探测实验中本底抑制十分关键,单电子(本底事例)和双电子(0νββ事例)事例甄别因其信号特征区分度极小而十分具有挑战性.本文针对单晶体多电极读出的高纯锗探测器建立了波形模拟研究方法,对双面交叉条型多电极高纯锗探测器的位置分辨能力进行了研究.同时通过搭建light GBM模型,对多电极高纯锗探测器各个电极所收集的模拟波形进行分类训练.结果表明,该结构的多电极高纯锗探测器在电极分布方向具有良好的位置敏感特性,同时可以通过两端电极过中时间差确定粒子作用深度.基于所搭建的light GBM模型对0νββ双电子事例的识别效果为68.4%.经验证,所训练light GBM模型在保证0νββ信号事例没有被明显抑制的基础上,对本底中68Ge和60Co抑制效果相对显著,甄别前后分别可以被抑制3.33倍和2.66倍.结果表明,单晶体多电极读出的高纯锗探测器对于⁷⁶Ge的0νββ衰变探测的应用具备可行性,为将来在中国锦屏地下实验室对⁷⁶Ge的0νββ衰变实现event-by-event搜寻提供了重要参考.     

飞秒康普顿光源驱动的超短、高能正电子束

利用飞秒康普顿伽玛光与高Z靶相互作用,产生超短脉冲的高能正电子束.模拟研究表明,10 fs、4.2 × 108/s、最高能量为23 MeV的康普顿伽玛束和厘米级的铅靶相互作用(对产生)时,可以获得通量为4.2×107/s、峰值能量约为7 MeV的超短脉冲(≤100 fs)正电子束.此短脉冲、高能正电子束在精确探测或诊断材料内部的微观结构、电子动量分布及缺陷状态,以及研究材料和生物体结构的超快动力学等领域有重要的应用前景.     

涂覆石墨烯的电介质纳米盘的表面等离激元回音壁模特性

提出涂覆单层石墨烯的电介质纳米盘结构,并利用有限元方法数值解析这种纳米结构的表面等离子激元回音壁模的电磁场特性.计算并分析品质因子(Q值)、模式体积随着电介质纳米盘半径大小、石墨烯化学势和谐振频率的变化规律.结果表明:当纳米盘的半径为5 nm,石墨烯化学势为0.9 eV时,其品质因子高达195,对应模式体积小于2×10^-7(λ₀/2n)³.     

硫化锑太阳电池的数值模拟分析

利用Afors-het一维器件模拟仿真软件，研究传统CdS/Sb₂S₃异质结太阳电池器件中Sb₂S₃吸收层和CdS缓冲层厚度、带隙、吸收层受主浓度以及缺陷对电池性能的影响。结果表明，一定厚度的吸收层可以提高器件的短路电流密度，但过厚的吸收层会减小填充因子。研究CdS薄膜发现，过厚的CdS对电池的开路电压，短路电流密度以及填充因子损害较大。Sb₂S₃最优的带隙宽度在1.5～1.6 eV之间。提高Sb₂S₃受主浓度可以有效改善开路电压，但施主缺陷态密度与缺陷态在能级中能量的增加将会使电池效率降低。同时模拟结果表明，当吸收层中载流子寿命达到10^-7 s时，电池的短路电流密度可以得到明显改善。     

双凹摩擦摆隔震支座理论分析与数值模拟研究

介绍了双凹摩擦摆隔震支座的基本构成和隔震原理,从力学平衡原理出发对双凹摩擦摆隔震支座进行了理论分析,推导了双凹摩擦摆隔震支座的刚度,分别构造了双凹摩擦摆隔震支座在上下滑动面摩擦系数相同和不同情况下的滞回模型,并探讨了支座的回复特性,得到了其最大残余位移的计算公式.采用ABAQUS软件对双凹摩擦摆隔震支座进行了实体单元建模,数值模拟了低周反复荷载作用下的双凹摩擦摆隔震支座在上下滑动面摩擦系数相同和不同情况下的滞回特性及其回复特性.研究结果表明:①理论分析和数值模拟结果吻合较好,验证了提出的滞回模型和最大残余位移计算公式的正确性;②双凹摩擦摆隔震支座的滞回曲线饱满,具有良好的滞回性能;③该支座的刚度与上下滑动面的球面半径之和成反比,其隔震周期也仅与半径有关,与上部结构质量无关;④其最大残余位移为上下两滑动面的摩擦系数和球面半径的乘积之和.     

倾斜式双滚子包络环面蜗杆传动几何特性分析

为消除环面蜗杆传动齿侧间隙,提出倾斜式双滚子包络环面蜗杆传动,采取双排滚子错位布置,且滚子轴线与蜗轮径向倾斜一定角度. 阐述了倾斜式双滚子包络环面蜗杆传动的工作原理,依据空间齿轮啮合理论和微分几何理论,采用运动学法建立了蜗杆副的静态坐标系及活动坐标系,推导了该新型环面蜗杆齿面方程,并导出了该传动的蜗杆轴向截面齿廓方程、法向截面齿廓方程、一界函数、螺旋升角等几何特性相关的方程及计算公式,分析了滚柱半径R、滚柱偏距c₂、倾斜角γ等啮合参数对蜗杆几何特性的影响. 结果表明:该新型传动蜗杆喉部齿廓非常接近直线,蜗杆不会发生根切和齿顶变尖现象. 要使该传动保持良好的几何特性,R不宜超过12 mm,c₂在5~9 mm之间,γ在18°~25°之间.      

Bi2Te3/Si异质结中的侧向光伏效应

碲化铋(Bi₂Te₃)是一种典型的拓扑绝缘体材料,在热电、光电和自旋电子学领域具有广阔应用前景.本文采用脉冲激光沉积技术在Si衬底上制备了不同厚度的Bi₂Te₃薄膜,详细研究了Bi₂Te₃/Si异质结中的侧向光伏响应特性.结果表明,该异质结的侧向光伏响应强烈依赖于Bi₂Te₃层厚度,随厚度增加呈现先快速增加至一极值,然后逐渐减小的变化趋势.用不同波长和功率的激光照射测量时发现,该异质结具有405~808 nm的较宽响应波段,且位置灵敏度随激光功率增加而增大并最终趋于饱和,其中671 nm的侧向光伏响应性能最好,最高位置灵敏度达到3.4×10^-2 V/mm.以上结果为研发基于Bi₂Te₃的高灵敏、宽波段光位敏探测器提供了重要参考.     

重型装甲车乘员舱热环境优化分析

设计了一种采暖系统和一种结构合理的风道结构,达到了改善乘员舱热环境的目的.对采暖系统的结构参数进行优化设计,针对出风口倒角半径、风道轴线与X轴角度、出风口高度、回风口形式等四个因素,根据正交试验理论,确定出最优化设计方案,即出风口倒角半径为60mm,风道轴线与X轴之间的夹角为110°,出风口高度为570mm,回风口形式为Z-6-280×5.对最优化设计方案进行CFD数值模拟,同时监测驾驶员、乘员1和乘员2头部及脚部温度值,说明最优化设计方案的采暖系统对改善驾驶员、乘员1和乘员2乘坐热感觉起到了明显的作用.     

圆筒型陶瓷-钛合金-芳纶三单元层复合靶板结构抗弹性能数值模拟及其内在机理

针对53式7.62 mm口径穿甲燃烧弹对圆筒型陶瓷-钛合金-芳纶三单元层复合靶板结构的侵彻过程,本文开展了抗弹性能数值模拟研究.模拟结果表明,弹体垂直入射将造成陶瓷块开裂破碎,最终撞击在钛合金单元层上形成凹坑,复合靶板穿深与试验所测结果吻合良好,相对误差仅为9.4%;陶瓷、钛合金、芳纶三个单元层消耗的能量所占百分比分别为83.77%,13.77%,2.46%.在此基础上,通过设置0°~70°系列不同初始时刻入射姿态角θ₀,发现弹体侵彻过程中陶瓷单元层耗散的能量占复合靶板耗散总能的比值始终最大.进一步分析陶瓷单元层可知,随着θ₀的增大,陶瓷单元层受力峰值总体呈减小的趋势.且入射姿态角不同,弹靶作用模式也存在差异.对陶瓷单元层进行耗能分析,可知其与质量损失变化大体一致.但初始时刻入射姿态角为30°时,由于弹靶作用过程以弹身接触靶板为主,靶板质量损伤大但能量获取相对较少.      

高效双压氦液化循环研究

为了实现氦液化系统的高效性,提出了一种新型双压氦液化循环,探索在相同的高压压力下,流程参数、部件效率、系统液化率及(火用)效率等重要参数随中压压力的变化规律．结果表明：改变中压压力,流程液化率随着中压压力的增加而增加,而(火用)效率随之减小,当中压压力为7.0×10⁵ Pa时,液化量为90.46 L/h,(火用)效率达到最大值18.6%,当中压压力为12.5×10⁵ Pa时,液化量和(火用)效率分别为107.4 L/h和17.5%;双压氦液化循环相较于modified-Claude(修正-克劳德)循环,减小了节流阀处的损失,同时降低了系统功耗,提高了系统整体的(火用)效率．