辐致光伏效应同位素电池因其具有小型化、长寿命等特点, 已被广泛研究。研究工作主要致力于提升同位素电池的输出性能。本研究选取全无机钙钛矿量子点作为荧光材料, 利用其发射光可调的特性以匹配不同的后端光伏器件, 调控优化后同位素电池的最大输出功率显著提升, 可提高2.51～3.97倍。基于上述研究结果讨论了优化后端器件的适配性对于核探测和核医学成像等领域的应用价值和参考意义。

提出一种基于磁场调制的质子放射治疗新方法, 探索肿瘤剂量、正常器官剂量与磁场调制方法之间的关联机制, 研究磁场调制质子放疗在器官环绕型肿瘤(肿瘤被正常器官环绕或包围)治疗中的应用。基于蒙特卡罗粒子输运程序Geant4, 分别建立了理想器官环绕结构（由若干平行六面体结构组成）和含胰腺肿瘤人体腹部解剖结构两种几何构型。分别对两种几何构型内部施加磁场, 通过改变磁场强度和方向,调制质子束布拉格峰几何位置, 利用质子径迹的磁致偏转效应使质子束绕开正常器官对肿瘤进行照射。 对于理想器官环绕型构型, 磁场调制质子放疗可在保证95%剂量覆盖肿瘤情况下将受质子照射正常器官体积控制在接近于零的极低水平。对于胰腺肿瘤解剖构型, 磁场调制方法可使质子束在调制磁场作用下, 绕过脊髓和肾脏照射肿瘤, 并使肿瘤被95%剂量较好地覆盖。通过磁场调制, 可对质子束布拉格峰几何位置和质子径迹弯曲程度进行调制, 绕过正常器官对肿瘤进行照射, 从而最大限度地减少正常器官的受照体积和剂量。

针对空间高能电子环境可能造成的航天设备故障、宇航员辐照损伤等情况, 基于电子束返回效应, 提出了一种磁场下金属/真空夹层式高能电子屏蔽结构。采用Geant4软件, 模拟空间高能电子连续能谱, 研究磁场下夹层式结构的高能电子屏蔽性能。此外, 建立体素模型, 计算射线在人体中的累积剂量, 从而评估磁感应强度、屏蔽体材料对屏蔽性能的影响。结果表明: 与传统被动屏蔽方式相比, 夹层式结构具有电子屏蔽性能高、生成透射次级X射线少的特点; 随着磁感应强度增加, 体模中累积剂量下降, 证明夹层结构的电子屏蔽性能不断提升; Ti/Ti材料组合的屏蔽方式具有更优越的高能电子屏蔽性能。该结构具备较好的高能电子屏蔽性能, 将来有望对空间高能电子辐射环境进行有效防护。

针对现有核素治疗中内照射剂量测量缺乏简单、高效方法的问题, 基于内照射剂量与切伦科夫辐射之间的关系, 提出一种基于切伦科夫辐射的核素治疗内照射剂量测量的新方法。利用蒙特卡罗计算程序Geant4, 模拟放射性核素131I在水体模型和甲状腺模型中产生切伦科夫辐射与剂量沉积的分布情况, 并定量分析切伦科夫光子数与剂量之间的关系。计算结果表明: 在水体模的半径方向上切伦科夫光子数与剂量之间有着相同的变化趋势, 且两者有着相同的二维分布规律; 核素131I在介质中产生的切伦科夫光子数与剂量两者之间存在一定的线性关系, 且这种线性关系与核素的分布情况无关。研究结果证实, 将这种放射性核素在介质中产生的切伦科夫辐射应用于内照射剂量学具有非常大的研究潜力和价值。

针对坐落于意大利帕维亚大学的TRIGA Mark II反应堆热柱结构进行优化设计, 从而满足面向硼中子俘获治疗(BNCT)的单光子发射计算机断层成像(SPECT)研究要求。为提高计算效率并减小统计误差, 对比分析使用SSW/SSR方法与直接使用反应堆为源项时热柱内照射位置处中子能谱, 其结果基本一致, 从而验证了SSW/SSR方法的可靠性。为在该反应堆开展BNCT中SPECT实验, 热柱中子束需准直为笔形束。对比分析四种热柱优化方案下束流口处及探测器处热中子和光子通量: 40 cm长石墨(射束口5 cm×3 cm); 0.5 cm厚硼包裹40 cm长石墨(射束口5 cm×3 cm); 30 cm长天然锂聚乙烯(射束口直径4 cm); 30 cm长天然锂聚乙烯(20 cm长射束口直径5 cm, 5 cm长射束口直径4 cm, 5 cm长射束口直径2 cm)。结果显示, 射束口处热中子通量分别为1.05×108, 2.52×107, 6.08×107和5.10 × 107 #/(cm2·s)。综合考虑中子准直效果及光子污染, 方案三具有最优性能。为后续进行BNCT-SPECT理论和实验研究提供了基础, 从而有效促进BNCT剂量准确评估方法的研究进程。

利用小型旋翼机良好的机动性能和环境适用性,将小型旋翼机与传统的核辐射探测设备相结合,再通过软硬件的开发、无线通讯、GPS定位以及核数据处理技术的应用,研发了一套具有受地形环境影响小、可避免人员受到近距离辐射损伤等优点的机载辐射监测系统。介绍了系统的结构组成、工作原理以及关键技术难点,重点研究了系统关键模块的设计以及剂量率响应线性范围的测定。飞行实测结果表明,该系统可对环境中的放射性实时、准确地测量,可用于日常的辐射环境监测以及失控γ放射源的搜寻,为核应急提供了一种新方法。

针对空间辐射环境进行了理论分析，并使用蒙特卡罗方法，对银河宇宙射线及典型太阳质子事件进行了模拟。通过分析常规屏蔽对空间辐射场及人体剂量的影响、屏蔽下的次级粒子产额等，验证了蒙特卡罗工具包Geant4应用于空间辐射防护研究的准确性。模拟发现: 在常规屏蔽厚度的情况下，对于太阳质子事件，由于其能量主要分布在低能量段(100 MeV以下)，屏蔽效果随屏蔽厚度的增加明显增大，1 g/cm2 Al等效厚度屏蔽皮肤剂量可降低至其初始剂量值的8%左右，10 g/cm2 Al等效厚度的屏蔽可降低至初始剂量值的048%左右; 而对于银河宇宙射线，由于其平均能量较高，屏蔽层的屏蔽作用并不明显，在浅层组织剂量甚至有所增加。

基于蒙特卡罗粒子输运程序MCNP，设计了一种强度高、密度低、具有优异中子屏蔽性能的新型玻璃纤维/B4C/环氧树脂复合材料，模拟计算了镅-铍(Am-Be)中子源产生中子对该材料的透射率; 研究了该材料的中子屏蔽性能与传统屏蔽材料的差异以及不同B4C质量分数对该材料的屏蔽性能影响; 根据模拟结果分析了该材料对不同能区中子(慢中子、中能中子、快中子)具有的不同屏蔽性能。研究发现: B4C质量分数为10%的该种新型玻璃纤维/B4C/环氧树脂复合材料的中子屏蔽性能，尤其是慢中子屏蔽性能较传统的含硼聚乙烯和Al-B4C合金材料更为优异; 但随着B4C质量分数的增大，屏蔽性能提升不明显。结果验证了蒙特卡罗方法用于中子屏蔽材料优化设计的可行性。