为了更好地研究神光Ⅲ原型实验中激光与等离子体相互作用产生的散射光，研制了新的全孔径背向散射诊断系统。该系统根据布里渊散射与拉曼散射的性质区别，使用二向色镜对散射光进行分光提纯，采用真空滤波器、挡光板、高反滤波片以及改变倍频晶体角度等进行消杂光处理，进而减少杂散光对测量结果的影响。同时，该系统采用特制的全口径大光斑激光器模拟打靶散射光对光路透过率进行标定。实验结果表明: 新的全孔径背向散射诊断系统工作状态稳定，明显减少了杂散光的影响，所测数据更加真实可靠。

针对光电测量设备的大气折射误差实时修正以及红外激光传输研究等问题，利用2006年至2010年间在新疆戈壁地区获取的大气参数探空实验数据，计算得到了两个特定的波长，即1.32 μm和4 μm对应的大气折射率平均剖面分布，进而提出了一种实用的折射率剖面分布模式--三参数指数分布模式。利用非线性最小二乘法，分别拟合得到了波长为1.32 μm和4 μm时的红外波在各季节内折射率的三参数指数剖面分布模式。采用统计得到的折射率剖面分布模式实时修正了光电设备的仰角测量数据，通过和实测模型的事后修正结果比较发现，二者的差值小于5″，实现了对当地光学测量数据大气折射误差的实时、快速修正。

报道了基于氧化石墨烯的被动调Q掺铒光纤激光器。激光器采用环形腔结构，调Q器件为自制的氧化石墨烯可饱和吸收镜。泵浦功率在81~505 mW范围内时，得到了重复频率68~124 kHz的稳定的调Q脉冲输出，脉宽为0.47~1.60 μs。由于泵浦功率限制，激光器最大输出功率为10 mW, 相应单脉冲能量为80.6 nJ。此种基于氧化石墨烯可饱和吸收体的被动调Q光纤激光器体积小、成本低廉、结构简单、稳定性高、光束质量高，具有广阔的应用前景。

利用基于Pump-probe系统的超快时间分辨阴影图的方法，研究了空气中飞秒激光烧蚀单晶硅的动力学过程。实验采用脉宽为50 fs、平均能量密度约35 J/cm2的单脉冲激光烧蚀单晶硅，获取飞秒激光烧蚀单晶硅过程中等离子体和冲击波的形成和发展过程的时间分辨阴影图。实验结果表明: 飞秒激光烧蚀单晶硅导致其表面物质喷发的过程是不连续的，分为明显的两次喷发过程。这表明飞秒激光与单晶硅作用的过程中，在不同的时间段可能由不同的机制主导，在前期可能是多光子电离为主，在后期可能是由多光子效应和雪崩效应共同作用。研究还发现，延迟时间较长时，冲击波形状发生畸变。

根据参量放大和拉曼效应共同作用下的耦合波方程，在考虑高阶色散情况下，当输入泵浦波偏振方向同双折射轴成45°时，通过引入拉曼增益的洛伦兹模型，研究了高双折射光纤中，参量放大和拉曼效应共同作用下的增益谱随相关参量的变化关系。结果表明: 高双折射光纤中,在不同色散区，不同的输入参量(输入功率、群速度失配等)条件下，参量放大和拉曼效应共同作用下的增益谱受到高阶色散的影响，增益谱的结构、强度和谱宽产生了变化, 高阶色散对增益谱的影响不可忽略; 可以利用增益谱在大群速度失配区域远离中心频率偏移的性质，提取T频率脉冲。

对一种短偶极子类小型短电磁脉冲传感器进行了研究，分析了传感器电容、有效面积与结构参数之间的解析关系，给出了传感器的工作原理。根据应用需求设计了不同带宽的该类传感器，并对其波形保真性和有效面积进行了数值分析，仿真结果表明: 经传感器接收并还原所得场波形与激励电场波形几乎完全重合，传感器有效面积与理论分析结果偏差小于1%。对传感器的焊接、定位和对轴等制作工艺进行了研究，完成了传感器样品的制作。利用单锥TEM室对传感器的波形保真性和有效面积进行了实验测试，测试结果表明: 设计制作的传感器样品可以很好地恢复待测脉冲电场的波形和幅度，两支传感器样品的有效面积实测结果与解析计算结果较为一致，偏差分别小于4%和7%。

在现有光滑粒子流体动力学方法基础上，提出了结合差分方法处理激光辐照边界条件的方法，并利用此方法自编程序模拟计算了功率密度为5.0×109 W/cm2的强连续激光辐照铝靶时的热-力学效应，准确给出了与激光作用的边界粒子的分布和飞散情况，同时给出了不同时刻靶体的温度场，得到了温度分布规律，并对结果进行了分析。

基于光学沉积方法,制备了石墨烯可饱和吸收体，并利用此可饱和吸收体搭建了环形腔结构的被动调Q掺铒光纤激光器，实现了稳定的调Q激光脉冲输出，其重复频率为5.1~14.2 kHz，最窄激光脉冲宽度为8 μs，最大平均功率为162.3 μW，且通过调节偏振控制器，中心波长在1556~1558 nm可调。

宽带脉冲在钕玻璃放大器中传输时，由于受到增益窄化和增益饱和效应的影响，脉冲频谱将受到调制，从而产生边带丢失或者频谱两侧失衡，进而导致脉冲时间波形产生调制。针对不同的宽带光源模型，数值模拟了放大器输出波形的幅度调制，分析了增益带宽、输入脉冲带宽及增益曲线中心波长相对输入脉冲中心波长的偏差等因素对输出脉冲调制度的影响。结果表明: 不同的宽带光源脉冲经过钕玻璃放大器后，均会产生不同程度的幅度调制; 啁啾堆积脉冲比正弦相位调制脉冲产生的幅度调制小。

针对水平集方法计算复杂度高，无法满足实时系统要求的缺陷，提出一种改进的快速水平集算法。该算法对快速水平集算法进行简化，采用单链表表示轮廓曲线。利用C-V模型的二值拟合项来设计曲线演化的速度函数，保留了C-V模型的全局优化特性。还给出了一个基于单链表中轮廓点个数变化的水平集演化终止准则。该算法不仅明显提高了分割速度，且对噪声图像也能实现高效的分割。

基于激光水下爆炸的声探测技术,设计了激光声水下目标探测器。对激光水下爆炸声源的产生机理进行研究,并开展水下探测器发射声信号检测的实验。实验结果表明: 强脉冲激光聚焦于水介质产生爆炸性球面声源,探测器内部的声反射面将球面声信号转变为高指向性的平面波信号。通过对探测器的发射信号和接收的目标回波信号进行数值计算，得到探测器发射信号具有波束指向性窄、距离分辨力高和探测距离远等特点，满足水下目标探测的应用需求。

利用双光束反射率测量装置，研究了连续激光重复加载作用下30CrMnSiA钢金属材料的反射率变化特性。通过激光加载、冷却然后再加载到更高的温度的辐照试验与激光单次辐照的结果比较，发现二次加载时材料表面的激光反射率与样品表面首次加载时达到的最高温度所对应的反射率基本一致，只有达到并超过首次加载时样品曾达到的最高温度后，样品表面的反射率才会再次发生变化，且变化趋势与单次完整加载时的路径重合。这表明样品表面的反射率与其达到的最高温度有关，进一步的研究结果表明，样品达到的最高温度与样品表面在最高温度下产生的氧化反应层有关，而这一氧化层在冷却过程和再加载过程不变化。

根据神光-Ⅲ原型内爆实验条件下初级中子能谱诊断的要求，提出了反冲质子磁谱仪原型的设计方案，并通过蒙特卡罗程序Geant4对设计方案进行了仿真模拟。该质谱仪的测量能区在6~30 MeV，测量产额范围大于1012，能够测量内爆实验的全中子能谱。模拟结果表明: 设计的谱仪对于14 MeV的中子探测效率大于10-11，能量分辨达到1%，信噪比大于10，满足神光-Ⅲ原型装置内爆实验离子温度诊断的要求。

在超短超强激光装置SILEX-Ⅰ上,利用HD810辐射变色膜在靶背法线方向测量了质子产额及空间分布。测量结果显示: 光学密度与质子流量密切相关，光学密度越大，质子流量就越大; 当C8H8厚度相同，Cu厚度增加时，质子产额随辐射变色膜的光学密度平均值减小而减小; 当靶相同，激光功率密度越小时，光学密度平均值就越小，则质子产额也越小; 实验中还得到了质子呈环状、成丝和圆盘状结构的空间分布，该空间分布的大小与激光焦斑大小无关。

采用一维的等离子体流体力学模型研究了氦气-氧气高气压下电容耦合放电过程。分别给出了间隙为1.6，2.4和3.2 mm时外加电压的有效值与放电电流有效值特征曲线，并与已有的实验数据作对比，结果表明计算得到的电压-电流特征曲线与实验数据符合得很好。研究发现: 氦气-氧气高气压下电容耦合放电过程中荷质比较大的离子在鞘层中的分布随着外电场的变化而变化，而荷质比较小的粒子在整个放电区域基本不随外电场变化而变化; 同时杂质形成正负离子在主等离子体区域两端出现了峰值。

以三聚氰胺(M)、间苯二酚(R)和甲醛(F)为原料，经溶胶-凝胶法、超临界干燥和高温碳化制备了系列的氮掺杂碳气凝胶(NCAs)。X射线光电子能谱(XPS)分析表明,氮元素成功地引入到碳气凝胶中，并且可以通过调节三聚氰胺掺杂量来控制氮掺杂量; 扫描电子显微镜(SEM)和N2吸附测试显示出不同氮掺杂量的碳气凝胶的微观结构差异较大，随着氮含量的增加，比表面积有先减后增的趋势; 在6 mol/L KOH溶液中进行的恒流充放电和循环伏安测试表明，引入氮元素能够极大地改善碳气凝胶的电化学性能，最高比电容量达176 F·g-1，并且凝胶具有良好的电容特性和可逆性。

近背向散射光诊断系统的建立对于精密测量近背向散射光能量份额具有重要意义，它为惯性约束聚变物理实验激光能量与靶耦合效率参数提供了重要的数据支撑。介绍了神光Ⅲ原型装置的近背向散射光诊断系统，包括其主要功能、技术要求、光学设计与机械设计要点。该诊断系统以离轴椭球镜及靶室外的光学传递组为核心元件，具有灵活可靠的支撑和调节结构。在原型装置上使用该系统进行了打靶试验考核，结果表明该系统能进行稳定测量，数据结果符合预期。

设计了导流系数1.53 μP的电子枪，枪内场强低于22.1 kV/mm，阴极平均负载小于6.3 A/cm2; 采用部分屏蔽流均匀场电磁聚焦系统，实现了对电子注的良好聚焦; 设计了C波段π/2模盘荷波导行波输出结构，采用CST软件对其色散特性、耦合阻抗进行了计算分析。首先以单间隙输出腔代替行波输出结构对5腔注-波互作用系统进行计算，确定了前4腔的设计参数，然后采用PIC模拟软件对具有盘荷波导结构的输出系统进行了三维模拟，获得了大于50 MW的输出功率，效率大于45%，饱和增益大于50 dB，盘荷波导结构间隙电压比单间隙输出腔下降30%，效率提高4%。

利用三维粒子模拟仿真软件，对共焦波导结构的0.4 THz回旋行波管进行了注波互作用的模拟研究。以共焦波导的冷腔色散以及衍射损耗入手，最终选定HE06模作为互作用工作模式。为了对寄生振荡进行抑制，在互作用结构中引入了截断。在模拟过程中，通过调节束压、束流、工作磁场、电子束横纵速度比，得到了最优的工作参数。最终，在束压34 kV、磁场14.25、束流2 A、横纵速度比0.75的工作参数下，当输入信号为1 W时，得到了最高2.76 kW的功率输出，增益超过34 dB，3 dB带宽为8 GHz，效率达到4%。

设计了一种工作在W波段的振荡器。采用宽高比值为2的薄矩形电子注降低空间电荷效应，周期耦合腔慢波线作为高频结构以增加功率容量，阶梯渐变矩形波导作为输出结构，使输出结构与高频结构匹配连接减少反射。利用三维PIC粒子模拟程序进行数值模拟，分析慢波结构的周期数及周期长度对输出功率、频率及效率的影响。结果表明: 当阴极电压为13.0~16.1 kV时，谐振腔能正常工作; 谐振腔周期数为9，阴极电压为15.7 kV时输出功率和转换效率最大，输出峰值功率大于1.9 kW，平均功率为980 W，频率为91.6 GHz，转换效率达25%，输出频率随谐振腔周期长度的减小而增大。

针对目前超宽谱短脉冲电场测量传感器标定问题，研制了以镜面单锥结构为核心的超宽谱短脉冲电场标准装置，用于超宽谱短脉冲测量传感器校准。该标准装置内部的电场分布可基于结构参数、麦克斯韦方程及激励脉冲解析给出。通过理论分析和数值分析验证了该技术路线的可行性。完成了标准装置的机械工艺设计及加工，并进行了测试。测试结果表明: 研制的标准装置在馈电处电压反射系数小于4%; 内部电场波形与激励波形一致，且电场幅度分布与严格理论结果偏差小于6%。

根据兰州重离子治疗专用装置(HITFL)物理设计的要求，采用三维电磁场程序ANSYS建立HITFL环上注入引出高压静电偏转板的物理模型。模型中高压电极的倒角半径为20 mm，电极半宽度为55 mm,计算出静电偏转板物理要求区域内电场的非均匀度为-0.24%～0.24%，区间的电场集中系数为1.37(小于2)，满足物理设计的要求。同时，利用了HIRFL-CSR(兰州重离子冷却储存环)工程CSRm环上注入引出高压静电偏转板物理设计的经验，HITFL环上的静电偏转板采用表面经过氧化处理的锻铝板材以满足耐压性和机械强度的要求。

介绍了兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)超长周期慢引出主环(CSRm)磁铁电源控制系统的设计。该系统采用基于高速以太网的分布式控制系统，选用了ARM+DSP结构的前端智能控制器,对整个运行周期的控制采用了分段处理的机制，解决了波形数据量过大而无法在前端控制器进行全波形存储的问题。该系统已经在加速器冷却储存环中通过了调试，满足了物理实验的要求。

设计了中国散裂中子源(CSNS)快循环同步加速器(RCS)注入区的主剥离膜装置。为降低研制难度和成本，提高运行可靠性，选择了回转体式的结构。根据在线可调性、高稳定性、高定位精度和超高真空等技术难点，给出了CSNS/RCS主剥离膜的具体结构方案和控制方案。利用ANSYS有限元分析软件和材料力学原理，对设备的核心部件不锈钢同步带进行了模拟计算和理论分析。

通过建立X波段同轴磁控管模型，对起振过程进行PIC模拟，结果表明: 当衰减瓷损耗角正切大于0.010时，起振过程中可能受干扰模影响，但均能正常工作; 当选用损耗角正切为0.001或不具有衰减性能的材料时，磁控管可能无法正常工作。因此同轴磁控管中需要选用损耗角正切大于0.010的电介质材料。进一步对该磁控管进行冷态微波特性模拟研究，重点分析了磁控管主模、N/2-1干扰模在不同参数衰减瓷下的品质因数，模拟结果表明衰减瓷位置合理，当损耗角正切大于0.010时，对N/2-1模的吸收效果明显改善，验证了PIC模拟的结论。

在合肥光源(HLS)升级改造中，为了增强注入器的束流位置检测器(BPM)系统的整体性能，采用单次通过数字束流位置处理器(Libera Brilliance Single Pass)构成信号处理系统。首先对Libera Brilliance Single Pass进行了离线的性能测试，然后用它对条带BPM进行实验台标定，最后在合肥光源现有200 MeV直线加速器上进行了在线测试。结果显示其离线分辨力为4~17 μm，优于原有对数比处理系统。在线水平和垂直分辨力分别好于26 μm和19 μm，优于原有系统的58 μm和33 μm。

为了解决兰州重离子加速器研究装置(HIRFL-CSR)磁铁电源数字调节器的通讯堵塞问题，采用了新的体系架构，并将P2P技术嵌入到数字调节器的核心控制器ARM中，运用UDP的打洞技术，使调节器之间的数据不再通过中心Oracle数据库转发，而是在调节器间直接建立通讯，这种方式分散了中心Oracle数据库的通讯量，减少了网路堵塞的风险，提高了通讯的效率、有效性和可靠性。

采用磁场辅助激光熔覆技术,在Q235钢表面制备了Ni60CuMoW复合涂层,借助SEM，EDS 和XRD 等表征手段对涂层进行了微观组织和物相分析，利用维氏硬度计测试了复合涂层截面的显微硬度分布，通过摩擦磨损实验和电化学测试系统研究了复合涂层的磨损性能和耐腐蚀性能。研究结果表明: 涂层主要由γ-Ni,Cu)固溶体、硅化物和硼化物组成，Cr3Si晶粒细化且均匀致密; 磁场辅助作用下，激光熔覆涂层平均显微硬度达到913HV0.5，为无磁场辅助涂层的1.5 倍，磨损失重仅为无磁场涂层的36%，自腐蚀电位上升了100 mV，腐蚀电流密度降低了70%，耐磨耐蚀性能得到了显著改善。

通过模拟研究，找到了一种采用非均匀电极高压来改善探测器视差效应的方法; 考察了该方法对多丝正比室的电子收集效率、增益一致性等性能的影响。结果表明:该方法可以显著减小探测器的视差效应，不会影响探测器的电子收集效率，引起的阳极丝增益一致性的变化也基本不会对探测器的总体性能造成影响。

介绍一台2.45 GHz永磁强流电子回旋共振离子源，其外径160 mm，高90 mm，放电室直径70 mm，高50 mm。微波馈入采用介质耦合方式，微波窗由一块50 mm×10 mm柱形BN和两块30 mm×10 mm的柱形陶瓷构成。离子源工作在脉冲模式下，采用三电极引出系统，最高引出电压达到100 kV，在微波输入功率300 W、进气量0.4 mL/min时，可引出峰值超过30 mA的氮离子束，在距离离子源引出孔1200 mm位置处的束流均匀区直径大于200 mm。

对电子发射面设置问题进行了研究，给出了底入射腔体系统电磁脉冲模拟中电子发射面的实现方法，分析了侧入射腔体系统电磁脉冲模拟中电子发射面的特点，并利用虚拟发射面的方法实现了侧入射腔体系统电磁脉冲模拟中电子发射面的设置。结果显示，利用该方法可以较简洁地实现腔体系统电磁脉冲模拟中平面和曲面电子发射面的设置，发射面电子发射参数和时序符合物理规律。

在激光引信中，云雾后向散射会产生引发虚警的回波信号。基于蒙特卡罗法对云雾回波信号进行了模拟仿真，并在云雾室内开展了测量实验，利用测量结果对理论模型进行了验证。研究结果表明: 当发射脉冲宽度小于10 ns时，云雾散射回波展宽效应显著，且展宽效应主要是由多次散射产生的; 激光回波的实验测量结果与理论计算结果吻合得较好，都近似为高斯波形，且其回波宽度的差别小于6%，回波功率差别小于30%。

基于磁场闪络抑制原理，研究回路电流产生的自磁场效应对固体材料绝缘性能的影响。通过计算电场强度与磁感应强度的临界比值，设计了同轴电极结构，确定了满足闪络抑制判据的电极尺寸，开展自磁场闪络抑制实验、自磁场闪络促进实验以及无磁场绝缘闪络实验，对比三种条件下绝缘材料的沿面闪络规律，分析磁场位形对材料绝缘特性的影响情况。实验结果表明:绝缘样品在自磁场闪络抑制效应影响下闪络电压提高了约15%，在自磁场促进闪络效应下闪络电压降低了约18%。

研制了一套用于小空间电磁脉冲测试的光纤传输电磁脉冲三维电场传感器。通过电磁仿真软件CST2011，研究了天线结构对被测场的影响，发现嵌入式探头与球形结构可以有效减小屏蔽壳体对电场扰动。讨论了传感器极间耦合及三维场合成误差，确定了主要设计参数。研制的三维传感器采用了屏蔽结构与偶极子天线的一体化设计，对外部电场屏蔽可达60 dB。在有界波电磁脉冲模拟器中的实验表明，传感器系统对于三维电场测量可达到设计要求，对被测电场扰动较小，极间耦合系数小于6%，三维场角度与峰值合成误差小于5%。传感器采用对称结构，满足自由空间场测量的需要。

用经验模态分解和分形分析相结合的方法对核爆和雷电电磁脉冲信号进行了识别研究。计算了核爆和雷电电磁脉冲原始信号的盒维数，以及原始信号经验模态分解后前4阶固有模态分量(IMF)的盒维数。用最近邻法对核爆和雷电进行了识别，实验结果表明: 原始信号经验模态分解后一阶、二阶IMF盒维数的识别率要略高于三阶、四阶IMF盒维数的识别率; 原始信号盒维数的识别率高于经验模态分解后各阶IMF盒维数的识别率; 二维和三维特征的识别率要高于一维特征的识别率，另外二维和三维特征的识别率更加趋于稳定，并且三维特征的识别率都在90%以上。

屏蔽计算中的深穿透问题一直是蒙特卡罗计算的一个难题，研究了一种发射点作为驿站的随机游动机制，推导了相应的自适应抽样方法。其主要优势在于，在蒙特卡罗方法求解粒子输运的同时，利用已经获得的信息，自适应地控制各次抽样数，不断完善计算进程。通过对碰撞点引进重要性函数，实现发射点作为驿站的重要性抽样，并结合自适应控制达到最佳抽样状态。数值结果表明:基于发射点作为驿站的自适应抽样方法，在一定程度上克服了深穿透计算中估计值偏低现象。相应的重要函数抽样方法获得了满意的结果。

为克服蒙特卡罗(MC)方法计算时间长和离散纵标(SN)方法复杂几何描述不精确的困难，采用SN-MC耦合计算流程，研究了基于蒙特卡罗方法和离散纵标方法的耦合方法。耦合方法的主要思想是根据离散纵标程序提供的中子角通量，利用接口程序计算出面源的分布概率，然后由修改后的源抽样子程序生成包括上下圆面源和圆柱面源的组合源，提供给蒙特卡罗程序进行计算分析。初步计算结果表明，该耦合方法是正确的，可用于压水堆堆腔漏束的计算分析。

基于知识产权的考虑，通过与蒙特卡罗程序MCNP计算结果比对，研究使用FLUKA程序替代MCNP程序进行反应堆压力容器快中子注量计算的可行性。通过修改和调用子程序对次级粒子堆栈进行操作，解决了关闭裂变中子这一关键问题，FLUKA程序的计算结果与MCNP程序的计算结果相对偏差在5%以内，符合得较好,证明使用FLUKA程序替代MCNP程序用于计算反应堆压力容器快中子注量在技术上是可行的。

为通用型蒙特卡罗粒子输运程序JMCT设计了抽样工具库,通过两种技术途径提供各分布的抽样。一是针对各种常见分布提供特定抽样子程序;二是提供一个通用型的抽样子程序,可以实现任意离散分布和任意一维有限区间上连续分布的自动抽样。在设计任意一维有限区间上连续分布的自动抽样工具时利用了部分开源代码,利用其功能提供给用户最大的方便性。对抽样工具库的检验表明,其可以正确、方便地实现各种输运模拟中常见分布的抽样。

为了快速模拟高能质子照相过程，利用蒙特卡罗(MC)技术和技巧编写了程序QMCPrad，并开展了QMCPrad与MCNPX的对比计算以及实验E955的模拟验证工作。在模型选取中，修改核反应过程权重的隐式俘获模式和一次抽样模拟穿透客体的多次库仑散射的浓缩历史方式都节约了大量的计算时间。与MCNPX相比，QMCPrad具备模拟质子在磁透镜中输运过程的能力。QMCPrad与MCNPX、实验E955的对比及验证结果表明，QMCPrad能够准确定量地模拟高能质子照相，为质子照相实验设计提供工具。

研究了闪光X射线辐射照像蒙特卡罗程序(FXRMC)在MPI平台下的并行计算实现，给出了实现过程中并行随机数的产生方法。对并行程序的测试结果表明: 并行程序与串行程序结果一致，加速比比较理想，呈线性增长，并行效率在16个处理器上可达80%以上。算例的结果说明了并行化可有效地解决程序计算散射技术性能时的耗时问题，从而有效化解FXRMC耗时和大规模计算的困难，提高了FXRMC程序的计算规模和计算速度，达到了研究要求。

在放射性免疫治疗以及硼中子俘获治疗(BNCT)等放射性治疗过程中，α粒子通过与人体组织材料相互作用产生次级δ电子将能量传递给人体组织，放射性核素在细胞尺度分布的不均匀性将严重影响靶区剂量分布。为深入了解放射性核素在细胞中不同位置分布对靶区剂量影响，采用基于历史凝聚算法的Monte Carlo 工具包Geant4编写了细胞S值计算程序。计算了2种细胞尺寸，12种α粒子能量，3种源分布方式的细胞S值，与医学内照射剂量(MIRD)委员会解析算法的计算结果进行对比，发现两者差异在1%以内。证明了Geant4在μm尺度下细胞剂量计算的可行性，并对BNCT治疗过程中产生的α粒子(1.47 MeV与1.78 MeV)的细胞S值进行计算。

使用蒙特卡罗方法快速准确地模拟6 MV Varian Truebeam医用电子直线加速器射野剂量特性，探究厂家提供相位空间源的可用性及模拟方法的准确性。以Varian公司提供的出束窗口位置处相位空间文件作为Beamnrc/EGSnrc输入源，模拟射野形成结构并计算10 cm×10 cm射野下的均匀水体模中的剂量分布，将计算结果与相同条件下的实验测量数据进行比较。同一计算机模拟时，传统完整机头模拟方法需4~5 h，文中所述方法模拟时间可缩减至48 min，剂量计算结果与相同条件下所得实际测量数据可较好地吻合，两者的百分深度剂量差异低于3%，且建成区吻合良好; 不同深度处80%等剂量线所包含的射野区域内百分离轴剂量比差异均低于3%，且半影区效果好。使用厂家提供相位空间文件作为EGSnrc入射源，能快速模拟治疗头，得到剂量计算结果与实际测量值的差异满足剂量计算精度要求。

质子束轰击探测器产生的感生放射性核素，将使探测器成为一个典型的外照射辐射源，针对感生放射性核素种类、活度的计算有利于辐射防护工作的开展。使用FLUKA蒙特卡罗程序，研究了低能质子束(20 MeV以内)轰击三种探头材料(铜、钽、钨)产生的感生放射性问题，得到探头材料在一定照射时间下的放射性核素活度及指定冷却时间后的剂量水平。研究结果表明，质子束轰击铜探头产生感生放射性的能量阈值最低(4~5 MeV)，而钨、钽探头与质子束产生感生放射性的能量阈值较高。相同照射时间下的钨、钽探头产生感生放射性总活度远低于铜探头，在冷却1 h后其放射性总活度降至最低。

提出了采用蒙特卡罗方法来模拟高能闪光照相物理过程，提供模拟图像用于边缘检测，依据模拟图像的边界退化来修正实验图像的边界，通过迭代计算获得较精确的客体边界。利用数值计算来验证和评估方法的精度与可靠性，实验图像处理结果表明: 采用Canny算子获得的边界值误差在几个像素尺寸，采用该方法修正后边界值误差降低至1个像素尺寸或更低，相比于修正前精度得到了显著提升。

使用蒙特卡罗程序Geant4，模拟平行束缪子垂直于理想探测器平面入射法国试验客体(FTO)模型，在模型的上方和下方各放置三块理想探测器，用以输出缪子位置信息，从而确定入射与出射缪子径迹。通过三种方法统计缪子穿过模型前后的透射比，对模型进行透射成像，得到不同的成像结果。统计方法一和方法二分辨力可达2 mm×2 mm，统计方法三可达1 mm×1 mm，Cu与W区分较为明显，而且可显示出FTO模型中心的空气球，FTO模型与模型周围空气的边界十分清晰。模拟结果表明，平行束入射缪子可以进行透射成像。

在介绍照射量计算方法的基础上，依据散射的主要来源，给出了一种从实验上检验蒙特卡罗散射模拟精度的方法。该方法的核心是: 构造一对有关联的照相布局--二者具有相同的直穿强度和不同的散射强度，两种照相布局的成像图像之差对应于它们的散射之差，其中前者可以用实验测量得到而后者可以用蒙特卡罗模拟得到,我们对三组客体模型进行了闪光照相实验和蒙特卡罗数值模拟，发现每一种客体模型下的成像图像之差及散射之差的分布形状都非常相似，并且具有几乎一致的比例系数约为4.95。

超临界水堆是国际第Ⅳ代核能系统论坛推荐的六种第Ⅳ代核电反应堆堆型之一，与现有的轻水堆相比，具有热效率高、系统结构简单、造价低等优点。建立了MCNP程序下的超临界水堆堆芯物理计算模型，解决了燃料组件几何结构过于复杂精细难以建模的技术难题; 考虑了堆芯轴向冷却剂密度的不均匀分布，计算并分析各区域的中子能谱分布; 对失水事故下的超临界水冷堆安全性进行了分析，研究了不同区域冷却剂丢失程度对反应性及有效增殖系数的影响，表明所设计堆型具有较高的安全性; 分析处理失水事故的应对措施，验证了使用注入硼水措施处理超临界水冷堆失水事故的可行性。

基于MCNP程序对300#研究堆首炉堆芯进行精细建模，通过并行计算方式得到了实验临界棒位下堆芯的有效增殖因数为1.002 29，与临界值之间的相对误差为0.229%，验证了物理模型的正确性。探讨并解决了并行计算的中断与接续问题，提出了体通量计数与点探测器计数应用中的合理化建议，即对大体积空间计数时尽量使用体通量计数。计算值与实验值对比结果表明: 两者在3 MW功率水平下热中子通量密度相差4.6％，符合得较好。

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。

对惯性约束聚变(ICF)实验条件下热电子辐照聚变等离子体(DD，DT)的射程岐离和散射进行了分析。结果表明，射程岐离和散射随射程增加近似呈直线增加; 射程岐离和散射大小与等离子质量有一定关系。在单能热电子入射下，散射是计算结果误差的主要来源，误差在5%以下，绝对数在数十MA。入射束流的电子完全沉积在热斑中的聚焦角度，在边沿点火方式中，氘等离子体中为20.64°，氘氚等离子体中为21.8°; 在中心加热方式中，氘等离子体中为16.36°，氘氚等离子体中为17.6°，在技术上相对易于实现。

用蒙特卡罗方法对中国锦屏地下实验室(CJPL)的缪子辐射本底进行了模拟。在对宇宙线缪子进行模拟时，依据海平面缪子流强Gaisser公式建立模型，并利用MUSIC程序，模拟了CJPL实验室的剩余缪子归一化能谱，进一步利用FLUKA程序模拟得到了缪致光子、中子的产额和平均能量。结果表明: 剩余缪子的平均能量369 GeV，通量3.17×10-6 m-2·s-1，次级光子总的注量率约1.57×10-4 m-2·s-1，次级中子总的注量率约8.37×10-7 m-2·s-1。通过与世界上其他地下实验室本底水平的对比，表明CJPL的缪子辐射环境低于世界上大多数地下实验室。

研究了激光辐照金属丝产生电子束的自身磁场对其发散度的影响。通过理论分析和量级估算得到: 电子在金属丝附近运动时，同时受到金属丝电场和自身磁场的作用，聚集效应明显; 当电子离开金属丝后，空间电荷效应的库仑排斥作用与自身磁场的聚集作用量级相当，近似认为可以保持已经具有的发散度。利用经典轨迹蒙特卡罗方法模拟了该过程，计算结果表明自身磁场可以解释电子束的发散度及其对金属丝长度的依赖关系。

介绍了蒙特卡罗方法的基本原理以及随机数的产生方法。基于蒙特卡罗方法的思想，结合有限差分方法，建立了求解微分方程边值问题的随机概率模型，并以第一类边界条件的拉普拉斯方程和一个给定初值及边界条件的非稳态热传导方程为数值算例，研究了蒙特卡罗方法在求解微分方程边值问题中的应用。结果表明: 利用蒙特卡罗方法，不仅可以有效解决给定边界条件的微分方程，对于给定初值条件的微分方程，也可以从时域有限差分方程出发，采用蒙特卡罗方法进行求解。数值模拟和对误差的理论分析均表明，增加蒙特卡罗试验中的模拟粒子点数，可以提高计算结果的精度。

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。