光纤激光同带抽运方案具有泵浦亮度高、量子亏损小等优势, 有着巨大的功率提升潜力, 是近年来国际上的研究热点。1018 nm光纤激光可作为高功率掺镱光纤激光器的高效同带抽运源, 但是单个1018 nm光纤激光器输出功率有限, 光束合成是突破这一局限的重要方案。基于19台单模1018 nm光纤激光器和一个19×1光纤功率合束器, 搭建了一套全光纤结构激光合成系统, 实现了5 kW的1018 nm合成激光输出。

在神光Ⅲ主机装置, 利用16束激光注入黑腔产生二维柱对称、接近点火状态的等离子体环境。利用一台X光分幅相机首次获得金泡等离子体的运动演化过程和不同时刻金、充气等离子体边界的绝对位置。通过精密实验与二维辐射流体程序模拟结果比较, 验证了改进模型的合理性和可靠性。

为了实现高频率的调制激光输出, 设计了一种驱动系统由信号放大、电流调制、过流保护和具有慢启动功能的直流偏置电路高度集成的半导体激光高频调制系统。此系统采用了结构简单的直接调制方式, 运用线性调频的高频信号去控制半导体激光器发射激光的强度, 从而实现高频调制。在运用OrCAD/PSpice对高频调制驱动系统进行模拟仿真的基础上, 最终研制出的半导体激光高频调制系统实现了频率为40.02 MHz、直流偏置为493.326 mA、正弦波调制电流峰峰值为850 mA的高频调制输出, 调制激光平均功率为300 mW。

载气密闭循环氧碘化学激光器技术是一种有望大幅减小氧碘化学激光器体积和降低运行成本的技术, 然而至今鲜见相关实验报道。采用超音速喷管加双螺杆真空泵建成了模拟实验装置, 并通过测量超音速喷管前后和双螺杆真空泵出入口处的气动参数的方法开展了载气密闭循环氧碘化学激光器的可行性研究和工作稳定性模拟实验研究。模拟实验研究结果证明了该技术的可行性, 发现并分析了其光腔压力随双螺杆真空泵转速提高而出现压力拐点的现象, 确定了其稳定运行工作条件, 为实现载气密闭循环氧碘化学激光器的真正运行和小型化奠定了良好的基础。

低温冷冻靶是惯性约束核聚变装置的关键部件之一。冷冻靶靶丸位于黑腔内部, 需要利用微管完成燃料充注。针对燃料在微管内发生气液相变后流入靶丸这一关键过程, 研究了微通道流体与常规流体流动传热的差异。基于微通道特性对流体流动传热方程进行修正, 同时建立了气液相变模型, 对微充气管内燃料充注过程进行了数值计算分析。得到重力和表面张力的影响, 在微通道中, 重力作用可以忽略, 表面张力起重要作用。得到了微尺度效应包括速度滑移和温度跳跃对流动传热过程的影响。对多种充气管结构进行比较分析, 为选型提供指导。通过选择不同进口条件和出口条件, 对充注量控制和充注条件选择提供了指导方案, 实际充注时需要同时提高进口温度和压力, 保证连续可控充注。

提出了一种新型的TE31-TE11模式的紧凑型高功率微波模式转换器结构, 在对比分析TE31和TE11两个模式的场分布特征相互关系基础上, 通过在输入和输出圆波导组成的内外套筒结构和适当布置镜像对称分布的轴向耦合长缝, 实现在小于1.2个波长的轴向长度内将相对论磁控管产生的L 波段TE31模式高功率微波转换为可定向辐射的圆波导TE11模式, 采用全电磁波仿真结合Taguchi方法优化了模式转换器的几何参数, 在工作频点获得的仿真模式转换效率为99%, 效率高于95%的带宽达到10%, 并对其工作于真空环境下的瞬态功率容量进行了仿真分析, 理论的瞬态功率容量可达到3.4 GW。

针对在混响室条件下进行辐射敏感度测试时电磁环境场强难以度量的问题, 分析了混响室内电场强度的统计特性, 理论推导了有损混响室内场强空间相关系数表达式, 并通过仿真分析验证了表达式的正确性。根据表达式得出有损混响室内相对距离大于半波长的两点间场强相互独立的结论, 并由此推断出, 混响室内环境场强测试位置与受试设备(EUT)距离应大于0.5倍波长, 且应以此作为测量位置选取准则。采用仿真计算与实验验证相结合的方法分析了相对误差随测试点与EUT间相对距离的变化规律, 对该准则进行了验证, 结果表明, 当测试点与EUT相对距离大于0.5时, 相对误差能够保证在±1.5 dB以内, 可应用于实际混响室环境场强测试。

目标的运动状态对其动态雷达散射截面积(RCS)起伏特性具有十分重要的影响, 同一目标在不同运动状态下, 可能具有不同的RCS起伏模型。结合实测数据, 对在平稳直线飞行和曲线机动飞行两种状态下的飞机动态RCS进行统计分析。分析结果表明: 在平稳直线飞行状态下, 飞机目标的动态RCS起伏模型与观测视角内的静态RCS起伏模型近似; 在曲线机动飞行状态下, 飞机目标的动态RCS起伏更显著、更随机, 当观测时间足够长、目标的运动随机性更大时, 其起伏模型更接近于指数分布。

将一等效薄片模型嵌入到时域有限差分算法（FDTD）中, 以快速而有效地解决复合材料薄片在电磁计算中的多尺度问题。在该嵌入式薄片模型中, 薄片不需要被剖分网格, 而是被嵌入到相邻的网格间, 从而可以使用相对较大的网格剖分周围物体, 进而可节省大量的计算资源。在这一模型中, 薄片被等效为一段传输线, 并用其频域的导纳矩阵代替。使用数字滤波器理论以及逆Z变换可将频域的导纳矩阵转换到时域, 并将其嵌入到时域有限差分算法中。该嵌入式薄片模型被用来计算一单层碳纤维复合材料薄片的反射以及透射性能, 并与其解析解进行对比, 从而验证该模型的准确性、收敛性以及高效性。该模型被用来计算三种具有不同电参数的单层碳纤维复合材料薄片的屏蔽性能, 以研究各电参数对其屏蔽性能的影响。

针对ns级脉冲电流信号的测量, 设计了一种带磁芯的新型自积分式罗氏线圈, 具有信噪比高、动态范围广等优点。屏蔽盒开气隙防止涡流。屏蔽盒外层采用聚氨酯进行整体封装, 聚氨酯层厚度大于1.5 mm, 可耐受大于20 kV的冲击电压。采用高压方波发生器与Pearson4100线圈对罗氏线圈标定。罗氏线圈的参数为: 灵敏度0.018 8 V/A, 最高上升时间小于20 ns, 方波脉宽300 ns, 最大峰值电流300 A。

在脉冲电路设计中, 需要根据实际应用的波形要求和负载特性选择、设计其电路构型。工程设计中常用的时域波形叠加和参数扫描等波形构型设计方法存在较大局限性, 难以形成对脉冲波形构型的物理本质、脉冲电路结构对负载的适应性等方面的系统认识。从分析影响脉冲波形构型的基本要素入手, 从时域和频域角度对脉冲波形构型及其电路实现方法进行系统的分析和归纳, 给出时域和频域的电路构型设计方法及相应的电路参数解算方法, 使设计人员可采用解析分析方法判断电路中元器件参数的调整方向, 同时推动电路设计创新。

根据探测器测量原理和标定方法、特点, 分析其位置测量的不确定度主要来源于测量过程的A类不确定度、不确定度和最小二乘法引入的拟合不确定度, 确定了各个不确定度的计算方法, 得到了探测器的合成不确定度, 对于应用于神龙二号直线感应加速器的电阻环和磁探测器, 其合成不确定度约为0.1 mm。

采用蒙特卡罗程序MCNP建立物理模型, 对井型高纯锗探测器的效率进行虚拟刻度。模拟计算在密度为0.4, 1.2 g·cm-3的6种不同成分环境样品中, 探测器对γ射线的探测效率, 当能量高于0.10 MeV时, 体源样品的探测效率主要与样品密度、γ射线能量相关。以土壤、水和植物油样品为代表, 结合所选取的函数模型, 确定了密度范围0.1~1.6 g·cm-3的固体源、密度1.0 g·cm-3的水溶液和密度0.92 g·cm-3的油溶液体源的效率函数及参数。实验采用标准源, 对探测效率模拟结果进行了验证, 探测效率的模拟值与实验值符合较好, 二者误差均在3%以内。说明MCNP程序可以较为准确地模拟计算井型高纯锗探测器对γ射线的探测效率, 验证了该无源效率刻度方法的准确性和可行性。

在15 MeV电子加速器驱动的白光中子源装置上进行了铍材料的中子总反应截面测量, 测量结果与已有实验数据和ENDF/VII.1数据库的评价数据基本符合。为了得到由于加速器束流波动、飞行路径测量、靶厚度测量以及获取系统死时间等引起的测量系统的关联不确定度, 利用Geant4模拟软件对整个实验装置、实验过程进行了模拟, 经过对模拟中使用的中子反应总截面与模拟计算得到截面的比较分析, 得到了实验系统关联不确定度的估计值。在模拟中采用了局部区域增加权重的方法来降低模拟运算时间。对模拟得到的中子飞行时间谱与实验测量得到的飞行时间谱进行了比较, 并且对探测器处的中子产额也进行了比较, 以此来验证模拟程序的可靠性。

在辐射成像系统的设计研发中, 经常需要计算系统的各项物理性能指标。为了提升产品研发的效率, 同方威视联合清华大学, 基于蒙特卡罗程序包Geant4, 研发了国内首套具有自主知识产权的辐射成像系统模拟软件NucRPD(NUCTECH Radiography Performance Design Tools), 其能够快速、精确地模拟系统的各项性能指标。该软件对常用的一些辐射成像系统进行了参数化建模, 用户通过修改软件界面上的少量参数, 就可以快速建立各类辐射成像系统的几何体、源项、物理模型和统计量, 然后在服务器上以并行计算方式完成模拟计算, 能在较短的时间内模拟出系统的性能指标, 并给出直观的图形帮助用户深入理解模拟结果。NucRPD的模拟结果经过了大量的实验验证, 其剂量场分布和物理指标等模拟结果和实验结果符合得很好。NucRPD已经应用于同方威视辐射成像系统产品的设计研发, 在产品的物理指标优化和辐射防护优化中发挥了重要作用。

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。

全身计数器用于对人体内照射污染的监测, 对最小探测活度(MDA)有较高的要求。为使全身计数器具备较好的灵敏度, 需要降低本底辐射和提高射线探测效率。基于MCNP5模拟了全身计数器中NaI探测器在不同几何位置时的能量响应, 对探测器位置及准直器角度进行研究, 同时对不同厚度的屏蔽结构进行了仿真计算分析。研究表明, 当屏蔽钢板厚度为14.9 cm时, 能够较大程度地降低本底辐射。在源探结构上探测腔准直器角度在26°以上, 探测器与体模的距离为20 cm时, 能够得到理想的能谱响应和探测效率。

随着核工业发展和放射性同位素的广泛应用, 产生大量中、低放射性废物。中、低放射性废物长期贮存前要对放射性废物的核素种类、活度等进行测量。分层γ扫描(SGS)测量技术是一种无损检测桶装核废物的手段, 但是在测量过程中会遇到放射性核素所在的位置变化, 则相对衰减距离、效率刻度不对应, 导致估计活度结果误差较大。本工作首先将当前层平均分成12份分别进行计数, 并通过实验和蒙特卡罗模拟方法, 记录以均匀聚乙烯样品填充对废物桶径向不同偏心位置的探测器的计数。由12个位置的探测器计数得到两个最值, 并根据γ射线在样品中衰减规律计算得到放射性核素距桶轴的距离, 从而确定放射性核素在当前层的位置。结果表明: 此方法可求出放射性核素所在的位置从而估计点源在桶内旋转半径, 对应使用该旋转半径下的自吸收校正因子、探测效率和衰减校正效率, 提高了SGS估计的精度。

为满足光子-电子耦合输运应用模拟需求, 自主研发了JMCT光子-电子耦合输运功能, 并实现了多种光电耦合输运处理方式, 以便满足不同的工程需求。利用光子-电子耦合输运典型算例验证了JMCT光子-电子耦合输运功能的正确性, 并应用到了探测器响应函数模拟、闪光照相模拟计算中, 表明JMCT在实验核物理、核分析技术应用等方面发挥着越来越重要的作用。

为获取小角度出射的单能中子源, 采用蒙特卡罗软件对小型D-D中子管产生的能量为2.45 MeV的4π立体角中子源进行了准直屏蔽结构设计。准直屏蔽结构分为准直器和捕获穴, 准直器采用“铁+含硼聚乙烯+铅”的三层过滤结构, 用于屏蔽照射野外杂散中子, 捕获穴主要功能是增加反方向中子的弹性散射次数, 从而降低出射束低能散射中子的比例。通过MCNP模拟得到了准直器各层材料的最佳厚度和出射孔尺寸以及捕获穴最佳结构。经验证, 中子照射野处2.45 MeV的中子通量比照射野外大三个量级, 中子照射野处低能中子通量比2.45 MeV的中子通量低一个量级, 墙壁外总剂量率（中子+γ）在2.5 μGy/h以下。该研究对于小角度单能中子源的快速获取具有一定的实用价值, 获取的中子源可用于中子剂量仪器有效性检验、中子监测仪性能测试等方面的研究。

引入核函数法对随机扩散方程（SDE）样本的密度分布进行统计, 希望用核函数来减少统计涨落。由于SDE样本的密度随时间发展, 越来越稀疏, 所以核函数也应该越来越大, 也就是说核函数应该随时间在变化。通过一个瞬时释放的二维扩散问题（具有解析解）, 从定性和定量两个角度比较了变带宽核函数法和传统统计方法在密度分布统计中的性能差别, 论述了变带宽核函数法的优缺点, 变带宽核函数法在牺牲部分峰值的前提下可以很好地解决SDE样本密度分布统计涨落问题, 在工程应用中值得推广。

为了研究改造后的XH-3130A在线液体伽马监测仪对核电站某管道一次水放射性核素的探测效率及探测限的影响因素, 利用MCNP5程序计算了改造前后XH-3130A伽马监测仪对管道放射性源项伽马能量在0.08~1.5 MeV范围全谱区及特征峰区活度浓度探测效率。针对放射性管道中单一核素Cs-137, 计算结果与液体放射性源标定计数刻度实验数据符合较好。并分析了不同源项伽马能量及探头布置等因素对活度浓度探测效率大小影响差异。模拟结果表明, 改造后的XH-3130A在线液体伽马监测仪不再影响原有测量管道整体性且最低探测限为1.35×103 Bq/m3, 可以满足工程技术要求。

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。

针对寿命服从指数分布的随机截尾样本, 研究单元及系统可靠度的评估方法, 给出了系统可靠度置信下限估计方法, 该方法同样适用于工程中常见的定时截尾样本与定数截尾样本的系统可靠度评估问题。首先通过分位数填充算法将随机截尾数据补充成虚拟完全样本, 然后基于信仰推断, 给出系统内每个单元失效率的信仰分布, 最后根据指数分布的特点, 从失效率角度出发, 采用蒙特卡罗法对单元失效率进行随机抽样, 结合系统可靠性模型得到系统失效率的分布, 在给定置信水平下即可得到系统失效率上限, 进而得到工程上特别关注的系统可靠度置信下限。

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。

用3He球形4π中子探测器, 通过直接反应法可以对核素的（n,2n）反应截面进行测量。在此类实验中, 要求对中子束进行很好的准直。好的准直器设计要求能够提高样品处的中子注量率的均匀性, 同时保证中子束流边缘处的下降幅度, 能够降低低能中子所占份额。本工作采用FLUKA和MCNPX对圆柱形准直器、单锥形准直器及三种不同斜率的双锥形准直器对中子注量率的均匀性和低能中子所占份额进行了对比研究, 结果表明, 低斜率的双锥形准直器可以满足实验对这两方面的要求。同时, 在有样品和无样品两种条件下, 对探测系统经由这五种不同准直器准直后的中子束流的响应做了对比, 结果显示, 经过低斜率的双锥形准直器准直的中子束流, 探测系统在有样品时表现为较高的计数率, 在无样品时表现为较低的本底。除此之外, 对准直器出口处的斜率对准直效果的影响也做了比较。最终中子准直器选用为这种低斜率的双锥形准直器, 材料选用为紫铜、不锈钢、聚乙烯和铅。准直孔开口处直径为2.64 cm, 长度为137 cm, 经准直后样品处的中子束斑直径为3.2 cm。

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。

为了验证反应堆物理软件和方法的计算能力, 美国CASL (Consortium for Advanced Simulation of LWRs) 项目提出了VERA (Virtual Environment for Reactor Application) 堆芯物理基准题。该基准题以Watts Bar初始堆芯为模型, 涵盖从二维单栅元到三维全堆芯的燃耗及换料的十个基准问题。针对VERA基准题模型, 利用COSINE软件包中的反应堆蒙特卡罗分析程序cosRMC进行临界计算, 得到了有效增殖因子、组件功率分布、控制棒微积分价值和反应性系数等结果。通过与基准题中提供的KENO结果对比, 两种蒙特卡罗程序的计算结果吻合良好。这表明cosRMC程序具有从组件到堆芯的计算能力, 其临界计算精度基本与KENO程序相当。

纳米金粒子（GNP）应用为放疗辐射增敏剂是目前国际上的一个研究热点。使用自主研发的纳剂量生物物理蒙特卡罗程序(NASIC), 模拟研究了光子照射下细胞环境中GNP的物理增敏效应和生物增敏效应。通过建立单个GNP位于细胞核中心以及多个GNP在细胞内四种理想分布的GNP-细胞模型, 分析光子能量、GNP粒子尺寸和分布对能量沉积、DNA辐射损伤和细胞存活的影响。结果表明, GNP附近约2 μm的范围内具有能量沉积的增强效应, 这主要是因为GNP内光电效应作用数目的显著增加。不同条件下细胞核内能量沉积、DSB数目和细胞存活分数增强效应的变化规律基本一致, 但增强因子呈递减趋势, 三种评价指标增强因子的最大值分别为1.55,1.32 和1.14。光子能量为40 keV、GNP直径为100 nm并分布在细胞核表面时, 相比其他参数组合具有较高的物理和生物辐射增敏效应。

临界计算中, 裂变矩阵加速方法能够有效地提高源收敛的速度。利用内、外迭代的观点对网格划分对裂变矩阵加速方法的影响进行了分析, 并通过一个一维平板模型进行了模拟计算, 指出随着网格的细分, 加速效果越明显, 但是考虑到方法的稳定性, 一味地细分网格并不是很好的选择。为了解决这个问题, 文章提出了基于网格变化的裂变矩阵加速方法, 能够在不增加裂变矩阵阶数的同时起到和细分网格类似的效果, 从而进一步提高裂变矩阵加速的效果, 并使用数值实验进行了验证。

研究了百兆瓦级激光烧蚀碳/碳复合材料靶材产生的等离子体吸收激光束能量引起的热阻塞效应。首先, 基于逆轫致吸收理论, 建立了激光在烧蚀靶材产生的等离子体中的传播模型; 然后, 基于磁流体理论, 得到了等离子体在百兆瓦级激光形成的电磁场中的波动方程, 建立了等离子体吸收激光能量引起热阻塞效应的模型。最后, 对烧蚀过程中粒子的总密度、吸收系数、靶材表面等效热流随激光持续时间的变化规律以及是否考虑热阻塞效应时, 靶面垂直方向的温度场进行了数值模拟。结果表明: 等离子体的形成, 对激光形成了明显的热阻塞效应, 削弱了激光对靶材的烧蚀作用, 使粒子总密度、吸收系数、靶材表面等效热流以及靶面垂直方向温度场的变化均呈现为非线性。