基于回波平移序列的快速三维磁共振温度成像方法

高强度聚焦超声（HIFU）是一种无创的热消融疗法，为保证其安全性和有效性，需要一种精度高、速度快的测温方法在其治疗过程中对温度进行监控.基于质子共振频率位移（PRFS）的磁共振温度成像（MRT）对温度具有较高的灵敏度，且与温度具有良好的线性关系，因此常被用于引导HIFU治疗.然而在实际应用中，HIFU治疗的最大隐患在于可能造成表皮灼伤，并且灼伤区域可能与焦点区域相隔较远.因此MRT的监控范围十分重要.本文基于三维回波平移成像序列，结合可控混叠的空间并行成像技术，实现了时间分辨率为3 s的快速三维温度成像.为了验证该方法的精度，本文首先设计了仿体降温实验，利用光纤温度计验证回波平移序列测温的准确度和精确度.然后在室温条件下扫描离体猪肉组织，对比加速前后的MRT的测温精确度.在HIFU加热条件下扫描离体猪肉组织，对比加速前后的MRT的测温准确度.结果显示，本文提出的方法可以在3 s内完成三维温度精准测量，对于HIFU治疗的安全监控具有重要意义.     

基于XPS对硫铁矿去除SeO2-3的机理研究

硒是动植物及人体生长必需的十五种微量元素之一，具有清除体内自由基、抗氧化、增强免疫力等功能，但其安全剂量的范围却很窄。利用扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射仪（XRD）对湿法球磨制备的硫铁矿形貌进行了表征。SEM观测发现加乙醇助磨后的硫铁矿为粒径大小较均匀的球形颗粒团聚体，粒径范围在17～200 nm之间，平均粒径138 nm。XRD衍射图谱中的特征峰与FeS₂衍射图谱中各峰位置基本一致，因此判定硫铁矿中主要化学组分为FeS₂，且图谱中基本没有杂峰，表明制备过程中并未混入杂质，样品纯度较高。实验结果表明，该法制备的硫铁矿具有颗粒粒径小、比表面积大、反应活性高等优点。研究中利用X射线光电子能谱仪（XPS）对硫铁矿去除水体中SeO2-₃的机理进行了研究。研究结果表明, （1）在较为广泛的实验pH范围（pH 2.2～11.5），硫铁矿均能有效去除水体中SeO2-₃，去除效率（除pH值7.8以外）均达到90%以上；（2）硫铁矿与SeO2-₃发生反应后，其主要组成元素的XPS特征峰结合能有所减小，表明硫铁矿表面发生了一定化学变化；（3）酸碱环境下硫铁矿去除SeO2-₃的机理不完全相同，酸性环境下，硫铁矿对SeO2-₃的去除是单纯的氧化还原过程，即硫铁矿中被酸活化的S2-₂将SeO2-₃还原为单质Se(0)，并且酸性越强，SeO2-₃去除效果越好；碱性环境下，SeO2-₃的去除过程中氧化还原与络合反应并存，硫铁矿表面有络合态Fe(OH)SeO₃和单质Se(0)两种存在形态，且碱性越强，络合态Fe(OH)SeO₃含量越高。以上研究结果为硫铁矿去除固定水体和土壤中以SeO2-₃为代表的可变价金属阴离子提供重要理论依据和应用基础。     

GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池不同能量质子辐照损伤模拟

以GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池为研究对象,开展了能量为0.7, 1, 3, 5, 10 MeV的质子辐照损伤模拟研究,建立了三结太阳电池结构模型和不同能量质子辐照模型,获得了不同质子辐照条件下的I-V曲线,光谱响应曲线,结合已有实验结果验证了本文模拟结果,分析了三结太阳电池短路电流、开路电压、最大功率、光谱响应随质子能量的变化规律,利用不同辐照条件下三结太阳电池最大输出功率退化结果,拟合得到了三结太阳电池最大输出功率随位移损伤剂量的退化曲线.研究结果表明,质子辐照会在三结太阳电池中引入位移损伤缺陷,使得少数载流子扩散长度退化幅度随质子能量的减小而增大,从而导致三结太阳电池相关电学参数的退化随质子能量的减小而增大.相同辐照条件下,中电池光谱响应退化幅度远大于顶电池光谱响应退化幅度,中电池抗辐照性能较差,同时中电池长波范围内光谱响应的退化幅度比短波范围更大,表明中电池相关电学参数的退化主要来源于基区损伤.     

质子辐照硼硅酸盐玻璃盖片的物理效应分析

作为航天器电源系统的重要组成部分,太阳电池需要更高的转换效率和可靠性以及更长的使用寿命。通过在太阳电池表面覆盖抗辐照玻璃盖片,可以增强太阳电池对粒子辐射的防护,延长太阳电池的服役寿命,使航天器获得可靠的能源供应。硼硅酸盐玻璃就是一种理想的太阳电池玻璃盖片材料。采用蒙特卡罗方法,结合SRIM软件模拟研究质子辐照硼硅酸盐玻璃的损伤物理机理。基于粒子与物质相互作用的理论以及基本公式,通过分析不同入射能量的质子在硼硅酸盐玻璃中的阻止本领、电离能损、位移能损、空位的产生情况,对辐照损伤的物理机制进行研究。结果表明:能量为30~120 keV的质子辐照损伤主要发生在硼硅酸盐玻璃表面;质子沉积、空位分布等均为Bragg峰型分布;电离能损是能量损失的主要部分,随入射能量的增加而增大,导致电子的电离和激发;位移能损在玻璃内部随能量降低而增大,导致硼、氧和硅等空位缺陷的产生;电离效应和缺陷的产生是硼硅酸盐玻璃色心形成的重要原因。     

质子治疗装置动态电源控制系统研发

针对质子治疗装置中主环动态电源多平台能量的引出需求,研制了基于开源平台的高速实时动态电源控制系统,该控制系统以开源平台Beaglebone作为顶层硬件接口,以现场可编程逻辑门阵列(FPGA)为核心的控制器作为底层硬件接口,采用分布式的实验物理及工业控制系统(EPICS)进行远程控制。该系统可实时传输任意动态电源的输出参考电流波形数据,并结合定时系统与联锁系统,控制动态电源按预设电流波形进行输出,并实现多平台能量的引出。实验结果显示该控制系统能实现每秒最高十万条指令传输,百万次数据传输零误码率。同时,该系统结构灵活、扩展性强,可作为通用控制平台。     

241Am-Be中子参考辐射的蒙特卡罗模拟研究

研究用于校准场所中子剂量监测仪表的241Am-Be中子参考辐射场计量特性。采用蒙特卡罗方法模拟了空气自由中子参考辐射(FRNR),GB/T 14055规定的最小尺寸中子参考辐射(SRNR)和实际中子参考辐射(ARNR)中不同检验点处中子周围剂量当量率、散射中子占比和能谱分布特征。研究结果表明,空气对FRNR中的剂量率和能谱分布影响小,近似为理想中子参考辐射;采用5%含硼聚乙烯作屏蔽的最小尺寸SRNR可减少热中子,降低散射中子占比,影锥法不适用于小尺寸中子参考辐射中对散射中子的修正;ARNR中的散射中子更少、占比更低,影锥法所得散射中子占比与理论值基本一致。     

100 MeV质子束流品质诊断及剂量测量准确性评估方法研究

质子辐射生物学效应是太空放射生物学和质子束放疗研究的重要基础，可为空间环境下人员的危险性评估以及质子治疗优化设计提供科学依据。依托加速器建立相应的生物样本辐照技术是开展此类研究的前提条件。中国原子能科学研究院最近建立的100 MeV强流质子回旋加速器提供的中能质子束流为目前国内能量最高，特别适合用于太空放射生物学和质子治疗相关研究。本研究中，利用在束和离线等多种手段建立了中能质子束流诊断和剂量测量方法，对加速器引出的100 MeV质子照射野大小、均匀性等束流品质以及剂量测量系统准确性进行了分析和评估。结果表明，对光子剂量响应好的LiF(Mg, Ti)热释光探测器，对90 MeV质子同样具有良好的剂量响应关系，可作为中能质子剂量准确性评估的手段之一。在5.0 cm×5.0 cm照射野范围内，加速器引出的100 MeV质子束流的均匀性好于90%，在线剂量测量系统准确性好于93%，束流品质和剂量测量条件基本满足辐射生物学的要求，可为质子辐射生物学效应研究的开展提供可靠保障。     

基于长短时记忆神经网络的能谱核素识别方法

针对新兴的能谱核素识别方法在混合放射性核素的噪声环境中存在识别速度慢、准确率较低等问题,提出了基于长短时记忆神经网络(LSTM)的能谱核素识别方法。实验使用溴化镧(LaBr3)晶体探测器,分别对环境中60Co、137Cs放射性源分组测量得到能谱数据集,首先使用数据平滑方法和归一化方法进行数据预处理,然后将能谱数据按时间序列分组以获得可用的输入序列数组,最后训练LSTM模型得到预测结果。通过基于BP神经网络和卷积神经网络(CNN)的两个能谱识别模型进行对比,得到在测试集中平均识别率分别为83.45%和86.21%,而LSTM能谱识别模型平均识别率为93.04%,实验结果表明,该能谱模型在核素识别效果中表现较好,可用于快速的能谱核素识别设备上。     

离子能量分析器测量特性的仿真研究

针对空间等离子体及其模拟环境、空间原子氧及其模拟环境对离子能谱测量的需要，利用仿真软件COMSOL，对离子能量分析器的低能离子测量特性进行了仿真研究。介绍了离子能量分析器的工作原理，对离子能谱测量过程进行了公式推导。通过对三种待选仪器设计方案进行离子透过率仿真分析，确定了一种较优的仪器设计方案。多种离子温度下的误差分析结果也表明，该设计方案能够较为准确地测量离子能量分布。分析了电场畸变、等离子鞘层、栅网对齐方式和离子温度对测量结果的影响，根据仿真结果对一些仿真实验现象做出了合理的解释。     

CiADS束流负载效应前馈补偿的仿真评估

在高功率超导质子直线加速器中，束流负载效应是影响超导腔幅相稳定性的一个重要因素。本工作基于谐振腔建场模型，开发了超导腔系统束流负载效应的时域仿真程序，分析了束流负载效应对超导腔幅相稳定性的影响，并在C-ADS注入器II上通过相关实验测量对仿真结果进行了验证。利用该程序，评估了CiADS超导直线加速器脉冲束流的脉冲长度，以及前馈补偿的时序抖动和束流纹波等因素对腔中电磁场幅相稳定度的影响。仿真结果表明:在当前CiADS直线加速器设计参数下，为满足超导腔中电磁场0.1%与在高功率超导质子直线加速器中，束流负载效应是影响超导腔幅相稳定性的一个重要因素。本工作基于谐振腔建场模型，开发了超导腔系统束流负载效应的时域仿真程序，分析了束流负载效应对超导腔幅相稳定性的影响，并在C-ADS注入器II上通过相关实验测量对仿真结果进行了验证。利用该程序，评估了CiADS超导直线加速器脉冲束流的脉冲长度，以及前馈补偿的时序抖动和束流纹波等因素对腔中电磁场幅相稳定度的影响。仿真结果表明:在当前CiADS直线加速器设计参数下，为满足超导腔中电磁场0.1%与$0.1^{\circ}$的幅相稳定度指标，前馈时序抖动的偏差不能超过0.79 μs，束流流强的直流偏差不能超过0.9%，并且给出了束流纹波的最大抖动幅值与纹波频率之间的关系。这些结果将为CiADS超导直线加速器相关子系统技术指标的确定提供依据。