加速器驱动次临界系统散裂靶参数优化计算

采用国际开源程序包Geant4,构建高能质子束轰击加速器驱动次临界系统(ADS)散裂靶的物理模型,模拟计算质子轰击液态金属铅、铅-铋合金和汞靶的泄漏中子谱分布,以及计算不同能量质子对应的铅靶泄漏中子产额和轴向积分分布,获得1 Ge V质子对应的铅圆柱靶优化参数,考虑入射质子的利用率和整个堆芯的体积质量,优化靶半径范围为16～24 cm,靶高为100 cm,相关研究结果可为(ADS)散裂靶的物理和工程设计提供理论依据。     

利用QMD分析中高能质子入射208Pb的(p,xn)反应双微分截面

中高能质子入射重金属靶产生散裂中子是加速器驱动洁净核能系统的一个关键部分.利用量子分子动力学(QMD)模型研究入射质子能量在300MeV—1.5GeV,散裂靶为²⁰⁸Pb的(p,xn)核反应的双微分截面,QMD计算结果很好再现了实验数据,且QMD的计算结果明显优于HETC和LAHET.QMD在较宽的能区和核区满足加速器驱动洁净核能系统散裂靶物理计算的要求.     

ADS中子源散裂靶物理研究

运用蒙卡程序DCM CEM对ADS标准散裂中子靶进行了计算研究.计算了在0.1~1.6GeV的质子轰击下,标准Pb靶发生散裂反应产生的泄漏中子产额及分布、中子能谱以及靶内能量沉积分布.计算结果与文献理论数据、实验数据进行了比较.     

中高能质子入射碎片质量分布研究

中高能质子轰击靶的碎片的质量分布是了解散裂中子靶的放射性累积和对靶材料性能的影响的一个重要方面.利用在级联-激子模型(CEM)的基础上发展起来的“多步动力学”模型(MSDM,Many Stage Dynamical Model)分别研究了入射质子能量为334,572,775,1200,1500和2600MeV轰击Nb靶,329,555,760,1200,1500和2600MeV轰击¹⁹⁷Au靶,160,230,271,322,533,660,759,1400,1600和2600MeV轰击Pb靶引起的碎片的质量分布,并和实验测量数据进行了比较.     

中国散裂中子源靶站重要部件的辐照损伤计算与分析

本文采用高能粒子输运程序MCNPX 2.5.0,对中国散裂中子源(CSNS)靶站重要部件所使用的钨、SS316不锈钢与Al-6061等材料,由于中子与质子辐照所引起的损伤能量截面与原子离位截面进行了计算,对钨靶体、靶的不锈钢容器、慢化器与反射体的铝容器等部件的辐照损伤量——原子离位次数(displacement per atom,DPA)进行了计算与分析,并给出了质子束斑形状对靶体及靶容器DPA峰值的影响. 这些计算与分析对正在建设的中国散裂中子源靶站的设计及参数选择具有重要的实际意义. 关键词： 中国散裂中子源 损伤能量截面 原子离位截面 DPA     

塑料闪烁光纤在高能中子辐照下质子分布特性的数值模拟

 利用Geant4系统模拟了在高能中子照射下,塑料闪烁光纤中产生的反冲质子的分布特性,分析了入射中子能量分别为2,4,6,8 MeV时,产生的反冲质子能量和方向分布,给出了反冲质子在不同方向上的能量分布。结果表明:向前和向后出射的质子分布不对称;反冲质子的能量在零与入射中子能量之间连续地分布;接近垂直入射方向产生的质子数较多;入射中子能量越高,产生质子数越少;反冲质子的出射角度越小,其能量越大,即沿着入射中子方向的反冲质子能量较大,垂直入射方向的反冲质子能量较小。     

质子束能量对ADS无窗散裂靶稳态热输运的影响

本文基于稳态流型采用数值模拟方法计算了加速器驱动次临界堆系统ADS无窗散裂靶的稳态热输运过程,得到了不同能量质子束作用下铅铋合金液体和蒸气中的稳态温度分布。对上述温度场结果进行比较表明,在相同流强下,温度场分布形状随能量改变,最高温度亦随之改变,并且质子束能量越高,最高温度就越大。在250 MeV能量质子束作用下,高温区在气相部分,随着质子束能量增大,高温区转移到质子束轰击铅铋合金液相位置。上述热输运数值模拟结果为ADS无窗散裂靶设计和优化提供了可靠的依据,特别是对未来中国ADS的研究和应用具有重要的学术和应用参考价值。     

飞秒激光中高能质子的产生与加速的研究

为了探索飞秒激光与固体靶相互作用中高能质子的产生和加速机制,在超短超强激光装置“SILEX-I”上进行了飞秒激光与平面固体薄膜Cu靶的相互作用中高能质子空间分布、能谱和产额的实验研究。实验采用固体核径迹探测器CR39和Thomson离子谱仪相结合的方式,在固体靶背表面法线方向测量了质子空间分布、能谱和产额。实验结果表明：质子沿着靶背法线方向发射,质子空间分布呈圆环状,存在一定的立体角;质子在一定能量处出现截断;截断能量的大小与靶厚度有关。经分析,高能离子的产生和加速是多种作用机制共同作用的结果,其中静电场中的TNSA加速机制则占主导地位。     

飞秒激光中高能质子的产生与加速的研究

为了探索飞秒激光与固体靶相互作用中高能质子的产生和加速机制,在超短超强激光装置“SILEX-I”上进行了飞秒激光与平面固体薄膜Cu靶的相互作用中高能质子空间分布、能谱和产额的实验研究。实验采用固体核径迹探测器CR39和Thomson离子谱仪相结合的方式,在固体靶背表面法线方向测量了质子空间分布、能谱和产额。实验结果表明：质子沿着靶背法线方向发射,质子空间分布呈圆环状,存在一定的立体角;质子在一定能量处出现截断;截断能量的大小与靶厚度有关。经分析,高能离子的产生和加速是多种作用机制共同作用的结果,其中静电场中的TNSA加速机制则占主导地位。     

E_p≤3GeV质子入射铅、铋引起的中子产生双微分截面的模拟(英文)

加速器驱动次临界系统(ADS)液态Pb-Bi散裂靶的设计中,需要可靠的理论计算工具精确地预言几个GeV能量范围的质子引起的散裂反应产生的各种粒子和核素。利用蒙特卡罗模拟软件包Geant4计算研究了800 MeV至3 GeV质子入射铅、铋材料引起的中子产生双微分截面。比较了Geant4不同物理模型得到的模拟结果与现有的实验数据。其中,Geant4的QGSP BERT和QGSP INCL ABLA物理模型模拟结果很好地再现了实验数据。本工作证实了Geant4蒙特卡罗模拟软件包适合用于能量高达3 GeV的质子入射铅、铋引起的中子产生双微分截面的模拟计算。     

Broad energy spectrum of laser-accelerated protons for spallation-related physics

A beam of MeV protons, accelerated by ultraintense laser-pulse interactions with a thin target foil, is used to investigate nuclear reactions of interest for spallation physics. The laser-generated proton beam is shown (protons were measured) to have a broad energy distribution, which closely resembles the expected energy spectrum of evaporative protons (below 50 MeV) produced in GeV-proton-induced spallation reactions. The protons are used to quantify the distribution of residual radioisotopes produced in a representative spallation target (Pb), and the results are compared with calculated predictions based on spectra modeled with nuclear Monte Carlo codes. Laser-plasma particle accelerators are shown to provide data relevant to the design and development of accelerator driven systems.     

Ep≤63 GeV 质子入射铅、铋引起的中子产生双微分截面的模拟(英文)

加速器驱动次临界系统(ADS) 液态Pb-Bi 散裂靶的设计中,需要可靠的理论计算工具精确地预言几个GeV 能量范围的质子引起的散裂反应产生的各种粒子和核素。利用蒙特卡罗模拟软件包Geant4 计算研究了800 MeV至3 GeV 质子入射铅、铋材料引起的中子产生双微分截面。比较了Geant4 不同物理模型得到的模拟结果与现有的实验数据。其中,Geant4 的QGSP BERT和QGSP INCL ABLA 物理模型模拟结果很好地再现了实验数据。本工作证实了Geant4 蒙特卡罗模拟软件包适合用于能量高达3 GeV 的质子入射铅、铋引起的中子产生双微分截面的模拟计算。A detailed design of the liquid Pb-Bi spallation target of the Accelerator Driven Systems (ADS) requires powerful and reliable computational tools that can accurately predict particles and nuclides production by the proton induced spallation reactions in the energy range of a few GeV. In this paper, the neutron production double-differential cross sections for Pb and Bi target materials at incident proton kinetic energies between 800 MeV and 3 GeV are studied by calculations with Monte Carlo simulation package Geant4. The simulated results of Geant4 with several physics models are compared with available experimental data. The simulated results generated by QGSP BERT and QGSP INCL ABLA physics models of Geant4 well reproduce the available experimental data. The present results validated that Geant4 Monte Carlo simulation package is suitable for simulations of neutron production double-differential cross sections of proton induced reaction on Pb and Bi targets in the incident energy range up to 3 GeV.     

利用GEANT4和FLUKA研究质子诱发散裂反应出射中子双微分截面

在中高能质子诱发散裂反应相关核工程设计中,可靠的蒙特卡罗模拟程序结合核反应理论模型具有较好的理论指导意义。本工作中,利用GEANT4耦合INCL4和ABLA理论模型以及FLUKA耦合PEANUT模型模拟计算了几百MeV至几个GeV质子轰击Be,Al,Fe,W,U等靶后30°,60°,120°,150°出射角产生的散裂中子双微分截面,并与现有实验数据进行了比较。结果发现,FLUKA和GEANT4模拟计算较好地再现了Al,Fe,W,U等靶实验测量数据。然而,模拟结果明显低估了Be靶出射中子能量小于10 MeV能区的实验数据。For the design of nuclear engineering related with medium-high energy proton induced spallation reaction,the reliable Monte Carlo simulation codes coupled with nuclear reaction models have a good theoretical guidance.In this work,the production spallation neutron double differential cross sections at 30°,60°,120°,150°emission angle for Be,Al,Fe,W,U target materials at incident proton energies between several hundred MeV and GeV are theoretically calculated by using the GEANT4 coupled INCL4 and ABLA,and the FLUKA coupled PEANUT.The calculated results were compared with the available experimental data.It is found that the GEANT4 and FLUKA calculations well reproduced the experimental measurement of Al,Fe,W,U target materials.However,calculations obviously underestimated the emission neutrons of Be target for lower than 10 MeV energy range.     

400~1500 MeV质子轰击铅靶和钨靶的出射中子能谱的FLUKA和Geant4模拟研究

在ADS散裂靶系统的优化设计中,蒙特卡罗方法结合可靠的散裂反应理论模型进行中子学计算具有重要的作用。本工作利用Geant4程序中的INCLXX模型、BIC模型以及BERT模型和FLUKA程序分别模拟了597 MeV和1 500 MeV质子轰击薄铅靶不同出射角度的中子双微分截面,500,1 500 MeV质子轰击厚铅靶不同出射角度的中子双微分产额,以及400,600,800,1 000和1 200 MeV质子轰击厚钨靶在反角方向（175 °）的中子双微分产额,并与实验数据进行比较。研究表明,对于薄铅靶,Geant4程序的INCLXX模型和FLUKA程序模拟结果与实验符合得更好。能量在10～40 MeV范围内,BIC模型模拟结果明显高于实验数据,而BERT模型模拟结果略微低于实验数据。对于厚铅靶,在40 MeV左右所有的模拟结果都低于实验数据。对于厚钨靶,Geant4程序的BIC模型和FLUKA程序与实验数据符合得较好,INCLXX模型在能量高于60 MeV时模拟结果低于实验数据,BERT模型与实验数据差异较大。总体来看,Geant4程序的INCLXX模型和FLUKA程序进行ADS散裂靶相关的中子学的计算是合理和可靠的。The reliable Monte Carlo simulation codes coupled with nuclear reaction models play an important role in the neutronic calculation for the design and optimization of the ADS spallation target. In this work, the double differential cross sections at different angles produced from a thin lead target bombarded with 597 and 1 500 MeV protons, the neutron energy spectra at different angles produced from a thick lead target bombarded with 500 and 1 500 MeV protons, and the neutron energy spectra in the backward direction(175°) produced from a thick tungsten target bombarded with 400, 600, 800, 1 000 and 1 200 MeV protons are calculated with the Geant4 code coupled INCLXX, BIC and BERT models and the FLUKA code. The calculations are compared with the available experimental data. The results show that, for the thin lead target, the calculations with the Geant4 coupled INCLXX model and FLUKA code well reproduce the experimental results. In a energy range from 10 to 40 MeV, BIC model obviously overestimates the experimental results, and BERT model slightly underestimates the experimental results. For the thick lead target, all of the calculations underestimate the experimental results around 40MeV. For the thick tungsten target, the Geant4 coupled BIC model and FLUKA code well reproduce the experimental results. INCLXX model underestimates the experimental results above 60 MeV. BERT model bad reproduces the experimental results. Overall, the neutronic calculations with the Geant4 code coupled INCLXX model and FLUKA code for the ADS spallation target is reasonable and reliable.     

阳极杆箍缩二极管产生X射线能谱的模拟计算

采用粒子模拟,得到了阳极杆箍缩二极管阳极钨针上电子的空间分布和入射角分布,分析二极管工作状态得到了电子的能量分布.在此基础上建立阳极杆箍缩二极管的蒙特卡罗模型,模拟得到了阳极杆箍缩二极管的辐射能谱和X射线的平均能量,并与实验结果进行了比较.结果表明:09006炮光子平均能量为0.441 MeV,计算该能谱射线经过不同厚度铅衰减片后的剂量衰减情况,与叠片法PIN探测器所测的实验数据基本一致. 关键词： 阳极杆箍缩二极管 粒子模拟 蒙特卡罗方法 X射线能谱     

80.5 MeV/u碳离子诱发铜靶的放射性剩余产物测量

高能重带电粒子能直接穿透靶原子核外电子层,与原子核发生直接碰撞,发生散裂反应,产生一系列具有放射性的剩余产物核.重带电粒子诱发靶材放射性剩余核与辐射防护和人员安全有着密切联系,当前,大部分剩余核产额主要依靠蒙特卡罗粒子输运程序进行模拟计算,其准确程度亟需通过实验测量进行准确评估.本文利用能量为80.5 MeV/u的(12)^C⁶⁺粒子对薄铜靶开展了辐照实验与伽玛射线测量,结合伽玛谱学分析方法,得出了辐照产生的18种放射性剩余产物的初始活度和产生截面值,并与PHITS模拟结果进行对比.结果表明,PHITS模拟程序对放射性剩余核种类的估计具有较高可靠性,在其绝对产额方面,与实验测量仍具有较大偏差.     

Optimization studies of photo-neutron production in high-<Emphasis Type="Italic">Z</Emphasis> metallic targets using high energy electron beam for ADS and transmutation

Monte Carlo calculations have been performed using MCNP code to study the optimization of photo-neutron yield for different electron beam energies impinging on Pb, W and Ta cylindrical targets of varying thickness. It is noticed that photo-neutron yield can be increased for electron beam energies ≥100 MeV for appropriate thickness of the target. It is also noticed that it can be maximized by further increasing the thickness of the target. Further, at higher electron beam energy heat gradient in the target decreases, which facilitates easier heat removal from the target. This can help in developing a photoneutron source based on electron LINAC by choosing appropriate electron beam energy and target thickness to optimize the neutron flux for ADS, transmutation studies and as high energy neutron source etc. Photo-neutron yield for different targets, optimum target thickness and photo-neutron energy spectrum and heat deposition by electron beam for different incident energy is presented.      

非弹性核反应对质子束能量沉积的影响

提出了一种比较精确且又省时的质子穿透的解析算法,并给出了考虑核反应后50—250MeV质子在水中的能量沉积,与Monte-Carlo方法的结果进行了比较.结果表明:1)非弹性核反应对质子的能量沉积有明显的影响,特别是对较高能量的质子束入射情况;2)该方法计算效率比Monte Carlo方法高百倍以上.因此,本文方法解决了质子能量沉积计算中效率和精度之间的矛盾,有可能在质子束放射治疗中得到实际应用. 关键词： 质子能量沉积 核反应 截面     

激光加速质子束对电磁孤立子的照相模拟研究

激光在次稠密等离子中传输, 由于频率下移而被俘获, 从而产生电磁孤立子. 根据先前理论及PIC 模拟给出的孤立子的演化过程, 对不同阶段孤立子的电磁场分布进行了建模. 使用Geant4蒙特卡罗程序, 模拟研究了激光加速产生的能量为几个MeV的质子束对后孤立子的照相. 分析了质子能量, 质子源尺寸等因素对照相结果的影响, 并利用了TNSA加速产生质子束的分幅特性, 开展了时间分辨的孤立子照相模拟研究. 模拟给出的质子照相结果验证了文献中给出的孤立子静电场模型, 为以后在实验上探测孤立子提供了理论依据. 关键词： 超短激光 质子照相 孤立子 蒙特卡罗方法