核爆炸和核诊断中的物理问题

核爆炸是剧烈的能量释放过程，在微秒级时间内使装置变成高温高密度等离子体，向周围空气辐射，形成火球等核爆炸效应．目前各国核试验目的在改进核武器设计，都已转入地下进行．核试验中现场实时物理诊断是为了提供核装置反应的实际数据，可以分为：核反应历史诊断（ｒ测量）；核爆炸中温度参数诊断（Ｎ，Ｘ测量）；核反应区空间参数诊断（针孔照相）等．它们是在恶劣环境中进行的单次、快速测量、是特殊类型为核物理实验，所用技术可概括为脉冲射线束测量．     

爆炸高度及威力对空间核电磁脉冲信号特性影响的数值分析

运用差分方法,理论模拟了中空及高空核爆炸时,γ射线与周围空气分子相互作用散射的康普顿电子流在地磁场作用下激励电磁脉冲这一物理过程.讨论了中、高空核爆炸时爆心上方的电磁脉冲波形.引入地固坐标与局部球坐标系的相互转换,给出不同高度以及不同当量的核爆炸向外层空间(卫星轨道方向)传播的电磁脉冲源的特征.考虑电离层的色散及衰减特性,运用傅立叶分析方法,外推出通过电离层后的色散核电磁脉冲的信号强度,考虑宇宙背景噪声等因素,可以监测到当量为千吨级以上核爆电磁脉冲.     

高空核爆炸碎片云早期扩展规律研究

利用磁流体力学理论建立了描述碎片云运动的壳层模型,采用该模型模拟了美国Starfish高空核爆炸试验碎片云的运动参数,通过与文献模拟结果的比对,验证了所建模型的正确性.针对典型大当量和小当量核爆的不同,重点模拟了千吨级利百万吨级核武器在100,400和1500 km高度爆炸时碎片云运动扩展情况,分析了当量的差异引起的扩展规律的不同.结果表明:高空核爆炸时不同爆炸条件和大气环境对碎片云的扩展规律有着显著的影响,不同方向上碎片云的环境参数差异明显.     

放射性惰性气体监测技术

放射性氙同位素和37Ar可以作为全面禁止核试验条约现场视察判断是否进行了地下核爆炸的良好指示剂。由此,中国工程物理研究院核物理与化学研究所自主研制了移动式37Ar快速探测系统和核活动的氙空中／地面机动侦察系统。     

美国航天飞机“挑战者号”爆炸时所产生的次声波

1986年1月28日美国航天飞机“挑战者号”在离地面约15km的高空爆炸后约13h,在大约14300km以外的地面上用灵敏微气压计记录到很强的次声波列,其周期约为400—700s,振幅约为30Pa,传播速度约为300m/S,特征与核爆炸所产生的次声波相类似。 根据波列的各项特征估计,这次爆炸的当量约相当于140Mt TNT。这一估计当量由于爆炸高度远高于核爆炸而机构不同于一般大气中核爆炸的情况而偏高。     

高能电子碰撞电离对高空核爆炸辐射电离的影响

利用数值模拟程序模拟了不同高度核爆炸下距离爆点不同位置处大气的X射线电离及演化过程,分析了高能电子碰撞电离过程对高空核爆炸电离效应的影响.结果表明:高能电子碰撞电离过程对高空核爆炸的电离结果产生了重要影响,在80 km爆高1 kt当量高空核爆炸条件下,在距离爆点1.5 km处高能电子的碰撞电离效应使得电子的峰值数密度提高了约2个数量级;随着时间的增加,高能电子能谱逐渐向低能方向发展,在5μs后高能电子数密度随电子能量近似呈负指数分布;电子峰值时间与爆高有关,随着爆高的增加而增大,电离的影响区域也随着爆高的增加而增大.在80 km爆高1 kt当量情况下电离效应对近百千米范围内的微波通信具有严重影响.     

地震：一个惊天大案的七条线索——与物理学家谈地震预报

一次地下核试验也可以看成是一次地震。以爆心为中心,在“一定范围”之外,地球介质中地震波的传播、衰减等过程,可以用连续介质中的声波传播理论很好地理解。这个“范围”的尺度,一般称为“弹性半径”。换句话说,“弹性半径”之外的问题,现在基本上不用物理学家操心,地震学家已经可以做得很好。地震学给出的关于核试验的一些信息,可以“落实”到“弹性半径”上的一些性质的描述,例如爆炸当量有多大。但在“弹性半径”里面的物理过程,地震学是无能为力的。例如,现在很难找到一个可信的地震学判据,来判断一次爆炸试验究竟是核爆炸,还是当量很大的化学爆炸。解决这个问题,只能靠放射性核素测量等其他的手段。     

空中核爆炸电离效应的数值模拟

根据电离平衡方程组和射线在大气中的能量沉积方程，在完善中性大气层模型基础上，通过数值模拟方法得到了空间核爆炸电离效应的时空分布.数值分析结果表明：低空核爆炸产生的自由电子的密度最大值要高于高空核爆炸；对于瞬发核辐射的影响，低空核爆炸和高空核爆炸有着显著的差异；而缓发核辐射的持续时间、影响范围，高空核爆炸情况要大于低空核爆炸. 关键词： 核爆炸 低空 高空 电离效应     

放射性惰性气体 37Ar向地表输运的数值模拟

放射性惰性气体 37Ar的监测是全面禁止核试验条约核查体系中现场视察（OSI）的一项重要技术手段。 为在理论上考察地下核爆炸后 37Ar泄漏到地表的时间及泄漏量， 将核试验场区抽象为多孔介质， 在不考虑 37Ar在基岩中吸附、 解吸的情况下， 利用多孔介质渗流模型， 对理想场区地下核爆炸产生的 37Ar在地层中的输运进行数值模拟， 给出了 37Ar泄漏到地表时间及变化量。 计算结果可为OSI惰性气体监测技术的发展及其在地下核爆炸监测中应用的有效性评价提供参考。 Monitoring radioactive gas 37Ar is an important technique for the On Site Inspection(OSI) of the Comprehensive Nuclear Test Ban Treaty (CTBT) verification regime. In order to establish a theoretical model that can be used to calculate the appearing time and radioactivity of 37Ar which transports to the ground after a nuclear explosion， the rock media in the test area is assumed to be a homogeneous porous media， without consideration of gas absorption by and release from the rock media. The seepage model in the porous media is used to calculate 37Ar transportation. Computational results give the time 37Ar leaks to the ground and the variation of its radioactivity with time．And we can analyze and consider the computational results when we have developed OSI noble gas monitoring systems and evaluated their effectiveness.     

高空核爆炸X射线电离的时空分布数值模拟

利用数值模拟程序模拟了高空核爆炸辐射的X射线对不同高度大气的电离及演化过程,给出了电子的时空分布曲线．结果表明：在80km爆高1kt小当量高空核爆炸情况下,电子数密度随高度只出现一个极大值,而在80kin以上爆高情况下,电子数密度出现两个极大值,一个位于爆点附近,另一个位于90km高度附近,在这个高度电离的影响范围最大;高空核爆炸辐射的X射线在70km高度附近截止,对70km以下高度没有电离影响;随着辐射角度的增加,电子数密度出现第二个极大值的高度有所上升,X射线截止高度也有所上升．     

燃料抛撒成雾及其燃烧爆炸的光滑离散颗粒流体动力学方法数值模拟研究

燃料在炸药爆炸驱动下形成燃料空气爆炸云团, 进而引燃爆炸, 对目标造成毁伤. 本文在前期提出的光滑离散颗粒流体动力学方法(SDPH)的基础上, 引入描述炸药由爆轰到膨胀整个过程的Jones-Wilkins-Lee状态方程及描述气体快速燃烧过程的EBU-Arrhenius燃烧模型, 建立了求解战斗部起爆、燃料抛撒和燃料二次引燃爆炸问题的新型SDPH方法. 设计了圆环形燃料颗粒在炸药爆炸驱动下运动抛撒的算例进行数值验证, 结果与理论相符; 对燃料空气炸药(FAE)云雾的形成和发展过程进行了数值模拟, 分析了云雾的形态, 并与实验结果进行对比, 符合较好, 同时分析了不同起爆方式对云雾团成型的影响; 最后, 在云雾团成型的基础上, 引入蒸发燃烧模型对FAE的燃烧爆炸过程进行了模拟研究. 结果表明, 本文建立的数学模型和计算方法可以较好的模拟燃料空气炸药抛撒成雾及云雾燃烧爆炸过程, 为该类武器装备的设计研究提供了较好的数值方法.     

Analysis of atom detection via magnetic optical effect

We demonstrated a new method of atom detection by means of magnetic optical effect. The number density of the atom cloud was measured by detecting the rotation angle of the polarization plane of linearly polarized probe light when propagating inside the atomic cloud. Detuning, magnetic field, and light intensity dependencies of the rotation angle were studied theoretically and experimentally to find the best parameter for atom detection. In this way, we managed to achieve a rotation angle of 0.22 rad with a signal to noise ratio (SNR) of 75 and a contrast of 87.5%.     

Analysis of atom detection via the magnetic optical effect

We demonstrated a new method of atom detection by means of the magnetic optical effect. The number density of the atom cloud was measured by detecting the rotation angle of the polarization plane of linearly polarized probe light when propagating inside the atomic cloud. Detuning, the magnetic field and light intensity dependencies of the rotation angle were studied theoretically and experimentally to find the best parameter for atom detection. In this way, we managed to achieve a rotation angle of 0.22 rad with a signal to noise ratio (SNR) of 75 and a contrast of 87.5%.     

Velocity measurement of a diffuse object by using time-varying speckles

The relation between the velocity of a moving diffuse object and the mean number of integrated speckles in the certain time interval at the far-field plane of the object is obtained. By using this relation based on the first order statistics of integrated speckles, a new method of measuring the velocity of the diffuse object is proposed and experimentally verified. The first order probability density function of time-integrated speckles is also studied from which the validity of the present method is verified.     

铅壳柔爆索爆炸特性实验研究

 对直径为2.0 mm的铅壳柔爆索的爆炸特性进行了系统的实验研究。测得这种柔爆索爆速为D_J=(6.95±0.06) km/s。其爆炸产生的铅粒子非常小,粒度小于5 μm的铅粒子的总质量约占铅壳质量的40%。对柔爆索爆炸产生的铅粒子的飞散速度及冲量大小也进行了研究。     

Representation of the photon pathlength distribution in a cloudy atmosphere using finite elements

A new method to derive the photon pathlength probability density function with respect to the photon geometrical path (PDF-GP) is proposed in this paper. This method is based on a finite elements fit of the true PDF-GP using a step function with equidistant intervals. The new method is evaluated based on reference PDF-GPs derived via Monte-Carlo radiative transfer simulations for different single and multilayer clouds with and without surface albedo. The finite elements method was found to perform better than classical Laplace inversion techniques. For the case of two-layer clouds with a thin cirrus cloud (optical thickness 0.5) above a low-level cloud, it is shown that the finite elements method is able to separate the contribution of both cloud layers to the total radiance and, in principle, allows to simultaneously infer cloud top heights of both cloud layers given that enough independent radiance observations at different gas absorption optical depths are taken.     

面阵探测下的污染云团红外光谱仿真

研究污染云团的红外光谱仿真,对于利用仿真光谱进行光谱识别的算法研究十分重要.在单元探测器探测方式下污染云团的红外光谱仿真研究取得了一定成果,并且已经被应用于识别算法的研究工作中.针对基于成像光谱仪的污染云团识别算法研究缺乏实测数据的问题,利用具有高仿真精度的基于物理模型的污染云团扩散模型及其仿真结果网格化的特点,研究相应的云团红外光谱仿真多层模型,提出了面阵探测方式下污染云团红外光谱的仿真方法,生成了同时具有光谱维和空间维信息的数据立方体,为该研究领域提供了新的研究方法.提出的面阵探测方式下的污染云团红外光谱仿真直观地反映了污染云团的扩散,提供了完备且符合实际情况的污染云团红外光谱立方体数据,对于提高和完善红外光谱识别算法具有重要意义.     

部分状粒子处理方法及其对云微物理参数测量的影响

作为云微物理过程测量的重要利器,机载云降水粒子成像仪在云降水物理与人工影响天气研究中具有重要的作用.从采样结果来看,机载云降水粒子成像仪所测粒子图像中含有大量的粒子图像仅是粒子的一部分而已,即部分状粒子.因其数量较多,对该类粒子所选处理方法不同,会引起测量结果的很大差异.本文介绍并分析了现有部分状粒子处理方法的优劣,通过对部分状粒子的再定义与粒子形状分类,提出了一个融合粒子形状识别技术、"粒径重构"和"中心在内"方法的新的部分状粒子处理方法;利用实测数据,对所提方法与现有方法进行了云微物理参量处理结果的对比,发现本文所提方法与"粒径重构"方法处理结果比较一致,能较好地克服"整体在内"与"中心在内"两种方法存在的缺陷;同时,在针柱状粒子占比较多情形下,本文所提方法要比"粒径重构"方法处理后的结果相对合理.因此本文所提方法对仪器所测粒子数据处理具有更好的适应性.     

Measurement of dynamic characteristics of metal sheet under laser shock

A new approach is developed to measure the dynamic characteristics of metal sheet under laser shock,including deformation velocity,strain,and strain rate.The detecting laser beam is partially shaded by the target deformation induced by the laser action.A photodiode transforms the received beam intensity real time into an electrical signal which could record the process of the target deformation.The functional relation between the electrical signal and the deformation of the metal sheet is derived.The deformation curve of a thin aluminum and the velocity curve of its deformation are also obtained during the exper-iment.The results indicate that the average velocity of the elastic deformation of the target can reach 2.999×10 3 m/s in the central area.This new method provides an approach in the study of the effect of strain rate on deformation.     

Kmeans聚类与多光谱阈值相结合的MODIS云检测算法

采用Kmeans聚类与多光谱阈值相结合的方法进行云检测.在地物光谱分析的基础上,应用Kmeans聚类算法对聚类特征数据初始分为两类,第一类为云、烟雾和雪,而植被、水体和陆地等其他下垫面为第二类;然后应用光谱阈值判断排除烟雾和雪等的干扰,对MODIS数据中的云体实现检测.还研究了我国典型区域在不同季节、小同时棚的数据.在...