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关键词： 江门中微子实验   能量重建   光电倍增管   占空比方法  

摘要： 江门中微子实验（JUNO）是目前在建的大型中微子实验,JUNO设计了三个子探测器:中心探测器（CD）,水切伦科夫探测器（WP）和顶部径迹探测器（TT）共同完成对物理事例的探测和对本底事例的排除。中心探测器将罐装20千吨液体闪烁体,建成后将会是全世界最大的液体闪烁体探测器。JUNO实验具有巨大的灵敏体积、超高的能量分辨率和较低的本底,其主要物理目标为测量中微子质量顺序。它还具备探测众多物理目标的潜能,包括:超新星中微子、太阳中微子和大气中微子等。 为了测量中微子质量顺序,JUNO中心探测器的能量分辨率设计指标为3%/E（MeV）1/2能量分辨率,为了达成这一目标,JUNO设计了一套复杂的多维刻度系统,刻度系统包括四个子系统:自动刻度装置（ACU）、绕线刻度系统（CLS）、导管刻度系统（GT）和潜水艇系统（ROV）。由于JUNO尚未完成建设,因此利用模拟数据对探测器刻度性能进行分析研究是一个重要研究手段。我们使用JUNO软件框架产生并检查了五种伽马刻度源(137Cs,54Mn,60Co,40K,68Ge)的探测器模拟、电子学模拟和事例重建数据。在经过完整的模拟流程后,初步的放射源能谱拟合结果表明探测器刻度能量分辨率在1 MeV时可达3%。 JUNO众多的物理探测对象分布在不同的能区,覆盖几十keV至几十GeV,相应地,需要针对各个能段的探测特点开发精确的能量重建算法。本论文针对亚GeV能段的非径迹状事例开发了一种新颖的可见能量重建方法,考虑到20英寸光电倍增管（LPMT）及其读出电子学在亚GeV能量探测中可能出现的大电荷测量偏差（电荷非线性）,本论文提出使用光阴极面积更小但排布密集的25600支3英寸小光电倍增管（SPMT）进行亚GeV能段的能量重建。进一步地,为了避免SPMT电子学存在的电荷非线性问题,我们提出仅利用SPMT在一定电荷阈值条件下是否有过阈信号的信息进行重建,即所谓的占空比方法（OCCUPANCY）。 为了检验算法的重建性能,本论文基于JUNO软件框架蒙特卡洛模拟产生了10 MeV至1 GeV的多个单能电子样本,结果表明:（1）在使用事例真实能量沉积重心作为输入时,即在假设能量沉积重心的重建无偏的理想情况下,利用本算法重建10 MeV～1 GeV电子的可见能量,其能量非均匀性低于1.5%,1 GeV电子的重建能量分辨率好于1.5%;（2）如果使用事例的重建能量沉积重心作为输入,则重建得到的能量非均匀性随着事例能量的增加而变大,1 GeV电子的重建能量非均匀性在3%以内,分辨率依然可以好于3%,满足物理探测的需求。对比以上两种情况,能量重建性能的下降主要是能量沉积重心的重建偏差和弥散导致的,因此,能量沉积重心的重建优化是未来进一步提升本算法性能的关键之一。

关键词： 冷阴极平板X射线源   射束物理特性定量分析   射束衰减特性计算   MC剂量计算   放疗前向计划设计  

摘要： 放射治疗(Radiation Therapy,RT)是大多数恶性肿瘤不可或缺的重要治疗手段。采用千伏(kV)级低能X射线进行治疗的术中放疗(Intraoperative Radiotherapy,IORT)和浅层 X 射线放疗(Superficial X-ray Radiotherapy,SXRT)技术具有局部照射剂量高、剂量陡降、疗程短、疗效高的特性,在部分肿瘤或病症的治疗中有不可替代性优势。然而,当前的低能X射线IORT和SXRT技术缺少精确图像引导、精确剂量计算和计划设计方法,无法实现施用器的精确摆位和肿瘤的精确适形放疗,临床应用受限。冷阴极平板X射线源(Flat-panel X-ray Source,FPXS)是由冷阴极X射线源组合构成的可实现大面积低能X射线发射的新型X射线源,具有功耗低、结构紧凑、常温下工作的优异特性。相比现有的IORT和SXRT技术,FPXS具有相近的物理参数和剂量率,且透光率高,X射线强度、射野形状和尺寸任意可调,有望解决现有技术存在的问题。 本文围绕FPXS用于IORT与SXRT但其射束物理和剂量特性不明确、缺少剂量计算和治疗计划设计等定量化技术两个关键问题展开研究,开展了以下四项工作: (1)提出了基于MC模拟的平板X射线源射束物理特性定量分析方法,获取、分析和优化了平板X射线源的射束特性。建立了 FPXS射束物理特性测量方法,通过建模和测量射束物理特性结合,定量分析并优化了 FPXS的结构。结果显示,模拟能谱与测量能谱差异<11%,验证了 MC结构建模方法的准确性。FPXS内单个点阵产生锥形束,透光率>60%。 (2)开发了基于蒙特卡罗(Monte Carlo,MC)模拟的平板X射线源射束衰减特性计算算法,实现任意成像设置下精确投影模拟。该算法具体包括:FPXS三维成像系统模型构建;点阵抽样和相空间抽样结合的多层次抽样光子初始化方法;GPU并行的快速光子输运模拟技术。基于该方法开展了多项成像验证实验,结果表明,MC模拟投影与射线追踪方法计算投影和采集投影都非常相似,半峰全宽差异<1.61%,验证了射束衰减特性计算的准确性。 (3)基于已建模的射束物理特性开发了面向平板X射线源的MC剂量计算算法,实现任意射野下的精确剂量计算。该算法具体包括:三维剂量计算模型构建;Metropolis射野权重抽样的光子初始化方法;GPU并行的剂量沉积模拟技术。通过测量分析了 FPXS的剂量特性,其物理参数和表面剂量率(2.45 Gy/min)与主流设备相当。剂量对比实验结果显示,百分深度剂量曲线差异<4.00%,验证了MC剂量计算的准确性。 (4)基于测量剂量特性和MC剂量计算算法建立了适形放疗前向计划设计流程。具体包括:光学图像引导系统搭建和肿瘤定位方法;建立FPXS计划设计数据库;前向计划设计与评估方法。基于该流程,开展了胶片适形照射实验和动物适形放疗实验。结果显示,胶片剂量覆盖靶区,实验组小鼠肿瘤生长缓慢且生存率高,验证了计划设计的可行性和适形放疗的有效性。 本文从FPXS射束与剂量特性、适形放疗定量化技术两方面研究了冷阴极FPXS适形放疗中的关键问题,建立了 FPXS适形放疗方法和流程,有望解决当前IORT和SXRT技术瓶颈,为肿瘤近距离精确治疗带来新的技术手段。

关键词： 热红外辐射   含水率   磷块岩   红外前兆   温度突变   单轴加载试验   裂纹扩展  

摘要： 为探究不同含水率磷块岩的热红外辐射特征，分别对烘干磷块岩、天然含水磷块岩和饱水磷块岩进行单轴加载试验，分析不同含水率磷块岩的受力特性、破坏特征和红外辐射特征。结果表明：磷块岩含水率越高，在失稳前红外辐射的升温幅度越大，含水率越低，升温幅度越小；磷块岩红外前兆异常显示，临近破裂前会出现短暂降温现象，含水率越高，降温幅度越小，含水率越低，降温幅度越大；磷块岩在最终破裂瞬间会发生红外辐射温度突升，含水率越低，突变值越大，含水率越高，突变值越小。

关键词： 北京谱仪实验   超级陶粲装置   J/ψ   超子   辐射衰变   CP破缺   电磁量能器  

摘要： 粒子物理是研究微观世界物质最基本结构及其相互作用的前沿学科,标准模型的建立标志着人类对粒子物理的研究取得显著进展。但在一些最基本的科学问题上,如描述强相互作用的量子色动力学(QCD)的非微扰性质、物质-反物质的不对称性等,标准模型仍面临巨大的挑战,需要更多理论和实验的协同研究。 基本相互作用的对称性在粒子物理中处于重要地位。QCD的SU(3)对称性是描述轻夸克间相互作用的有效规则,但在超子弱衰变中s夸克与u,d夸克的质量差不可忽略,导致SU(3)对称性的部分破缺。此外,弱相互作用和电磁相互作用的参与可进一步破坏SU(3)对称性。因此超子的弱衰变机制和非微扰QCD对超子衰变性质的影响是强子物理领域的重要研究方向。电荷共轭-宇称(CP)对称性是粒子物理中的另一基本对称性,其破缺有望部分解释宇宙中物质-反物质的不对称性。重子的衰变宽度是寻找直接CP破缺的重要研究对象,而超子的弱衰变可能因宇称破缺振幅与宇称守恒振幅的干涉而存在非零的衰变参数,是另一重要的CP观测量。超子的弱辐射衰变可用于检验SU(3)对称性,同时也是研究低转移动量条件下强、电磁、弱相互作用之间耦合的重要观测对象。测量超子弱辐射衰变过程的绝对分支比及衰变不对称参数在验证各类超子弱辐射衰变理论,构建超子衰变机制的统一理论,以及确定重子手征微扰理论中的关键参数等研究中具有无可替代的作用。由此,研究超子的弱辐射衰变有助于深入理解非微扰QCD与电磁、弱相互作用的耦合以及超子的内部结构,是检验超子衰变中SU(3)对称性和CP对称性的重要途径。 北京谱仪(BESⅢ)实验已采集大量具有独特自旋关联的超子对样本,是研究超子衰变的理想场所。本论文基于BESⅢ实验收集的(10087±44)× 106 J/ψ事例样本,通过J/ψ→∑+(→pγ)∑-(→pπ0)及J/ψ→Ξ0(→Λγ)Ξ0(→Λπ0)级联衰变过程,精确测量了 ∑+→pγ和Ξ0→ Aγ过程的绝对分支比及衰变不对称参数。研究得到∑+→pγ衰变过程的绝对分支比为(0.996±0.021stat.±0.018syst.)×10-3,精度相较国际平均值提高78%,且与国际平均值偏离4.2倍标准偏差;衰变不对称参数的测量结果为-0.652±0.056stat.±0.020syst.,测量精度提升34%。研究得到 Ξ0→Λγ 衰变过程的绝对分支比为(1.347≈0.066stat.±0.052syst.)× 10-3,衰变不对称参数为-0.741±0.062stat ± 0.019syst.,在误差范围内均与国际平均值一致。本论文首次测量∑+→pγ和Ξ0→Λγ过程的绝对分支比,并在国际领先的精度下实现对衰变不对称参数的测量。相关测量结果对于检验多种超子弱辐射衰变的理论模型,推动超子衰变机制统一理论的建立,以及为重子手征微扰理论提供高精度的实验输入等研究具有重要意义。此外,本论文首次测量了上述两个衰变过程的电荷共轭-宇称(CP)破缺效应,没有观测到明显的衰变分支比及衰变不对称参数的不对称性。 在更高统计量下开展高精度的实验研究是物理学家深入理解QCD的非微扰效应及寻找超出标准模型新物理的有效手段,这需要更高亮度的基于加速器的粒子物理实验装置。新一代正负电子对撞机实验——超级陶粲装置(STCF)质心能量范围2-7 GeV,峰值对撞亮度在束流能量2 GeV时预期超过5 × 1034 cm-2s-1。其大质心能量范围和超高亮度对探测谱仪的物理设计和研制构成严峻挑战。电磁量能器(EMC)是STCF探测谱仪的核心系统之一,用于精确测量能量在25 MeV到3500MeV范围内的光子,提供物理事例的触发信息和起始时间,以及参与中性粒子的类型鉴别。STCF探测谱仪的EMC系统要求在最高400kHz的总物理事例率,40 krad的累计单元电离辐照剂量以及近1MHz的单元本底事例率条件下,实现1 GeV能量下2.5%的光子能量分辨和5 mm@1 GeV的光子位置分辨。此外,利用时间信息进行中性粒子鉴别、事例触发和定时是EMC设计的一大亮点。在4ns对撞间隔下,EMC应实现0.8ns@100MeV的定时精度以精确测量事例起始时间。 本研究首先开展EMC的物理设计,确定CsI晶体为吸收体,雪崩光电二极管为光电探测器,以及基于电荷灵敏放大器的前端读出电子学的设计方案。本研究发现输出波形斜率及电子学噪声水平是影响EMC定时性能的主要因素,进而确定对电荷灵敏放大器输出的信号进行波形拟合以测量波形时间的定时方案。该方案在测试中可实现1.1 ns@100MeV的探测单元定时性能。模拟发现最高近1 MHz的本底事例率将导致EMC对1 GeV光子的能量分辨率劣化至5%以上的水平。本论文研究了多种波形拟合算法的抗事例堆积能力,并在模拟中证明基于波形拟合的抗堆积算法可将EMC

关键词： 广义齐次Hahn多项式   广义齐次Hahn对偶多项式   Verma-Jain多项式   q-Laguerre对偶多项式   q-偏微分方程  

摘要： 多项式无论在数学上还是其他领域上都有重要作用.本论文主要研究广义齐次Hahn多项式,Verma–Jain多项式和q-Laguerre多项式,我们将这些多项式用Carlitz型q-算子进行表示,接着我们用多项式对应的算子计算一些结论,进一步探索多项式对应的性质. 一、根据广义齐次Hahn多项式Φ_n（α,β）（x,y|q）的定义,推算出广义齐次Hahn多项式对应的对偶多项式Ψ_n（α,β）（x,y|q）.构造出广义齐次Hahn多项式和广义齐次Hahn对偶多项式对应的Carlitz型q-算子,利用Carlitz型q-算子对广义q-多项式的混合生成函数,Carlitz类型的生成函数,Srivastava–Agarwal型生成函数进行推广.同时也考虑到本论文中涉及计算的结论和其他已知的结论之间的相互关联. 二、根据由泊松核和正交多项式一起生成的多线性生成函数?_n（x;a,b|q）的定义,对多项式进行推广,推算出Verma–Jain多项式对应的Carlitz型q-算子,并计算出Verma–Jain多项式对应的q-偏微分方程,接着借助Carlitz型q-算子计算出新的结论,即双线性生成函数.利用Verma–Jain多项式对应的Carlitz型q-算子讨论了有限级数生成函数,混合生成函数和U（n+1）型超几何多项式生成函数相关的问题,进而研究了Verma–Jain多项式的部分性质. 三、根据已有的具有形式幂级数的q-运算方程,推广了对应的Carlitz型q-算子,揭示q-Laguerre对偶多项式的基本特征,推导出q-Laguerre对偶多项式对应的q-偏微分方程,利用Carlitz型q-算子和q-运算方程,分别讨论了q-Laguerre对偶多项式在广义q-Hardy–Hille公式,两个混合生成函数和Andrews–Askey积分的推广上的应用,从而得到一些新的结论.

关键词： 气体探测   中红外激光吸收光谱   二次谐波   信噪比   神经网络   二氧化碳   甲烷  

摘要： 可调谐半导体激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)技术是利用可调谐半导体激光器窄线宽和波长可通过电流快速调谐的特性实现对气体分子测量、检测的一种手段，因具有高光谱分辨率、选择性好、灵敏度高和响应速度快的特点，被广泛应用于大气环境检/监测、危险气体泄露安全检测、工业过程控制和医学诊断等领域。相比于近红外波段的某些气体分子的泛频谱带的吸收线强度，2-5 μm中红外波段的气体分子吸收线强度更强(吸收谱线强度高1-2个数量级)，被称为“分子指纹区”，该波段激光光源在气体探测精度和灵敏度提升方面具有重要的应用前景。　　面向材料与化工园区二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)高精度检/监测需求，本论文围绕基于中红外激光吸收光谱的高灵敏度气体探测技术展开研究，构建了基于MATLAB-Simulink平台的波长调制光谱(TDLAS-WMS)技术模型，探索了基于神经网络算法的二次谐波信噪比提升技术，搭建了基于中红外激光的高灵敏度CO2和CH4探测系统，分别采用TDLAS-WMS技术和免校准波长调制光谱技术实现了对CO2的原位测量和CH4的遥感测量，为实现材料和化工园区痕量有毒有害气体实时检/监测提供了理论和数据支撑。本论文的主要内容包括:　　(1)首先阐述了 TDLAS技术的原理。详细介绍了朗伯比尔定律、吸收线型函数以及各种TDLAS技术。根据气体对光源特定波长选择性吸收的特性以及避免交叉干扰的需求，设计了基于HITRAN数据库的软件模拟仿真平台。　　(2)基于MATLAB-Simulink平台，构建了波长调制光谱(TDLAS-WMS)技术模型。以CO2在2682.108 nm处的吸收光谱为例，深入研究了 TDLAS-WMS技术的原理，分析了环境参数(温度、压强)对中间参量的影响规律以及透射信号、一次谐波(If)、二次谐波(2f)的产生过程，将其以公式表达并应用于Simulink模型构建中。为后续章节的神经网络算法数据集的构建以及遥感探测系统的模拟仿真奠定了基础。　　(3)高灵敏度二氧化碳探测系统的设计。本章节详细介绍了一款基于ICL-DFB激光器的CO2探测系统，从应用需求到方案设计，主要包括气体采样模块、光学模块、电路及信号处理模块的设计选型和功能。在性能测试方面，首先利用不同浓度二氧化碳标气对该探测系统进行了标定，然后在500 ppm标气浓度下，经长时间测量获得了 2.14 ppm的探测精度并在积分时间为218 s时，得到最低检测限为0.392 ppm,最后将本传感器放置于室外进行了长达40 h的环境二氧化碳测量，为传感器在实际使用中性能提升的后续工作指明了方向。　　(4)基于神经网络算法的二次谐波信噪比提升技术研究。针对上章节的CO2探测系统信噪比的提升的需求，采用神经网络算法实现了信号的信噪比提升，克服了神经网络算法需要大量数据作为训练模型的难点。采用模拟产生的大量不同实验条件下的二次谐波信号作为训练集，在神经网络滤波器的辅助下，系统探测精度从2.14 ppm提升到1.45 ppm,最低检测限从0.392 ppm提升到0.18 ppm。　　(5)甲烷遥感探测系统的设计。搭建了基于中红外差频激光器的CH4遥感探测系统，包括光学系统发射、接收、信号处理单元，设计了基于NI数据采集卡的双通道解调软件，并开展了 122 m长距离遥感探测实验，在71 s积分时间下，获得系统的最低检测限为0.108 ppm。

摘要： 医学影像技术是现代医学中不可或缺的组成部分，通过影像技术，医生能够“看见”体内组织和器官的细微结构，从而更准确判断病情并制定治疗方案。从最早的X射线到如今复杂的磁共振成像（magnetic resonance imaging,MRI），医学影像技术经历了跨越性的演变。而在当今的医学领域，人工智能（artificial intelligence,AI）的引入更是进一步推动了影像诊断的效率与精准性。