● 摘要
在自然界及工业生产过程中，很多物质及产品（包括中间产品）都呈现出粒子形态，粒子对辐射能量的吸收、发射及散射在许多环境及工程系统中都扮演着重要的角色。真实世界中的粒子不仅具有十分复杂的外形特征，其介质内部还可能分层或包裹有气泡、杂质等，使得准确描述辐射与粒子之间的相互作用变得十分困难。以往粒子辐射问题的研究中，为了能够适用成熟的理论或提高计算的效率，学者们经常会将粒子简化为均质球形颗粒，或者将粒子视为椭球形或圆柱形等简单不规则形状。如今，随着异构介质应用的日趋广泛，粒子辐射研究领域当前的一大趋势，便是尽可能准确的建立表征介质自身微观结构的模型，以便能更精确的描述粒子与辐射能量的相互作用。本研究便是基于当前对粒子辐射研究提出的新要求，结合已有的研究理论，以具有复杂结构的大粒子及其弥散系为研究对象，探索了求解其辐射特性的方法，主要包括以下一些内容：
（1）利用几何光学理论分析了内部具有分层结构的大粒子对辐射能量的吸收及散射过程。以空心微珠材料为研究对象，采用蒙特卡洛光线追踪法建立了单色光在镜反射及漫反射界面下在空心微珠表面及内部的反射、吸收及折射模型。该模型克服了以往几何光学理论解析法研究中对光线跳转设定次数限制的缺陷，在保证计算效率的基础上，实现了对每一条光线在空心微珠介质内部传输路径的准确模拟，模型的准确性更高。
（2）提出了一种能够计算具有复杂外形的粒子的辐射特性的球叠加模型。该模型将具有不规则结构的大粒子分解为一系列相互叠加的单元球的集合，通过对单元球的大小、空间位置及光学常数进行调整，可以准确还原粒子的实际形状及结构构成。该模型不仅能保证计算精度，同时适用性强，具有较广的应用范围。本文以模拟月壤颗粒为研究对象，归纳了四种典型的月壤颗粒形态，并根据球叠加模型分别计算了它们的辐射特性。
（3）在多相介质辐射传递研究的基础上，建立了含复杂结构颗粒的弥散介质的多相辐射传递方程，将以均质球形粒子弥散系为对象推导的多相辐射传递模型推广以适应复杂结构粒子各向异性的特点。在单个粒子辐射特性研究的基础上，计算了粒子弥散系的结构因子，并讨论了粒子自身特性、粒径分布以及介质的微观结构对辐射导热率的影响。
具有复杂结构的粒子的辐射特性研究是当今辐射领域研究的热点问题。其本身在物理结构上的复杂性与辐射问题相结合，不仅对研究方法的适用性提出了更高的要求，同时也要求求解模型需保持良好的求解精度。本文通过对复杂结构粒子辐射特性的研究，不仅希望能够丰富蒙特卡洛法的研究内容，同时也希望研究成果能够为粒子辐射领域的理论研究和工程应用起到一定的推动。