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, 最新更新时间 , doi: 10.11884/HPLPB202638.250243
摘要:
提出了一种基于不规则三角网的复杂地形蒙特卡罗粒子输运快速建模方法，用于解决高分辨率下对复杂地形场景进行自适应高效蒙特卡罗（MC）建模的技术问题。具体为：首先，读取高分辨率的栅格形式的地形高程数据，并根据地形起伏变化的程度对高程点进行二维小波变换，用以精准定位地形突变并获得重要高程点集；然后，采用Delaunay 三角剖分方法对离散点集构造不规则三角网，得到TIN结构的地形数据；最后，采用MCNP程序的“任意多面体”宏体定义方式建立各种几何平面，并通过布尔运算构建复杂几何实体，从而实现了在高分辨率复杂地形场景下的MC粒子输运快速自动建模。测试结果表明，给出的建模方法能够精确还原复杂地形对核辐射的影响，在压缩栅元数目且提升建模计算效率的同时，获得了高保真的模拟结果，适用于面向任一大规模复杂地形场景的MC粒子输运建模，是复杂地形影响下强辐射场建模计算的新方法。
提出了一种基于不规则三角网的复杂地形蒙特卡罗粒子输运快速建模方法，用于解决高分辨率下对复杂地形场景进行自适应高效蒙特卡罗（MC）建模的技术问题。具体为：首先，读取高分辨率的栅格形式的地形高程数据，并根据地形起伏变化的程度对高程点进行二维小波变换，用以精准定位地形突变并获得重要高程点集；然后，采用Delaunay 三角剖分方法对离散点集构造不规则三角网，得到TIN结构的地形数据；最后，采用MCNP程序的“任意多面体”宏体定义方式建立各种几何平面，并通过布尔运算构建复杂几何实体，从而实现了在高分辨率复杂地形场景下的MC粒子输运快速自动建模。测试结果表明，给出的建模方法能够精确还原复杂地形对核辐射的影响，在压缩栅元数目且提升建模计算效率的同时，获得了高保真的模拟结果，适用于面向任一大规模复杂地形场景的MC粒子输运建模，是复杂地形影响下强辐射场建模计算的新方法。
, 最新更新时间 , doi: 10.11884/HPLPB202638.250234
摘要:
随着中子学计算方法的发展和精确建模能力的提高，核反应堆物理计算程序中模型近似和离散方法带来的误差逐渐减小，而核数据因其测量难度高，成为影响计算精度的关键输入参数。因此，基于自主研发的敏感性和不确定性分析平台SUPES，开发了基于敏感性分析和广义线性最小二乘算法的核数据调整模块。首先，由敏感性分析获取响应关于输入参数的变化规律；其次，通过相似性分析筛选中子学层面上相似程度高的实验装置参与核数据调整；最后，采用广义线性最小二乘算法使得计算值与实测值之间的误差最小，获得核数据调整量。根据临界基准题HEU-MET-FAST-078中的22个算例，对ACE格式连续能量数据库进行调整，数值结果表明，有效增殖因子keff的均方根误差从3.10×10−3降低到1.53×10−3。通过数值结果对比分析，验证了所开发的核数据调整模块的正确性。
随着中子学计算方法的发展和精确建模能力的提高，核反应堆物理计算程序中模型近似和离散方法带来的误差逐渐减小，而核数据因其测量难度高，成为影响计算精度的关键输入参数。因此，基于自主研发的敏感性和不确定性分析平台SUPES，开发了基于敏感性分析和广义线性最小二乘算法的核数据调整模块。首先，由敏感性分析获取响应关于输入参数的变化规律；其次，通过相似性分析筛选中子学层面上相似程度高的实验装置参与核数据调整；最后，采用广义线性最小二乘算法使得计算值与实测值之间的误差最小，获得核数据调整量。根据临界基准题HEU-MET-FAST-078中的22个算例，对ACE格式连续能量数据库进行调整，数值结果表明，有效增殖因子keff的均方根误差从3.10×10−3降低到1.53×10−3。通过数值结果对比分析，验证了所开发的核数据调整模块的正确性。
, 最新更新时间 , doi: 10.11884/HPLPB202638.250369
摘要:
靶材自吸收效应是影响激光驱动X射线源性能的关键因素之一，明确其对X射线能谱和角分布的作用机制对优化光源设计具有重要意义。利用蒙特卡罗模拟方法，系统研究了电子源与丝靶端面距离、丝靶直径及靶材原子序数三个参数在自吸收效应下对X射线源特性的影响。研究结果表明：电子源在50～150 μm范围内轴向移动对能谱形态及角分布影响不显著；丝靶直径增大导致低能光子吸收增强，能谱明显硬化，同时光子角分布展宽，准直性下降；高原子序数靶材可显著提升高能光子产额，但伴随角分布发散加剧。揭示了靶材自吸收对不同能段光子的选择性衰减与多次散射对光束定向性的影响规律。
靶材自吸收效应是影响激光驱动X射线源性能的关键因素之一，明确其对X射线能谱和角分布的作用机制对优化光源设计具有重要意义。利用蒙特卡罗模拟方法，系统研究了电子源与丝靶端面距离、丝靶直径及靶材原子序数三个参数在自吸收效应下对X射线源特性的影响。研究结果表明：电子源在50～150 μm范围内轴向移动对能谱形态及角分布影响不显著；丝靶直径增大导致低能光子吸收增强，能谱明显硬化，同时光子角分布展宽，准直性下降；高原子序数靶材可显著提升高能光子产额，但伴随角分布发散加剧。揭示了靶材自吸收对不同能段光子的选择性衰减与多次散射对光束定向性的影响规律。
, 最新更新时间 , doi: 10.11884/HPLPB202638.250251
摘要:
为有效抑制高功率光纤激光系统中的受激布里渊散射效应，采用白噪声射频信号对单频激光进行相位调制，将其光谱展宽为半高全宽89 GHz的高斯线型，从而实现对受激布里渊散射效应的有效抑制。通过采用自主制备的低数值孔径（约0.05）、大模场面积（约237 μm2）熊猫型掺镱保偏光纤，其双折射系数4.23×10−4，在抑制受激布里渊散射效应的同时也有效缓解了模式间热耦合问题，最终实现了5.09 kW窄线宽线偏振激光输出。输出光谱线宽为89 GHz，偏振消光比在整个放大过程中始终优于19.6 dB，光束质量因子M2＜1.2。在最高输出功率下未观察到自脉冲或时域不稳定现象，表明受激布里渊散射效应与模式不稳定（TMI）已得到有效控制，证明该系统具备长期稳定运行的潜力。
为有效抑制高功率光纤激光系统中的受激布里渊散射效应，采用白噪声射频信号对单频激光进行相位调制，将其光谱展宽为半高全宽89 GHz的高斯线型，从而实现对受激布里渊散射效应的有效抑制。通过采用自主制备的低数值孔径（约0.05）、大模场面积（约237 μm2）熊猫型掺镱保偏光纤，其双折射系数4.23×10−4，在抑制受激布里渊散射效应的同时也有效缓解了模式间热耦合问题，最终实现了5.09 kW窄线宽线偏振激光输出。输出光谱线宽为89 GHz，偏振消光比在整个放大过程中始终优于19.6 dB，光束质量因子M2＜1.2。在最高输出功率下未观察到自脉冲或时域不稳定现象，表明受激布里渊散射效应与模式不稳定（TMI）已得到有效控制，证明该系统具备长期稳定运行的潜力。
, 最新更新时间 , doi: 10.11884/HPLPB202638.250376
摘要:
U波段光纤激光器在通信、传感、科研等领域具有重要应用前景。本文以1.55 μm光纤激光器作为泵浦源，基于商用单模石英光纤实验搭建了U波段1.65 μm的拉曼光纤激光器。研究了拉曼光纤长度和输出耦合光纤光栅（OC-FBG）反射率对拉曼激光功率效率的影响规律，实验结果表明，随着拉曼激光功率的提升，Stokes光谱线宽展宽导致的光纤光栅等效反射率降低，从而发生反向功率泄露是钳制正向输出功率的主要问题。最终通过选用15.7%低反射率的OC-FBG，基于2.1 km石英光纤作为拉曼增益介质，实现了输出功率为10.1 W、3 dB带宽为2.5 nm的1648.8 nm拉曼激光输出，光光转换效率为65.2%。
U波段光纤激光器在通信、传感、科研等领域具有重要应用前景。本文以1.55 μm光纤激光器作为泵浦源，基于商用单模石英光纤实验搭建了U波段1.65 μm的拉曼光纤激光器。研究了拉曼光纤长度和输出耦合光纤光栅（OC-FBG）反射率对拉曼激光功率效率的影响规律，实验结果表明，随着拉曼激光功率的提升，Stokes光谱线宽展宽导致的光纤光栅等效反射率降低，从而发生反向功率泄露是钳制正向输出功率的主要问题。最终通过选用15.7%低反射率的OC-FBG，基于2.1 km石英光纤作为拉曼增益介质，实现了输出功率为10.1 W、3 dB带宽为2.5 nm的
, 最新更新时间 , doi: 10.11884/HPLPB202638.250371
摘要:
相对论强度激光驱动固体密度表面等离子体产生的高次谐波和阿秒脉冲，是实现高亮度、短波长、超快相干光源和探索极端强场物理的重要途径。近年来，得益于激光技术的飞速发展，对光场振幅、相位、偏振等自由度的精细操控促使了结构光场的兴起。结构光场极大地丰富了激光与物质相互作用的调控手段与应用场景。综述了利用结构光场调控相对论激光等离子体高次谐波和阿秒脉冲相关的最新进展。文章重点探讨了偏振结构（如圆偏振光、矢量光）、相位结构（如空间涡旋光、时空涡旋光）及振幅结构（如贝塞尔光、艾里光）等新型结构光场驱动下高次谐波的特性调控与物理机制，旨在为基于强场激光与等离子体相互作用的新型光源研究提供新思路。
相对论强度激光驱动固体密度表面等离子体产生的高次谐波和阿秒脉冲，是实现高亮度、短波长、超快相干光源和探索极端强场物理的重要途径。近年来，得益于激光技术的飞速发展，对光场振幅、相位、偏振等自由度的精细操控促使了结构光场的兴起。结构光场极大地丰富了激光与物质相互作用的调控手段与应用场景。综述了利用结构光场调控相对论激光等离子体高次谐波和阿秒脉冲相关的最新进展。文章重点探讨了偏振结构（如圆偏振光、矢量光）、相位结构（如空间涡旋光、时空涡旋光）及振幅结构（如贝塞尔光、艾里光）等新型结构光场驱动下高次谐波的特性调控与物理机制，旨在为基于强场激光与等离子体相互作用的新型光源研究提供新思路。
, 最新更新时间 , doi: 10.11884/HPLPB202638.250412
摘要:
超短超强激光的出现与迅猛发展，为人类创造了前所未有的极端物理条件和全新实验手段，极大深化和拓展了人类对客观世界规律的认识，显著推动了基础与前沿交叉学科以及战略高技术领域的创新发展。基于超短超强激光与等离子体相互作用的粒子加速技术作为新一代加速器与射线源技术，可将传统加速器装置规模缩小百倍，极大提升了高端加速器与射线源在工业、国防、医疗及科研等领域的适用性，在大型关键装备精细探伤、超低剂量超高精度肿瘤诊断、新型低损伤放疗技术、桌面型超快光源等诸多方向展现出广阔的应用前景。本文介绍的郑州大学超短超强激光平台，正是基于该技术建设的新一代先进激光加速器研究与应用装置。此外，本文还系统综述了郑州大学近年来在强场物理与先进加速研究方面取得的重要进展。
超短超强激光的出现与迅猛发展，为人类创造了前所未有的极端物理条件和全新实验手段，极大深化和拓展了人类对客观世界规律的认识，显著推动了基础与前沿交叉学科以及战略高技术领域的创新发展。基于超短超强激光与等离子体相互作用的粒子加速技术作为新一代加速器与射线源技术，可将传统加速器装置规模缩小百倍，极大提升了高端加速器与射线源在工业、国防、医疗及科研等领域的适用性，在大型关键装备精细探伤、超低剂量超高精度肿瘤诊断、新型低损伤放疗技术、桌面型超快光源等诸多方向展现出广阔的应用前景。本文介绍的郑州大学超短超强激光平台，正是基于该技术建设的新一代先进激光加速器研究与应用装置。此外，本文还系统综述了郑州大学近年来在强场物理与先进加速研究方面取得的重要进展。
, 最新更新时间 , doi: 10.11884/HPLPB202638.250351
摘要:
针对10 MA脉冲功率装置中采用的水介质三电极板-球结构自击穿开关，研究了开关击穿时电极电压变化情况和放电多通道形成的判据。根据开关的具体结构，理论分析了特征时间常数和电极多通道间的距离等因素对开关多通道形成的影响，计算得出多通道形成判据左侧项为8.6 ns，大于两倍开关抖动时间6 ns，满足判据要求。实验验证了开关在3 MV击穿电压下，3对电极的放电电弧在约30 ns时间内同时从球电极产生并发展到板电极。
针对10 MA脉冲功率装置中采用的水介质三电极板-球结构自击穿开关，研究了开关击穿时电极电压变化情况和放电多通道形成的判据。根据开关的具体结构，理论分析了特征时间常数和电极多通道间的距离等因素对开关多通道形成的影响，计算得出多通道形成判据左侧项为8.6 ns，大于两倍开关抖动时间6 ns，满足判据要求。实验验证了开关在3 MV击穿电压下，3对电极的放电电弧在约30 ns时间内同时从球电极产生并发展到板电极。
, 最新更新时间 , doi: 10.11884/HPLPB202638.250327
摘要:
基于“矢量反转原理”的螺旋发生器在实现电压倍增过程中，电压效率会受到开关损耗、传输线损耗及漏感损耗的影响。首先针对上述损耗机制进行了系统分析，然后基于场-路协同仿真方法，定量探究了关键设计参数（线圈匝数n、介质/电极厚度、介质平均直径D、磁导率及开关位置）对漏感损耗的作用规律。仿真结果表明，高磁导率的磁芯能够显著提升螺旋发生器的电压效率；增大D/n有助于提高输出效率，增大匝数n虽可提升输出电压幅值随，但会导致电压效率降低；增大平均直径D可提高电压效率，但会以增加装置体积为代价；减小介质厚度有利于电压效率提升，然而过薄的介质层存在绝缘击穿风险；相较于端部安装，将开关置于线圈中间位置可显著提升电压效率。此外，通过开关闭合后电磁能量转换过程的深入分析，得出关键结论高效率螺旋发生器需要能够在实现磁场能量完全转换回电场能量的同时，确保主动与被动层电场方向一致。
基于“矢量反转原理”的螺旋发生器在实现电压倍增过程中，电压效率会受到开关损耗、传输线损耗及漏感损耗的影响。首先针对上述损耗机制进行了系统分析，然后基于场-路协同仿真方法，定量探究了关键设计参数（线圈匝数n、介质/电极厚度、介质平均直径D、磁导率及开关位置）对漏感损耗的作用规律。仿真结果表明，高磁导率的磁芯能够显著提升螺旋发生器的电压效率；增大D/n有助于提高输出效率，增大匝数n虽可提升输出电压幅值随，但会导致电压效率降低；增大平均直径D可提高电压效率，但会以增加装置体积为代价；减小介质厚度有利于电压效率提升，然而过薄的介质层存在绝缘击穿风险；相较于端部安装，将开关置于线圈中间位置可显著提升电压效率。此外，通过开关闭合后电磁能量转换过程的深入分析，得出关键结论高效率螺旋发生器需要能够在实现磁场能量完全转换回电场能量的同时，确保主动与被动层电场方向一致。
, 最新更新时间 , doi: 10.11884/HPLPB202638.250363
摘要:
近年来，闪光放疗、闪光摄影等新的应用领域对重复频率达到kHz以上的高重复频率直线感应加速器（LIA）提出了迫切的需求，而感应加速腔磁芯能否在重复频率脉冲间有效复位是限制高重复频率直线感应加速器能否实现的关键因素之一。通过高压实验和电路模拟，对非晶磁芯和纳米微晶两种磁芯的多种快速复位方法进行了研究和对比分析。在此基础上，结合自研的高重复频率脉冲感应加速单元，开展了加速腔磁芯脉冲间复位效果的实验测试。研究结果表明，纳米微晶磁芯更适用于高重复频率感应加速腔：利用电感隔离直流复位方法，现有装置水平能够满足10 kHz重复频率下纳米微晶磁芯的复位需求；利用低剩磁纳米微晶磁芯的自恢复能力，则可在100 kHz重复频率下实现加速腔磁芯的自动复位。
近年来，闪光放疗、闪光摄影等新的应用领域对重复频率达到kHz以上的高重复频率直线感应加速器（LIA）提出了迫切的需求，而感应加速腔磁芯能否在重复频率脉冲间有效复位是限制高重复频率直线感应加速器能否实现的关键因素之一。通过高压实验和电路模拟，对非晶磁芯和纳米微晶两种磁芯的多种快速复位方法进行了研究和对比分析。在此基础上，结合自研的高重复频率脉冲感应加速单元，开展了加速腔磁芯脉冲间复位效果的实验测试。研究结果表明，纳米微晶磁芯更适用于高重复频率感应加速腔：利用电感隔离直流复位方法，现有装置水平能够满足10 kHz重复频率下纳米微晶磁芯的复位需求；利用低剩磁纳米微晶磁芯的自恢复能力，则可在100 kHz重复频率下实现加速腔磁芯的自动复位。
, 最新更新时间 , doi: 10.11884/HPLPB202638.250328
摘要:
PFN-Marx型脉冲驱动源具有结构紧凑、输出脉冲波形可调等优点，当用作高功率微波系统前级驱动源时在提升系统轻小型化水平、输出效率等方面具有巨大潜力。设计并研制了基于2节紧凑脉冲形成模块和低感火花隙气体开关的PFN-Marx型高压脉冲发生器，并实现了其50 Hz重复频率运行和低抖动输出。基于非均匀脉冲形成及波形调控技术实现了2节PFN的低振荡波形输出，并研制了兼具储能与脉冲形成功能的紧凑脉冲形成模块。对其工作参数和输出特性进行了分析计算，模块可输出近方波高压脉冲，脉冲宽度约150 ns。研制了紧凑型PFN-Marx发生器，通过对称放电、平面触发结构火花隙气体开关设计，实现了PFN-Marx发生器的重复频率运行和低抖动输出。所设计发生器输出功率可达3.4 GW，脉冲平顶持续时间约80 ns，能够以50 Hz重复频率工作，输出抖动标准差低至2.4 ns。
PFN-Marx型脉冲驱动源具有结构紧凑、输出脉冲波形可调等优点，当用作高功率微波系统前级驱动源时在提升系统轻小型化水平、输出效率等方面具有巨大潜力。设计并研制了基于2节紧凑脉冲形成模块和低感火花隙气体开关的PFN-Marx型高压脉冲发生器，并实现了其50 Hz重复频率运行和低抖动输出。基于非均匀脉冲形成及波形调控技术实现了2节PFN的低振荡波形输出，并研制了兼具储能与脉冲形成功能的紧凑脉冲形成模块。对其工作参数和输出特性进行了分析计算，模块可输出近方波高压脉冲，脉冲宽度约150 ns。研制了紧凑型PFN-Marx发生器，通过对称放电、平面触发结构火花隙气体开关设计，实现了PFN-Marx发生器的重复频率运行和低抖动输出。所设计发生器输出功率可达3.4 GW，脉冲平顶持续时间约80 ns，能够以50 Hz重复频率工作，输出抖动标准差低至2.4 ns。
, 最新更新时间 , doi: 10.11884/HPLPB202638.250362
摘要:
随着高功率微波应用技术的快速发展，对脉冲驱动源的可靠性和适装性提出更加严苛的要求。介绍了一种轻小型化特斯拉（Tesla）变压器脉冲驱动源，提出基于高储能密度液体介质Midel7131和二倍宽脉冲形成线设计方法，突破了内置Tesla变压器的脉冲形成线轻小型化技术，优化短脉冲传输线电长度和阻抗匹配关系，解决了基于变压器油介质的单筒脉冲形成线和脉冲传输线长度长的技术难题。设计了Tesla变压器高位高真空注油方法，解决了油纸混合绝缘中气泡放电问题，提升了形成线功率水平和运行可靠性。研制的脉冲驱动源最高输出功率为20 GW、脉冲宽度50 ns、脉冲平顶幅值波动小于2%、最高重复频率50 Hz，连续运行1 min，累积工作约20万个脉冲，系统稳定可靠。该脉冲驱动源外廓尺寸（长×宽×高）为4 m×1.5 m×1.5 m，总重量约5 t；相比原20 GW Tesla型脉冲驱动源，轻小型化水平明显提升。
随着高功率微波应用技术的快速发展，对脉冲驱动源的可靠性和适装性提出更加严苛的要求。介绍了一种轻小型化特斯拉（Tesla）变压器脉冲驱动源，提出基于高储能密度液体介质Midel7131和二倍宽脉冲形成线设计方法，突破了内置Tesla变压器的脉冲形成线轻小型化技术，优化短脉冲传输线电长度和阻抗匹配关系，解决了基于变压器油介质的单筒脉冲形成线和脉冲传输线长度长的技术难题。设计了Tesla变压器高位高真空注油方法，解决了油纸混合绝缘中气泡放电问题，提升了形成线功率水平和运行可靠性。研制的脉冲驱动源最高输出功率为20 GW、脉冲宽度50 ns、脉冲平顶幅值波动小于2%、最高重复频率50 Hz，连续运行1 min，累积工作约20万个脉冲，系统稳定可靠。该脉冲驱动源外廓尺寸（长×宽×高）为4 m×1.5 m×1.5 m，总重量约5 t；相比原20 GW Tesla型脉冲驱动源，轻小型化水平明显提升。
, 最新更新时间 , doi: 10.11884/HPLPB202638.250101
摘要:
基于强流电子束-等离子体系统，对高性能电子束窗口设计与强流环形电子束在等离子体中聚焦传输机制展开研究。通过有限元分析和蒙特卡罗模拟，对电子束窗口的力学、热学和传输性能进行对比判断，筛选出TC4钛合金作为窗口材料，其在10 kPa压力下仅需0.04 mm厚度，能量传输效率达90%以上，且温度变化可控。通过理论推导和粒子模拟研究，揭示了在500 kV、20 kA的情况下的强流环形电子束在等离子体中自聚焦传输的物理机制，阐明了电子束聚焦传输周期与等离子体密度之间的关系。最后根据等离子体振荡周期和电子束回旋周期的对应关系，建立了等离子体密度与外加轴向导引磁场的等效关系，讨论了低强度磁场和等离子体共同作用对电子束聚焦传输的影响。
基于强流电子束-等离子体系统，对高性能电子束窗口设计与强流环形电子束在等离子体中聚焦传输机制展开研究。通过有限元分析和蒙特卡罗模拟，对电子束窗口的力学、热学和传输性能进行对比判断，筛选出TC4钛合金作为窗口材料，其在10 kPa压力下仅需0.04 mm厚度，能量传输效率达90%以上，且温度变化可控。通过理论推导和粒子模拟研究，揭示了在500 kV、20 kA的情况下的强流环形电子束在等离子体中自聚焦传输的物理机制，阐明了电子束聚焦传输周期与等离子体密度之间的关系。最后根据等离子体振荡周期和电子束回旋周期的对应关系，建立了等离子体密度与外加轴向导引磁场的等效关系，讨论了低强度磁场和等离子体共同作用对电子束聚焦传输的影响。
