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高功率小型化波导E面异频功率合成器的设计
苏奕宇, 李相强, 魏溢宏, 张健穹, 王庆峰
当前状态:  doi: 10.11884/HPLPB202436.230433
[摘要](0) [HTML全文](0) [PDF 11482KB](0)
摘要:
为了满足典型应用场景对高功率异频功率合成器提出的输入输出同向及结构紧凑的需求,提出并设计了一种工作在9.3 GHz和9.7 GHz频率的高功率小型化波导E面异频功率合成器。基于滤波器结构异频功率合成器的原理,通过采用过模矩形波导E面合成的形式,使两个波导滤波器相互平行,两个输入端口相互平齐,以满足特定应用场景的需求。同时,通过减小合成环节的矩形波导尺寸对合成过程中产生的高次模进行抑制,并按照半个波导波长的整数倍减小波导滤波器模片间距,在保证具有高功率容量的前提下缩短了滤波器长度。设计的异频功率合成器整体长度为9.2 λ,宽度为1.5 λ,高度为2.8 λ(λ为9.5 GHz所对应的自由空间波长)。仿真结果表明,该合成器在9.3 GHz和9.7 GHz频率下的回波损耗均大于20 dB,合成效率大于98%,输入端口之间的隔离度大于20 dB,在80 MV/m微波脉冲击穿阈值下,功率容量为310 MW。
光频梳下变频信号光纤延时频率恢复方法
王天恒, 谢树果
当前状态:  doi: 10.11884/HPLPB202436.230358
[摘要](2) [HTML全文](2) [PDF 5530KB](0)
摘要:
针对光频梳下变频信号接收过程中存在的频率信息丢失问题,提出了一种基于频率-相位映射的信号频率恢复方法,该方法使用可调光纤延迟线在两路光频梳变频链路之间产生一组固定已知的时延,时延在信号原始频率与下变频信号相位差之间建立映射关系,利用该映射关系可以从测得的相位差计算出信号的原始频率。分析了时延值等参数对频率恢复的影响,估计了该方法对相位测量不确定度的限值要求,最后给出了该方法具体实施方案中关键参数的设置策略。所有下变频信号的相位差可以通过快速傅里叶变换等数据处理一次性得出,因此该方法的时间代价和计算成本几乎不随着信号个数增加而增加。在不考虑下变频信号混叠的情况下,本文所提出的方法在理论上对处理信号的数量没有限制,因此相比于已有的光频梳下变频信号频率恢复方法,在多信号频率恢复方面更具有优势。
大视场龙伯透镜电磁成像超分辨算法
杨美玲, 谢树果, 张申达, 冯荣光, 杨燕
当前状态:  doi: 10.11884/HPLPB202436.230383
[摘要](1) [HTML全文](1) [PDF 15079KB](0)
摘要:
现有的反射面电磁成像系统体积庞大,无法满足机载、车载、无人机等应用平台要求。针对此类问题,研究了龙伯透镜的结构特性和成像特性,设计了大视场龙伯透镜电磁成像系统,利用空不变成像特性进行超分辨图像处理,实现了快速、大视场、宽频带、高分辨电磁辐射源分布成像。计算了口径300 mm带球核分层龙伯透镜参数,仿真了4~18 GHz龙伯透镜焦弧面场强分布,验证了龙伯透镜空不变的成像特性及其超分辨算法的有效性。实验对比了抛物反射面电磁成像系统和本文龙伯透镜电磁成像系统的体积、成像范围、源数目和分辨率,结果证明了本文系统的优越性,同样分辨率下,达到了方位角及俯仰角均为40°的大视场范围。
超宽带薄型频率选择表面吸波体设计
李希, 王东俊, 张袁, 赵翔, 闫丽萍
当前状态:  doi: 10.11884/HPLPB202436.230443
[摘要](6) [HTML全文](3) [PDF 7803KB](1)
摘要:
设计了一种新型集总电阻加载超宽带薄型频率选择表面(FSS)吸波体。该吸波体使用单层单谐振FSS损耗层结构,具有厚度薄、宽带吸波且极化稳定的特点。FSS损耗层单元结构采用非单元中心对称轴集总电阻加载方法,并结合非均匀金属导带宽度和圆顶枝节加载设计有效拓宽了吸波带宽。该吸波体的等效电路分析及全波仿真结果均表明该结构在6.0~26.77 GHz频段内对电磁波吸波率能够达到90%,相对带宽达到126.8%。该吸波体总厚度为0.086λLλL为吸波频段最低频率对应波长),仅为Rozanov理论极限厚度的1.09倍。对该吸波体进行加工与测试,实测结果与仿真结果一致,验证了设计的有效性。
连续激光载波同步系统的慢漂抑制
贾燕庆, 杜应超, 黄文会
当前状态:  doi: 10.11884/HPLPB202436.230353
[摘要](4) [HTML全文](3) [PDF 1640KB](0)
摘要:
高精度同步系统是加速器产生高品质束流的关键因素之一,基于清华大学已有的连续激光载波同步系统,对不同接收端之间参考微波信号相位差的长时漂移,即同步系统慢漂进行了研究,提出了一种基于接收端参考微波信号幅值的EOM偏置电压控制方法抑制慢漂。采用该方法后,清华大学甚高频光阴极电子枪测试平台L波段(1 300 MHz)同步系统慢漂被抑制到10.45 fs@24 h,清华大学汤姆逊散射装置(TTX)S波段(2 856 MHz)同步系统慢漂被抑制到10.53 fs@24 h,并且该方法可以使整套同步系统工作于室温环境,有效的提高了同步系统对工作环境温度的适应性。
基于重要区域定位与掩码的射频指纹可视化分析
刘文斌, 范平志, 杨佳煌, 李雨锴, 王钰 浩, 孟华
当前状态:  doi: 10.11884/HPLPB202436.230380
[摘要](2) [HTML全文](2) [PDF 17453KB](0)
摘要:
针对时域脉冲信号样本的射频指纹提取与深度学习模型的可解释性,提出了一种基于Grad-CAM的重要区域可视化呈现方法,并通过重要区域的多次掩码测试,来分析重要区域对射频指纹识别结果的影响。基于10个辐射源的信号样本,对比了层数不同的两种ResNet模型的测试结果。测试发现该方法能够区分不同类型信号并呈现个体差异。分析表明,该方法能够发现不同辐射源发送相同信号时的重要区域定位差异,能可视化反映辐射源个体特征的空间距离,以及不同模型的特征表征与指纹定位准确度差异;同时发现对重要区域的掩码更容易产生误预测,证明特定信号存在与时频特征相关的射频指纹,并可辅助可视化定位影响射频指纹样本识别的关键点。
弱导电薄层介质材料电磁耦合等效计算方法研究
鲍献丰, 李瀚宇, 周海京
当前状态:  doi: 10.11884/HPLPB202436.230370
[摘要](7) [HTML全文](3) [PDF 2250KB](0)
摘要:
面向核电磁脉冲等强电磁环境下复合材料壳体平台的电磁环境效应分析需求,根据Maxwell-Ampere定理的积分形式,分析得到了时域有限差分方法在处理弱导电薄层介质材料参数时的等效计算方法,即当介质等效波长远大于模型厚度时,可将薄层模型适当增厚,同时等比例减小其电导率,参数等效前后模型的电磁耦合特性基本相同。该方法通过等效增厚薄层材料从而实现增大空间离散步长,减少网格量的目的,不需要改变传统时域有限差分方法的时间步进格式,不会破坏计算的稳定性。无限大有耗介质薄板、薄层球体、含薄层壳体无人机电磁耦合等算例表明,在包含毫米级厚度弱导电介质薄层壳体平台的核电磁脉冲耦合模拟中,该方法具有较好的适用性。
基于神经网络特征线提取的飞机位姿识别方法研究
陈长俊, 唐丹, 杨浩, 游安清, 潘旭东
当前状态:  doi: 10.11884/HPLPB202436.240032
[摘要](5) [HTML全文](2) [PDF 6016KB](0)
摘要:
为实现复杂情况下的飞机位姿识别,提出了基于神经网络特征线提取的位姿识别新方法。该方法利用3D模型进行图像渲染,通过添加背景形成数据集,为提高算法鲁棒性进行了数据集增强。特征线提取模型采用卷积神经网络提取目标深度特征,利用热力图获取飞机特征线。结合飞机特征线、飞机3D模型以及n线透视方法解算目标位姿。该方法建立的飞机特征线提取模型,在复杂背景下准确率约为91%。叠加了各类噪声后,准确率为84%。飞机位姿通过EPnL算法与非线性优化进行求解。在目标背景复杂的情况下,实验得到的平均预测角度误差约为0.57°,平均预测平移误差约为0.47%。图像叠加各类噪声后,得到的平均预测角度误差约为2.11°,平均预测平移误差约为0.93%。本文提出的飞机位姿识别方法在复杂背景、各类噪声影响下可以较精准的预测飞机位姿,应用场景更加广泛。
深度学习在波前重构与波前预测中的研究进展
邱从攀, 刘国栋, 张大勇, 胡流森
当前状态:  doi: 10.11884/HPLPB202436.230430
[摘要](5) [HTML全文](1) [PDF 19076KB](0)
摘要:
深度学习技术与自适应光学技术的结合,预期能够有效提升波前校正效果,并能更好地应对更复杂的环境条件。详细梳理了在波前重构技术和波前预测技术方向上应用深度学习的研究进展,包括研究者在这两个研究方向中所采用的具体研究方法以及相应的神经网络结构设计,同时分析了这些神经网络在不同实际应用场景下的性能表现,并对不同神经网络结构之间的差异进行了比较和讨论,探究了结构差异所带来的具体影响。最后,总结了深度学习在这两个方向上的已有方法,并就未来深度学习与自适应光学技术如何深度融合的发展趋势进行了展望。
Si-GDP结构和力学性能的反应分子动力学模拟
黄保生, 杨武, 易勇, 毕鹏
当前状态:  doi: 10.11884/HPLPB202436.230316
[摘要](9) [HTML全文](4) [PDF 2878KB](1)
摘要:
构建了硅掺杂辉光放电聚合物(Si-GDP)模型,采用反应力场分子动力学模拟(ReaxFF MD)探讨了硅含量、碳氢比及密度对其杂化碳键合与力学性能的影响。研究结果表明:随着硅含量增加,聚合物中sp3C含量增加,趋向于形成一个大分子,同时小分子种类和数目减少,促进了碳硅原子成键并抑制端基CH3生成,进而提高材料力学性能;随着氢含量的增加,sp3C和端基CH3比例增加,生成的端基CH3降低了分子间交联程度,进而降低了材料力学性能,而分子基团数目变化不明显;随着密度的提升,聚合物中sp2C比例提升明显,sp3C比例有少量提升,分子基团数目变化不大,密度主要通过提升sp2C比例提升材料力学性能。研究结果为评估和理解硅掺杂辉光放电聚合物的结构和力学性能提供了新的视角和方法。
高频纳秒脉冲调制器的分立磁耦合驱动器设计
陈磊, 李国超, 张戈, 朱才会, 邱剑, 赵晖, 刘克富
当前状态:  doi: 10.11884/HPLPB202436.230306
[摘要](10) [HTML全文](5) [PDF 2531KB](4)
摘要:
随着高压纳秒固态脉冲发生器在生物、工业和环境等领域的应用日益广泛和深入,脉冲波形、电压幅值、脉冲持续时间、脉冲重复频率等参数已成为特定脉冲功率应用所需的基本可控变量。为了进一步减小电源的体积、降低成本,提出一款以正极性Marx为主电路,多个脉冲变压器为核心驱动器,具有纳秒级前沿高重复频率的高压纳秒脉冲调制器。提出的驱动器结构紧凑,无需提供多路隔离供电的驱动电源,可以在高重复频率下实现两个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFETs)的栅极电压快速同步上升和下降,获得百纳秒以内、幅值可控的栅极驱动电压。不仅最大脉宽不受磁芯饱和的限制,而且负偏置电压使开关管可控关断,同时一定程度上避免了电流流过MOSFET米勒电容而引起的寄生导通,提高了电路工作的可靠性。此外,研究了不同匝数和磁芯材料对驱动波形的影响。搭建了一台14级脉冲调制器样机,测试结果表明,基于该驱动器下的调制器输出电压和脉宽都连续可调,具有改变脉冲轮廓的能力,最大输出电压可达5.5 kV,宽度100 ns~50 ms,最小上升时间约18 ns,连续重复频率100 kHz。
基于LC串联谐振的高压恒流充电电源设计
江进波, 徐林, 罗正, 杨文, 唐铭, 姚延东, 陈锐
当前状态:  doi: 10.11884/HPLPB202436.230295
[摘要](24) [HTML全文](14) [PDF 4453KB](25)
摘要:
LC串联谐振式高压恒流充电电源能够实现电容器的高效快速充电,且具有较好的抗负载短路能力,在高重频脉冲功率系统中具有广阔的应用前景。充电电源的效率是决定系统重频运行能力的重要因素,提高效率是目前高压电容器充电电源设计的首要目标。根据LC串联谐振电路的工作原理,分析可知电源工作模式、逆变桥的开关频率以及高频变压器的分布参数是影响LC串联谐振电源效率的主要因素。针对功率为10 kW、输出电压为40 kV的直流电源,计算主电路参数并利用Pspice建立了电路模型验证其准确性,采用软开关技术减小开关损耗,设计了分布参数较小的高频变压器进一步提高效率,并在此基础上完成了电源整体结构设计。最后测试了电源的充电特性,结果表明该电源可将0.1 µF电容器在37 ms内充电至39.5 kV,其充电效率为87.1%。
电磁干扰多通道时域快速测量与信号计算方法
李建轩, 朱倪瑶, 金祖升, 陈锐, 张晓, 施佳林
当前状态:  doi: 10.11884/HPLPB202436.230246
[摘要](17) [HTML全文](9) [PDF 883KB](16)
摘要:
针对复杂电磁环境和复杂大型系统电磁干扰测量参数、测量点位及测量工况多的特点,采用传统扫频式频域测量方法具有代价高、耗时长等现实问题,提出了一种低频电磁干扰的多通道时域快速测量与信号计算方法,并研制出低频电磁干扰多通道时域快速测量系统,实验验证表明提出的测量、计算方法和研制出的测量系统可以准确得到复杂电磁环境和大型系统的低频电磁干扰特性,且测量速度快成本低。
脉冲放电破岩等离子体通道长度预测方法
刘毅, 廖洪彬, 程晋, 李柳霞, 林福昌, 赵勇
当前状态:  doi: 10.11884/HPLPB202436.230432
[摘要](23) [HTML全文](14) [PDF 3001KB](20)
摘要:
针对高压脉冲放电破岩电弧等离子体通道长度难以预测的问题,构建了高压脉冲放电破岩综合试验平台,测量了花岗岩-自来水组合介质下电弧等离子体通道发展特性及典型电流、电压参数,提取了不同电极间距和脉冲放电次数下岩石表面形成的破碎区域。基于能量平衡方程建立了岩石中电弧等离子体通道的阻抗模型,采用迭代优化算法获取阻抗模型参数的近似最优解,模型计算结果与试验结果的相对误差小于7%。基于优化参数,利用实测电流电压数据预测了等离子体通道的长度。模型预测的等离子体通道长度与实测值的绝对误差均处于毫米量级,且两者的相对误差小于10%,为高压脉冲放电破岩系统电源-电极负载的匹配设计提供了理论支撑。
MORPHY程序在铅冷快堆中的应用
李金洲, 张滕飞, 何东豪, 潘清泉, 刘晓晶
当前状态:  doi: 10.11884/HPLPB202436.230357
[摘要](14) [HTML全文](11) [PDF 39621KB](10)
摘要:
铅冷快堆在燃料增殖和核废料处理方面的优势明显,针对欧洲铅冷系统(ELSY),基于“两步法”,使用蒙特卡罗软件产生少群组件参数,经过截面修正后,传递给确定论程序MORPHY进行堆芯计算。分析截面修正处理、角度展开阶数对计算精度的影响,量化比较ELSY堆芯的有效增殖因数、归一化通量水平以及控制棒组的控制棒价值。对于不同算例,采用输运修正和中子倍增效应修正,堆芯计算采用S4阶展开条件下,有效增殖因数偏差最大为38×10−5,控制棒价值计算偏差在45×10−5之内,归一化中子通量密度最大绝对偏差为9.73%,平均绝对偏差在2%以内,初步验证MORPHY程序在铅冷快堆物理分析中具备可行性。
孔形对基于硅微通道阵列的CsI:Tl闪烁屏性能影响的模拟
赵子锋, 王国政, 郝子恒, 张妮, 戈钧, 杨继凯
当前状态:  doi: 10.11884/HPLPB202436.230424
[摘要](38) [HTML全文](23) [PDF 4002KB](12)
摘要:
使用Geant4程序模拟了微孔形状对基于硅微通道阵列的CsI:Tl像素化X射线闪烁屏性能的影响。模拟的闪烁屏性能参数包括:闪烁光子数、底光输出、传输效率、n次全反射占比、调制传递函数(MTF)与空间分辨率的关系。模拟过程中设定微孔的形状分别为方形和圆形,两种孔形的微通道阵列周期相同,均为10 μm。模拟结果显示:方形微孔的闪烁光子数优于圆形微孔,闪烁光子数正比于微孔横截面积;闪烁屏厚度小于400 μm时,方形微孔的底光输出优于圆形微孔,厚度大于400 μm时,圆形微孔的底光输出优于方形微孔;圆形微孔的传输效率优于方形微孔;厚度为40和200 μm的方形微孔闪烁屏空间分辨率优于相同厚度的圆形微孔闪烁屏。制备了方形微孔的CsI:Tl闪烁屏样品,测量了其MTF与空间分辨率的关系,当MTF为0.1时,空间分辨率为22.6 lp/mm。
LD端面泵浦Tm:SrF2电光调Q激光器
吴广, 张振, 王韬, 季来林, 崔勇, 高妍琦, 隋展
当前状态:  doi: 10.11884/HPLPB202436.230140
[摘要](26) [HTML全文](20) [PDF 1104KB](8)
摘要:
高掺杂浓度的Tm3+增益介质能通过交叉弛豫过程提高激光器的量子效率,但同时也会增加能量上转换带来的损耗,从而限制激光器效率的进一步提升。本文对Tm:SrF2晶体的荧光特性以及激光性能展开研究。在激光二极管(LD)端面泵浦下,实现最大功率2.99 W的自由运转输出,激光器的泵浦阈值为0.89 W,中心波长1851 nm,斜效率高达82.1%。首次采用KTP电光调Q开关演示了Tm:SrF2激光器的电光调Q输出特性。在500 Hz重复频率下,获得了1.02 mJ的最大单脉冲能量,泵浦阈值为2.01 W,最短脉冲宽度为45 ns,对应峰值功率为22.67 kW。实验结果表明,基于LD泵浦的Tm:SrF2激光器具有非常高的效率,有望成为中红外光学参量振荡器(OPO)和光学参量放大器(OPA)的理想泵浦源。
基于级间自触发Marx电路的高压阻尼振荡发生器
陈玉峰, 王庆峰, 李相强, 张健穹
当前状态:  doi: 10.11884/HPLPB202436.230360
[摘要](30) [HTML全文](15) [PDF 2763KB](21)
摘要:
为了增大输出电压的同时减小高压阻尼振荡发生器的体积和降低其成本,建立了一种4×4级间自触发Marx结构的阻尼振荡发生器模型。该模型每级的主开关采用基于电容触发方式的串联IGBT模块,只需提供一路隔离信号控制一级放电开关管的导通和关断,通过级间电容实现对相邻级放电管的栅极自动充电和放电,使其导通和关断。该模型提高了Marx单级的工作电压和简化了每级的驱动电路,并且通过加入缓冲电路,解决开关管动态、静态均压问题。基于这种拓扑结构搭建了一台高压阻尼振荡发生器样机,在电感负载上输出16 kV、振荡频率1 MHz的阻尼振荡波形,波形上升时间约为75 ns,重复频率500 Hz。样机体积小巧、工作稳定,验证了该方案的可行性。
典型光电系统强电磁脉冲耦合分析与加固方法
刘文聪, 梁圆龙, 黄贤俊, 徐延林, 姚理想, 文奎, 田涛, 刘培国
当前状态:  doi: 10.11884/HPLPB202436.230321
[摘要](29) [HTML全文](14) [PDF 5210KB](16)
摘要:
随着电磁环境的日益复杂,电子设备面临的电磁威胁愈加严峻。光电系统作为高灵敏集成化电子设备,强电磁脉冲能量耦合进入系统内部,影响本就防护能力薄弱的光电系统正常运行。为明晰典型光电系统强电磁耦合过程,通过仿真分析不同强电磁辐照条件下筒型、侧窗型和多窗口型三种典型光电系统的强电磁耦合情况,提取了光电系统强电磁耦合特征及其制约因素,验证了光电系统进行强电磁防护加固的必要性和紧迫性。为解决光电系统强电磁防护能力薄弱的问题,通过仿真分析,验证了透明电磁防护窗口的强电磁加固效能;开展了基于支撑台阶与导电侧壁的电磁缝隙防护加固方法研究,分析了透明防护窗口缝隙耦合泄露的关键安装结构参数,并提出了一种非电接触式装配缝隙强电磁防护加固方法,经测试,当缝隙防护结构长度为6 mm时,在0.2~4 GHz频率范围光电系统平均强电磁防护效能提升4.51 dB。通过上述研究,为光电系统强电磁防护能力提升提供了理论指导和具体解决方案。
典型后门耦合目标回波信号特性分析
冯溪溪, 赵景涛, 曹垒
当前状态:  doi: 10.11884/HPLPB202436.230272
[摘要](35) [HTML全文](25) [PDF 11480KB](17)
摘要:
构建了典型后门耦合目标,从时域和频域两个维度对目标进行了回波特性仿真,发现目标的孔缝-腔体结构出现强耦合时回波频域波形可观察到幅度凹坑,且强耦合频率时的回波时域波形呈双峰状,与非强耦合回波存在明显差异。还通过改变后门耦合目标尺寸和形态仿真验证了所发现的回波信号特征规律,利用发现的回波信号特征规律可从回波信号中提取出未知目标腔体后门强耦合微波参数。
一种C波段雷达接收机防护技术研究
刘彬, 张海嫚, 王旭, 陈冬伟, 陈思
当前状态:  doi: 10.11884/HPLPB202436.230267
[摘要](58) [HTML全文](21) [PDF 1887KB](30)
摘要:
随着战场环境日益复杂,尤其是高对抗环境下,对现有各类装备均产生了极大威胁。设计了一款C波段雷达接收机保护器,采用充气微波开关管+波导同轴转换的结构设计,创新性地提出将固态限幅器芯片融合在波导同轴转换内部,限幅芯片采用级联的形式,提高了微带限幅器的承受功率。实现接收机保护器耐受功率10 MW以上,响应时间5 ns以内,不仅可用于雷达发射期间接收机防护,还可应对外部电磁干扰、高功率微波攻击。
基于变分模态分解分解和自动编码器的PIN二极管温度特性预测
张洋, 周扬, 张泽海, 阳福香, 葛行军
当前状态:  doi: 10.11884/HPLPB202436.230237
[摘要](36) [HTML全文](24) [PDF 1622KB](14)
摘要:
提出融合变分模态分解(VMD)和自编码器的预测方法,将温升特性曲线分解成若干个子信号分量,其中包含高频的波动量、中间量和低频的趋势量,然后利用自编码器对每个分量进行预测,最后将分量的预测值相加,从而实现对PIN二极管温升特性曲线的精准预测。通过与多种机器学习方法的对比验证了结合VMD分解可有效提升预测精度,同时也验证了自编码器在特性曲线拟合上的优势。
预发表栏目展示本刊经同行评议确定正式录用的文章,这些文章目前处在编校过程,尚未确定卷期及页码,但可以根据DOI进行引用。
显示方式:
基于RbTiOPO4晶体271 cm−1拉曼五阶斯托克斯激光
王京, 金鑫鑫, 王严毅, 王鸿雁, 李志红, 段延敏, 朱海永
当前状态:  doi: 10.11884/HPLPB202436.240004
[摘要](9) [HTML全文](6) [PDF 923KB](3)
摘要:
报道了端面泵浦被动调Q激光驱动RbTiOPO4晶体拉曼实现271 cm−1频移高阶斯托克斯激光输出。采用Nd:YAG与Cr4+:YAG键合设计来降低腔内的损耗,并使激光系统更紧凑,从而提升腔内光子功率密度,有利于拉曼频移向高阶斯托克斯激光转换。设计不同频移的一阶斯托克斯激光对应在不同腔内振荡,利用与基频光模式匹配差异来抑制了687 cm−1频移的一阶斯托克斯激光,最终获得较纯的271 cm−1频移的五阶斯托克斯激光输出。在泵浦功率8.1 W下,获得了平均输出功率230 mW的1244 nm波长激光,对应的脉冲宽度和重复频率分别为2.9 ns和11.7 kHz。1 244 nm波段的激光正好与水中OH−1吸收峰对应,在地表植被和行星水含量的检测等领域有重要的应用。
预电离间隙在不同气体介质中的正负极性击穿特性
王艺, 郭帆, 陈志强, 贾伟, 王戈飞, 石凌, 谢霖燊, 吴刚, 吴伟
当前状态:  doi: 10.11884/HPLPB202436.230392
[摘要](20) [HTML全文](12) [PDF 2141KB](16)
摘要:
针对自触发预电离开关在不同电压等级下应用不同气体介质的需要,以及在双边驱动电磁脉冲模拟器中加载正负极性脉冲的需求,研究了预电离间隙在N2、N2/SF6混合气和SF6中正负极性下的击穿特性。研究了不同介质中间隙的击穿电压和时延随气压的变化规律,对比了正负极性下的间隙击穿特性。研究结果表明,在本文实验条件下,预电离间隙在N2中的击穿过程相对更为稳定,且N2中击穿电压随气压变化线性度最佳。相比N2和混合气,间隙击穿电压仅在SF6中随气压增大呈现饱和趋势。在一定气压范围内,N2中负极性下的击穿电压略高于正极性,混合气和SF6中负极性下的击穿电压明显高于正极性,间隙的击穿过程具有一定的极性效应。相比混合气和N2,间隙在SF6中的击穿电压绝对差值和击穿时延绝对差值都相对较高,为减小双边自触发预电离开关的同步时延差,应首选N2为预电离间隙的绝缘介质。在工程应用中需考虑极性效应和不同气体介质对预电离间隙击穿特性的影响。
适用于光导开关触发的V/N气体开关设计与验证
宋雨辉, 王凌云, 周良骥, 刘宏伟, 张东东, 陈林, 袁建强, 邓明海, 谢卫平, 高彬, 王瑞杰
当前状态:  doi: 10.11884/HPLPB202436.230347
[摘要](32) [HTML全文](19) [PDF 6606KB](19)
摘要:
为了满足多路精确同步触发开关要求,将光导开关(PCSS)与V/N气体开关结合,可充分发挥PCSS低触发阈值、低抖动和光电隔离以及V/N气体开关工作电压高、带载能力强等优势。两种开关结合的核心是V/N气体开关结构参数与PCSS触发回路的参数匹配。分析计算了V/N气体开关的结构电容、触发回路振荡参数、开关电场分布等,研究了V/N气体开关的结构电容与PCSS、串联电感等构成的振荡回路的匹配关系,通过实验获得了V/N气体开关自击穿电压曲线、导通延迟时间以及不同欠压比下的延迟时间抖动等,初步验证了适用于PCSS触发的V/N气体开关设计。
MV级真空绝缘堆考核实验平台研制及其应用
周亚伟, 呼义翔, 杨实, 何德雨, 尹佳辉, 罗维熙, 张信军
当前状态:  doi: 10.11884/HPLPB202436.230410
[摘要](29) [HTML全文](24) [PDF 1502KB](17)
摘要:
为解决绝缘堆真空沿面闪络的问题,研制了面向脉冲功率装置应用的真空绝缘堆耐压考核实验平台,建立了绝缘堆考核实验平台等效电路模型,分析了真空绝缘堆环间闪络对绝缘堆电压的影响。基于该平台开展了三种材料绝缘堆的真空沿面耐压考核实验,验证了真空绝缘堆考核实验平台的实用性与可靠性。该工作的开展为脉冲功率装置真空绝缘堆的工程化研制提供参考,同时为新型绝缘材料的应用研究提供考核实验平台。
高重复频率猝发多脉冲加载下交联聚苯乙烯真空沿面闪络特性
黄子平, 李远, 邓旭, 李逢, 李欣
当前状态:  doi: 10.11884/HPLPB202436.230337
[摘要](27) [HTML全文](22) [PDF 2976KB](15)
摘要:
基于高重复频率强流多脉冲加速器的应用需求,针对交联聚苯乙烯(XLPS)材料在猝发多脉冲下的真空沿面闪络特性开展了实验研究。采用放置于平板电极中的XLPS圆台样品,在脉宽120 ns的单个脉冲和间隔500 ns的三脉冲加载下开展了真空沿面闪络实验,通过对实验平台和实验规范的优化设计,有效提升了实验效率和数据有效性,观测到了样品发生真空沿面闪络前的试样电压顶降现象和前序脉冲闪络对后续脉冲的显著影响,获得了XLPS材料在相应条件下真空沿面闪络的统计数据。在实验基础上,对XLPS材料在高重复频率多脉冲加载下的真空沿面闪络特性进行了分析,为高重复频率多脉冲加速器的绝缘设计提供了实验依据。
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封面目录
《强激光与粒子束》2024年36卷第3期封面目录
《强》刊编辑部
[PDF 5828KB](11)
高功率微波技术专辑
自研28 GHz/50 kW回旋管实现长时间连续运行
胡林林, 黄麒力, 卓婷婷, 胡鹏, 龚胜刚, 孙迪敏, 蒋艺, 马国武, 陈洪斌, 马弘舸
2024, 36: 033001.   doi: 10.11884/HPLPB202436.240049
[摘要](77) [HTML全文](20) [PDF 2556KB](14)
摘要:

介绍了中国工程物理研究院应用电子学研究所针对磁约束聚变装置电子回旋共振加热(ECRH)系统、重离子加速器电子回旋共振(ECR)离子源以及前沿科技探索应用研制的28 GHz/50 kW连续波回旋管最新实验结果。研究团队在2019年该回旋管实现50 kW/30 s运行的基础上,通过结构优化和稳定性设计验证,最终实现了在10~50 kW功率范围多个功率水平的稳定长时间连续运行,典型运行结果为16 kW/3000 s、26 kW/900 s、46 kW/1800 s、50 kW/300 s,特别在输出功率32 kW连续稳定工作了400 min。这是国内首次研制出小时级连续工作的中等功率回旋管。

放电等离子体粒子云网格蒙特卡罗模拟的分层级验证方法
尚天博, 杨薇, 宋萌萌, 周前红
2024, 36: 033002.   doi: 10.11884/HPLPB202436.230335
[摘要](101) [HTML全文](36) [PDF 1172KB](22)
摘要:
当前,科学计算的验证主要针对基于确定性偏微分方程组的网格离散方法。放电等离子体的粒子云网格PIC方法作为一种粒子-网格耦合的仿真手段,其验证方法具有显著不同的特点:第一,PIC仿真除了在时间和空间上进行离散,还需要对粒子数权重进行离散;第二,离散粒子的相空间分布函数是否适合作为验证研究的观测量;第三,粒子-网格耦合过程中的电场插值和电荷分配会影响PIC仿真的全局收敛精度。另外,当PIC方法与蒙特卡罗(MC)方法耦合时,离散误差和随机误差通常叠加在一起,理查德森外推需要结合系综平均进行。提出了一种分层级验证的方法。首先对单粒子轨道、电磁场求解、二体粒子碰撞进行收敛精度阶测试;然后采用空间电荷限制流、气体的傅里叶流动等具有精确解的经典物理模型分别对集成PIC、MC模块进行离散误差评估;最后采用放电物理过程对程序功能进行基准校验。
一种S波段超宽带能量选择表面设计
周涛, 虎宁, 盖龙杰, 黄文涛, 徐延林, 刘培国
2024, 36: 033003.   doi: 10.11884/HPLPB202436.230369
[摘要](69) [HTML全文](27) [PDF 4063KB](16)
摘要:
设计了一种工作在S波段的能量选择表面,可实现超宽带自适应强电磁防护。该结构由两层金属周期结构组成,顶层为两个对称分布的金属条和一个金属片,金属条与金属片间加载两个PIN二极管;底层为十字架结构。当入射电磁波场强低于阈值时,能量选择表面工作在透波状态,电磁波可以传播;当入射电磁波场强超过阈值时,金属条和金属片之间产生的感应电压使得PIN二极管导通,此时能量选择表面进入防护状态,电磁波被屏蔽。通过对能量选择表面在PIN二极管导通和截止状态下的表面电流和电场分布以及等效电路模型进行分析,解释了该结构的工作原理。采用PCB制作工艺加工了实物样板并对弱场入射下的插入损耗以及强场入射下的防护效能进行测试。实验和仿真结果匹配性良好,表明该能量选择表面在透波状态下的工作中心频率为2.7 GHz,插入损耗小于1 dB的工作频带为2.2~3.5 GHz;在防护状态下,工作频带的防护效能大于10 dB,达到了超宽带的要求。
X波段低相噪蓝宝石振荡器
刘盈, 熊宜松, 李月, 李鑫, 曾成, 宁俊松, 补世荣, 王占平, 张晓雨, 刘绍阳, 郭婉婷
2024, 36: 033004.   doi: 10.11884/HPLPB202436.230343
[摘要](38) [HTML全文](18) [PDF 1045KB](6)
摘要:
设计了一款低相噪蓝宝石振荡器并对其进行温度控制,基于蓝宝石谐振器理论,采用有限元仿真软件完成了蓝宝石谐振器设计。蓝宝石谐振器实测中心频率为9.84 GHz,有载Q值113 000。将该蓝宝石谐振器作为选频网络与放大器、滤波器、移相器和耦合器构成低相噪蓝宝石振荡器。振荡器的输出工作频率9.84 GHz,输出功率9 dBm,偏离载波1 kHz处相位噪声为−117 dBc/Hz,偏离载波10 kHz处相位噪声为−144 dBc/Hz,偏离载波100 kHz处相位噪声为−161 dBc/Hz。该振荡器有助于提高雷达对于低慢小目标的检测能力。
一种基于嵌套结构的锁频锁相高功率微波振荡器仿真研究
李家文, 葛行军, 党方超, 张鹏, 邓如金, 胡晓冬, 李志敏
2024, 36: 033005.   doi: 10.11884/HPLPB202436.230344
[摘要](95) [HTML全文](33) [PDF 3551KB](13)
摘要:
高功率微波(HPM)产生器件通过增加慢波结构的过模比使得功率容量显著提高。嵌套型结构让过模器件的空心结构或内导体结构得到使用,同时嵌套型器件的低阻抗使得其与低阻脉冲功率源能良好匹配。基于内外嵌套结构提出了一种锁频锁相高功率微波振荡器。相对于传统的锁频锁相方法,提出了基于耦合波导实现锁频锁相的新方法。内外相对论速调管振荡器(RKO)产生的微波信号通过耦合波导泄漏到高频结构中,对电子束进行预调制,从而实现锁频锁相。另外,为实现内外高功率微波通道合成,设计了双通道功率合成器。在振荡器的工作频点,功率合成器能弥补振荡器两输出通道相位差,使得功率合成效率提高,合成效率为98.3%。在二极管电压575 kV,磁场强度0.6 T条件下,内外RKO 的微波输出功率分别为2.2 GW和3.2 GW,频率差波动小于20 MHz,相位差稳定在10°附近;加载双通道功率合成器,仿真结果表明,微波输出功率为5.31 GW,功率效率32.2%。结果表明,嵌套器件在互锁状态时,振荡器饱和时间缩短,输出功率增大。
无人机机载天线高功率微波耦合响应研究
赵敏, 陈亚洲, 周星, 聂亚宁, 李慧娟
2024, 36: 033006.   doi: 10.11884/HPLPB202436.230215
[摘要](76) [HTML全文](31) [PDF 13762KB](25)
摘要:
无人机易于受到高功率微波干扰和损伤,无人机机载天线是高功率微波干扰的重要耦合途径。为了研究无人机机载天线高功率微波耦合响应,以数据链天线和导航接收机天线为研究对象,根据无人机实际布局,建立高功率微波辐照下无人机机载天线的耦合模型,通过仿真天线辐射模型远场辐射方向图及S11参数验证天线模型的准确性,得到不同辐照场景和高功率微波辐射场参数下数据链天线和导航接收机天线端口的耦合电压,并进行了典型场景试验验证,结果表明:L波段高功率微波辐照下数据链天线的耦合电压较S、C和X波段更高,相较于水平极化,垂直极化辐射场对无人机数据链的干扰效果更佳,耦合电压与辐射场强成线性关系,受脉宽和前沿的影响较小;空中高功率微波辐照场景下导航接收机天线的耦合电压较地面高功率微波辐照场景更高,该研究将在高功率微波武器打击无人机方面提供理论参考依据。
S波段永磁式相对论磁控管设计及实验研究
张颜颜, 陈宏, 许建军, 邓坤, 刘东升, 刘巧
2024, 36: 033007.   doi: 10.11884/HPLPB202436.230250
[摘要](36) [HTML全文](12) [PDF 1924KB](29)
摘要:
对S波段永磁式全腔提取相对论磁控管进行了理论设计和数值模拟研究,并对其进行了实验研究。通过理论分析初步获取相对论磁控管结构参数,并采用三维电磁仿真软件对模型进行粒子仿真优化,根据引导磁场需求设计永磁磁场产生结构。该永磁式相对论磁控管在500 kV电压输入条件下,输出微波功率1.978 GW,效率49.2%。利用实验室小型脉冲功率驱动源平台开展了初步实验研究。实验中,该永磁式相对论磁控管在脉冲驱动源驱动下获得GW级输出功率,功率转换效率约40%,实验结果与模拟结果吻合得较好。
C波段小型化高功率微波输出窗的设计
卯鹏新, 唐永亮, 王秀芳, 刘庆想
2024, 36: 033008.   doi: 10.11884/HPLPB202436.230359
[摘要](69) [HTML全文](32) [PDF 11323KB](34)
摘要:
为了满足高功率微波系统对微波输出窗高功率容量和紧凑化的应用需求,以传统盒型窗的设计理论为基础,通过优化窗体结构和添加过渡段等手段,设计了一种C波段小型化高功率微波输出窗。通过增大窗体表面积、改变矩形波导-圆波导过渡段的连接方式可提高功率容量并缩小微波输出窗的纵向尺寸;采用“I”型的窗体结构可有效抑制三相点(真空-介质-金属)附近的次级电子倍增效应对输出窗性能的影响。在电磁仿真的基础上采用粒子模拟(Particle-in-Cell)的方法研究了微波输出窗三相点附近的次级电子倍增效应,从微观角度进一步证实了“I”型窗体结构可使三相点位置发生移动,减小三相点发射的电子在窗片表面产生次级电子倍增效应的概率,降低微波输出窗的击穿风险。设计结果表明,微波输出窗在中心频点处的主模反射系数低于0.01,传输效率高于99.9%,功率容量可达47.9 MW。
一种束半径可调的环形强流电子束产生技术及应用
周富贵, 张点, 张军, 陈英豪, 靳振兴, 周生岳
2024, 36: 033009.   doi: 10.11884/HPLPB202436.230394
[摘要](42) [HTML全文](25) [PDF 4316KB](12)
摘要:
束半径可调的强流环形电子束在跨波段跳频高功率微波产生器件中有重要应用。提出了一种改变外加引导磁场位形从而改变环形强流电子束半径的技术。该技术的核心部件由环形阴极、阳极、电子束转移通道、电子束传输通道和三段螺线管组成。当三段螺线管的通流的电流大小不一样时,该螺线管系统就能产生不同位形的磁场。在粒子模拟中,当三段螺线管的通流电流大小分别为1025 A、107 A、107 A和300 A、300 A、0 A时,螺线管产生两种不同位形的磁场,实现电子束半径的改变。从单粒子运动理论出发,本文推导出电子束在梯度磁场引导下的运动轨迹表达式,解释了电子束半径在梯度磁场下变化的原理,还研究了梯度磁场的斜率和极差对电子束轨迹的影响。在跨波段器件仿真中,X波段输出功率为1.6 GW,频率为8.2 GHz,效率为40%;Ku波段输出功率为1.5 GW,频率为14.4 GHz,效率为38%。
带双腔反射器的X波段低磁场过模相对论返波管振荡器
左靖凡, 李士锋, 吴洋, 黄华, 孙利民, 宋法伦
2024, 36: 033010.   doi: 10.11884/HPLPB202436.230319
[摘要](29) [HTML全文](18) [PDF 2223KB](15)
摘要:
提出了一种X波段过模低磁场高效率相对论返波管振荡器(RBWO),其主要结构包括一个双谐振腔反射器、一个周期性慢波结构和一个插入式同轴内导体模式选择器。该RBWO采用了过模结构,较大的过模比带来了更高的功率容量。慢波结构分为空心与同轴两部分,插入同轴避免了高阶模式的竞争,使两段慢波结构分别工作在TM02和同轴TM01模式下。同时,插入同轴还起着模式转换的功能,将TM02转化为TM01,最终在输出波导中输出纯TM01模式。双谐振腔反射器使慢波结构在过模条件下与二极管区域能够实现良好隔离,同时为电子束提供足够的预调制,实现在低磁场下较高的微波转化效率。利用粒子模拟仿真对器件进行优化设计,在二极管电压850 kV、束流11.74 kA、引导磁场0.63 T的条件下,获得了3.5 GW的微波输出功率,微波中心频率为9.46 GHz,转换效率约为35%。
重频超宽带电磁脉冲对GPS导航接收机的效应研究
胡明, 陈圣贤, 李永龙, 袁雪林
2024, 36: 033011.   doi: 10.11884/HPLPB202436.230324
[摘要](53) [HTML全文](18) [PDF 4777KB](14)
摘要:
全球定位系统(GPS)在被广泛应用的同时,也容易受到外界的干扰,因此研究GPS导航接收机的可靠性具有重要意义。超宽带(UWB)电磁脉冲具有陡峭的上升沿和宽频谱,能够对GPS进行干扰,是一种新型导航干扰手段。通过分析重频超宽带电磁脉冲的能量谱线分布情况探究了其对GPS导航接收机的干扰机理,对重频UWB电磁脉冲对GPS接收机干扰效果与脉冲参数之间的关系进行了研究。结果表明:重频UWB电磁脉冲可以对导航接收机射频前端电路造成非线性干扰,降低接收机的捕获性能,提高脉冲场强或者重频可以增强干扰效果,甚至导致接收机失去捕获能力。
Q值单间隙同轴谐振腔的物理设计与实验研究
吕彦奎, 阳福香, 党方超, 葛行军, 贺军涛
2024, 36: 033012.   doi: 10.11884/HPLPB202436.230294
[摘要](68) [HTML全文](23) [PDF 3092KB](14)
摘要:
随着高功率微波源向高功率、高频率和长脉冲方向不断发展,同轴相对论速调管放大器(RKA)成为近年来研究热点之一,然而其发展一直受限于自激振荡等问题存在,为此,设计一种高Q值单间隙同轴谐振腔,以抑制同轴RKA中TEM模式泄露引起的自激振荡。通过对单间隙同轴谐振腔TM01模式与TEM模式转化进行理论分析与仿真模拟,发现同轴谐振腔上下槽深差值与轴向错位值对其Q值变化影响很大,当上下槽深差值与轴向错位值分别为0.3 mm和0 mm时,同轴谐振腔的Q值为极大值(18 764),意味着此时谐振腔中两种模式转化最小,多组谐振腔级联后自激振荡风险大大降低。将三组级联的高Q值单间隙同轴谐振腔应用于紧凑型同轴RKA,粒子模拟和实验结果表明,器件的输出微波功率稳定,频谱纯净,无自激振荡等问题存在。
超导电缆用低介损复合绝缘材料性能研究
王明洋, 董海莲, 贺鹏宇, 江滔
2024, 36: 033013.   doi: 10.11884/HPLPB202436.230450
[摘要](20) [HTML全文](9) [PDF 3053KB](7)
摘要:
超导电缆相比于传统电缆具有导体无电阻损耗、传输容量大、可靠性高等优势,但作为其主绝缘的聚丙烯层压纸因具有较高的损耗因数导致超导电缆运行中的介质损耗大,增大冷却系统的负荷。采用具有低损耗因数的聚四氟乙烯滤纸取代聚丙烯层压纸中的牛皮纸层,通过热压法与聚丙烯膜形成具有两侧多孔可浸润液氮的三明治结构复合绝缘,测试结果表明超导电缆中以聚四氟乙烯/聚丙烯复合材料取代聚丙烯层压纸作为主绝缘,将使介质损耗降低一半以上。同时,由于聚四氟乙烯/聚丙烯复合材料与高温超导电缆中作为冷却剂的液氮间更小的介电常数差异以及液氮击穿的体积效应,采用具有更小孔径的聚四氟乙烯滤纸制成的低介损复合绝缘具有更强的抗局部放电的能力和更高的交流绝缘击穿强度,可极大提升高温超导电缆的绝缘可靠性。
强激光物理与技术
长波段半导体激光泵浦光纤激光器实现2 kW功率输出
王鹏, 孟祥明, 吴函烁, 叶云, 杨保来, 奚小明, 史尘, 张汉伟, 王小林, 习锋杰, 王泽锋, 许晓军, 周朴, 陈金宝
2024, 36: 031001.   doi: 10.11884/HPLPB202436.240035
[摘要](75) [HTML全文](21) [PDF 1163KB](23)
摘要:

半导体激光(LD)泵浦的高功率光纤激光器具有效率高、体积小、重量轻、稳定性好等优点,在工业加工等诸多领域都有着广泛的应用。为了提高泵浦光吸收率,传统光纤激光器常用915 nm和976 nm波段的LD作为激光的泵浦源。在该类LD泵浦的光纤激光器中,由于量子亏损和泵浦吸收系数相对较高,光纤激光器的热致模式不稳定(TMI)阈值相对较低。为了提高量子效率和潜在的TMI阈值,提出采用大于1010 nm波段的LD直接泵浦光纤激光器,产生高量子效率激光。搭建了振荡放大一体化的全光纤激光器,采用总泵浦功率为2.56 kW的1010 nm波段LD泵浦,首次获得输出功率2.05 kW、光束质量M2约1.7的激光。后续将通过进一步增大泵浦功率、优化光纤特性以实现更高功率、更优光束质量的光纤激光输出。

基于微纳结构及材料特性的光场调控模拟研究
郑鑫智, 豆世骥, 刘翔, 赵晨淅, 赵世龙, 杨月, 王少义, 赵宗清, 马钰洁
2024, 36: 031002.   doi: 10.11884/HPLPB202436.230453
[摘要](38) [HTML全文](20) [PDF 11758KB](9)
摘要:
利用时域有限差分算法(FDTD)对微纳结构靶的光场分布进行仿真模拟,探究微纳结构靶中的光传输机制,分析材料特性和结构参数对光传输特性和光场分布的影响。基于光场分布及演化的仿真模拟结果,对比半导体氧化铝、绝缘体二氧化硅和金属铜三种导电性不同的材料上纳米线和纳米孔阵列微纳结构靶的激光传输特性,分析光传输过程中的光场分布变化。研究结果表明,通过改变氧化铝和二氧化硅纳米孔(线)阵列结构靶中孔洞(纳米线)直径和间距等结构参数,可以实现对微纳结构靶中光传输特性和光场分布的调制,实现光场在介质材料和真空区域间的周期振荡分布,或是以一种稳定形态传输;激光在铜纳米孔阵列中传输时,透光性随孔洞半径的增加而增加。基于光场分布及演化的仿真模拟结果,对比不同材料、不同微纳结构靶的激光传输演化特性,给出物理图像及对应现象规律,根据光场调控需求,给出微纳结构靶设计。
15 nm Bulk nFinFET器件性能研究及参数优化
侯天昊, 范杰清, 赵强, 张芳, 郝建红, 董志伟
2024, 36: 031003.   doi: 10.11884/HPLPB202436.230169
[摘要](57) [HTML全文](26) [PDF 4224KB](9)
摘要:
为研究Bulk FinFET工作时基本结构参数、器件温度和栅极材料对其性能的影响,建立了一个15 nm n型Bulk FinFET器件模型,仿真分析了不同栅长、鳍宽、鳍高、沟道掺杂浓度、器件工作温度、栅极材料对器件性能的影响,发现增长栅长、降低鳍宽和增加鳍高有助于抑制短沟道效应;1×1017 cm−3以下的低沟道掺杂浓度对器件特性影响不大,但高掺杂会使器件失效;器件工作温度的升高会导致器件性能的下降;采用高K介质材料作为栅极器件性能优于传统材料SiO2
离子束科学技术及其应用
激光对宽能域碳离子在双组份等离子体中阻止本领的影响
伊合, 王桂秋, 王时萱, 高鑫, 刘大军
2024, 36: 034001.   doi: 10.11884/HPLPB202436.230200
[摘要](35) [HTML全文](13) [PDF 1015KB](10)
摘要:
在线性化伏拉索夫-泊松模型基础上研究了激光辐照下碳离子在双组份等离子体中的阻止本领,重点讨论了不同激光振幅、激光频率、激光角度、等离子体密度和等离子体电子温度对阻止本领的影响。研究结果表明,在全域范围内,激光对阻止本领的影响都非常明显。在低能区域(入射速度为等离子体电子热速度的0~0.1倍),碳离子的阻止本领主要来自于等离子体中离子的贡献,特别是在入射速度约为等离子体离子热速度时,阻止本领出现了第一个峰值;在中高能区域(入射速度大于0.1倍的等离子体电子热速度),碳离子的能量损失主要来自于等离子体中电子的贡献,特别是在入射速度约为等离子体电子热速度的1.5倍时,阻止本领出现了第二个峰值。碳离子在等离子体中阻止本领的这种双峰结构体现了不同能量区域等离子体中离子和电子对阻止本领的贡献。另一方面,激光强度或激光频率的增加削弱了阻止本领,阻止本领会随着等离子体密度的增加或电子温度的降低而增强,特别是由于离子引起的低能峰与电子引起的高能峰相比阻止本领的增强更明显。
基于PREF的扫描磁铁电源设计与实现
樊琪, 臧航, 郭旗, 燕宏斌, 史成城, 上官靖斌, 张云
2024, 36: 034002.   doi: 10.11884/HPLPB202436.230289
[摘要](31) [HTML全文](12) [PDF 3233KB](8)
摘要:
PREF装置是中国科学院新疆理化技术研究所与近代物理研究所联合设计建造的10~60 MeV质子同步加速器,属于国内唯一的位移损伤效应模拟试验专用装置。针对该装置的扫描磁铁电源输出电流频率200 Hz、跟踪误差小于≤±5×10−3的技术要求,采用三组H桥串联拓扑方案,通过移相控制,基于脉宽调制实现技术要求。经仿真与测试结果表明:电源能够输出峰-峰值为 ± 420 A,幅值与频率均连续可调的高精度三角波电流,满足工程应用要求。
粒子束及加速器技术
一种小尺寸轫致辐射转换靶设计
荆晓兵, 石金水
2024, 36: 034003.   doi: 10.11884/HPLPB202436.230271
[摘要](56) [HTML全文](25) [PDF 1124KB](15)
摘要:
以减小直线感应加速器X射线光源横向尺寸为目标,开展轫致辐射转换靶的设计。对聚焦打靶过程中电子束运动轨迹进行分析,指出同一个电子束轨迹分布,既可以描述为电子束在某纵向位置处具有一定的横向展宽,也可以描述为电子束保持较小横向尺寸时的轴向分布展宽,由此提出在束腰附近放置多个小靶片实现聚焦电子束有效阻挡的小尺寸多层靶概念设计。采用EGS4程序对X射线产额进行计算,发现靶厚度在一定范围内改变时X射线产额变化较小,基于这一规律完成了小尺寸多层靶的结构设计。进一步考察了一个设计应用实例,当聚焦电子束最小包络直径3 mm、会聚角100 mrad时,对比大尺寸靶,采用小尺寸多层靶可以获得等效直径减小约50%、产额减小约10%的X射线光源。该设计方法有望在相同的电子束品质和聚焦条件下,获得横向尺寸小于电子束最小束包络直径的X射线光源,具有一定的应用价值。
NFTHz加速器束流横向截面尺寸测量系统研制
朱文超, 魏征宇, 谢春杰, 周泽然, 王琳, 梁钰
2024, 36: 034004.   doi: 10.11884/HPLPB202436.230361
[摘要](20) [HTML全文](8) [PDF 2522KB](7)
摘要:
针对太赫兹直线加速器,开发了基于EPICS分布式系统的横向截面尺寸测量系统。该系统采用束斑检测器完成束斑到光斑的转换,并通过远心镜头将光斑成像到CCD相机,完成对光斑图像的采集,之后基于ADAravis将相机采集的图像数据汇入到EPICS数据库。由于暗电流以及环境辐射的影响,在采集到的图像中会存在椒盐噪声,因此使用卷积神经网络(CNN)对图像中的椒盐噪声进行抑制,最后对图像进行高斯拟合计算出束流截面尺寸。实验结果表明,CNN可以有效地消除椒盐噪声,并且系统的分辨率达到15.8 μm,满足系统设计要求。
脉冲功率技术
针-水结构纳秒脉冲气液放电降解四环素
陈鹏举, 周子凯, 王森, 方志
2024, 36: 035001.   doi: 10.11884/HPLPB202436.230270
[摘要](39) [HTML全文](9) [PDF 1875KB](6)
摘要:
过度使用抗生素导致的水污染,对自然环境和人类健康造成了重大威胁。低温等离子体作为一种绿色环保的高级氧化技术,被认为是一种最具前景的抗生素降解方法之一,然而在降解效率和能量效率方面还有待进一步提高。利用纳秒脉冲放电激励针-水结构气液放电,获得了一种能产生高活性等离子体的瞬态火花模式放电,并应用于水中四环素降解,研究了脉冲电压、频率、初始浓度、初始pH值等参数对四环素降解的影响,结果表明初始浓度50 mg/L,脉冲电压9 kV、频率2 kHz,初始pH值为中性的条件下四环素的降解率最高,处理时间10 min时降解率达到了91.6%,能量效率和每阶电能分别为0.165 g·kW−1·h−1和0.78 kW·h·m−3。自由基淬灭实验表明羟基自由基 (·OH) 在四环素降解过程中起主要作用,而H2O2和O3的作用稍弱。细胞毒性实验也表明气液放电处理10 min后的溶液毒性显著下降。
带反偏置的双路高压脉冲电源的研究
李孜, 张迪, 姜松, 王永刚, 饶俊峰
2024, 36: 035002.   doi: 10.11884/HPLPB202436.240003
[摘要](35) [HTML全文](16) [PDF 2050KB](12)
摘要:
通过调节反向偏置电压可以改善电场渗透对质谱仪的影响,提高质谱仪的分辨率。为了满足质谱仪对脉冲电场的不同要求,提出了一种可以同时输出两路极性相反脉冲电场的脉冲电源,且高压正脉冲叠加幅值可调的直流负偏置电压。该电源只需一个充电源便可以产生正负两路脉冲电场。分析了串联开关同步驱动效果,随后通过增加补偿绕组和并联电阻优化了串联电容的分压不均的问题,并验证一个磁芯加多个副边绕组的方案可进一步降低充电电压不均。最终实现了4个电容器的充电电压与平均电压相差不超过0.1%。搭建了一台4级的电源样机,实验表明,其可以在容性负载上产生一路幅值为0~1.5 kV、脉宽为2~10 µs可调的高压正脉冲且叠加幅值为0~−200 V的反向偏置电压,和一路幅值为0~−1.5 kV、脉宽为2~10 µs可调的高压负脉冲,频率高达10 kHz,正负脉冲的前沿均小于30 ns,脉冲波形平稳。该脉冲电源结构紧凑,并且输出电压、脉宽、频率均连续可调。
低抖动激光触发伪火花开关的研究
杨铭杰, 杨鸿飞, 张明, 瞿波
2024, 36: 035003.   doi: 10.11884/HPLPB202436.240033
[摘要](19) [HTML全文](6) [PDF 1117KB](7)
摘要:
伪火花开关已经成功地应用于各种脉冲功率应用,包括欧洲大型强子对撞机、反导雷达系统、航空发动机点火等。对于这样的应用,降低开关的延迟和抖动来提升稳定性是非常重要的。设计了一种激光触发伪火花开关,使用波长532 nm的激光,在不同气压、工作电压和触发能量下,测试激光触发伪火花开关的阳极着火延迟时间和抖动两项参数。测试结果表明,增加激光能量可以降低开关的延迟和抖动,实现开关稳定性的激光能量阈值在1.5 mJ,可以使得开关的抖动小于1 ns,继续增大触发能量,开关的延迟和抖动不再明显变化;此外,增大管内的氢气压强可降低开关的延迟和抖动;当触发能量足够大时,改变阳极电压,开关的延迟和抖动不随开关电压而改变。
核科学与工程
空间热离子反应堆燃料元件力学性能分析程序开发
杨文宇, 柴翔, 朱恩平, 刘晓晶
2024, 36: 036001.   doi: 10.11884/HPLPB202436.230388
[摘要](30) [HTML全文](14) [PDF 4751KB](6)
摘要:
为了实现对空间热离子反应堆燃料元件运行期间安全性能的预测,研究开发了一种燃料元件力学性能分析程序,并针对多层圆筒状的TOPAZ-Ⅱ热离子燃料元件开展了应力、应变和几何变形的高精度模拟。程序考虑了核燃料在高温辐照环境下的辐照肿胀,并分析了燃料芯块-发射极在发生接触后的力学响应问题,从而快速且准确地求解燃料芯块和发射极的力学状态,以对空间热离子反应堆运行期间的性能提供准确预测。结果表明:在正常运行情况下,空间热离子反应堆燃料会发生显著的肿胀效应,其造成的变形将导致燃料元件热电转换效率降低、元件失效等安全隐患。
压水堆核电厂燃料棒破损诊断分析研究
付鹏涛, 章安龙, 辜培勇
2024, 36: 036002.   doi: 10.11884/HPLPB202436.230387
[摘要](38) [HTML全文](13) [PDF 1241KB](13)
摘要:
燃料棒是核电厂包容放射性物质的第一道屏障。燃料棒破损会导致冷却剂裂变产物活度升高,严重时机组须在数小时内后撤到停堆。通过取样监测的冷却剂放射化学数据可以一定程度上反映堆芯内装载燃料棒的破损情况。本研究介绍了压水堆核电厂功率运行期间冷却剂内裂变产物的来源,分析了裂变产物通过反冲和扩散方式的产生机理,通过求解迁移方程得到稳态情况下裂变产物活度的解析解。基于最小二乘法对反冲释放和扩散释放的裂变产物释放产生比进行解谱,建立了诊断压水堆燃料棒破损时间、破口程度、锕系核素泄漏、燃耗和燃料批次的定量分析模型。采用某百万千瓦压水堆运行中发生二次氢化的燃料循环的冷却剂裂变产物监测数据进行了验证,理论模型的分析结果也与机组停堆后啜漏检查和热室检查结果相符。
前沿技术与交叉科学
基于宇称时间对称的P-SP拓扑无线电能传输系统特性分析
何禧煜, 郭锋, 徐兴鹏
2024, 36: 039001.   doi: 10.11884/HPLPB202436.230356
[摘要](21) [HTML全文](9) [PDF 2437KB](7)
摘要:
宇称时间(PT)对称原理已经被验证可以作为提高无线电能传输系统自由度的有力工具,但基于PT对称的并联-并联(P-P)拓扑结构无线电能传输(WPT)系统的工作范围仍然受到限制。为解决这一问题,提出了一种基于PT对称原理的并联-串并联(P-SP)补偿WPT系统。通过等效电路法化简系统电路模型,并利用耦合模理论(CMT)分析电容分配比对振荡频率、临界耦合系数、满足系统进入PT对称区域的耦合系数和负载电阻值范围以及传输效率等工作性能的影响。构建样机开展实验,以检验所提方法的适用性,结果表明:可以在仅损失2%系统传输效率的情况下,将传输距离由110 mm扩大到210 mm,该操作可为扩大应用范围、增加应用场景、优化激光无线充电系统中发送模块单元和接收模块单元的工作性能做准备。