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2026, 38: 013001.
doi: 10.11884/HPLPB202638.250455
2026, 38: 019002.
doi: 10.11884/HPLPB202638.250187
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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，本研究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，本研究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。
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doi: 10.11884/HPLPB202638.250129
摘要:
在考虑不同电子注性能（速度离散、电子注厚度、空间电荷效应、起振过程、单/双阳极结构）情况下，建立了完善的时域多模自洽非线性注-波互作用模型。以自研的兆瓦级170 GHz、TE25,10模式工作的回旋管为研究对象，系统分析了高频腔结构参数变化、起振电流、单/双阳极电子注电压调制及不同速度和电子注离散下的模式竞争情况。数值模拟研究表明：双阳极调制方式能明显抑制模式竞争，在电子注电压80 kV、电流40 A、磁场6.72 T、横纵速度比1.3的工作条件下，可实现1.35 MW输出功率和42.2%的互作用效率。
在考虑不同电子注性能（速度离散、电子注厚度、空间电荷效应、起振过程、单/双阳极结构）情况下，建立了完善的时域多模自洽非线性注-波互作用模型。以自研的兆瓦级170 GHz、TE25,10模式工作的回旋管为研究对象，系统分析了高频腔结构参数变化、起振电流、单/双阳极电子注电压调制及不同速度和电子注离散下的模式竞争情况。数值模拟研究表明：双阳极调制方式能明显抑制模式竞争，在电子注电压80 kV、电流40 A、磁场6.72 T、横纵速度比1.3的工作条件下，可实现1.35 MW输出功率和42.2%的互作用效率。
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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。
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doi: 10.11884/HPLPB202638.250283
摘要:
在隐身飞行器设计中，缝隙等弱散射源的影响日益凸显。当前研究虽广泛采用仿真与测试分析缝隙散射，但其模型通常不属于真实的弱散射源。为准确度量弱缝隙的雷达散射截面（RCS）性能，本文应用电场矢量叠加原理，采用对消技术将缝隙的散射效应从其低散射背景载体中分离出来。基于此方法，我们明确了缝隙尺寸与其RCS之间的变化关系。同时，本文所采用的多目标散射源累积快速预测方法，能够对单直缝、直缝阵列及弯折缝等目标的散射性能进行快速评估。经对比验证，该快速方法的结果与精确模型仿真具有一致性。此方法为飞机表面蒙皮搭接、设备开口等结构的设计与优化提供了有效工具。文末通过试验件的仿真与实测数据对比，证实了本方法在评估弱散射目标方面的有效性。
在隐身飞行器设计中，缝隙等弱散射源的影响日益凸显。当前研究虽广泛采用仿真与测试分析缝隙散射，但其模型通常不属于真实的弱散射源。为准确度量弱缝隙的雷达散射截面（RCS）性能，本文应用电场矢量叠加原理，采用对消技术将缝隙的散射效应从其低散射背景载体中分离出来。基于此方法，我们明确了缝隙尺寸与其RCS之间的变化关系。同时，本文所采用的多目标散射源累积快速预测方法，能够对单直缝、直缝阵列及弯折缝等目标的散射性能进行快速评估。经对比验证，该快速方法的结果与精确模型仿真具有一致性。此方法为飞机表面蒙皮搭接、设备开口等结构的设计与优化提供了有效工具。文末通过试验件的仿真与实测数据对比，证实了本方法在评估弱散射目标方面的有效性。
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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。
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doi: 10.11884/HPLPB202638.250123
摘要:
旋磁非线性传输线因其独特的小型化结构、实时频率调谐能力以及宽谱微波输出特性，在小型固态化高功率微波源方向展现出重要应用价值。通过理论推导获得GNLTL等效电路中的孤子解析表达式，通过电路仿真方法，构建旋磁非线性传输线的等效电路模型，系统研究关键电路参数对输出特性的影响机制。研究发现：非线性电感的饱和电流和初始电感对电路的非线性特性具有决定性影响。当饱和电流和初始电感取值较小时，输出脉冲出现前沿不完全陡化，且脉冲前沿加载有振荡波形；此时，若饱和电流和初始电感增大，输出脉冲的前沿陡化程度得到提升，即饱和电流和初始电感与电路的非线性正相关。此外，等效电路的非线性增强会导致输出频率的降低。饱和电流、饱和电感、初始电感以及每级电容与输出微波频率负相关。该研究可以为旋磁非线性传输线的设计分析提供参考。
旋磁非线性传输线因其独特的小型化结构、实时频率调谐能力以及宽谱微波输出特性，在小型固态化高功率微波源方向展现出重要应用价值。通过理论推导获得GNLTL等效电路中的孤子解析表达式，通过电路仿真方法，构建旋磁非线性传输线的等效电路模型，系统研究关键电路参数对输出特性的影响机制。研究发现：非线性电感的饱和电流和初始电感对电路的非线性特性具有决定性影响。当饱和电流和初始电感取值较小时，输出脉冲出现前沿不完全陡化，且脉冲前沿加载有振荡波形；此时，若饱和电流和初始电感增大，输出脉冲的前沿陡化程度得到提升，即饱和电流和初始电感与电路的非线性正相关。此外，等效电路的非线性增强会导致输出频率的降低。饱和电流、饱和电感、初始电感以及每级电容与输出微波频率负相关。该研究可以为旋磁非线性传输线的设计分析提供参考。
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doi: 10.11884/HPLPB202638.250067
摘要:
中子转换靶是强流直线加速器中子源的重要组成部分，在强流粒子束（质子或氘离子等）的轰击下，中子转换靶的散热是当前制约中子产额提升的关键因素，具有强散热能力的高性能气体靶是其中的解决方案之一。针对传统气体靶散热能力不足的问题，通过对靶室结构的改进，设计了一种新型动态气体靶系统。开展了气体靶系统和靶室结构的概念设计，并利用Target软件计算了气体靶金属窗和气体体靶对入射离子的能量歧离效应，结果显示：因气体造成的能量歧离很小，金属窗是入射离子能量歧离的主要来源。通过耦合SRIM计算加热功率，实现了热源随气体密度的动态加载，模拟了不同流强和不同入口速度条件下靶室内气流流动规律，结果表明，随着流强增加，加热功率逐渐升高，加热区密度迅速下降，同时提高靶室入口速度能够增强散热能力，减小因束流加热引起的密度下降效应。最后对气体靶产生中子的整体性能进行了评估，计算了不同流强下的中子产额及其能谱分布，当流强为10 mA时，气体靶的中子产额可以达到5.2×1012 n/s。
中子转换靶是强流直线加速器中子源的重要组成部分，在强流粒子束（质子或氘离子等）的轰击下，中子转换靶的散热是当前制约中子产额提升的关键因素，具有强散热能力的高性能气体靶是其中的解决方案之一。针对传统气体靶散热能力不足的问题，通过对靶室结构的改进，设计了一种新型动态气体靶系统。开展了气体靶系统和靶室结构的概念设计，并利用Target软件计算了气体靶金属窗和气体体靶对入射离子的能量歧离效应，结果显示：因气体造成的能量歧离很小，金属窗是入射离子能量歧离的主要来源。通过耦合SRIM计算加热功率，实现了热源随气体密度的动态加载，模拟了不同流强和不同入口速度条件下靶室内气流流动规律，结果表明，随着流强增加，加热功率逐渐升高，加热区密度迅速下降，同时提高靶室入口速度能够增强散热能力，减小因束流加热引起的密度下降效应。最后对气体靶产生中子的整体性能进行了评估，计算了不同流强下的中子产额及其能谱分布，当流强为10 mA时，气体靶的中子产额可以达到5.2×1012 n/s。
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doi: 10.11884/HPLPB202638.250257
摘要:
空间太阳电池阵作为航天器的重要能源组成部分，在未来对抗中极易受到以高功率微波为代表的外来强电磁脉冲侵袭。为研究空间太阳电池阵的高功率微波耦合效应，以典型太阳电池阵结构和布局作为参考，搭建了高功率微波辐照作用下的太阳电池阵样品三维模型，研究了不同激励源参数条件（频率、极化方向、入射角度等）下的太阳电池阵耦合效应规律。结果表明：在2～18 GHz频率范围内，垂直极化的S波段微波辐照最容易对太阳电池阵造成诱发放电损伤，电池串间隙三结合部感应场强远高于互连片位置间隙；在微波辐照作用下太阳电池样品会感应出极强的瞬态电场，垂直极化情况下，感应场主要集中分布在电池串间隙、汇流条附近、电池片边缘；电池三结合部感应电场稳定峰值随微波入射角度的增大而减小，随微波功率密度的增大而增大；微波上升下降沿对感应电场值无明显影响；太阳电池阵串间隙周围空间的电场由间隙中心向外侧逐渐减小。该研究将为空间太阳电池阵的电磁防护设计提供参考。
空间太阳电池阵作为航天器的重要能源组成部分，在未来对抗中极易受到以高功率微波为代表的外来强电磁脉冲侵袭。为研究空间太阳电池阵的高功率微波耦合效应，以典型太阳电池阵结构和布局作为参考，搭建了高功率微波辐照作用下的太阳电池阵样品三维模型，研究了不同激励源参数条件（频率、极化方向、入射角度等）下的太阳电池阵耦合效应规律。结果表明：在2～18 GHz频率范围内，垂直极化的S波段微波辐照最容易对太阳电池阵造成诱发放电损伤，电池串间隙三结合部感应场强远高于互连片位置间隙；在微波辐照作用下太阳电池样品会感应出极强的瞬态电场，垂直极化情况下，感应场主要集中分布在电池串间隙、汇流条附近、电池片边缘；电池三结合部感应电场稳定峰值随微波入射角度的增大而减小，随微波功率密度的增大而增大；微波上升下降沿对感应电场值无明显影响；太阳电池阵串间隙周围空间的电场由间隙中心向外侧逐渐减小。该研究将为空间太阳电池阵的电磁防护设计提供参考。
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doi: 10.11884/HPLPB202638.250070
摘要:
提出了一种基于分数阶涡旋光束的纳米粒子三维操控方法。通过建立分数阶涡旋光束的矢量衍射模型，揭示了拓扑系数与光场相位奇异性之间的映射关系。数值模拟结果表明，分数阶涡旋光束的焦场可视为整数阶模式的相干叠加，且其权重分布呈现显著的非对称特性。此外，还建立了基于分数阶涡旋光束捕获纳米粒子的光力模型。研究表明，通过调节分数阶涡旋光束的拓扑系数，可以实现对球形纳米粒子的精确操控。粒子在横向平面上的捕获位置与拓扑系数之间呈线性依赖关系。与传统的整数阶光束相比，该方法通过连续调节拓扑系数，实现了横向捕获位置的精确连续调控。理论计算与Langevin动力学模拟的结果进一步验证了该技术在三维空间内能够实现纳米粒子的多自由度协同操控。
提出了一种基于分数阶涡旋光束的纳米粒子三维操控方法。通过建立分数阶涡旋光束的矢量衍射模型，揭示了拓扑系数与光场相位奇异性之间的映射关系。数值模拟结果表明，分数阶涡旋光束的焦场可视为整数阶模式的相干叠加，且其权重分布呈现显著的非对称特性。此外，还建立了基于分数阶涡旋光束捕获纳米粒子的光力模型。研究表明，通过调节分数阶涡旋光束的拓扑系数，可以实现对球形纳米粒子的精确操控。粒子在横向平面上的捕获位置与拓扑系数之间呈线性依赖关系。与传统的整数阶光束相比，该方法通过连续调节拓扑系数，实现了横向捕获位置的精确连续调控。理论计算与Langevin动力学模拟的结果进一步验证了该技术在三维空间内能够实现纳米粒子的多自由度协同操控。
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doi: 10.11884/HPLPB202638.250184
摘要:
双极性电磁脉冲发生器无法通过外置机械调节结构的方式对输出开关间隙进行调节。为解决其开关间隙调节难题，以绝缘气体为介质，气缸为执行器，间隙轨迹规划方法和单环PIDA控制器相结合为控制算法，提出了一种开关电极间隙气动调节方法，该气动调节方法可以更好地适应高压绝缘环境要求，替代人工调节和电动方式，实现开关间隙的实时精确控制。经仿真验证，在间隙传感器测量精度0.1 mm的精度下，开关间隙的调节误差小于0.5 mm，这对双极性等电磁脉冲模拟装置的工程化实现具有重要意义。
双极性电磁脉冲发生器无法通过外置机械调节结构的方式对输出开关间隙进行调节。为解决其开关间隙调节难题，以绝缘气体为介质，气缸为执行器，间隙轨迹规划方法和单环PIDA控制器相结合为控制算法，提出了一种开关电极间隙气动调节方法，该气动调节方法可以更好地适应高压绝缘环境要求，替代人工调节和电动方式，实现开关间隙的实时精确控制。经仿真验证，在间隙传感器测量精度0.1 mm的精度下，开关间隙的调节误差小于0.5 mm，这对双极性等电磁脉冲模拟装置的工程化实现具有重要意义。
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doi: 10.11884/HPLPB202638.250112
摘要:
本文通过理论建模与数值模拟相结合，系统探究了在低能超导质子直线加速器内，加速过程中聚焦参数动态演化对空间电荷主导型包络不稳定性的影响机制，创新性地揭示了低能段双周期聚焦结构与束晕产生的内在关联。基于Vlasov-Poisson方程二阶偶模展开，构建了理论模型，设计零流强周期相移(σ0)局部突破90°的多种演化方案，全面探究了不同聚焦方案下，局部突破90°对束流品质的影响，并用多粒子模拟软件对低能、归一化均方根发射度0.2～0.4 π·mm·mrad的质子束进行了多粒子模拟验证；针对双周期聚焦结构特征，设计了相应的聚焦结构与束流匹配方案，通过粒子-束核模型对比分析了准周期与双周期结构的束晕形成机制差异，定量分析了纵向包络对横向束晕的耦合作用。研究结果表明，当空间电荷效应较弱（对应于较高的调谐因子η，η=带电流周期相移σ/零流强周期相移σ0）时，σ0可突破90°而不导致束流品质恶化；反之，当空间电荷效应较强（低η值）时，σ0的突破会激发共振并导致束流发射度显著增长，且这一效应在双组合四极透镜聚焦结构中尤为显著。二维/三维模型均证实，即便每个聚焦单元的σ0＜90°，双周期结构仍会引发束流包络的不稳定性。二维模型研究结果显示，相较于准周期结构，双周期结构更易产生束晕现象，其中2∶1共振仍是束晕形成的主要原因。采用三维模型进一步研究纵向因素的影响时发现，三维束团纵向尺寸的变化会显著改变束核电荷密度分布，这一现象成为束晕形成的新机制。此外，高阶共振也在很大程度上促进了束晕的形成。研究还揭示了小周期结构数（N）与共振概率呈负相关关系。
本文通过理论建模与数值模拟相结合，系统探究了在低能超导质子直线加速器内，加速过程中聚焦参数动态演化对空间电荷主导型包络不稳定性的影响机制，创新性地揭示了低能段双周期聚焦结构与束晕产生的内在关联。基于Vlasov-Poisson方程二阶偶模展开，构建了理论模型，设计零流强周期相移(σ0)局部突破90°的多种演化方案，全面探究了不同聚焦方案下，局部突破90°对束流品质的影响，并用多粒子模拟软件对低能、归一化均方根发射度0.2～0.4 π·mm·mrad的质子束进行了多粒子模拟验证；针对双周期聚焦结构特征，设计了相应的聚焦结构与束流匹配方案，通过粒子-束核模型对比分析了准周期与双周期结构的束晕形成机制差异，定量分析了纵向包络对横向束晕的耦合作用。研究结果表明，当空间电荷效应较弱（对应于较高的调谐因子η，η=带电流周期相移σ/零流强周期相移σ0）时，σ0可突破90°而不导致束流品质恶化；反之，当空间电荷效应较强（低η值）时，σ0的突破会激发共振并导致束流发射度显著增长，且这一效应在双组合四极透镜聚焦结构中尤为显著。二维/三维模型均证实，即便每个聚焦单元的σ0＜90°，双周期结构仍会引发束流包络的不稳定性。二维模型研究结果显示，相较于准周期结构，双周期结构更易产生束晕现象，其中2∶1共振仍是束晕形成的主要原因。采用三维模型进一步研究纵向因素的影响时发现，三维束团纵向尺寸的变化会显著改变束核电荷密度分布，这一现象成为束晕形成的新机制。此外，高阶共振也在很大程度上促进了束晕的形成。研究还揭示了小周期结构数（N）与共振概率呈负相关关系。
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doi: 10.11884/HPLPB202638.250182
摘要:
为了提高高功率微波源在低导引磁场下的效率，提出了一种低磁场高效率同轴双模相对论切伦科夫振荡器。该器件工作在同轴准TEM模式与同轴TM01模式下，利用双模工作机制，实现了低磁场下（＜0.4 T）的高效率输出。在粒子模拟中，导引磁场0.35 T时，器件实现了功率3 GW的微波输出、束-波转换效率40%。同时，针对实验中遇到的射频击穿现象，通过增加慢波结构周期数量来提高功率容量，并通过仿真和实验进行验证。最终实验中在0.37 T磁场下，输出微波功率2.85 GW、脉宽57 ns，转换效率34%。在低磁场下获得的实验结果为高功率微波系统小型化的发展提供了强力支撑。
为了提高高功率微波源在低导引磁场下的效率，提出了一种低磁场高效率同轴双模相对论切伦科夫振荡器。该器件工作在同轴准TEM模式与同轴TM01模式下，利用双模工作机制，实现了低磁场下（＜0.4 T）的高效率输出。在粒子模拟中，导引磁场0.35 T时，器件实现了功率3 GW的微波输出、束-波转换效率40%。同时，针对实验中遇到的射频击穿现象，通过增加慢波结构周期数量来提高功率容量，并通过仿真和实验进行验证。最终实验中在0.37 T磁场下，输出微波功率2.85 GW、脉宽57 ns，转换效率34%。在低磁场下获得的实验结果为高功率微波系统小型化的发展提供了强力支撑。
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doi: 10.11884/HPLPB202638.250018
摘要:
提出一种结合多相时钟与延迟链插值的多通道FPGA-TDC结构，以降低工作频率、提升线性度并减少资源消耗，同时保持高分辨率。设计采用两级插值结构，利用多相时钟与延迟链构建细时间单元，从而减小延迟非线性积累并缩小编码器规模。系统在Xilinx ZYNQ-7035 平台实现，并在0～16000 ps范围内进行测试。实验结果表明，本文所设计的TDC系统分辨率优于4 ps，微分非线性在−1～+7 LSB之间，积分非线性在−2 LSB至+14 LSB之间。与传统结构相比，该方案在同频率下延迟链长度成倍缩短，在相同链长下频率更低。所提两级插值结构在提升分辨率和线性度的同时显著节省逻辑资源，具备良好的应用潜力。
提出一种结合多相时钟与延迟链插值的多通道FPGA-TDC结构，以降低工作频率、提升线性度并减少资源消耗，同时保持高分辨率。设计采用两级插值结构，利用多相时钟与延迟链构建细时间单元，从而减小延迟非线性积累并缩小编码器规模。系统在Xilinx ZYNQ-
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doi: 10.11884/HPLPB202638.250155
摘要:
偏压电源是高压电子束焊机电源系统的重要部件之一，根据电子束焊机电源系统的技术要求，研制了一套输出直流电压−100 V～−2 kV可调，全电压范围内纹波小于等于0.1%，电压稳定性优于0.1%，输出电流大于3 mA的偏压电源，分别给出了该电源在电阻负载和高压电子枪负载下的实验结果。设计上采用吸收、保护等方法，解决了电子枪负载打火损坏偏压电源问题，成功将偏压电源串接在高压电源回路中，通过回采偏压电源回路中工作电流的大小来改变偏压电源输出电压（偏压杯电压），偏压杯电压根据束流大小而自适应调节，实现了工作束流实时快速跟随和精细调控。成功应用于−150 kV/33 mA高压电子束焊机，使高压电子束焊机的束流纹波达到±0.19%，束流稳定性优于±5 μA、束流可重现性达到±0.04%，满足了总体指标要求。
偏压电源是高压电子束焊机电源系统的重要部件之一，根据电子束焊机电源系统的技术要求，研制了一套输出直流电压−100 V～−2 kV可调，全电压范围内纹波小于等于0.1%，电压稳定性优于0.1%，输出电流大于3 mA的偏压电源，分别给出了该电源在电阻负载和高压电子枪负载下的实验结果。设计上采用吸收、保护等方法，解决了电子枪负载打火损坏偏压电源问题，成功将偏压电源串接在高压电源回路中，通过回采偏压电源回路中工作电流的大小来改变偏压电源输出电压（偏压杯电压），偏压杯电压根据束流大小而自适应调节，实现了工作束流实时快速跟随和精细调控。成功应用于−150 kV/33 mA高压电子束焊机，使高压电子束焊机的束流纹波达到±0.19%，束流稳定性优于±5 μA、束流可重现性达到±0.04%，满足了总体指标要求。
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doi: 10.11884/HPLPB202638.250238
摘要:
为精确模拟高温球床堆内数万计燃料颗粒的气固两相耦合传热过程，并克服传统CFD-DEM方法因网格粗大导致的精度不足及全解析方法计算成本过高的问题，提出了一种适用于精细流体网格的半解析函数模型。该模型通过引入高斯核函数，对颗粒周围物理属性进行平滑与加权平均，从而实现在亚网格尺度下对颗粒所受流体作用力的精确计算。沃罗单元体分析表明，无量纲扩散时间的最优取值为0.6。超过此值会导致核函数影响域过度扩展，致使空间分布过度平滑而难以捕捉球床局部特征。在HTR-10球床堆的耦合传热仿真中，采用该模型计算得到的温度场分布与经验模型高度吻合。结果表明，本模型能够准确捕获颗粒间的相间作用力，为高温气冷堆热工流体仿真提供了一个兼具精度与效率的解决方案。
为精确模拟高温球床堆内数万计燃料颗粒的气固两相耦合传热过程，并克服传统CFD-DEM方法因网格粗大导致的精度不足及全解析方法计算成本过高的问题，提出了一种适用于精细流体网格的半解析函数模型。该模型通过引入高斯核函数，对颗粒周围物理属性进行平滑与加权平均，从而实现在亚网格尺度下对颗粒所受流体作用力的精确计算。沃罗单元体分析表明，无量纲扩散时间的最优取值为0.6。超过此值会导致核函数影响域过度扩展，致使空间分布过度平滑而难以捕捉球床局部特征。在HTR-10球床堆的耦合传热仿真中，采用该模型计算得到的温度场分布与经验模型高度吻合。结果表明，本模型能够准确捕获颗粒间的相间作用力，为高温气冷堆热工流体仿真提供了一个兼具精度与效率的解决方案。
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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，本文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。本文的研究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，本文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。本文的研究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。
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doi: 10.11884/HPLPB202638.250181
摘要:
纳秒脉冲下SF6中的沿面闪络涉及的物理过程复杂，如何准确预测该环境下的绝缘介质沿面闪络电压是高压脉冲功率设备设计与绝缘可靠性评估的关键挑战。与传统工频或直流电压相比，纳秒脉冲极短的上升时间和高幅值导致空间电荷效应显著、放电发展机制迥异，使得基于经典理论的预测模型面临严峻挑战。近年来，随着计算机算力的飞速提升和人工智能算法的突破性进展，基于数据驱动的机器学习方法在解决复杂非线性绝缘问题中展现出了巨大潜力。针对纳秒脉冲下这一特定难题，选取了支持向量机、多层感知机、随机森林和极端梯度提升树等四种算法对15～500 mm多尺度距离范围内不同实验条件下的闪络电压数据进行了训练和预测，其预测结果的ROC 曲线下面积（AUC）值均在0.9以上，表现最优的是支持向量机算法。同时，为了验证预测模型的准确性，选取表现较为优异的支持向量机模型对另选取的100 mm距离数据进行了预测，AUC值达到0.99，这表明预测准确率高，可以认为模型具备较强的泛化性，从而验证了不同实验条件下基于数据驱动的SF6中闪络电压预测方法的可行性。
纳秒脉冲下SF6中的沿面闪络涉及的物理过程复杂，如何准确预测该环境下的绝缘介质沿面闪络电压是高压脉冲功率设备设计与绝缘可靠性评估的关键挑战。与传统工频或直流电压相比，纳秒脉冲极短的上升时间和高幅值导致空间电荷效应显著、放电发展机制迥异，使得基于经典理论的预测模型面临严峻挑战。近年来，随着计算机算力的飞速提升和人工智能算法的突破性进展，基于数据驱动的机器学习方法在解决复杂非线性绝缘问题中展现出了巨大潜力。针对纳秒脉冲下这一特定难题，选取了支持向量机、多层感知机、随机森林和极端梯度提升树等四种算法对15～500 mm多尺度距离范围内不同实验条件下的闪络电压数据进行了训练和预测，其预测结果的ROC 曲线下面积（AUC）值均在0.9以上，表现最优的是支持向量机算法。同时，为了验证预测模型的准确性，选取表现较为优异的支持向量机模型对另选取的100 mm距离数据进行了预测，AUC值达到0.99，这表明预测准确率高，可以认为模型具备较强的泛化性，从而验证了不同实验条件下基于数据驱动的SF6中闪络电压预测方法的可行性。
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2025, 37: 122001.
doi: 10.11884/HPLPB202537.250066
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针对小样本高功率固体激光装置中光学元件表面疵病的精准检测需求，基于ICFNet提出了一种融合数据增强与深度残差网络的检测方法ICFNetV2。首先采用残差连接机制与通道解耦卷积操作的协同设计，搭建了包含34个层级联模块的深度网络架构，成功抑制了深层网络训练中的梯度衰减现象，并显著提升了特征跨层传递效率。网络中嵌入了空间Dropout层，同时在数据预处理阶段采用随机旋转、镜像翻转和高斯噪声注入等数据增强策略，将训练样本量扩展至原始数据集的9倍，提升了模型的泛化能力。消融实验进一步证实网络中模块的有效性。实验结果表明，改进后的ICFNetV2在麻点、划痕和灰尘三类疵病分类任务中达到97.4%的准确率，相较ICFNet模型提升0.7%。
针对小样本高功率固体激光装置中光学元件表面疵病的精准检测需求，基于ICFNet提出了一种融合数据增强与深度残差网络的检测方法ICFNetV2。首先采用残差连接机制与通道解耦卷积操作的协同设计，搭建了包含34个层级联模块的深度网络架构，成功抑制了深层网络训练中的梯度衰减现象，并显著提升了特征跨层传递效率。网络中嵌入了空间Dropout层，同时在数据预处理阶段采用随机旋转、镜像翻转和高斯噪声注入等数据增强策略，将训练样本量扩展至原始数据集的9倍，提升了模型的泛化能力。消融实验进一步证实网络中模块的有效性。实验结果表明，改进后的ICFNetV2在麻点、划痕和灰尘三类疵病分类任务中达到97.4%的准确率，相较ICFNet模型提升0.7%。
2025, 37: 123001.
doi: 10.11884/HPLPB202537.250338
摘要:
随着低空经济产业加速发展，低空安防日益引起广泛关注。我们提出了一种片上固态高功率微波新思路，并在单个厚度0.5 mm、直径0.15 m的半导体晶圆上集成了储能电容、高功率光控半导体开关及天线，实现了辐射因子20 kV的超宽谱高功率微波输出。实验表明，基于集成化片上高功率微波系统，对10 m处的消费级无人机造成了通信链路切断及飞行失控的效果。
随着低空经济产业加速发展，低空安防日益引起广泛关注。我们提出了一种片上固态高功率微波新思路，并在单个厚度0.5 mm、直径0.15 m的半导体晶圆上集成了储能电容、高功率光控半导体开关及天线，实现了辐射因子20 kV的超宽谱高功率微波输出。实验表明，基于集成化片上高功率微波系统，对10 m处的消费级无人机造成了通信链路切断及飞行失控的效果。
2025, 37: 123002.
doi: 10.11884/HPLPB202537.250149
摘要:
高功率雷达广泛应用于国防、监视和航空航天等重要领域，但其较高的峰值功率和宽频谱特性可能对邻近频段的通信系统造成非预期的干扰。其中，线性调频（LFM）信号是高功率雷达最常用的信号形式，因此，开展LFM信号对通信系统的干扰特性研究具有重要意义。为明确LFM信号关键波形参数对正交相移键控（QPSK）调制通信系统的干扰效应并揭示其干扰规律，基于软件定义无线电（SDR）搭建QPSK调制通信系统，以误差矢量幅度（EVM）为统一度量指标，定量分析了脉宽、脉冲周期和调频带宽三个关键波形参数对QPSK调制通信系统的干扰影响。结果表明：线性调频脉冲的占空比增大会显著提高EVM值，但当占空比超过30%后，EVM增速趋于稳定；在相同占空比条件下，脉冲周期变化对通信系统EVM的影响不显著；调频带宽从1 MHz增至3 MHz时，通信系统的EVM由−10.5 dB降至−19.8 dB，降幅达9.3 dB；进一步将带宽由3 MHz增加至10 MHz，EVM基本保持恒定。基于SDR平台搭建了高功率微波（HPM）雷达信号对通信系统干扰的定量分析实验系统，开展了多波形参数条件下的干扰测试与分析，揭示了LFM信号对QPSK调制通信系统的潜在影响，为雷达与通信频谱共存及通信系统抗干扰设计提供了实验依据与理论支撑。
高功率雷达广泛应用于国防、监视和航空航天等重要领域，但其较高的峰值功率和宽频谱特性可能对邻近频段的通信系统造成非预期的干扰。其中，线性调频（LFM）信号是高功率雷达最常用的信号形式，因此，开展LFM信号对通信系统的干扰特性研究具有重要意义。为明确LFM信号关键波形参数对正交相移键控（QPSK）调制通信系统的干扰效应并揭示其干扰规律，基于软件定义无线电（SDR）搭建QPSK调制通信系统，以误差矢量幅度（EVM）为统一度量指标，定量分析了脉宽、脉冲周期和调频带宽三个关键波形参数对QPSK调制通信系统的干扰影响。结果表明：线性调频脉冲的占空比增大会显著提高EVM值，但当占空比超过30%后，EVM增速趋于稳定；在相同占空比条件下，脉冲周期变化对通信系统EVM的影响不显著；调频带宽从1 MHz增至3 MHz时，通信系统的EVM由−10.5 dB降至−19.8 dB，降幅达9.3 dB；进一步将带宽由3 MHz增加至10 MHz，EVM基本保持恒定。基于SDR平台搭建了高功率微波（HPM）雷达信号对通信系统干扰的定量分析实验系统，开展了多波形参数条件下的干扰测试与分析，揭示了LFM信号对QPSK调制通信系统的潜在影响，为雷达与通信频谱共存及通信系统抗干扰设计提供了实验依据与理论支撑。
2025, 37: 123003.
doi: 10.11884/HPLPB202537.250160
摘要:
Background Purpose Methods Results Conclusions
Traveling-wave tubes (TWTs) are widely applied in radar, imaging, and military systems owing to their excellent amplification characteristics. Miniaturization and integration are critical to the future of TWTs, with multi-channel slow-wave structures (SWSs) forming the foundation for their realization in high-power vacuum electronic devices.
To provide design insights for multi-channel TWTs and simultaneously enhance their output power, a W-band folded-waveguide TWT with dual electron beams and H-plane power combining was proposed.
Three-dimensional electromagnetic simulations in CST were conducted to verify the high-frequency characteristics, electric field distribution, and amplification performance of the proposed SWS, thereby confirming the validity of the design.
Results indicate that the designed TWT achieves a transmission bandwidth of 10 GHz. With an electron beam voltage of 17.9 kV and a current of 0.35 A, the output power reaches 450 W at 94 GHz, corresponding to an efficiency of 7.18% and a gain of 23.5 dB. Moreover, under fixed beam voltage and current, the TWT delivers over 200 W output power across 91–99 GHz, with a 3 dB bandwidth of 91–98.5 GHz. The particle voltage distribution after modulation further validates the mode analysis.
These results demonstrate the feasibility of compact dual-beam power-combining structures and provide useful guidance for the design of future multi-channel TWTs.
2025, 37: 123004.
doi: 10.11884/HPLPB202537.250080
摘要:
基于并行时域有限差分（FDTD）方法，以大型分裂型分布式负载垂直极化EMP模拟器有效工作空间的选择为目的，先对固定尺寸的该类型模拟器不同平面上的电场垂直分量峰值（简称为“场峰值”）分布特性进行了研究，进而给出了该类型模拟器有效工作空间的选择方法示例；并据此选择了影响该类型模拟器有效工作空间尺寸的两个典型平面为监测面，研究分析了模拟器的最大宽度、模拟器的架高、及模拟器上极板空隙最大尺寸对所选择的监测面上（归一化）场峰值分布的影响，进而给出模拟器的设计建议。模拟结果表明：模拟器的最大宽度越宽、模拟器的架高越低、及模拟器上极板空隙最大尺寸越小，会使得所选择的监测面上场峰值有增加的趋势；模拟器最大宽度的增加会使得场峰值在模拟器宽度方向上的均匀性变好；模拟器架高的增加会使得场峰值在模拟器高度方向上的均匀性变好，但会使得在宽度方向上的均匀性变得略差；模拟器上极板空隙最大尺寸的增加会使得模拟器内场峰值在宽度方向上的均匀性变好，但会使得其在高度方向的均匀性变差。
基于并行时域有限差分（FDTD）方法，以大型分裂型分布式负载垂直极化EMP模拟器有效工作空间的选择为目的，先对固定尺寸的该类型模拟器不同平面上的电场垂直分量峰值（简称为“场峰值”）分布特性进行了研究，进而给出了该类型模拟器有效工作空间的选择方法示例；并据此选择了影响该类型模拟器有效工作空间尺寸的两个典型平面为监测面，研究分析了模拟器的最大宽度、模拟器的架高、及模拟器上极板空隙最大尺寸对所选择的监测面上（归一化）场峰值分布的影响，进而给出模拟器的设计建议。模拟结果表明：模拟器的最大宽度越宽、模拟器的架高越低、及模拟器上极板空隙最大尺寸越小，会使得所选择的监测面上场峰值有增加的趋势；模拟器最大宽度的增加会使得场峰值在模拟器宽度方向上的均匀性变好；模拟器架高的增加会使得场峰值在模拟器高度方向上的均匀性变好，但会使得在宽度方向上的均匀性变得略差；模拟器上极板空隙最大尺寸的增加会使得模拟器内场峰值在宽度方向上的均匀性变好，但会使得其在高度方向的均匀性变差。
2025, 37: 123005.
doi: 10.11884/HPLPB202537.250285
摘要:
为研究微波等离子体推力器在微小卫星应用中的关键测试技术难题，针对实验室真空环境下的空间约束条件，创新性地开发了多种推力测量方案。实验采用1.5 kW功率的2.45 GHz磁控管微波源，通过氦气工质产生等离子体推力。研究重点突破了传统推力测量装置在有限空间内的应用限制，建立了包括直接力学测量和间接参数推算在内的完整测试体系。测试结果表明，在0～600 mN推力范围内，这四种方法在不同工况下均表现出良好的测量效果，且推拉力计和单摆推力计的测量结果高度一致，验证了方法的有效性。此外，基于谐振腔特性的间接计算方法在放电实验中提供了与直接测量相符的推力估计值，进一步证明了其可行性。本研究为微小推力器的地面测试提供了可靠的技术方案，其模块化设计思路特别适合立方星等微小卫星平台的推进系统验证需求。
为研究微波等离子体推力器在微小卫星应用中的关键测试技术难题，针对实验室真空环境下的空间约束条件，创新性地开发了多种推力测量方案。实验采用1.5 kW功率的2.45 GHz磁控管微波源，通过氦气工质产生等离子体推力。研究重点突破了传统推力测量装置在有限空间内的应用限制，建立了包括直接力学测量和间接参数推算在内的完整测试体系。测试结果表明，在0～600 mN推力范围内，这四种方法在不同工况下均表现出良好的测量效果，且推拉力计和单摆推力计的测量结果高度一致，验证了方法的有效性。此外，基于谐振腔特性的间接计算方法在放电实验中提供了与直接测量相符的推力估计值，进一步证明了其可行性。本研究为微小推力器的地面测试提供了可靠的技术方案，其模块化设计思路特别适合立方星等微小卫星平台的推进系统验证需求。
2025, 37: 124001.
doi: 10.11884/HPLPB202537.250114
摘要:
为满足负离子源中性束注入系统对控制与监测功能的需求，设计了基于Qt的负离子源中性束注入控制与监测系统。针对传统基于NI-PXIe硬件与LabVIEW-FPGA架构系统存在的开发周期长、硬件成本高、扩展性不足等方面的问题，提出基于国产PXIe平台、Linux实时系统与Qt5.9框架的模块化控制方案。通过国产化硬件替代与Linux实时内核优化控制，结合C++面向对象编程开发多线程控制程序，攻克了高成本、低扩展性瓶颈。实验表明，该系统实现了微秒级同步精度，在提供更高的可扩展性和控制精度的情况下，控制与监测系统可以满足实验有关定时控制方面的需求。
为满足负离子源中性束注入系统对控制与监测功能的需求，设计了基于Qt的负离子源中性束注入控制与监测系统。针对传统基于NI-PXIe硬件与LabVIEW-FPGA架构系统存在的开发周期长、硬件成本高、扩展性不足等方面的问题，提出基于国产PXIe平台、Linux实时系统与Qt5.9框架的模块化控制方案。通过国产化硬件替代与Linux实时内核优化控制，结合C++面向对象编程开发多线程控制程序，攻克了高成本、低扩展性瓶颈。实验表明，该系统实现了微秒级同步精度，在提供更高的可扩展性和控制精度的情况下，控制与监测系统可以满足实验有关定时控制方面的需求。
2025, 37: 124002.
doi: 10.11884/HPLPB202537.250161
摘要:
高能同步辐射光源（HEPS）快轨道反馈控制系统（FOFB）用于HEPS储存环的轨道反馈控制。针对FOFB系统的调试需求研制了一套用于FOFB测试的束流信号模拟发生器，其包含四路信号且幅值独立可调的输出端口，可实现在实验室无束流条件下对真实束流探测器（BPM）信号的模拟输出。该信号发生器具有结构简单、造价低和重复稳定性高等优点，简化了FOFB系统的调试过程。研制工作围绕该脉冲信号发生器展开，详细介绍了其硬件电路设计方案并给出了测试结果。
高能同步辐射光源（HEPS）快轨道反馈控制系统（FOFB）用于HEPS储存环的轨道反馈控制。针对FOFB系统的调试需求研制了一套用于FOFB测试的束流信号模拟发生器，其包含四路信号且幅值独立可调的输出端口，可实现在实验室无束流条件下对真实束流探测器（BPM）信号的模拟输出。该信号发生器具有结构简单、造价低和重复稳定性高等优点，简化了FOFB系统的调试过程。研制工作围绕该脉冲信号发生器展开，详细介绍了其硬件电路设计方案并给出了测试结果。
2025, 37: 124003.
doi: 10.11884/HPLPB202537.250023
摘要:
深圳中能高重频自由电子激光装置（S3FEL）是一台规划中的软X射线自由电子激光（FEL）装置，基于TESLA（TeV Energy Superconducting Linear Accelerator）型超导射频腔的直线加速器用于获得高重频高梯度的加速场，超导射频腔所在的低温超导模组是S3FEL装置中最具挑战的核心设备。超高真空差分段位于低温超导模组束流管出口，用于实现电子束运行管道在低温模组段与常温段的过渡，同时差分段上要求具有真空联锁保护，用于在突发情况下对低温模组内超导射频腔的保护。传统的快速关闭阀保护计算中仅按照气体分子速率进行计算，本文通过根据流态判据，划分快阀传感器至模组出口区域并开展有限元法和蒙特卡罗法计算，实现快速保护过程的瞬态分析。快阀传感器—快阀段真空室内瞬态压强分布计算结果表明，快阀传感器设置在距离快阀8～10 m位置可提供足够的缓冲反应时间，使快阀有足够时间做出动作响应；差分段瞬态压强分布计算中，当发生等效泄漏尺寸为0.5 mm的突发泄漏时，当低温测门阀完全关闭时，此处的压强最高达到10−5 Pa，仍能维持较好的高真空环境并满足离子泵的工作要求。此工作为S3FEL的差分段设计提供重要理论依据。
深圳中能高重频自由电子激光装置（S3FEL）是一台规划中的软X射线自由电子激光（FEL）装置，基于TESLA（TeV Energy Superconducting Linear Accelerator）型超导射频腔的直线加速器用于获得高重频高梯度的加速场，超导射频腔所在的低温超导模组是S3FEL装置中最具挑战的核心设备。超高真空差分段位于低温超导模组束流管出口，用于实现电子束运行管道在低温模组段与常温段的过渡，同时差分段上要求具有真空联锁保护，用于在突发情况下对低温模组内超导射频腔的保护。传统的快速关闭阀保护计算中仅按照气体分子速率进行计算，本文通过根据流态判据，划分快阀传感器至模组出口区域并开展有限元法和蒙特卡罗法计算，实现快速保护过程的瞬态分析。快阀传感器—快阀段真空室内瞬态压强分布计算结果表明，快阀传感器设置在距离快阀8～10 m位置可提供足够的缓冲反应时间，使快阀有足够时间做出动作响应；差分段瞬态压强分布计算中，当发生等效泄漏尺寸为0.5 mm的突发泄漏时，当低温测门阀完全关闭时，此处的压强最高达到10−5 Pa，仍能维持较好的高真空环境并满足离子泵的工作要求。此工作为S3FEL的差分段设计提供重要理论依据。
2025, 37: 124004.
doi: 10.11884/HPLPB202537.250263
摘要:
Rhodotron加速器因其微焦点特性，为工业计算机断层扫描（CT）系统实现高空间分辨率检测提供了硬件基础。然而，在检测航空航天等领域常用的高密度、大尺寸工件时，X射线的强衰减会导致投影数据信噪比严重降低，常规重建算法难以兼顾噪声抑制与细节保持，限制了系统分辨能力的发挥。针对此问题，旨在提出一种能够在强噪声背景下实现高保真重建的算法。本研究提出一种基于双边总变分正则化凸集投影（POCS-BTV）的高分辨迭代重建算法。该算法在POCS框架内，创新性地引入具有优越边缘保持能力的BTV作为正则项，通过迭代优化有效分离图像结构与噪声。通过仿真实验和基于Rhodotron加速器CT系统的实际物理模体实验对算法性能进行验证，并与SIRT、POCS-TV及POCS-RTV等算法进行对比。仿真实验结果表明，所提POCS-BTV算法重建的Shepp-Logan头模图像峰值信噪比（PSNR）达到30.76，结构相似性（SSIM）为0.8405 ，在各项评价指标上均表现出显著优势。针对直径70 mm高强度钢丝缆绳模体的实际数据重建，POCS-BTV算法的重建图像能够清晰分辨钢丝间的微小缝隙，有效避免了其他算法中出现的结构混叠与边缘模糊现象。研究证实，POCS-BTV算法能充分利用Rhodotron加速器的硬件优势，在强噪声背景下实现高密度工件内部微观结构的高分辨、高保真重建，为关键工业部件的精密无损检测提供了可靠的解决方案。
Rhodotron加速器因其微焦点特性，为工业计算机断层扫描（CT）系统实现高空间分辨率检测提供了硬件基础。然而，在检测航空航天等领域常用的高密度、大尺寸工件时，X射线的强衰减会导致投影数据信噪比严重降低，常规重建算法难以兼顾噪声抑制与细节保持，限制了系统分辨能力的发挥。针对此问题，旨在提出一种能够在强噪声背景下实现高保真重建的算法。本研究提出一种基于双边总变分正则化凸集投影（POCS-BTV）的高分辨迭代重建算法。该算法在POCS框架内，创新性地引入具有优越边缘保持能力的BTV作为正则项，通过迭代优化有效分离图像结构与噪声。通过仿真实验和基于Rhodotron加速器CT系统的实际物理模体实验对算法性能进行验证，并与SIRT、POCS-TV及POCS-RTV等算法进行对比。仿真实验结果表明，所提POCS-BTV算法重建的Shepp-Logan头模图像峰值信噪比（PSNR）达到30.76，结构相似性（SSIM）为
2025, 37: 124005.
doi: 10.11884/HPLPB202537.250186
摘要:
针对长计数器基本结构，建立简化模型系统模拟了快中子脉冲经慢化体后进入正比管的能谱分布与时间分布，结果表明：中子能谱随时间的演化明显，31 μs以后，中子的能谱变化变小，趋于恒定；进入正比管的不同能量的中子时间分布不同，随着能量变低，时间分布变宽，热中子附近，时间分布可持续至上千μs；利用不同能量中子随时间的分布，计算了长计数器计数随时间的变化。慢化体半径超过20 cm后，进入正比管的中子通量与能谱基本不随慢化体半径变化而变化，此结果可为长计数器尺寸的优化设计提供参考。
针对长计数器基本结构，建立简化模型系统模拟了快中子脉冲经慢化体后进入正比管的能谱分布与时间分布，结果表明：中子能谱随时间的演化明显，31 μs以后，中子的能谱变化变小，趋于恒定；进入正比管的不同能量的中子时间分布不同，随着能量变低，时间分布变宽，热中子附近，时间分布可持续至上千μs；利用不同能量中子随时间的分布，计算了长计数器计数随时间的变化。慢化体半径超过20 cm后，进入正比管的中子通量与能谱基本不随慢化体半径变化而变化，此结果可为长计数器尺寸的优化设计提供参考。
2025, 37: 124006.
doi: 10.11884/HPLPB202537.250175
摘要:
甚高频光阴极微波电子枪是一种工作于连续波模式的电子源，用于产生MHz级高重频、高品质的电子束，是高重频X射线自由电子激光、高重频超快电子衍射等科学装置的关键核心部件。在运行过程中，电子枪腔体谐振频率随着馈入功率及冷却水温度变化而变化，因此需要对电子枪频率进行实时测量并通过调谐器对腔体频率进行调整以保障腔体内微波场幅度和相位的稳定。基于LCR振荡电路模型，分析了腔体取样微波与入射微波的相位差与电子枪谐振频率的关系，采用了频率扫描、频率跟踪和主动调谐的电子枪腔体三步调谐方法，成功应用于清华大学甚高频电子枪调谐和微波幅度相位控制。通过该调谐方法，可以使电子枪在高功率运行时始终保持谐振状态。电子枪在满功率运行下腔体谐振频率偏差控制在94.2 Hz （RMS），腔体微波采样口的幅值稳定性达到0.0046 % （RMS），锁相精度达到0.0023 ° （RMS），实现电子枪在满功率下长时间稳定运行。
甚高频光阴极微波电子枪是一种工作于连续波模式的电子源，用于产生MHz级高重频、高品质的电子束，是高重频X射线自由电子激光、高重频超快电子衍射等科学装置的关键核心部件。在运行过程中，电子枪腔体谐振频率随着馈入功率及冷却水温度变化而变化，因此需要对电子枪频率进行实时测量并通过调谐器对腔体频率进行调整以保障腔体内微波场幅度和相位的稳定。基于LCR振荡电路模型，分析了腔体取样微波与入射微波的相位差与电子枪谐振频率的关系，采用了频率扫描、频率跟踪和主动调谐的电子枪腔体三步调谐方法，成功应用于清华大学甚高频电子枪调谐和微波幅度相位控制。通过该调谐方法，可以使电子枪在高功率运行时始终保持谐振状态。电子枪在满功率运行下腔体谐振频率偏差控制在94.2 Hz （RMS），腔体微波采样口的幅值稳定性达到
2025, 37: 125001.
doi: 10.11884/HPLPB202537.250210
摘要:
近年来，快速发展的卷绕式云母纸电容器较大地提升了其工作电压，有希望用于提升PFN-Marx（pulse forming line - Marx）发生器的整体储能密度水平。电容器寿命是确保装置可靠性的重要因素，而该电容器的寿命特性尚未清楚，其最优工作条件和装置的预期工作寿命未能明确。基于此，开展了微秒脉冲下云母电容寿命特性的预测模型和实验研究。首先，分析了云母电容的内部结构，建立仿真模型并进行了电场、热场模拟分析。其次，搭建了一个能够稳定长时间工作的寿命测试平台，通过该平台获取并分析了云母电容的退化参数、寿命数据和失效机理。根据寿命数据结果，修正了在给定运行因素下的云母电容寿命预测模型。结果表明，寿命预测模型与寿命测试结果基本匹配。研究工作将有助于发展云母电容的寿命预测，并为在微秒脉冲下使用云母电容的系统装置设计提供参考。
近年来，快速发展的卷绕式云母纸电容器较大地提升了其工作电压，有希望用于提升PFN-Marx（pulse forming line - Marx）发生器的整体储能密度水平。电容器寿命是确保装置可靠性的重要因素，而该电容器的寿命特性尚未清楚，其最优工作条件和装置的预期工作寿命未能明确。基于此，开展了微秒脉冲下云母电容寿命特性的预测模型和实验研究。首先，分析了云母电容的内部结构，建立仿真模型并进行了电场、热场模拟分析。其次，搭建了一个能够稳定长时间工作的寿命测试平台，通过该平台获取并分析了云母电容的退化参数、寿命数据和失效机理。根据寿命数据结果，修正了在给定运行因素下的云母电容寿命预测模型。结果表明，寿命预测模型与寿命测试结果基本匹配。研究工作将有助于发展云母电容的寿命预测，并为在微秒脉冲下使用云母电容的系统装置设计提供参考。
2025, 37: 129001.
doi: 10.11884/HPLPB202537.250071
摘要:
Vlasov方程是研究等离子体物理的重要方程，在高温、完全电离且忽略库伦碰撞的情况下，其数值求解方法主要有欧拉类方法和拉格朗日类方法。考虑传统数值求解方法在高精度网格条件下计算资源快速增长、维度灾难等问题，采用了基于物理信息驱动的傅里叶神经算子（PFNO）对Vlasov方程进行求解。该方法将傅里叶神经算子高维函数映射能力与Vlasov方程物理约束结合，构建了数据-物理信息驱动的深度学习框架，可提升模型在稀疏数据条件下的泛化性能，同时具有网格无关性特征。数值实验表明，该方法在保证求解精度的同时，相比传统有限元法和谱方法计算效率提升1～2个数量级，且能并行处理大批量数据。该研究为高维Vlasov动力学方程的求解提供了新思路，在惯性约束聚变、空间等离子体模拟等领域具有一定应用潜力。
Vlasov方程是研究等离子体物理的重要方程，在高温、完全电离且忽略库伦碰撞的情况下，其数值求解方法主要有欧拉类方法和拉格朗日类方法。考虑传统数值求解方法在高精度网格条件下计算资源快速增长、维度灾难等问题，采用了基于物理信息驱动的傅里叶神经算子（PFNO）对Vlasov方程进行求解。该方法将傅里叶神经算子高维函数映射能力与Vlasov方程物理约束结合，构建了数据-物理信息驱动的深度学习框架，可提升模型在稀疏数据条件下的泛化性能，同时具有网格无关性特征。数值实验表明，该方法在保证求解精度的同时，相比传统有限元法和谱方法计算效率提升1～2个数量级，且能并行处理大批量数据。该研究为高维Vlasov动力学方程的求解提供了新思路，在惯性约束聚变、空间等离子体模拟等领域具有一定应用潜力。
2025, 37: 129002.
doi: 10.11884/HPLPB202537.250197
摘要:
直流高压加速器离子源系统需在兆伏级高压平台运行，有线通信介质如光纤在紧凑型使用工况下由于耐压局限性而存在击穿风险。为此，设计并研制了一种基于无线光通信（WOC）的离子源控制与采集系统样机，针对2.5 MV直流高压加速器中电感耦合等离子体（ICP）离子源系统中的高压电源、射频电源和质量流量计所需的模拟量控制与采集要求，采用差分输入模数转换（ADC）对控制与采集原始信号进行采样，经数字处理后通过无线光通信传输；无线光信号通过光电转换，再经数模转换（DAC）和放大电路重构原始信号。通过搭建离线测试平台，验证所设计的无线光系统能够稳定控制直流高压加速器离子源系统相关设备。实验测试结果表明，该无线光系统满足硼中子俘获治疗（BNCT）项目的技术要求，具备在2.5 MV直流高压加速器离子源系统中应用的可行性。
直流高压加速器离子源系统需在兆伏级高压平台运行，有线通信介质如光纤在紧凑型使用工况下由于耐压局限性而存在击穿风险。为此，设计并研制了一种基于无线光通信（WOC）的离子源控制与采集系统样机，针对2.5 MV直流高压加速器中电感耦合等离子体（ICP）离子源系统中的高压电源、射频电源和质量流量计所需的模拟量控制与采集要求，采用差分输入模数转换（ADC）对控制与采集原始信号进行采样，经数字处理后通过无线光通信传输；无线光信号通过光电转换，再经数模转换（DAC）和放大电路重构原始信号。通过搭建离线测试平台，验证所设计的无线光系统能够稳定控制直流高压加速器离子源系统相关设备。实验测试结果表明，该无线光系统满足硼中子俘获治疗（BNCT）项目的技术要求，具备在2.5 MV直流高压加速器离子源系统中应用的可行性。
2025, 37: 121001.
doi: 10.11884/HPLPB202537.250139
摘要:
作为轻量化设计的战略材料，铝合金凭借其低比重、耐腐蚀和良好的低温特性，在海洋装备、航空航天及交通运输领域中占据重要地位。值得注意的是，表面润湿特性作为铝合金功能化应用的关键界面参数，直接影响其工程服役性能。近年来，基于激光毛化织构的表面润湿性调控技术突破传统化学改性局限，为铝合金表面功能化提供了新的思路。系统阐释了润湿性基础理论体系，包括Young氏模型、Wenzel模型和Cassie-Baxter模型，分析了超短脉冲激光和长脉冲激光体系在铝合金表面仿生功能化构建中的应用差异，其中超短脉冲激光（飞秒/皮秒）凭借其极短脉宽和超高峰值功率的特性可实现亚微米级精密织构，而长脉冲激光则在大面积加工效率方面具有优势。研究显示，此类功能化表面在表面自清洁、低温防覆冰、耐Cl−腐蚀、高效沸腾传热、粘接及微流控等领域展现出显著优势，然而其实际应用仍受限于润湿稳定性衰退和环境耐受性不足等关键技术瓶颈。
作为轻量化设计的战略材料，铝合金凭借其低比重、耐腐蚀和良好的低温特性，在海洋装备、航空航天及交通运输领域中占据重要地位。值得注意的是，表面润湿特性作为铝合金功能化应用的关键界面参数，直接影响其工程服役性能。近年来，基于激光毛化织构的表面润湿性调控技术突破传统化学改性局限，为铝合金表面功能化提供了新的思路。系统阐释了润湿性基础理论体系，包括Young氏模型、Wenzel模型和Cassie-Baxter模型，分析了超短脉冲激光和长脉冲激光体系在铝合金表面仿生功能化构建中的应用差异，其中超短脉冲激光（飞秒/皮秒）凭借其极短脉宽和超高峰值功率的特性可实现亚微米级精密织构，而长脉冲激光则在大面积加工效率方面具有优势。研究显示，此类功能化表面在表面自清洁、低温防覆冰、耐Cl−腐蚀、高效沸腾传热、粘接及微流控等领域展现出显著优势，然而其实际应用仍受限于润湿稳定性衰退和环境耐受性不足等关键技术瓶颈。
2025, 37: 123006.
doi: 10.11884/HPLPB202537.250183
摘要:
回旋行波管在毫米波雷达、通信、电子对抗、深空探测等方面有重要应用。对于大回旋状态下的电子注，只与\begin{document}$ \mathit{s}=\mathit{m} $\end{document} ![]()
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回旋行波管在毫米波雷达、通信、电子对抗、深空探测等方面有重要应用。对于大回旋状态下的电子注，只与
2025, 37: 124007.
doi: 10.11884/HPLPB202537.250124
摘要:
中国散裂中子源 （CSNS）作为一台高功率强流质子加速器，其设计目标是严格控制束流损失,束流损失测量系统对加速器的设备保护、残留活化剂量控制和加速器机器调试非常重要。在CSNS一期工程中，束流损失测量系统使用NI PXIe-6358采集卡进行束流损失波形采集。在CSNS二期工程中，计划开发基于ZYNQ的新型束流损失波形采集卡替代现有的NI采集板卡。详细介绍了基于ZYNQ的束流损失测量系统的电子学构成，主要分硬件架构和软件架构两部分进行详细阐述，重点介绍了AXI总线的LINUX驱动设计、EPICS IOC开发，通过实验室功能测试实现了束损波形采集、增益控制、过阈值机器保护和EPICS PV量发布等功能，并在RCS本地站进行了带束流测试。
中国散裂中子源 （CSNS）作为一台高功率强流质子加速器，其设计目标是严格控制束流损失,束流损失测量系统对加速器的设备保护、残留活化剂量控制和加速器机器调试非常重要。在CSNS一期工程中，束流损失测量系统使用NI PXIe-6358采集卡进行束流损失波形采集。在CSNS二期工程中，计划开发基于ZYNQ的新型束流损失波形采集卡替代现有的NI采集板卡。详细介绍了基于ZYNQ的束流损失测量系统的电子学构成，主要分硬件架构和软件架构两部分进行详细阐述，重点介绍了AXI总线的LINUX驱动设计、EPICS IOC开发，通过实验室功能测试实现了束损波形采集、增益控制、过阈值机器保护和EPICS PV量发布等功能，并在RCS本地站进行了带束流测试。
2025, 37: 125002.
doi: 10.11884/HPLPB202537.250122
摘要:
为实现脉冲驱动源的紧凑化，研制了基于PFN-Marx的高功率脉冲驱动源。7级PFN-Marx采用单级性脉冲充电方式，有利于PFN-Marx内部结构以及Tesla变压器的紧凑化设计；采用锂电池供电的高功率恒流充电电源给Tesla变压器的初级电容充电，供电电源体积小且灵活可移动；PFN各级充电回路电感相同，脉冲充电波形完全同步，模块化结构设计，可以灵活增加驱动源的模块数提高输出功率。脉冲驱动源输出单脉冲能量为45.6 J，在75 Ω负载条件下输出脉冲幅值为−189.2 kV、脉宽93.2 ns、前沿为8.4 ns的准方波脉冲，功率为477 MW。锂电池充电及控制电源的体积为482 mm×443 mm×177 mm，重量为12.6 kg。Telsa变压器及PFN-Marx发生器集成化设计后的体积为ϕ370 mm×848 mm，重量为28.7 kg。此驱动源样机为更高功率更高性能脉冲驱动源的紧凑化设计提供了参考。
为实现脉冲驱动源的紧凑化，研制了基于PFN-Marx的高功率脉冲驱动源。7级PFN-Marx采用单级性脉冲充电方式，有利于PFN-Marx内部结构以及Tesla变压器的紧凑化设计；采用锂电池供电的高功率恒流充电电源给Tesla变压器的初级电容充电，供电电源体积小且灵活可移动；PFN各级充电回路电感相同，脉冲充电波形完全同步，模块化结构设计，可以灵活增加驱动源的模块数提高输出功率。脉冲驱动源输出单脉冲能量为45.6 J，在75 Ω负载条件下输出脉冲幅值为−189.2 kV、脉宽93.2 ns、前沿为8.4 ns的准方波脉冲，功率为477 MW。锂电池充电及控制电源的体积为482 mm×443 mm×177 mm，重量为12.6 kg。Telsa变压器及PFN-Marx发生器集成化设计后的体积为ϕ370 mm×848 mm，重量为28.7 kg。此驱动源样机为更高功率更高性能脉冲驱动源的紧凑化设计提供了参考。
2025, 37: 126001.
doi: 10.11884/HPLPB202537.250157
摘要:
强爆炸释放的γ辐射剂量评估是核应急防护体系研究的重要方向之一，传统研究多聚焦于瞬发γ（<1 μs）的剂量评估，缓发γ（秒级）因时间延迟常被忽视。针对强爆炸后裂变产物在0.2～0.5 s内产生的缓发γ剂量与中子泄露产生的次级γ剂量开展研究，基于蒙特卡罗（MC）方法构建了强爆炸源项-大气输运-地表活化耦合的三维全尺度模型，提出基于MC多步计算的动态剂量评估框架，利用重要性卡降低一定距离内实验模拟的方差，详细对比了其与瞬发γ剂量随时间距离变化的趋势。模拟结果表明，在0.2～0.5 s窗口内，距爆炸源500 m处缓发γ总剂量达0.829 Gy，为瞬发剂量（0.441 Gy）的1.88倍；距爆炸源1000 m处仅裂变产物产生的缓发剂量（0.0318 Gy）为瞬发剂量（0.0042 Gy）的7.6倍，远距离下危害相较瞬发尤为显著；而中子泄漏产生的γ剂量500 m到1000 m的剂量由0.634 Gy逐步衰减至0.0485 Gy。提出的动态剂量评估框架为核应急防护策略优化提供了数据支撑。
强爆炸释放的γ辐射剂量评估是核应急防护体系研究的重要方向之一，传统研究多聚焦于瞬发γ（<1 μs）的剂量评估，缓发γ（秒级）因时间延迟常被忽视。针对强爆炸后裂变产物在0.2～0.5 s内产生的缓发γ剂量与中子泄露产生的次级γ剂量开展研究，基于蒙特卡罗（MC）方法构建了强爆炸源项-大气输运-地表活化耦合的三维全尺度模型，提出基于MC多步计算的动态剂量评估框架，利用重要性卡降低一定距离内实验模拟的方差，详细对比了其与瞬发γ剂量随时间距离变化的趋势。模拟结果表明，在0.2～0.5 s窗口内，距爆炸源500 m处缓发γ总剂量达0.829 Gy，为瞬发剂量（0.441 Gy）的1.88倍；距爆炸源
2025, 37: 126002.
doi: 10.11884/HPLPB202537.250098
摘要:
X/γ射线照射电子系统屏蔽盒时会穿透盒体在各层系统表面或内部产生光电子或康普顿电子，并激励起电磁脉冲，这些粒子或电磁场将干扰甚至损伤盒内电子系统的敏感电子元器件，影响电子系统的正常工作。为快速评估受射线照射下的电子系统内部粒子和电磁环境及其效应，理论分析了屏蔽盒腔体内初级粒子激励的电磁脉冲与PCB的场路耦合及射线直接多层穿透耦合这两种作用机制下产生的辐照响应，构建了其等效电路模型并验证了可行性，进而利用该模型对产生的效应电流进行了计算。在此基础上，利用该计算建模方法研究分析了对PCB采用涂覆绝缘防护层和进行接地两种保护措施后的PCB系统辐照效应的变化规律。为研究电子系统屏蔽盒的辐射效应提供了一种较为完整的直观理论计算方法，其可以在不采用模拟仿真软件的前提下实现对电子系统辐射效应的计算分析，并可推广至更广泛的场景。
X/γ射线照射电子系统屏蔽盒时会穿透盒体在各层系统表面或内部产生光电子或康普顿电子，并激励起电磁脉冲，这些粒子或电磁场将干扰甚至损伤盒内电子系统的敏感电子元器件，影响电子系统的正常工作。为快速评估受射线照射下的电子系统内部粒子和电磁环境及其效应，理论分析了屏蔽盒腔体内初级粒子激励的电磁脉冲与PCB的场路耦合及射线直接多层穿透耦合这两种作用机制下产生的辐照响应，构建了其等效电路模型并验证了可行性，进而利用该模型对产生的效应电流进行了计算。在此基础上，利用该计算建模方法研究分析了对PCB采用涂覆绝缘防护层和进行接地两种保护措施后的PCB系统辐照效应的变化规律。为研究电子系统屏蔽盒的辐射效应提供了一种较为完整的直观理论计算方法，其可以在不采用模拟仿真软件的前提下实现对电子系统辐射效应的计算分析，并可推广至更广泛的场景。
