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微波功率放大器发展概述
李建兵, 林鹏飞, 郝保良, 孙建邦
2020, 32: 073001. doi: 10.11884/HPLPB202032.200095
电子设备电磁辐射敏感度测试相关问题研究
潘晓东, 魏光辉, 万浩江, 卢新福, 赵凯
2020, 32: 073002. doi: 10.11884/HPLPB202032.200088
氮离子注入对聚四氟乙烯表面电荷积聚和消散特性的影响
刘畅, 宋法伦, 朱明冬, 李春霞, 张北镇, 李飞, 王淦平, 龚海涛, 甘延青, 金晓
2020, 32: 075001. doi: 10.11884/HPLPB202032.200045
封面目录
《强激光与粒子束》2020年32卷第7期封面目录
《强》刊编辑部
强激光物理与技术
基于CCD电极直接驱动控制的双脉冲发光图像高速曝光技术原理研究
江孝国, 杨兴林, 杨国君, 张小丁, 李一丁, 李洪, 蒋薇, 魏涛
2020, 32: 071001. doi: 10.11884/HPLPB202032.200012
摘要:
电荷耦合器件(CCD)是一类高性能的光电成像器件,具有成像阵列大、图像质量好的特点。但由于正常工作驱动时序复杂,工作帧频一般较低,无法满足较高成像帧频的要求。针对一种双脉冲发光图像的高速高分辨高质量成像要求,根据CCD信号电荷收集及转移的电极驱动特性,选择合适的CCD类型,以电荷转移时序为时间分隔界限,设计了一种电极直接进行控制的时序,实现了两个光脉冲图像的分离积分及信号转移、读出等,完成了双脉冲发光图像的等效高帧频曝光的原理验证,在保持CCD原有高成像质量的情况下获得了μs级间隔的两幅图像可分辨的能力,并实现了一种二分幅相机系统。
退火对EBE,IBS和ALD沉积HfO2薄膜的抗激光损伤性能影响
刘浩, 马平, 蒲云体, 赵祖珍
2020, 32: 071002. doi: 10.11884/HPLPB202032.200006
摘要:
结合自身实验条件采用电子束蒸发(EBE)、离子束溅射(IBS)和原子层沉积(ALD)三种工艺制备了HfO2薄膜,对其进行退火实验,采用1 064 nm Nd: YAG激光测定了即时沉积和退火后各HfO2薄膜的抗激光损伤能力。研究发现,ALD HfO2薄膜的激光损伤阈值最高,EBE HfO2薄膜次之,IBS HfO2薄膜的损伤阈值最低;300 ℃退火对各工艺薄膜抗激光损伤能力的影响均为负面,500 ℃退火则会显著降低ALD HfO2薄膜的抗激光损伤能力。
可模拟不同背压环境的直排型扩压器装置
李金雪, 颜飞雪, 王植杰
2020, 32: 071003. doi: 10.11884/HPLPB202032.190474
摘要:
为了研究直排型扩压器的压力恢复能力,设计了一套可模拟不同背压环境的扩压器装置。在扩压器平直段后接入电动闸板阀,通过调节气流的流通面积模拟不同的背压环境。考虑到闸板阀前平直段对扩压器工作性能的影响,建立了扩压器流场的仿真分析模型,得到了加入闸板阀的扩压器装置的流场,进行了扩压器平直段的优化设计,并开展了验证试验。结果表明,仿真分析与实验结果符合得较好,平直段设计合理时,采用闸板阀模拟不同背压环境的方式是可行的,直排型扩压器的恢复压力测试结果稳定可靠。
开式单喷嘴喷雾冷却均匀性实验研究
杨春光, 张浩, 刘军
2020, 32: 071004. doi: 10.11884/HPLPB202032.200021
摘要:
针对高热流密度激光介质高效散热与均匀冷却技术需求,设计并搭建了以去离子水为冷却工质的开式单喷嘴喷雾冷却实验平台,实验研究获得了不同热流密度(16~110 W/cm2)、不同冷却工质流量(200~300 mL/min)以及不同喷雾高度(15~25 mm)下单相喷雾冷却换热系数及其冷却均匀性效果。结果表明:该实验工况下,不同热流密度条件下喷雾高度及工质流量对于单相喷雾冷却换热效率及温度均匀性影响显著;喷雾高度15 mm、工质流量200 mL/min时获得最大对流换热系数为5.93 W/(cm2·K);喷雾高度15 mm、工质流量250 mL/min时面积20 mm×20 mm的热源表面温度均匀性最佳可优于0.6 ℃。
基于光束填充的多单管半导体激光器光纤耦合
杨逸飞, 秦文斌, 刘友强, 赵帆, 李景, 赵明, 兰天, 王智勇
2020, 32: 071005. doi: 10.11884/HPLPB202032.200007
摘要:
为了进一步提高多单管半导体激光器的输出功率,通过对常见的阶梯型多单管半导体阵列进行分析,提出在光斑尺寸较小的慢轴方向对光束进行填充,在同样的耦合条件下,使更多的激光能量耦合进光纤中,实现更高功率的输出。文中使用光参数积作为评价光束质量的指标,论证了慢轴光束填充的可行性,利用ZEMAX仿真软件对8路常见阶梯型多单管半导体阵列和12路填充阵列进行对比仿真,在不影响耦合效率的前提下,实现了将12路波长为860 nm、输出功率3 W的单管半导体激光器耦合进芯径105 μm、数值孔径0.22的光纤中,光纤输出功率为33.4 W,光纤耦合效率为92.78%。仿真结果表明,对慢轴方向进行光束填充可以在一定程度上提高多单管半导体激光的功率输出。
45°高反膜中节瘤缺陷的电场增强效应及损伤特性
潘顺民, 卫耀伟, 安晨辉, 罗振飞, 王健
2020, 32: 071006. doi: 10.11884/HPLPB202032.200028
摘要:
研究设计和制备了中心波长为1 064 nm的45°多层膜反射镜,通过数值仿真结合实验,对薄膜中节瘤缺陷引起的电场增强效应及其对薄膜抗激光损伤性能的影响进行了研究。结果表明:当1 064 nm激光从右至左45°斜入射时,电场增强效应主要出现在节瘤缺陷的表层及其左侧轮廓中部,电场增强效应随节瘤缺陷尺寸增大而增强。实验上,在清洁的基板表面喷布单分散SiO2微球作为人工节瘤种子,采用电子束蒸发制备法完成多层全反膜的制备,采用R-on-1方式对薄膜样品进行激光损伤测试。结果表明,薄膜的损伤阈值随着节瘤缺陷尺寸增加而减小。通过综合分析电场增强效应、薄膜损伤测试结果及损伤形貌特征得出,薄膜损伤阈值降低是由于节瘤缺陷和薄膜中微缺陷共同作用的结果。
单脉冲飞秒激光烧蚀炸药过程的热效应研究
刘嘉锡, 伍俊英, 杨利军, 李姚江, 吴姣姣, 鲁建英, 陈朗
2020, 32: 071007. doi: 10.11884/HPLPB202032.200061
摘要:
飞秒激光能够在极短时间内烧蚀炸药产生高温高压等离子体。可以利用飞秒激光对含能材料或含能元器件进行精密加工。深入认识飞秒激光烧蚀炸药过程中,炸药内部的热效应是发展飞秒激光加工炸药技术的基础。建立了单脉冲飞秒激光烧蚀炸药过程的流固耦合计算模型,考虑了在高温高压等离子体和炸药自热反应的共同作用下,炸药内部的热效应。对飞秒激光烧蚀TNT炸药过程进行了流体力学数值模拟。计算结果表明:TNT炸药中未烧蚀区域产生了热效应,峰值温度高于TNT炸药的点火温度,但由于炸药内热效应区域极小,高温持续时间极短,因此炸药内温度迅速下降,没有发生点火现象。
激光束散角复合控制技术
倪小龙, 朱旭芳, 于信, 姚海峰, 陈纯毅, 刘智
2020, 32: 071008. doi: 10.11884/HPLPB202032.200078
摘要:
为了降低部分相干光光学系统设计的复杂度及成本,增加部分相干光应用的便捷性,提出了一种液晶空间光调制器的激光相干度及束散角复合控制方法。首先介绍了对激光光束进行相干度和束散角复合控制的基本理论和方法;然后分别设置了相干度和束散角检测实验,检测了本方法所调制激光光束的相干度和束散角的准确性。实验结果表明,采用液晶空间光调制器生成相干度为0.9 mm、束散角为7.5 mrad,以及相干度为1.5 mm、束散角为3.8 mrad的部分相干光束,其相干度与理论值相比误差在5%以内,其相干度均方根误差分别为0.027386和0.031314,峰谷值分别为0.084 658和0.089 103;其束散角与理论值相比误差在5%以内,其束散角均方根误差分别为0.022 478和0.023 186,峰谷值分别为0.081 201和0.092 130。可见,该方法可以实现高精度的相干度及束散角复合控制。
惯性约束聚变物理与技术
基于薄层单元与弹簧单元的滚动直线导轨副动力学建模
陈学前, 沈展鹏, 鄂林仲阳, 范宣华
2020, 32: 072001. doi: 10.11884/HPLPB202032.200069
摘要:
针对某大型光机装置中使用的LM型直线导轨-滑块的结合面,采用薄层单元与弹簧单元模拟其接触面,建立了大行程传输结构模拟件的有限元模型。通过模型修正方法,根据模态试验结果对薄层单元弹性模量以及弹簧刚度进行了识别。模型修正后,结构前三阶模态频率计算结果与试验结果最大差别为2.23%,地脉动载荷下各测点位移响应计算结果与试验结果最大差别为7.61%。计算结果与试验结果具有较好的一致性,验证了模型的有效性。
大公差宽容度矩形孔准周期阵列实现对高阶衍射的有效抑制(英)
魏来, 陈勇, 王少义, 范全平, 张强强, 张众, 王占山, 曹磊峰
2020, 32: 072002. doi: 10.11884/HPLPB202032.200117
摘要:
Advances in basic and applied research of conventional grating have been attracting much attention from optical engineering community. However, the higher orders diffraction contamination degrades the spectral purity obtained by conventional gratings seriously. Many designs of single-order or quasi-single-order gratings have been proposed to suppress higher-order diffraction contributions, however, their inhibitive effects on the higher order diffractions are restrained by the processing accuracy unavoidably. In this paper, we propose a grating that incorporates a quasi-periodical array of rectangular holes, and achieves larger tolerance of processing errors compared with the previously designed gratings by optimizing the probability density distribution function of the holes. This paper describes an analytical study of the diffraction property of this grating. Theoretical calculations reveal that the grating completely suppresses the 2nd, 3rd, and 4th orders diffractions, and the ratio of the 5th order diffraction efficiency to that of the 1st is as low as 0.01% even if relative errors for hole sizes exceed 20%, which greatly decreases the required processing accuracy.
高功率微波技术
微波功率放大器发展概述
李建兵, 林鹏飞, 郝保良, 孙建邦
2020, 32: 073001. doi: 10.11884/HPLPB202032.200095
摘要:

微波功率放大器分为真空和固态两类,分别分析了两类器件的原理和特点,然后介绍了它们的发展历史、当前的技术研究状况和未来发展趋势。重点介绍了两种器件相结合的产物——微波功率模块,包括微波功率模块的产生过程和当前国内外的发展状况,并对未来的发展趋势进行了分析和预测。

电子设备电磁辐射敏感度测试相关问题研究
潘晓东, 魏光辉, 万浩江, 卢新福, 赵凯
2020, 32: 073002. doi: 10.11884/HPLPB202032.200088
摘要:
针对部分电子设备通过国军标所规定的电磁兼容试验考核后,在实际训练、作战使用过程中仍存在电磁不兼容等现实问题,在对现行标准中的技术要求和测试方法进行系统分析的基础上,结合研究团队近几年在电子信息装备电磁环境效应研究方面的技术积累,探讨了测试过程中未寻找受试设备敏感接收方向、带内频点电磁辐射敏感度测试缺失以及多辐射源共同作用导致受试设备敏感度阈值显著降低等几个方面对电子信息装备电磁辐射敏感度测试结果的影响,在此基础上给出了解决上述相关问题的措施和建议,探讨了强场电磁辐射效应试验技术及电子设备复杂电磁环境适应性评估技术的发展趋势。
电控单元强电磁安全威胁分析及电源防护研究
郑浩月, 贺宇, 何小东, 阳禩乾, 吴起, 杨栋
2020, 32: 073003. doi: 10.11884/HPLPB202032.200092
摘要:
强电磁脉冲通过场线耦合的方式,对车辆电子控制系统造成了严重的电磁安全威胁,影响车辆机动性能的发挥。基于典型车辆平台,分析了电控单元在强电磁脉冲环境下的效应机理,开展了整车平台的宽带强电磁脉冲辐照试验,分析了车辆平台发动机系统运行状态与电控单元电源线上耦合脉冲电压之间的关系。试验结果表明宽带电磁脉冲通过电源线缆对车辆电控单元造成干扰效应,导致发动机熄火。根据分析结果,对电控单元直流电源进行了多级防护电路设计,通过切断电磁脉冲能量传输路径的方式实现电磁安全防护,并验证了防护电路的有效性。
车辆点火脉冲对短波电磁环境影响的数值模拟与试验研究
乐波, 刘忠, 侯志林, 曹春霞
2020, 32: 073004. doi: 10.11884/HPLPB202032.190441
摘要:
为评估车辆点火脉冲对短波接收站电磁环境的影响,首先分析了车辆点火原理模型,并测试了小轿车、卡车两种典型车辆的点火脉冲生成的频域噪声;其次利用基于距量法的电磁计算软件对小轿车、卡车的点火脉冲等效天线与10 m单极子接收天线之间的传输效应进行了数值模拟与分析,获得传输损耗波动曲线。最后通过3辆汽车点火实测对乡村短波接收站的电磁环境影响进行了对比分析。仿真与实测结果表明:卡车点火脉冲辐射功率高于小轿车辐射功率14 dB;车辆点火脉冲等效天线相对于10 m单极子接收天线,在7.5 MHz传输损耗最小,相距30,100 m时传输损耗分别为24,32.2 dB;试验中,在30 m距离处,3辆小汽车点火脉冲对短波电磁环境的影响为抬高了低频段底噪1~2 dB,当距离增加到100 m以上时,已无明显影响。
粒子束及加速器技术
BEPCII直线加速器数字延时触发器的设计与实现
杨静, 曹建社, 杜垚垚, 汪林, 马宇飞, 张醒儿, 叶强, 麻惠洲, 魏书军, 岳军会, 随艳峰
2020, 32: 074001. doi: 10.11884/HPLPB202032.200018
摘要:
针对北京正负电子对撞机II期(BEPC II)直线加速器升级改造过程中束流位置探测器(BPM)电子学对外部触发信号的需求,设计了一台高精度延时控制、上升时间短和参数灵活调节的数字延时触发器。采用FPGA(现场可编程门阵列)作为主控制器展开设计,重点介绍了基于FPGA的边沿检测模块和多通道延时处理模块的设计与仿真,描述了FPGA和驱动电路的设计方案以及在直线加速器上的应用。经测试,延时可调范围4 ns~4 μs,最小步进4 ns,步进误差0.125%;上升时间2 ns,延时抖动135.4 ps。
储存环逐束团相位测量系统信号处理算法优化
周逸媚, 冷用斌, 许兴懿, 高波, 曹珊珊
2020, 32: 074002. doi: 10.11884/HPLPB202032.200033
摘要:
为了进一步提高相位测量精度,上海光源束测组在原有逐束团相位测量系统基础上,提出了一种新的信号处理方式——相关函数法。此方法无需对原始束流信号进行低通滤波,通过直接在时域对示波器全部采样点进行模式匹配来计算逐束团相位,其优势在于数据处理仅受仪器带宽限制,可以保留更多的高次谐波信号。研究结果表明,新方法可避免低通滤波带来的束团间信号串扰问题,降低信号反射带来的系统测量误差。主成分分析法被用来评估相位测量分辨率,电荷量越大,分辨率越好。束团间精确的相位依赖关系还可用于储存环束流尾场及阻抗的分析。
脉冲功率技术
氮离子注入对聚四氟乙烯表面电荷积聚和消散特性的影响
刘畅, 宋法伦, 朱明冬, 李春霞, 张北镇, 李飞, 王淦平, 龚海涛, 甘延青, 金晓
2020, 32: 075001. doi: 10.11884/HPLPB202032.200045
摘要:
为了抑制聚四氟乙烯材料表面电荷积聚,采用射频产生氮等离子体对其表面进行等离子体浸没离子注入以改善其表面性能。对注入前后的聚四氟乙烯材料样品进行了X射线光电子能谱分析(XPS)、傅里叶红外光谱测试(FTIR)、水接触角测量、表面电阻率测量以及表面电位衰减测量,并基于等温表面电位衰减理论对其表面陷阱能级和密度分布进行了计算,以分析聚四氟乙烯样品经离子注入处理后其表面成分和物理性能的变化,并研究了这些变化对聚四氟乙烯样品表面电荷积聚和消散特性的影响。结果表明:氮离子注入后,聚四氟乙烯材料表面化学成分的主要变化是自身分子结构的破坏和转化,部分CF2结构转变为CF和CF3结构,导致样品表面陷阱能级变浅;水接触角升至140°左右,比未处理样品上升了约27°,表面电阻率降至3×1015 Ω,比未处理样品下降了两个数量级;表面电晕放电1 min后,经氮离子注入处理的聚四氟乙烯材料表面积聚电荷量减少,消散速度加快,这是因为表面陷阱能级变浅有利于表面电荷脱陷,同时表面电阻率降低也促进了表面电荷沿面传导的消散过程,聚四氟乙烯样品表面陷阱能级分布曲线也证实了这一论点。
金属表面镀高分子膜对真空击穿阈值的影响
胡祥刚, 苏建仓, 张瑜, 朱晓欣, 李小泽, 谭维兵, 张立刚
2020, 32: 075002. doi: 10.11884/HPLPB202032.190439
摘要:
探索提高金属表面真空击穿阈值的方法,对脉冲功率技术的发展和应用具有重要意义。在金属表面电子发射理论分析的基础上,采用有限元法计算阴极杆表面电场随二极管电压的变化规律,设计了实验系统,并开展了实验研究。实验对比了在脉宽约30 ns、阴极杆与阳极筒间隙12 mm时,钛合金TC4阴极杆在不同种类高分子膜(膜厚30~60 μm)下真空击穿阈值的变化情况。在表面粗糙度Rz(轮廓最大高度)为0.8 μm的TC4阴极杆表面分别镀环氧树脂膜和丙烯酸膜,实验结果表明,镀丙烯酸膜阴极杆的击穿阈值约505 kV/cm,相对于不镀膜阴极杆,击穿场强提高了约20.6%;在表面粗糙度Rz为0.2 μm的TC4阴极杆表面分别镀聚酰亚胺膜和聚醚醚酮膜,实验结果表明,镀聚酰亚胺膜阴极杆的击穿阈值为584 kV/cm,相对于不镀膜阴极杆,击穿场强提高了约28.1%。因此,在金属表面镀丙烯酸膜、聚酰亚胺膜可以有效提高金属表面的真空击穿阈值。
邻近电感互耦的准方波脉冲形成网络设计
王传伟, 李洪涛
2020, 32: 075003. doi: 10.11884/HPLPB202032.190429
摘要:
针对小型化紧凑型脉冲源的应用需求,开展了电感存在互耦的准方波脉冲形成网络设计技术研究。首先介绍了基于坐标轮换-直接搜索法的准方波脉冲形成网络优化技术研究,获得了网络元件的电感、电容值以及准方波的解析表达式;然后推导了邻近电感互耦网络的等效去耦电路解算方法,基于回溯法,最终给出了全网络各元件值的求解算法;最后分别针对等电容情形及规定电容的情形,求解给出了网络元件参数值。算例结果表明:电感存在互耦的准方波脉冲形成网络可获得较理想的准方波脉冲输出。基于互耦电感的巧妙设计,有利于实现紧凑型准方波脉冲形成网络的设计。
基于LCC-LC谐振变换器的高压储能电源研究
钱黎涛, 王德玉, 于建萍, 赵清林
2020, 32: 075004. doi: 10.11884/HPLPB202032.200074
摘要:
针对脉冲等离子体推力器(PPT)高压储能电容充电这一应用背景,研究了一种新型LCC-LC谐振变换器。该变换器在保留了LCC谐振网络基本特性的同时,引入了零增益点,使谐振变换器具有负载短路保护和缓启动功能,且相比于LCC谐振变换器的工作频率调整范围更窄,有利于磁集成和功率密度的提升。利用基波分析法和阻抗分析法分析了高阶LCC-LC谐振腔的特性,并基于此进行工作区间划分,确保LCC-LC谐振变换器宽负载范围内实现软开关;针对LCC-LC谐振变换器的高效运行,给出了一整套参数优化设计方法。最后,通过仿真和1 kW的原理样机实验数据,对所研究的变换器各项功能进行了验证。
基于NEPTUNE3D开展的脉冲功率装置汇流区三维PIC数值模拟
赵海龙, 董烨, 周海京, 王刚华, 王强
2020, 32: 075005. doi: 10.11884/HPLPB202032.200066
摘要:
大型脉冲功率装置真空汇流区的电子输运过程对于电流汇聚有重要的影响,在高性能计算集群的帮助下,使用NEPTUNE3D软件开展三维全电磁PIC模拟进行了研究,模拟区域(34 cm×34 cm×18 cm)包括双层柱-孔盘旋(DPHC)结构和部分内、外磁绝缘传输线等关键位置。计算结果清晰地展示了零磁位区分布和电子输运轨迹,电子主要由外磁绝缘传输线阴极表面发射,在洛伦兹力作用下向中心漂移并损失在零磁位区处;对电子能量沉积的统计结果表明,受电子流轰击最严重的位置在DPHC结构下层阳极柱表面,来自大型脉冲功率装置的实验结果证实了上述结论。根据计算结果,最大电流损失率(437 kA,27%)发生在电流传输的早期时刻(~15 ns),而电流峰值时刻损失率则仅有0.48%,此时磁绝缘已完全生效,表明DPHC结构在峰值电流的汇聚与传输上有很高的效率。
电枢膛内高速运动控制仿真与试验
王振春, 董宗豪, 鲍志勇, 张玉婷, 刘福才
2020, 32: 075006. doi: 10.11884/HPLPB202032.200020
摘要:
电磁轨道发射的过程中,电枢在膛内高速运动时会受到电磁力、电枢初始正压力、摩擦力、空气阻力、烧蚀阻力等多种因素影响,电枢的出口速度呈现出在一定范围内波动的特征。为了提高电枢的出口速度精度,针对膛内电枢与轨道摩擦不均衡性和烧蚀程度不确定的特性,综合考虑脉冲成形网络的电路模型与电枢的动力学特征,建立了电枢在膛内的运动开环控制仿真模型。通过仿真,得出了脉冲电源模块触发时刻与电枢出口速度之间的关系,提出了电枢出口速度闭环控制模型,探究了电枢出口速度控制可行方案。结果表明:应用闭环控制算法,可实现对电枢出口速度的精确控制。