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RSS2023年 35卷 第3期
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2023, 35: 033003.
doi: 10.11884/HPLPB202335.220324
2023, 35: 034004.
doi: 10.11884/HPLPB202335.220266
2023, 35: 035004.
doi: 10.11884/HPLPB202335.220214
2023, 35: 031001.
doi: 10.11884/HPLPB202335.220292
摘要:
通过实验和理论分析研究1064 nm激光不同输出功率对小鼠皮肤的热损伤规律。利用皮肤镜与光学相干断层成像（OCT）评估小鼠皮肤组织热损伤程度；参考Arrhenius热损伤方程进行理论分析，并与实验结果对比。结果显示，当激光连续辐照时间为400 ms时，激光输出功率密度小于958 W/cm2时，激光辐照处泛红；激光输出功率密度为958～1160 W/cm2时，损伤呈白色水疱状；激光输出功率密度为1160～1370 W/cm2时，损伤呈浅坑状焦黄斑，损伤斑周围伴一圈鼓起的白色皮肤水疱；激光的功率密度在1370～2190 W/cm2，损伤呈红色坑状斑，损伤斑周围伴黑黄色焦痂。
通过实验和理论分析研究1064 nm激光不同输出功率对小鼠皮肤的热损伤规律。利用皮肤镜与光学相干断层成像（OCT）评估小鼠皮肤组织热损伤程度；参考Arrhenius热损伤方程进行理论分析，并与实验结果对比。结果显示，当激光连续辐照时间为400 ms时，激光输出功率密度小于958 W/cm2时，激光辐照处泛红；激光输出功率密度为958～1160 W/cm2时，损伤呈白色水疱状；激光输出功率密度为1160～1370 W/cm2时，损伤呈浅坑状焦黄斑，损伤斑周围伴一圈鼓起的白色皮肤水疱；激光的功率密度在1370～2190 W/cm2，损伤呈红色坑状斑，损伤斑周围伴黑黄色焦痂。
2023, 35: 031002.
doi: 10.11884/HPLPB202335.220263
摘要:
采用有限元法仿真了微纳光纤中模式在镀膜前后的能量、电场及有效折射率变化，分析了HE11、TE01、HE21和TM01模式在微纳光纤中的传输特性以及与铂金膜的相互作用原理。采用缓冲氧化物刻蚀液制作了微纳光纤并用离子喷溅法镀铂金膜，得到直径为13.2 μm、铂金膜厚度为40 nm的微纳光纤器件，测试了其可饱和吸收特性，调制深度和饱和强度分别为0.57%和0.8 MW/cm2。制作了全光纤锁模激光器，锁模阈值为180 mW。锁模脉冲重复频率为17.93 MHz，脉冲宽度为103 ps，中心波长为1031.6 nm，半高宽约为3.5 nm。
采用有限元法仿真了微纳光纤中模式在镀膜前后的能量、电场及有效折射率变化，分析了HE11、TE01、HE21和TM01模式在微纳光纤中的传输特性以及与铂金膜的相互作用原理。采用缓冲氧化物刻蚀液制作了微纳光纤并用离子喷溅法镀铂金膜，得到直径为13.2 μm、铂金膜厚度为40 nm的微纳光纤器件，测试了其可饱和吸收特性，调制深度和饱和强度分别为0.57%和0.8 MW/cm2。制作了全光纤锁模激光器，锁模阈值为180 mW。锁模脉冲重复频率为17.93 MHz，脉冲宽度为103 ps，中心波长为1031.6 nm，半高宽约为3.5 nm。
2023, 35: 031003.
doi: 10.11884/HPLPB202335.220261
摘要:
高效、高平均功率固体纳秒脉冲激光器在光电对抗、激光雷达、材料改性、激光加工等诸多领域发挥着越来越重要的作用，然而目前大多数纳秒级高平均功率激光器采用Yb:YAG或掺Nd材料作为增益介质，材料的高饱和通量或低储能密度会导致激光器放大链路复杂，体积庞大。研究比较了一种更适合作为高平均功率、高脉冲能量激光器增益介质的无序石榴石晶体Yb:CNGG，研究了有源反射镜结构中Yb:CNGG的多程增益特性，分析了放大过程并建立了多程放大模型，在一定的泵浦条件下优化了晶体参数以实现更好的储能。开展了双程放大实验，在15 kW/cm2的泵浦功率密度下得到了1.53倍的增益。对比Yb:CNGG晶体与Yb:YAG晶体的多程放大能力，在相同的晶体参数和泵浦条件下，在入射能量1 mJ时Yb:CNGG可实现2.11 J的脉冲能量输出，优于Yb:YAG晶体1.41 J的能量输出。
高效、高平均功率固体纳秒脉冲激光器在光电对抗、激光雷达、材料改性、激光加工等诸多领域发挥着越来越重要的作用，然而目前大多数纳秒级高平均功率激光器采用Yb:YAG或掺Nd材料作为增益介质，材料的高饱和通量或低储能密度会导致激光器放大链路复杂，体积庞大。研究比较了一种更适合作为高平均功率、高脉冲能量激光器增益介质的无序石榴石晶体Yb:CNGG，研究了有源反射镜结构中Yb:CNGG的多程增益特性，分析了放大过程并建立了多程放大模型，在一定的泵浦条件下优化了晶体参数以实现更好的储能。开展了双程放大实验，在15 kW/cm2的泵浦功率密度下得到了1.53倍的增益。对比Yb:CNGG晶体与Yb:YAG晶体的多程放大能力，在相同的晶体参数和泵浦条件下，在入射能量1 mJ时Yb:CNGG可实现2.11 J的脉冲能量输出，优于Yb:YAG晶体1.41 J的能量输出。
2023, 35: 031004.
doi: 10.11884/HPLPB202335.220293
摘要:
为了研究复合结构掠入射板条放大器的热效应，采用在Nd:YVO4晶体抽运面上键合具有高热导率性能的蓝宝石的复合结构，并建立了相应的热力学模型，对激光介质的温度场分布、光程差（OPD）和热透镜效应进行了详细的理论分析，利用有限元分析软件COMSOL模拟了晶体内部的温度、应变、光程差（OPD）及热焦距的分布情况。结果表明，板条厚度为2 mm、键合层厚度1 mm、抽运功率60 W时，复合结构相对于单一结构最高温度下降了约50 K，晶体中的最大形变量降低超过了1/3，极大地降低了介质中的热效应。
为了研究复合结构掠入射板条放大器的热效应，采用在Nd:YVO4晶体抽运面上键合具有高热导率性能的蓝宝石的复合结构，并建立了相应的热力学模型，对激光介质的温度场分布、光程差（OPD）和热透镜效应进行了详细的理论分析，利用有限元分析软件COMSOL模拟了晶体内部的温度、应变、光程差（OPD）及热焦距的分布情况。结果表明，板条厚度为2 mm、键合层厚度1 mm、抽运功率60 W时，复合结构相对于单一结构最高温度下降了约50 K，晶体中的最大形变量降低超过了1/3，极大地降低了介质中的热效应。
2023, 35: 031005.
doi: 10.11884/HPLPB202335.220368
摘要:
2 μm低重复频率高峰值功率高光束质量激光在中长波光参量非线性频率变换等领域具有较为广阔的应用前景。采用L型谐振腔结构，使用42 W的掺Tm光纤激光器泵浦Ho: YLF晶体。基于磷酸钛氧铷（RTP）电光调Q技术，实现了重复频率50 Hz、脉冲宽度18 ns、脉冲能量13.5 mJ、峰值功率0.75 MW的2.05 μm Ho: YLF固体激光输出。光束的水平方向和竖直方向M2因子分别为1.4和1.1。该Ho: YLF固体激光器采用光纤激光器泵浦，具有结构紧凑的特点，为更高能量的Ho激光输出奠定了基础。
2 μm低重复频率高峰值功率高光束质量激光在中长波光参量非线性频率变换等领域具有较为广阔的应用前景。采用L型谐振腔结构，使用42 W的掺Tm光纤激光器泵浦Ho: YLF晶体。基于磷酸钛氧铷（RTP）电光调Q技术，实现了重复频率50 Hz、脉冲宽度18 ns、脉冲能量13.5 mJ、峰值功率0.75 MW的2.05 μm Ho: YLF固体激光输出。光束的水平方向和竖直方向M2因子分别为1.4和1.1。该Ho: YLF固体激光器采用光纤激光器泵浦，具有结构紧凑的特点，为更高能量的Ho激光输出奠定了基础。
2023, 35: 032001.
doi: 10.11884/HPLPB202335.220260
摘要:
连续位相板(CPP)经过透镜聚焦后，在焦平面上形成一个散斑场，散斑场的统计性质决定了CPP的束匀滑特性。当使用大数值孔径透镜聚焦后，傍轴近似不再成立，因此分析CPP焦斑特性时标量衍射理论不再适用。采用Richard-Wolf矢量衍射理论对强聚焦条件下的CPP焦斑进行了计算，在此基础上分析了矢量焦斑场的统计特性，讨论了焦斑的轮廓。结果表明，由于非近轴的原因，矢量分析得到的焦斑尺寸略大，且通过矢量分析后能够得到z轴方向的光场分量。散斑场的振幅分布满足瑞利分布特性，强度分布满足负指数分布特性，且矢量合成方向的光强分布会略微偏离负指数分布特性。
连续位相板(CPP)经过透镜聚焦后，在焦平面上形成一个散斑场，散斑场的统计性质决定了CPP的束匀滑特性。当使用大数值孔径透镜聚焦后，傍轴近似不再成立，因此分析CPP焦斑特性时标量衍射理论不再适用。采用Richard-Wolf矢量衍射理论对强聚焦条件下的CPP焦斑进行了计算，在此基础上分析了矢量焦斑场的统计特性，讨论了焦斑的轮廓。结果表明，由于非近轴的原因，矢量分析得到的焦斑尺寸略大，且通过矢量分析后能够得到z轴方向的光场分量。散斑场的振幅分布满足瑞利分布特性，强度分布满足负指数分布特性，且矢量合成方向的光强分布会略微偏离负指数分布特性。
2023, 35: 032002.
doi: 10.11884/HPLPB202335.220139
摘要:
具备高分辨能力（约5 μm）的Kirkpatrick-Baez（KB）显微镜大幅提升了芯部自发光诊断图像的空间分辨率，准确评估诊断不确定度有利于开展内爆对称性调谐，提高内爆性能。建立了针对KB显微镜的在线不确定度评估方法，详细分析了其在线背光照相实验中的图像分辨率和噪声，并对内爆物理实验中的芯部自发光数据进行了不确定度评估。结果显示，芯部自发光P2不确定度为6%，P4不对称性的不确定度为8%，满足了现阶段内爆物理实验的诊断需求。
具备高分辨能力（约5 μm）的Kirkpatrick-Baez（KB）显微镜大幅提升了芯部自发光诊断图像的空间分辨率，准确评估诊断不确定度有利于开展内爆对称性调谐，提高内爆性能。建立了针对KB显微镜的在线不确定度评估方法，详细分析了其在线背光照相实验中的图像分辨率和噪声，并对内爆物理实验中的芯部自发光数据进行了不确定度评估。结果显示，芯部自发光P2不确定度为6%，P4不对称性的不确定度为8%，满足了现阶段内爆物理实验的诊断需求。
2023, 35: 033001.
doi: 10.11884/HPLPB202335.220275
摘要:
针对高功率固态源多路功率分配技术的需要，设计并研究了一种基于同轴波导的多路功率分配器件。通过分析同轴波导传输特性与阻抗匹配理论，利用电磁仿真软件设计了一种S波段1分16功分器模型，并加工出实物进行实验测试。实验结果表明：该功分器在2.28～2.86 GHz，相对带宽约23%频率范围内，输入端反射系数S11≤−15 dB；在2.37～2.57 GHz，相对带宽约8.1%频率范围内，输入端反射系数S11≤−20 dB；输出幅度不平衡度±0.1 dB，相位不平衡度±5°。该功分器满足输出幅度与相位一致性要求，可应用于S波段百瓦级连续波功率分配。
针对高功率固态源多路功率分配技术的需要，设计并研究了一种基于同轴波导的多路功率分配器件。通过分析同轴波导传输特性与阻抗匹配理论，利用电磁仿真软件设计了一种S波段1分16功分器模型，并加工出实物进行实验测试。实验结果表明：该功分器在2.28～2.86 GHz，相对带宽约23%频率范围内，输入端反射系数S11≤−15 dB；在2.37～2.57 GHz，相对带宽约8.1%频率范围内，输入端反射系数S11≤−20 dB；输出幅度不平衡度±0.1 dB，相位不平衡度±5°。该功分器满足输出幅度与相位一致性要求，可应用于S波段百瓦级连续波功率分配。
2023, 35: 033002.
doi: 10.11884/HPLPB202335.220206
摘要:
为满足高功率微波系统功率容量和紧凑化需求，提出了一种新型波导双工器。选用过模波导进行设计以提高功率容量，引入三角形金属插片结构谐振腔设计滤波器并在其间引入波导弯头以实现紧凑化。采用微波网络方法对滤波器进行理论分析并设计了两个工作在X波段的滤波器，选择终端短路法确定T型结尺寸并组成双工器。利用电磁仿真软件建模优化和仿真模拟，并对实物进行测试。仿真与测试结果表明，该波导双工器单通道工作时的功率容量分别大于0.11 GW和0.12 GW，两个通道的传输效率分别大于83.9%和82.4%，通道间隔离度大于20 dB。此外还可以根据需求增加滤波器阶数和引入更多的波导弯头以提高空间利用率。
为满足高功率微波系统功率容量和紧凑化需求，提出了一种新型波导双工器。选用过模波导进行设计以提高功率容量，引入三角形金属插片结构谐振腔设计滤波器并在其间引入波导弯头以实现紧凑化。采用微波网络方法对滤波器进行理论分析并设计了两个工作在X波段的滤波器，选择终端短路法确定T型结尺寸并组成双工器。利用电磁仿真软件建模优化和仿真模拟，并对实物进行测试。仿真与测试结果表明，该波导双工器单通道工作时的功率容量分别大于0.11 GW和0.12 GW，两个通道的传输效率分别大于83.9%和82.4%，通道间隔离度大于20 dB。此外还可以根据需求增加滤波器阶数和引入更多的波导弯头以提高空间利用率。
2023, 35: 033003.
doi: 10.11884/HPLPB202335.220324
摘要:
微放电是制约航天器微波部件功率容量的主要瓶颈之一。以介质微波部件中典型的介质加载平行板波导为例，基于三维粒子模拟分别对仅考虑外加微波场（情况1）、考虑外加微波场和空间电荷（情况2）以及考虑外加微波场、空间电荷和介质表面电荷（情况3）三种情况下微放电演化过程中电子数目、瞬态二次电子发射系数、归一化反射波电压以及介质表面与上金属板之间的间隙电压随时间的变化进行了仿真，并给出了情况3电子分布和介质表面电荷密度随时间的变化过程。在此基础上，明确了空间电荷和介质表面电荷在微放电过程中所起的不同作用：即空间电荷会使微放电达到饱和状态，介质表面电荷则导致微放电饱和状态无法持续，最后自行熄灭。介质表面电荷导致了微放电过程中介质和金属瞬态二次电子发射系数下降速率不一致，归一化反射波电压幅度随时间变化的包络类似于“眼睛”形状、间隙电压类直流偏置、非对称电子能量分布等特殊现象。
微放电是制约航天器微波部件功率容量的主要瓶颈之一。以介质微波部件中典型的介质加载平行板波导为例，基于三维粒子模拟分别对仅考虑外加微波场（情况1）、考虑外加微波场和空间电荷（情况2）以及考虑外加微波场、空间电荷和介质表面电荷（情况3）三种情况下微放电演化过程中电子数目、瞬态二次电子发射系数、归一化反射波电压以及介质表面与上金属板之间的间隙电压随时间的变化进行了仿真，并给出了情况3电子分布和介质表面电荷密度随时间的变化过程。在此基础上，明确了空间电荷和介质表面电荷在微放电过程中所起的不同作用：即空间电荷会使微放电达到饱和状态，介质表面电荷则导致微放电饱和状态无法持续，最后自行熄灭。介质表面电荷导致了微放电过程中介质和金属瞬态二次电子发射系数下降速率不一致，归一化反射波电压幅度随时间变化的包络类似于“眼睛”形状、间隙电压类直流偏置、非对称电子能量分布等特殊现象。
2023, 35: 033004.
doi: 10.11884/HPLPB202335.220337
摘要:
研究设计了一种应用于手持式谐波雷达的三频段单极子天线。天线采用共面波导馈电，通过在单极子天线主辐射体加载L型辐射枝节、在接近主辐射体的接地平面开三角形切口的方法，使其谐振于2.4 GHz，4.8 GHz和7.2 GHz三个频段。同时，在距离天线10 mm处加载金属挡板，使天线辐射方向性增强，并能接收多个方向反射的电磁波。所实现的天线尺寸为54 mm×53 mm×1.6 mm，在三个工作频段上的带宽分别为0.51 GHz（2.35～2.86），1.39 GHz（4.17～5.56），1.46 GHz（6.17～7.63），能够有效覆盖谐波雷达全部的工作频段；由天线的峰值增益和辐射方向图可知，天线在工作频段内增益性能和整体辐射性能良好。
研究设计了一种应用于手持式谐波雷达的三频段单极子天线。天线采用共面波导馈电，通过在单极子天线主辐射体加载L型辐射枝节、在接近主辐射体的接地平面开三角形切口的方法，使其谐振于2.4 GHz，4.8 GHz和7.2 GHz三个频段。同时，在距离天线10 mm处加载金属挡板，使天线辐射方向性增强，并能接收多个方向反射的电磁波。所实现的天线尺寸为54 mm×53 mm×1.6 mm，在三个工作频段上的带宽分别为0.51 GHz（2.35～2.86），1.39 GHz（4.17～5.56），1.46 GHz（6.17～7.63），能够有效覆盖谐波雷达全部的工作频段；由天线的峰值增益和辐射方向图可知，天线在工作频段内增益性能和整体辐射性能良好。
2023, 35: 033005.
doi: 10.11884/HPLPB202335.220341
摘要:
高强度辐射场构建系统是对多种武器进行电磁辐照效应试验的关键装备，其要求在距天线一定距离的区域内产生高强度且尽量均匀分布的电磁场。本文设计了一款适用于该系统的X波段偏置卡塞格伦多模反射面天线。用反射面天线是为了获得尽可能高的增益，使期望区域内的场强尽可能大；用多模反射面理论实现了窄波束的平顶赋形，使期望区域内的场趋于均匀分布，区域外的场迅速减小。实测结果表明天线增益大于29.8 dB，3 dB波束宽度不小于4.6°，在此范围内方向图幅度起伏小于2 dB，平顶特性明显。此外，偏置的反射面天线还有馈源遮挡小、馈线损耗低和易于折叠收藏等优点，可以很好的应用于电磁环境模拟试验设备中。
高强度辐射场构建系统是对多种武器进行电磁辐照效应试验的关键装备，其要求在距天线一定距离的区域内产生高强度且尽量均匀分布的电磁场。本文设计了一款适用于该系统的X波段偏置卡塞格伦多模反射面天线。用反射面天线是为了获得尽可能高的增益，使期望区域内的场强尽可能大；用多模反射面理论实现了窄波束的平顶赋形，使期望区域内的场趋于均匀分布，区域外的场迅速减小。实测结果表明天线增益大于29.8 dB，3 dB波束宽度不小于4.6°，在此范围内方向图幅度起伏小于2 dB，平顶特性明显。此外，偏置的反射面天线还有馈源遮挡小、馈线损耗低和易于折叠收藏等优点，可以很好的应用于电磁环境模拟试验设备中。
2023, 35: 033006.
doi: 10.11884/HPLPB202335.220225
摘要:
随着抗干扰技术的不断发展和进步，以阻塞式和欺骗式干扰为代表的传统干扰技术面临挑战。为此，提出了一种基于低轨卫星的分布式超宽带电磁脉冲干扰技术，相比于传统干扰机，超宽带电磁脉冲干扰是一种新型电磁攻击体制。首先，理论推导了重频超宽带电磁脉冲的功率谱；其次，对分布式干扰技术可行性进行分析，并计算了基于低轨卫星平台的分布式干扰所需的发射功率；最后，开展了针对导航接收机低噪放的超宽带电磁脉冲效应实验，并利用STK(Satellite Tool Kit)设计了中低纬度下用于搭载超宽带电磁脉冲干扰机的低轨卫星星座布局。实验结果表明，UWB电磁脉冲可以使低噪声放大器出现暂时增益压缩现象，脉宽为0.7 ns的单脉冲可以使导航信号经过低噪声放大器后被压制近400 ns，重频形式下可以实现信号的完全压制。因此，基于低轨卫星的分布式超宽带电磁脉冲干扰体系可以有效增强干扰效果，有望实现目标区域的全覆盖。
随着抗干扰技术的不断发展和进步，以阻塞式和欺骗式干扰为代表的传统干扰技术面临挑战。为此，提出了一种基于低轨卫星的分布式超宽带电磁脉冲干扰技术，相比于传统干扰机，超宽带电磁脉冲干扰是一种新型电磁攻击体制。首先，理论推导了重频超宽带电磁脉冲的功率谱；其次，对分布式干扰技术可行性进行分析，并计算了基于低轨卫星平台的分布式干扰所需的发射功率；最后，开展了针对导航接收机低噪放的超宽带电磁脉冲效应实验，并利用STK(Satellite Tool Kit)设计了中低纬度下用于搭载超宽带电磁脉冲干扰机的低轨卫星星座布局。实验结果表明，UWB电磁脉冲可以使低噪声放大器出现暂时增益压缩现象，脉宽为0.7 ns的单脉冲可以使导航信号经过低噪声放大器后被压制近400 ns，重频形式下可以实现信号的完全压制。因此，基于低轨卫星的分布式超宽带电磁脉冲干扰体系可以有效增强干扰效果，有望实现目标区域的全覆盖。
2023, 35: 034001.
doi: 10.11884/HPLPB202335.220350
摘要:
深圳中能高重频X射线自由电子激光（S3FEL）将建设成为全球唯一软X射线波段的高重频自由电子激光。废束桶是S3FEL装置的重要设备，在系统调束中发挥着重要作用。废束桶束窗是废束桶的重要组成部件，用于隔离和保护加速器超高真空环境。本文对几种常用的废束桶束窗材料进行了对比分析，最终选择铍作为束窗的材料，并依此设计了一种带有水冷结构的束窗。通过蒙特卡罗方法计算得到不同厚度束窗的沉积功率，采用有限元分析方法对不同厚度的束窗进行热结构计算与分析，得到厚度为1.6 mm的水冷铍窗效果最佳，其最大温度为121.6 ℃，低真空为1 Pa时的最大应力与中心变形分别为198.7 MPa和0.00082 mm，低真空为101325 Pa时的最大应力与中心变形分别为204.2 MPa和0.097 mm，结果均满足使用要求。此研究为S3FEL的废束桶束窗设计提供了重要的理论依据。
深圳中能高重频X射线自由电子激光（S3FEL）将建设成为全球唯一软X射线波段的高重频自由电子激光。废束桶是S3FEL装置的重要设备，在系统调束中发挥着重要作用。废束桶束窗是废束桶的重要组成部件，用于隔离和保护加速器超高真空环境。本文对几种常用的废束桶束窗材料进行了对比分析，最终选择铍作为束窗的材料，并依此设计了一种带有水冷结构的束窗。通过蒙特卡罗方法计算得到不同厚度束窗的沉积功率，采用有限元分析方法对不同厚度的束窗进行热结构计算与分析，得到厚度为1.6 mm的水冷铍窗效果最佳，其最大温度为121.6 ℃，低真空为1 Pa时的最大应力与中心变形分别为198.7 MPa和0.00082 mm，低真空为101325 Pa时的最大应力与中心变形分别为204.2 MPa和0.097 mm，结果均满足使用要求。此研究为S3FEL的废束桶束窗设计提供了重要的理论依据。
2023, 35: 034002.
doi: 10.11884/HPLPB202335.220224
摘要:
从强流脉冲电子直线感应加速器电子束流位置探测器测量原理出发，进行了标定装置物理设计，确定标定装置采用同轴结构，对束流探测器位置测量精度和测量范围、偏心同轴线对位置标定结果的影响进行了理论分析，并根据分析结果确定同轴结构内外导体相对位置调节范围、同轴线长度和特性阻抗。电路模拟和实验测量结果验证了在非匹配传输条件下可以得到满足位置标定要求的快脉冲信号波形。
从强流脉冲电子直线感应加速器电子束流位置探测器测量原理出发，进行了标定装置物理设计，确定标定装置采用同轴结构，对束流探测器位置测量精度和测量范围、偏心同轴线对位置标定结果的影响进行了理论分析，并根据分析结果确定同轴结构内外导体相对位置调节范围、同轴线长度和特性阻抗。电路模拟和实验测量结果验证了在非匹配传输条件下可以得到满足位置标定要求的快脉冲信号波形。
2023, 35: 034003.
doi: 10.11884/HPLPB202335.220141
摘要:
针对切伦科夫辐射特点，采用厚度尽量小的石英薄片作为转换靶，并将电子束以切伦科夫辐射角入射转换靶的形式构成一种电子束发散角分布的测量布局，并基于焦平面成像原理，研制了相应的电子束发散角光学测量系统。在强流脉冲直线感应加速器上完成了装置研制和测试工作，显示了电子束发散角分布测量系统可以获得电子束一定方向上的散角分布概况，测量结果具有一定的可信度，具有装置结构简单、数据处理难度低及速度快等特点。
针对切伦科夫辐射特点，采用厚度尽量小的石英薄片作为转换靶，并将电子束以切伦科夫辐射角入射转换靶的形式构成一种电子束发散角分布的测量布局，并基于焦平面成像原理，研制了相应的电子束发散角光学测量系统。在强流脉冲直线感应加速器上完成了装置研制和测试工作，显示了电子束发散角分布测量系统可以获得电子束一定方向上的散角分布概况，测量结果具有一定的可信度，具有装置结构简单、数据处理难度低及速度快等特点。
2023, 35: 034004.
doi: 10.11884/HPLPB202335.220266
摘要:
中国散裂中子源是中国第一台、世界第四台脉冲型散裂中子源，其已于2020年2月达到100 kW功率的设计指标，运行稳定高效，供束效率位于国际前列。中国散裂中子源二期升级方案中总束流功率将升级到500 kW，其中直线加速器段将采用超导加速腔结构，束流能量由80 MeV提高到300 MeV。其中在80～165 MeV能量段采用324 MHz双spoke超导腔，在165～300 MeV能量段采用648 MHz 6-cell椭球超导腔。采用CST、COMSOL等仿真软件完成324 MHz双spoke超导腔的电磁、机械设计及优化，达到实际运行指标要求。为了提高腔运行的稳定性，在腔的设计中对EP/Eacc着重进行了优化，使其尽量降低。
中国散裂中子源是中国第一台、世界第四台脉冲型散裂中子源，其已于2020年2月达到100 kW功率的设计指标，运行稳定高效，供束效率位于国际前列。中国散裂中子源二期升级方案中总束流功率将升级到500 kW，其中直线加速器段将采用超导加速腔结构，束流能量由80 MeV提高到300 MeV。其中在80～165 MeV能量段采用324 MHz双spoke超导腔，在165～300 MeV能量段采用648 MHz 6-cell椭球超导腔。采用CST、COMSOL等仿真软件完成324 MHz双spoke超导腔的电磁、机械设计及优化，达到实际运行指标要求。为了提高腔运行的稳定性，在腔的设计中对EP/Eacc着重进行了优化，使其尽量降低。
2023, 35: 034005.
doi: 10.11884/HPLPB202335.220387
摘要:
针对宇航微波器件功率密度越来越大，空间电子可能诱发微波器件发生微放电的潜在威胁，通过设计特殊波导结构，利用电子枪提供的种子电子入射到特殊波导内，在波导内通入大功率微波信号，利用检波器和示波器分别检测透射波形和反射波形，观察微放电现象的持续过程；改变电子入射能量，观测到不同程度的微放电现象，该电子枪提供种子电子诱发波导微放电效应的实验方法为微波器件微放电效应研究提供了重要手段。
针对宇航微波器件功率密度越来越大，空间电子可能诱发微波器件发生微放电的潜在威胁，通过设计特殊波导结构，利用电子枪提供的种子电子入射到特殊波导内，在波导内通入大功率微波信号，利用检波器和示波器分别检测透射波形和反射波形，观察微放电现象的持续过程；改变电子入射能量，观测到不同程度的微放电现象，该电子枪提供种子电子诱发波导微放电效应的实验方法为微波器件微放电效应研究提供了重要手段。
2023, 35: 035001.
doi: 10.11884/HPLPB202335.220301
摘要:
针对紧凑型高功率脉冲驱动源的重复频率充电需求，开展了基于LC全桥串联谐振原理的恒流充电技术研究，并根据紧凑型Marx脉冲功率源的工作方式开展了电源关键参数设计，完成了一种正负双极性充电的紧凑型高压电源研制，实现20 ms内对单边等效负载电容为0.15 μF的双极性Marx驱动源充电至±45 kV，平均充电功率大于15.5 kW。该电源采用单个高频高压变压器实现了正负双极性高电压同步输出；采用变压器、整流电路、隔离保护电路、电压检测电路一体化绝缘封装设计，既减小了装置体积又降低了高压绝缘风险；通过隔离保护、电磁屏蔽等设计有效解决了Marx发生器放电过程中瞬时高压信号对电源控制系统的干扰和损伤。
针对紧凑型高功率脉冲驱动源的重复频率充电需求，开展了基于LC全桥串联谐振原理的恒流充电技术研究，并根据紧凑型Marx脉冲功率源的工作方式开展了电源关键参数设计，完成了一种正负双极性充电的紧凑型高压电源研制，实现20 ms内对单边等效负载电容为0.15 μF的双极性Marx驱动源充电至±45 kV，平均充电功率大于15.5 kW。该电源采用单个高频高压变压器实现了正负双极性高电压同步输出；采用变压器、整流电路、隔离保护电路、电压检测电路一体化绝缘封装设计，既减小了装置体积又降低了高压绝缘风险；通过隔离保护、电磁屏蔽等设计有效解决了Marx发生器放电过程中瞬时高压信号对电源控制系统的干扰和损伤。
2023, 35: 035002.
doi: 10.11884/HPLPB202335.220290
摘要:
伪火花开关是脉冲功率领域关键器件之一，具有脉冲电流大、电压范围宽、寿命长及可靠性高等优点。针对整机系统小型化发展的需要，开展新型小体积伪火花开关研制，创新性地将触发针引入空心阴极内部，实现辉光放电电子源注入，该设计减小伪火花开关的体积，并通过制管及实验验证设计合理性。测试结果表明，该产品的阳极工作电压范围为0.5～10 kV，最大阳极脉冲电流40 kA；在36 kA脉冲电流情况下，工作2万余次并未发现性能下降；该样品已通过高温、低温、温循、振动等可靠性试验考核。
伪火花开关是脉冲功率领域关键器件之一，具有脉冲电流大、电压范围宽、寿命长及可靠性高等优点。针对整机系统小型化发展的需要，开展新型小体积伪火花开关研制，创新性地将触发针引入空心阴极内部，实现辉光放电电子源注入，该设计减小伪火花开关的体积，并通过制管及实验验证设计合理性。测试结果表明，该产品的阳极工作电压范围为0.5～10 kV，最大阳极脉冲电流40 kA；在36 kA脉冲电流情况下，工作2万余次并未发现性能下降；该样品已通过高温、低温、温循、振动等可靠性试验考核。
2023, 35: 035003.
doi: 10.11884/HPLPB202335.220308
摘要:
研究纳秒脉冲下的绝缘子沿面闪络影响因素对电磁脉冲模拟装置绝缘结构设计具有重要的借鉴意义。通过搭建绝缘子沿面闪络实验平台，实验研究了在0.5 MPa的SF6气体中，脉冲电压波形、绝缘材料和绝缘子沿面场强分布对绝缘子沿面闪络电压的影响。结果表明：绝缘子的闪络电压具有随着脉冲前沿时间减小而增加的趋势；相较于脉冲电压全波，绝缘子在脉冲电压前沿波形耐受下闪络电压较高；聚酰亚胺材料的绝缘性能最好；通过降低绝缘子沿面最大场强，改善电场分布可以有效地提高绝缘子的闪络电压。
研究纳秒脉冲下的绝缘子沿面闪络影响因素对电磁脉冲模拟装置绝缘结构设计具有重要的借鉴意义。通过搭建绝缘子沿面闪络实验平台，实验研究了在0.5 MPa的SF6气体中，脉冲电压波形、绝缘材料和绝缘子沿面场强分布对绝缘子沿面闪络电压的影响。结果表明：绝缘子的闪络电压具有随着脉冲前沿时间减小而增加的趋势；相较于脉冲电压全波，绝缘子在脉冲电压前沿波形耐受下闪络电压较高；聚酰亚胺材料的绝缘性能最好；通过降低绝缘子沿面最大场强，改善电场分布可以有效地提高绝缘子的闪络电压。
2023, 35: 035004.
doi: 10.11884/HPLPB202335.220214
摘要:
针对在高压设备中因沿面闪络现象而发生绝缘失效的问题，对沿面闪络现象中的基础特性测量手段、影响因素及其发生机制等关键问题进行了归纳总结，介绍了目前关于沿面闪络观测手段及其影响因素研究的主要进展,并对沿面闪络过程的具体机制以及表面电荷在沿面闪络过程中扮演的作用进行讨论。其中，外在因素、电极-介质界面层因素以及真空-介质表面层因素等三大类因素在影响沿面闪络的同时也对表面电荷积聚消散造成影响，其具体机制各不相同。在沿面闪络的主流机制中，SEEA理论较完整地阐述了沿面闪络的起始过程，ETPR理论则对沿面闪络的发展过程有着更好的解释。此外，表面电荷为沿面闪络发生提供了必要电荷，其积累与消散行为对沿面闪络发展起着决定性作用。开发能够实现低二次电子发射系数与高表面电导的绝缘材料及表面改性技术将是该领域未来重点研究方向。
针对在高压设备中因沿面闪络现象而发生绝缘失效的问题，对沿面闪络现象中的基础特性测量手段、影响因素及其发生机制等关键问题进行了归纳总结，介绍了目前关于沿面闪络观测手段及其影响因素研究的主要进展,并对沿面闪络过程的具体机制以及表面电荷在沿面闪络过程中扮演的作用进行讨论。其中，外在因素、电极-介质界面层因素以及真空-介质表面层因素等三大类因素在影响沿面闪络的同时也对表面电荷积聚消散造成影响，其具体机制各不相同。在沿面闪络的主流机制中，SEEA理论较完整地阐述了沿面闪络的起始过程，ETPR理论则对沿面闪络的发展过程有着更好的解释。此外，表面电荷为沿面闪络发生提供了必要电荷，其积累与消散行为对沿面闪络发展起着决定性作用。开发能够实现低二次电子发射系数与高表面电导的绝缘材料及表面改性技术将是该领域未来重点研究方向。
2023, 35: 035005.
doi: 10.11884/HPLPB202335.220240
摘要:
水中脉冲放电过程较为复杂，放电参数与放电沉积能量之间没有明确的函数关系。为了获得最佳沉积能量，明晰不同放电参数相互作用对沉积能量的影响，获得最佳放电参数组合，本文搭建了水中高压脉冲放电实验平台，结合Kriging代理模型探究了电压、电极间距和电导率三种放电参数对水中放电沉积能量的影响；利用遗传算法进行全局寻优，确定了最佳放电参数组合。研究结果表明：通过交叉验证评估该模型的均方根误差为6.95%，满足精度要求；外加电压一定时，在电极间距和电导率的协同作用下，沉积能量的变化呈现多峰值特性；在电压、电极间距和电导率分别为17 kV、2.28 mm和0.8 mS/cm的条件下产生的沉积能量最大，为最佳参数组合；通过实验验证了在最佳点的预测值和实际值相对偏差在8%以内。
水中脉冲放电过程较为复杂，放电参数与放电沉积能量之间没有明确的函数关系。为了获得最佳沉积能量，明晰不同放电参数相互作用对沉积能量的影响，获得最佳放电参数组合，本文搭建了水中高压脉冲放电实验平台，结合Kriging代理模型探究了电压、电极间距和电导率三种放电参数对水中放电沉积能量的影响；利用遗传算法进行全局寻优，确定了最佳放电参数组合。研究结果表明：通过交叉验证评估该模型的均方根误差为6.95%，满足精度要求；外加电压一定时，在电极间距和电导率的协同作用下，沉积能量的变化呈现多峰值特性；在电压、电极间距和电导率分别为17 kV、2.28 mm和0.8 mS/cm的条件下产生的沉积能量最大，为最佳参数组合；通过实验验证了在最佳点的预测值和实际值相对偏差在8%以内。
2023, 35: 035006.
doi: 10.11884/HPLPB202335.220072
摘要:
针对全固态直线变压器驱动源（LTD）中大规模开关同步触发的需求，基于游标法和预相移技术设计了一种全新的双通道同步高分辨率数字时间转换器（DTC）。在原有游标DTC的基础上提前计算不同生成脉冲相位重合位置的关系，通过相位移动和相位检测使时钟信号提前满足相位关系，以实现同时触发多个不同宽度脉冲信号的目的。详细阐述了DTC的实现原理和电路设计模块，并对其进行了仿真和现场可编程门阵列（FPGA）实现，同时对实现结果进行测试、分析和讨论。在Xilinx ARTIX-7 FPGA开发板上实现了第一个脉冲信号的分辨率为0.85 ps，微分非线性（DNL）和积分非线性（INL）分别为−1.255～1.166 LSB和−7.33～7.05 LSB。 第二个脉冲信号分辨率为17.1131 ps， DNL和INL分别为−0.0987～0.105 LSB和−0.717～0.735 LSB, 且在0～80 ℃的环境温度中依旧可以保证DTC的性能。结果表明此DTC具有实现简单、成本低， 性能高效等优点。
针对全固态直线变压器驱动源（LTD）中大规模开关同步触发的需求，基于游标法和预相移技术设计了一种全新的双通道同步高分辨率数字时间转换器（DTC）。在原有游标DTC的基础上提前计算不同生成脉冲相位重合位置的关系，通过相位移动和相位检测使时钟信号提前满足相位关系，以实现同时触发多个不同宽度脉冲信号的目的。详细阐述了DTC的实现原理和电路设计模块，并对其进行了仿真和现场可编程门阵列（FPGA）实现，同时对实现结果进行测试、分析和讨论。在Xilinx ARTIX-7 FPGA开发板上实现了第一个脉冲信号的分辨率为0.85 ps，微分非线性（DNL）和积分非线性（INL）分别为−1.255～1.166 LSB和−7.33～7.05 LSB。 第二个脉冲信号分辨率为17.1131 ps， DNL和INL分别为−0.0987～0.105 LSB和−0.717～0.735 LSB, 且在0～80 ℃的环境温度中依旧可以保证DTC的性能。结果表明此DTC具有实现简单、成本低， 性能高效等优点。
2023, 35: 036001.
doi: 10.11884/HPLPB202335.220276
摘要:
基于开源SALOME平台，采用以体代面思想和栅元层次多叉树方法，开展蒙卡计算模型CAD反向转换及三维可视化研究。基于本文方法开发了CAD反转可视化程序模块SALOME-MC，模块可实现蒙卡计算模型几何建模、材料建模和三维可视化等功能。选取三种典型反应堆蒙卡计算模型对本文方法和程序进行测试验证，测试结果表明，本文方法和程序可妥善处理蒙卡计算模型的复杂几何体与大规模重复结构，并精准地实现蒙卡计算模型CAD三维反转可视化，证明SALOME-MC的蒙卡计算模型反转能力和可视化效果的正确性与可靠性，提高了蒙卡计算模型几何建模效率和展示度。
基于开源SALOME平台，采用以体代面思想和栅元层次多叉树方法，开展蒙卡计算模型CAD反向转换及三维可视化研究。基于本文方法开发了CAD反转可视化程序模块SALOME-MC，模块可实现蒙卡计算模型几何建模、材料建模和三维可视化等功能。选取三种典型反应堆蒙卡计算模型对本文方法和程序进行测试验证，测试结果表明，本文方法和程序可妥善处理蒙卡计算模型的复杂几何体与大规模重复结构，并精准地实现蒙卡计算模型CAD三维反转可视化，证明SALOME-MC的蒙卡计算模型反转能力和可视化效果的正确性与可靠性，提高了蒙卡计算模型几何建模效率和展示度。
