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RSS2015年 27卷 第08期
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2015, 27: 081001.
doi: 10.11884/HPLPB201527.081001
摘要:
分析了光纤熔接点处的菲涅尔散射光模型,得出熔接点散射光功率与输出光功率成线性关系的结论。利用该结论设计了kW级光纤激光器的振荡器、泵浦源输出功率检测装置,并安装在某kW级光纤激光器上进行了实验。通过建立线性估计函数,利用最小二乘法对光纤熔接点的散射光功率与光纤激光器的振荡器、泵浦源输出功率的关系进行了拟合。通过实验验证了熔接点散射功率与光纤输出功率的线性关系。实验表明利用熔接点散射光功率间接测量光纤激光器输出功率的方法线性度优于4%。
分析了光纤熔接点处的菲涅尔散射光模型,得出熔接点散射光功率与输出光功率成线性关系的结论。利用该结论设计了kW级光纤激光器的振荡器、泵浦源输出功率检测装置,并安装在某kW级光纤激光器上进行了实验。通过建立线性估计函数,利用最小二乘法对光纤熔接点的散射光功率与光纤激光器的振荡器、泵浦源输出功率的关系进行了拟合。通过实验验证了熔接点散射功率与光纤输出功率的线性关系。实验表明利用熔接点散射光功率间接测量光纤激光器输出功率的方法线性度优于4%。
2015, 27: 081002.
doi: 10.11884/HPLPB201527.081002
摘要:
为了研究气流条件下强激光对金属靶的熔蚀效应,采用有限体积方法建立了数值模型,并开发了三维Fortran计算程序。综合考虑强激光与材料耦合规律、光束能量空间分布、材料高温热物理性能以及熔蚀界面移动等关键影响因素,模拟了激光辐照下金属靶板升温、熔化和剥蚀的复杂物理过程。最后,将计算结果与试验数据进行了比较,验证了计算模型和程序的有效性。结果表明,计算模型能够反映强激光熔蚀金属平板的基本规律,熔蚀深度和后表面温度计算值与试验吻合较好,并且自编计算程序简单高效。
为了研究气流条件下强激光对金属靶的熔蚀效应,采用有限体积方法建立了数值模型,并开发了三维Fortran计算程序。综合考虑强激光与材料耦合规律、光束能量空间分布、材料高温热物理性能以及熔蚀界面移动等关键影响因素,模拟了激光辐照下金属靶板升温、熔化和剥蚀的复杂物理过程。最后,将计算结果与试验数据进行了比较,验证了计算模型和程序的有效性。结果表明,计算模型能够反映强激光熔蚀金属平板的基本规律,熔蚀深度和后表面温度计算值与试验吻合较好,并且自编计算程序简单高效。
2015, 27: 081003.
doi: 10.11884/HPLPB201527.081003
摘要:
为分析不同目标反射太阳光谱的特性，研究被动测距中抑制干扰目标的方法，利用高光谱成像光谱仪作为测量设备，200 W卤钨灯作为模拟探测目标，玻璃板、光滑铝板、塑料板作为干扰目标，对模拟目标发射光谱和干扰目标反射太阳光谱进行了实验采集与分析。实验采集了晴朗天气条件下干扰目标反射光谱及卤钨灯目标辐射光谱的信息，并对其氧气吸收率进行了计算，综合分析了镜面反射干扰目标、漫反射目标及背景反射光与卤钨灯发射光光谱的氧气吸收率差异，结果表明：在455 m处，镜面反射目标和漫反射目标反射光的氧气吸收率是卤钨灯的2~3倍。因此，在一定距离下可以利用氧气吸收率的差异设置阈值来对目标进行判别，提高探测概率。
为分析不同目标反射太阳光谱的特性，研究被动测距中抑制干扰目标的方法，利用高光谱成像光谱仪作为测量设备，200 W卤钨灯作为模拟探测目标，玻璃板、光滑铝板、塑料板作为干扰目标，对模拟目标发射光谱和干扰目标反射太阳光谱进行了实验采集与分析。实验采集了晴朗天气条件下干扰目标反射光谱及卤钨灯目标辐射光谱的信息，并对其氧气吸收率进行了计算，综合分析了镜面反射干扰目标、漫反射目标及背景反射光与卤钨灯发射光光谱的氧气吸收率差异，结果表明：在455 m处，镜面反射目标和漫反射目标反射光的氧气吸收率是卤钨灯的2~3倍。因此，在一定距离下可以利用氧气吸收率的差异设置阈值来对目标进行判别，提高探测概率。
2015, 27: 081004.
doi: 10.11884/HPLPB201527.081004
摘要:
根据角多路技术原理,提出了一种矩形阵列空间层叠形式的解码光路结构和先分组解码再组内解码的两步解码方式,并针对本实验室的高功率准分子激光系统给出了具体的解码光路设计实例。该方法具有解码精度高,设计误差小,与光路准直、激光参数测量系统等兼容性好,便于加工制作和安装调试等优点。
根据角多路技术原理,提出了一种矩形阵列空间层叠形式的解码光路结构和先分组解码再组内解码的两步解码方式,并针对本实验室的高功率准分子激光系统给出了具体的解码光路设计实例。该方法具有解码精度高,设计误差小,与光路准直、激光参数测量系统等兼容性好,便于加工制作和安装调试等优点。
2015, 27: 081005.
doi: 10.11884/HPLPB201527.081005
摘要:
在高功率准分子激光系统建设中，希望能获得较短的脉冲宽度和尽量多的激光能量。实验研究了不同注入水平下，脉冲时间间隔对脉冲链放大波形和放大器提取效率的影响；基于四能级速率方程和准分子反应动力学建立了准分子激光放大模型，计算了多种注入方式下种子光的放大过程，对关键参数给出了量化描述，得到与实验相符的计算结果。研究结果显示:脉冲序列间隔为9.3 ns时，可获得约95%的连续注入情形下放大能量；对该准分子激光系统来讲，9.3 ns是比较合适的脉冲间隔。
在高功率准分子激光系统建设中，希望能获得较短的脉冲宽度和尽量多的激光能量。实验研究了不同注入水平下，脉冲时间间隔对脉冲链放大波形和放大器提取效率的影响；基于四能级速率方程和准分子反应动力学建立了准分子激光放大模型，计算了多种注入方式下种子光的放大过程，对关键参数给出了量化描述，得到与实验相符的计算结果。研究结果显示:脉冲序列间隔为9.3 ns时，可获得约95%的连续注入情形下放大能量；对该准分子激光系统来讲，9.3 ns是比较合适的脉冲间隔。
2015, 27: 081006.
doi: 10.11884/HPLPB201527.081006
摘要:
利用一维流体模型研究了放电泵浦ArF准分子激光动力学过程，得到气体放电过程中放电电路的电流电压波形，得到了电子密度、光子密度、电场的时空分布特性，分析了放电参数对激光输出的影响。结果表明，电路参数、工作气压、氟气比例均对激光输出有显著影响，放电电路中的电感值对输出影响较小，参数范围较广，而电路中较小的峰化电容值有利于获得长脉冲输出，气压太大或太小都会使输出能量降低，同样，氟气比例太大或太小也会使输出能量降低。
利用一维流体模型研究了放电泵浦ArF准分子激光动力学过程，得到气体放电过程中放电电路的电流电压波形，得到了电子密度、光子密度、电场的时空分布特性，分析了放电参数对激光输出的影响。结果表明，电路参数、工作气压、氟气比例均对激光输出有显著影响，放电电路中的电感值对输出影响较小，参数范围较广，而电路中较小的峰化电容值有利于获得长脉冲输出，气压太大或太小都会使输出能量降低，同样，氟气比例太大或太小也会使输出能量降低。
2015, 27: 081007.
doi: 10.11884/HPLPB201527.081007
摘要:
硒化镉是一种可用于X射线全光分幅相机和全光条纹相机的重要探测材料。用基于相位物体的泵浦探测方式，研究了硒化镉在1030 nm波长，飞秒脉冲下的载流子超快动力学和非线性光学特性。得到了双光子吸收系数、载流子吸收截面、载流子复合时间等参数。实验表明，硒化镉载流子的动力学和非线性特性是由束缚电子和载流子共同决定的。束缚电子的克尔效应和双光子激发都是瞬态的，而载流子复合持续了较长时间。这些参数和载流子图像的的获得，为X射线超快探测器件的设计和改进提供了参考。
硒化镉是一种可用于X射线全光分幅相机和全光条纹相机的重要探测材料。用基于相位物体的泵浦探测方式，研究了硒化镉在1030 nm波长，飞秒脉冲下的载流子超快动力学和非线性光学特性。得到了双光子吸收系数、载流子吸收截面、载流子复合时间等参数。实验表明，硒化镉载流子的动力学和非线性特性是由束缚电子和载流子共同决定的。束缚电子的克尔效应和双光子激发都是瞬态的，而载流子复合持续了较长时间。这些参数和载流子图像的的获得，为X射线超快探测器件的设计和改进提供了参考。
2015, 27: 081008.
doi: 10.11884/HPLPB201527.081008
摘要:
提出一种新颖的单片集成双微环耦合的双波长半导体激光器结构。集成于激光腔内的2个微环谐振腔作为模式选择滤波器，通过游标效应选择谐振模式，同时还可作为等效的反射镜面以形成行波腔。这种无需解理的行波激光腔代替了需要解理面的法布里-珀罗驻波腔。理论仿真表明，跟驻波腔结构相比，行波腔双微环激光器结构简单，可获得约34 mA的较低的阈值电流和大于31 dB的边模抑制比。合理地控制有源区的增益峰值和谐振模式分布，该激光器能提供一致性和稳定性较好的双波长激光输出。
提出一种新颖的单片集成双微环耦合的双波长半导体激光器结构。集成于激光腔内的2个微环谐振腔作为模式选择滤波器，通过游标效应选择谐振模式，同时还可作为等效的反射镜面以形成行波腔。这种无需解理的行波激光腔代替了需要解理面的法布里-珀罗驻波腔。理论仿真表明，跟驻波腔结构相比，行波腔双微环激光器结构简单，可获得约34 mA的较低的阈值电流和大于31 dB的边模抑制比。合理地控制有源区的增益峰值和谐振模式分布，该激光器能提供一致性和稳定性较好的双波长激光输出。
2015, 27: 081009.
doi: 10.11884/HPLPB201527.081009
摘要:
通过化学气相沉积法制备，并转移到基片得到1~3层石墨烯样品。利用霍尔效应及微区拉曼光谱测量，结合光学显微镜观察，分析了不同层数石墨烯在1064 nm纳秒激光辐照下的损伤特性。实验发现1~3层石墨烯的激光损伤阈值依次降低，分别为：单层0.45 J/cm2，2层0.34 J/cm2，3层0.23 J/cm2。激光强度超过阈值时，石墨烯薄膜电阻增大，载流子迁移率降低。通过光学显微镜观察发现局部区域破损，破损区域的拉曼光谱中1580 cm-1左右的G峰和2700 cm-1左右的2D峰高度比发生变化。实验结果表明1064 nm纳秒激光辐照石墨烯主要为剥离作用。
通过化学气相沉积法制备，并转移到基片得到1~3层石墨烯样品。利用霍尔效应及微区拉曼光谱测量，结合光学显微镜观察，分析了不同层数石墨烯在1064 nm纳秒激光辐照下的损伤特性。实验发现1~3层石墨烯的激光损伤阈值依次降低，分别为：单层0.45 J/cm2，2层0.34 J/cm2，3层0.23 J/cm2。激光强度超过阈值时，石墨烯薄膜电阻增大，载流子迁移率降低。通过光学显微镜观察发现局部区域破损，破损区域的拉曼光谱中1580 cm-1左右的G峰和2700 cm-1左右的2D峰高度比发生变化。实验结果表明1064 nm纳秒激光辐照石墨烯主要为剥离作用。
2015, 27: 081010.
doi: 10.11884/HPLPB201527.081010
摘要:
基于Al2O3陶瓷、BN陶瓷和聚四氟乙烯三种基底建立了分段表面放电光泵浦源，对比研究了这三种表面放电光泵浦源的电学特性、辐射特性和烧蚀特性。利用放电波形计算了表面放电光泵浦源的等效电感、等效电阻和沉积效率，应用光谱法比较了它们的紫外辐射强度，并采用平均线烧蚀率评估了三种泵浦源的耐烧蚀性能。通过比较研究发现，在充电电压为13.5～26.8 kV、间隙长度为8 cm、放电室内混合气体气压为100 kPa条件下，三种泵浦源中 Al2O3陶瓷表面放电光泵浦源的沉积效率最高，大于82%；辐射光谱具有紫外增强效应，紫外辐射最强；平均线烧蚀率最小(小于0.15 m/shot)，耐烧蚀性能最好。研究结果表明采用Al2O3陶瓷表面放电光泵浦源作为大功率重频XeF蓝绿激光器的泵浦源，可提高XeF蓝绿激光器的寿命。
基于Al2O3陶瓷、BN陶瓷和聚四氟乙烯三种基底建立了分段表面放电光泵浦源，对比研究了这三种表面放电光泵浦源的电学特性、辐射特性和烧蚀特性。利用放电波形计算了表面放电光泵浦源的等效电感、等效电阻和沉积效率，应用光谱法比较了它们的紫外辐射强度，并采用平均线烧蚀率评估了三种泵浦源的耐烧蚀性能。通过比较研究发现，在充电电压为13.5～26.8 kV、间隙长度为8 cm、放电室内混合气体气压为100 kPa条件下，三种泵浦源中 Al2O3陶瓷表面放电光泵浦源的沉积效率最高，大于82%；辐射光谱具有紫外增强效应，紫外辐射最强；平均线烧蚀率最小(小于0.15 m/shot)，耐烧蚀性能最好。研究结果表明采用Al2O3陶瓷表面放电光泵浦源作为大功率重频XeF蓝绿激光器的泵浦源，可提高XeF蓝绿激光器的寿命。
2015, 27: 081011.
doi: 10.11884/HPLPB201527.081011
摘要:
介质的三阶非线性性质会引起光场的非线性相移，而这类介质中当光强及介质的特性参数满足一定条件时，可以使光场的演化进入混沌的状态。从麦克斯韦方程组出发，推导了基于介质三阶非线性效应的麦克斯韦-布洛赫方程，并将其转化为归一化的洛伦兹方程形式。利用此方程，数值模拟了光场稳态及混沌态的演化过程。研究结果表明，三阶非线性介质中光场的演化可以进入混沌状态，这种状态对于控制材料中如自聚焦等有害的三阶非线性效应是不利的。
介质的三阶非线性性质会引起光场的非线性相移，而这类介质中当光强及介质的特性参数满足一定条件时，可以使光场的演化进入混沌的状态。从麦克斯韦方程组出发，推导了基于介质三阶非线性效应的麦克斯韦-布洛赫方程，并将其转化为归一化的洛伦兹方程形式。利用此方程，数值模拟了光场稳态及混沌态的演化过程。研究结果表明，三阶非线性介质中光场的演化可以进入混沌状态，这种状态对于控制材料中如自聚焦等有害的三阶非线性效应是不利的。
2015, 27: 082001.
doi: 10.11884/HPLPB201527.082001
摘要:
提出通过离子-电子非平衡物理模型来降低惯性约束聚变中心热斑点火的聚变点火条件。在该物理模型中，强调离子比电子具备更高的温度，从而使得热斑的热核聚变反应增强，轫致辐射和电子热传导造成的能量漏失相对降低。通过对中心热斑的自加热分析和热斑燃烧动力学分析，发现相对于平衡聚变点火模型，非平衡模型可以显著扩大聚变点火区在热斑面密度和热斑温度空间的范围。同时采用LARED-S程序的数值模拟，研究了通过尖峰脉冲波形、二次冲击物理机制强化中心热斑聚变点火的非平衡性。
提出通过离子-电子非平衡物理模型来降低惯性约束聚变中心热斑点火的聚变点火条件。在该物理模型中，强调离子比电子具备更高的温度，从而使得热斑的热核聚变反应增强，轫致辐射和电子热传导造成的能量漏失相对降低。通过对中心热斑的自加热分析和热斑燃烧动力学分析，发现相对于平衡聚变点火模型，非平衡模型可以显著扩大聚变点火区在热斑面密度和热斑温度空间的范围。同时采用LARED-S程序的数值模拟，研究了通过尖峰脉冲波形、二次冲击物理机制强化中心热斑聚变点火的非平衡性。
2015, 27: 082002.
doi: 10.11884/HPLPB201527.082002
摘要:
针对原子氧地面模拟设备需要通过电流源形成磁镜效应对其发射度进行约束，以及用于原子氧参数测试仪器校准，研制了一款基于运算放大器的精密压控恒流源。为了防止恒流源的供电电源纹波对电路性能的影响，又配套研制一款开关电源滤波器。最后测试表明：开关电源滤波器能有效减少电源噪声，+15 V电源的纹波系数降到万分之一，恒流源输出电流10 pA～1 A,精度500 fA，其稳定和负载稳定性优异。
针对原子氧地面模拟设备需要通过电流源形成磁镜效应对其发射度进行约束，以及用于原子氧参数测试仪器校准，研制了一款基于运算放大器的精密压控恒流源。为了防止恒流源的供电电源纹波对电路性能的影响，又配套研制一款开关电源滤波器。最后测试表明：开关电源滤波器能有效减少电源噪声，+15 V电源的纹波系数降到万分之一，恒流源输出电流10 pA～1 A,精度500 fA，其稳定和负载稳定性优异。
2015, 27: 082003.
doi: 10.11884/HPLPB201527.082003
摘要:
为了提升X射线条纹相机阴极性能，提出了一种X射线条纹相机阴极的制作方法，采用此方法制作的阴极衬底薄膜使用聚碳酸酯作为原材料，厚度仅为300 nm，可较大程度降低对X射线的C吸收边效应，对提升阴极性能具有较大益处。利用北京同步辐射光源（BSRF）对制作的Au阴极和CsI阴极进行了绝对标定，给出了两种阴极在60~5500 eV能区范围内的绝对谱响应灵敏度，标定结果表明CsI阴极在60~5500 eV整个能区范围内都具有较高的谱响应灵敏度，即使在C吸收边位置谱响应灵敏度也只降低了约90%，表明阴极性能得到较大提升。
为了提升X射线条纹相机阴极性能，提出了一种X射线条纹相机阴极的制作方法，采用此方法制作的阴极衬底薄膜使用聚碳酸酯作为原材料，厚度仅为300 nm，可较大程度降低对X射线的C吸收边效应，对提升阴极性能具有较大益处。利用北京同步辐射光源（BSRF）对制作的Au阴极和CsI阴极进行了绝对标定，给出了两种阴极在60~5500 eV能区范围内的绝对谱响应灵敏度，标定结果表明CsI阴极在60~5500 eV整个能区范围内都具有较高的谱响应灵敏度，即使在C吸收边位置谱响应灵敏度也只降低了约90%，表明阴极性能得到较大提升。
2015, 27: 082004.
doi: 10.11884/HPLPB201527.082004
摘要:
采用冷拉拔技术制备超细Ni80Cr20合金丝，探索了电化学法烧头和超景深显微镜辅助穿模方法，开展了直径25.60 m的超细丝拉拔至21.14 m的烧头和穿模工艺研究。实验结果表明：采用电解电压为5 V,0.2 mol/L的HCl溶液，烧头时间为1 s，超景深显微镜200倍放大模式，成功拉制直径为21.14 m的微丝；电化学法可以精确控制烧头电压和时间，同时超景深显微镜可以放大金刚石模具孔径，解决了烧头时间控制不准确和人工穿模的难题，显著提高了穿模效率和成功率。
采用冷拉拔技术制备超细Ni80Cr20合金丝，探索了电化学法烧头和超景深显微镜辅助穿模方法，开展了直径25.60 m的超细丝拉拔至21.14 m的烧头和穿模工艺研究。实验结果表明：采用电解电压为5 V,0.2 mol/L的HCl溶液，烧头时间为1 s，超景深显微镜200倍放大模式，成功拉制直径为21.14 m的微丝；电化学法可以精确控制烧头电压和时间，同时超景深显微镜可以放大金刚石模具孔径，解决了烧头时间控制不准确和人工穿模的难题，显著提高了穿模效率和成功率。
2015, 27: 082006.
doi: 10.11884/HPLPB201527.082006
摘要:
为了获得大面积自支撑的高效率X射线光电转换材料，通过化学气相沉积和热蒸发镀膜工艺，制备出了大面积自支撑的CsI/PC膜，其中PC（聚碳酸酯）膜厚度为300 nm，CsI膜厚度在100 nm到1 m。通过扫描电镜、X射线衍射仪研究了镀膜速度和受潮对样品表面形貌结构的影响。利用MANSON光源的X射线对不同沉积速率和受潮程度的样品的X射线转换效率进行了研究。在北京同步辐射装置标定了样品X射线光电转换效率，其响应灵敏度峰值大于3000 A/W；将样品作为X射线光电阴极应用在X射线条纹相机上，在神光Ⅲ主机平台上获得了清晰的X射线图像。
为了获得大面积自支撑的高效率X射线光电转换材料，通过化学气相沉积和热蒸发镀膜工艺，制备出了大面积自支撑的CsI/PC膜，其中PC（聚碳酸酯）膜厚度为300 nm，CsI膜厚度在100 nm到1 m。通过扫描电镜、X射线衍射仪研究了镀膜速度和受潮对样品表面形貌结构的影响。利用MANSON光源的X射线对不同沉积速率和受潮程度的样品的X射线转换效率进行了研究。在北京同步辐射装置标定了样品X射线光电转换效率，其响应灵敏度峰值大于3000 A/W；将样品作为X射线光电阴极应用在X射线条纹相机上，在神光Ⅲ主机平台上获得了清晰的X射线图像。
2015, 27: 082007.
doi: 10.11884/HPLPB201527.082007
摘要:
在神光Ⅲ原型装置上利用八路6400 J/1 ns激光注入1100 m1850 m的黑腔内产生210 eV的高温辐射场，均匀辐照填充氘氘燃料的靶丸实现内爆。实验中选择高气压薄壳靶丸实现纯冲击波聚心内爆。通过闪烁体探测器、中子条纹相机等多套诊断设备获取了中子产额、聚变反应时刻等关键内爆参数。结合一维数值模拟表明，实验测量的中子产额与干净一维数值模拟计算的中子产额之比达到90%；同时通过人为破坏内爆对称性等方式表明，该设计下内爆中子产生机制集中于冲击波聚心，其内爆性能受到高维因素影响极低，从而实现了准一维内爆。
在神光Ⅲ原型装置上利用八路6400 J/1 ns激光注入1100 m1850 m的黑腔内产生210 eV的高温辐射场，均匀辐照填充氘氘燃料的靶丸实现内爆。实验中选择高气压薄壳靶丸实现纯冲击波聚心内爆。通过闪烁体探测器、中子条纹相机等多套诊断设备获取了中子产额、聚变反应时刻等关键内爆参数。结合一维数值模拟表明，实验测量的中子产额与干净一维数值模拟计算的中子产额之比达到90%；同时通过人为破坏内爆对称性等方式表明，该设计下内爆中子产生机制集中于冲击波聚心，其内爆性能受到高维因素影响极低，从而实现了准一维内爆。
2015, 27: 082005.
doi: 10.11884/HPLPB201527.082005
摘要:
针对非球面光学元件连续变曲率的特点，提出了一种基于平面抛光斑演变获取非球面磁流变抛光去除函数的技术思路。通过分析磁流变抛光机理，建立了磁流变抛光多因素耦合作用模型。基于该模型提出磁流变抛光去除函数获取的微分解耦方法，实现对抛光斑形成机制中的几何因素解耦，发现当工艺条件变化较小时，在空间中的特定点处，去除效率的变化量与工件浸入深度的改变量呈线性关系。实验观测的20个点中，有17处决定系数在90%以上，另外3处在80%以上，峰值去除率和体积去除率演变的决定系数分别达到92%和94%，实验验证了这一结论。
针对非球面光学元件连续变曲率的特点，提出了一种基于平面抛光斑演变获取非球面磁流变抛光去除函数的技术思路。通过分析磁流变抛光机理，建立了磁流变抛光多因素耦合作用模型。基于该模型提出磁流变抛光去除函数获取的微分解耦方法，实现对抛光斑形成机制中的几何因素解耦，发现当工艺条件变化较小时，在空间中的特定点处，去除效率的变化量与工件浸入深度的改变量呈线性关系。实验观测的20个点中，有17处决定系数在90%以上，另外3处在80%以上，峰值去除率和体积去除率演变的决定系数分别达到92%和94%，实验验证了这一结论。
2015, 27: 083001.
doi: 10.11884/HPLPB201527.083001
摘要:
给出了模拟交叉耦合磁饱和非线性传输线的数值模拟方法,算法基于传输线各节点的时域差分方程组进行步进迭代,其中利用J-A模型描述传输线中铁氧体磁芯的非线性磁化行为。根据节点电路方程推导了非线性传输线色散关系,设计了输出频率为300 MHz的交叉耦合磁饱和非线性传输线,利用本数值模拟方法对交叉耦合磁饱和非线性传输线的物理过程进行了分析,在充电电压达到30 kV时获得了频率303 MHz、峰峰值不小于40 kV的高压射频脉冲输出。
给出了模拟交叉耦合磁饱和非线性传输线的数值模拟方法,算法基于传输线各节点的时域差分方程组进行步进迭代,其中利用J-A模型描述传输线中铁氧体磁芯的非线性磁化行为。根据节点电路方程推导了非线性传输线色散关系,设计了输出频率为300 MHz的交叉耦合磁饱和非线性传输线,利用本数值模拟方法对交叉耦合磁饱和非线性传输线的物理过程进行了分析,在充电电压达到30 kV时获得了频率303 MHz、峰峰值不小于40 kV的高压射频脉冲输出。
2015, 27: 083002.
doi: 10.11884/HPLPB201527.083002
摘要:
针对多台高功率微波源组阵进行功率合成时相位离散分布的问题，基于数理统计方法对合成阵元相位误差呈正态分布情况下阵列合成效率进行了理论分析，提出了相位误差有界分布下其概率密度函数的表达式，修正了相位分布标准差较大时微波功率合成效率的理论计算公式。为验证修正后的理论公式正确性，使用数值模拟方法计算了合成阵列天线阵元激励信号相位误差呈正态分布下的空间功率合成效率，计算结果表明，数值模拟结果与理论分析给出的计算结果吻合得较好，修正后空间功率合成效率公式的预估精度得到有效提高。
针对多台高功率微波源组阵进行功率合成时相位离散分布的问题，基于数理统计方法对合成阵元相位误差呈正态分布情况下阵列合成效率进行了理论分析，提出了相位误差有界分布下其概率密度函数的表达式，修正了相位分布标准差较大时微波功率合成效率的理论计算公式。为验证修正后的理论公式正确性，使用数值模拟方法计算了合成阵列天线阵元激励信号相位误差呈正态分布下的空间功率合成效率，计算结果表明，数值模拟结果与理论分析给出的计算结果吻合得较好，修正后空间功率合成效率公式的预估精度得到有效提高。
2015, 27: 083003.
doi: 10.11884/HPLPB201527.083003
摘要:
利用模式匹配法建立了分析波纹参数具有随机误差的矩形槽同轴布拉格结构反射特性的理论模型，并以一个以基模（TEM）工作于220 GHz附近的矩形槽同轴布拉格结构为例，研究了矩形凹槽的深度、宽度、周期长度以及位置的随机误差对其反射率频率响应的影响。数值模拟结果表明：在给定的误差范围条件下，凹槽宽度与位置的随机误差对该结构的反射性能影响较小，而凹槽深度与周期长度的随机误差是影响结构反射特性的主要因素，因此在结构的加工制备过程中应视器件性能要求严格控制两者的制造公差。
利用模式匹配法建立了分析波纹参数具有随机误差的矩形槽同轴布拉格结构反射特性的理论模型，并以一个以基模（TEM）工作于220 GHz附近的矩形槽同轴布拉格结构为例，研究了矩形凹槽的深度、宽度、周期长度以及位置的随机误差对其反射率频率响应的影响。数值模拟结果表明：在给定的误差范围条件下，凹槽宽度与位置的随机误差对该结构的反射性能影响较小，而凹槽深度与周期长度的随机误差是影响结构反射特性的主要因素，因此在结构的加工制备过程中应视器件性能要求严格控制两者的制造公差。
2015, 27: 083004.
doi: 10.11884/HPLPB201527.083004
摘要:
理论分析和仿真研究了重频超宽带脉冲对低噪声放大器（LNA）的干扰特征，给出了高斯脉冲幅度、脉宽及重频等参数对LNA干扰效果的规律，对工作于40~80 MHz频段的接收机LNA开展了相关验证实验。结果表明：干扰特征主要由LNA工作频带和脉冲参数决定；不同脉冲参数对干扰的效果影响不同，脉冲幅值的影响最显著；在验证实验研究的参数范围内，增大高斯脉冲幅度、脉宽和重频均有利于增强对LNA的干扰效果。
理论分析和仿真研究了重频超宽带脉冲对低噪声放大器（LNA）的干扰特征，给出了高斯脉冲幅度、脉宽及重频等参数对LNA干扰效果的规律，对工作于40~80 MHz频段的接收机LNA开展了相关验证实验。结果表明：干扰特征主要由LNA工作频带和脉冲参数决定；不同脉冲参数对干扰的效果影响不同，脉冲幅值的影响最显著；在验证实验研究的参数范围内，增大高斯脉冲幅度、脉宽和重频均有利于增强对LNA的干扰效果。
2015, 27: 083005.
doi: 10.11884/HPLPB201527.083005
摘要:
提出并研究了一种带状电子注矩形单栅返波振荡器。首先研究了矩形单栅慢波结构的色散特性和耦合阻抗特性，然后粒子模拟并优化设计了带状注矩形单栅高频结构，预群聚腔及输出一体化结构。研究结果表明：利用电压200 kV、电压2 kA、截面为24 mm0.5 mm的带状电子注，驱动该矩形单栅返波振荡器，能够产生42 MW的输出功率，工作频率86 GHz，效率为10.5%。
提出并研究了一种带状电子注矩形单栅返波振荡器。首先研究了矩形单栅慢波结构的色散特性和耦合阻抗特性，然后粒子模拟并优化设计了带状注矩形单栅高频结构，预群聚腔及输出一体化结构。研究结果表明：利用电压200 kV、电压2 kA、截面为24 mm0.5 mm的带状电子注，驱动该矩形单栅返波振荡器，能够产生42 MW的输出功率，工作频率86 GHz，效率为10.5%。
2015, 27: 083006.
doi: 10.11884/HPLPB201527.083006
摘要:
利用两次傅里叶变换得到半空间界面的反射波后，将直接入射波和界面反射波两个时域脉冲源通过等效原理引入到包含目标的时域有限差分（FDTD）的计算域中。计算了高功率微波入射情形下，改变入射面、极化方式时天线罩内部观察点的能流密度的变化，并总结其规律。数值算例表明，对于贴近地面的目标来讲，半空间的反射波会给目标内部带来新的能量冲击。该方法可以用于计算目标内部耦合近场及功率密度。
利用两次傅里叶变换得到半空间界面的反射波后，将直接入射波和界面反射波两个时域脉冲源通过等效原理引入到包含目标的时域有限差分（FDTD）的计算域中。计算了高功率微波入射情形下，改变入射面、极化方式时天线罩内部观察点的能流密度的变化，并总结其规律。数值算例表明，对于贴近地面的目标来讲，半空间的反射波会给目标内部带来新的能量冲击。该方法可以用于计算目标内部耦合近场及功率密度。
2015, 27: 083007.
doi: 10.11884/HPLPB201527.083007
摘要:
利用三维粒子仿真软件，对工作在Ka波段的带状注相对论扩展互作用振荡器进行了模拟仿真设计。采用宽高比为30∶1的带状电子束以降低空间电荷效应，选择多间隙耦合腔为高频结构以增加器件功率容量，在电子束电压为400 kV、束流为2 kA、轴向引导磁感应强度为1 T的情况下，器件输出微波功率为240 MW，频率为30 GHz，效率为30%。
利用三维粒子仿真软件，对工作在Ka波段的带状注相对论扩展互作用振荡器进行了模拟仿真设计。采用宽高比为30∶1的带状电子束以降低空间电荷效应，选择多间隙耦合腔为高频结构以增加器件功率容量，在电子束电压为400 kV、束流为2 kA、轴向引导磁感应强度为1 T的情况下，器件输出微波功率为240 MW，频率为30 GHz，效率为30%。
2015, 27: 083101.
doi: 10.11884/HPLPB201527.083101
摘要:
对140 GHz 带状注弯折波导的色散特性和耦合阻抗进行了仿真。CST微波工作室的仿真表明该波导在140 GHz时，波导内电磁波的轴向相速度为0.227c，且140 GHz频率附近色散特性平坦。波导的耦合阻抗在140 GHz时为5 左右。CST粒子工作室注波互作用的仿真结果表明该弯折波导在140 GHz处的功率增益为24.6 dB。该弯折波导带状电子注的设计保证了该波导的加工工艺与MEMS微加工工艺兼容。通过SU-8 UV-LIGA工艺实现了对该波导的微型加工。测试结果表明该波导的反射损耗S11与插入损耗S21分别为-28 dB和-1.2 dB。实测的输出功率增益达到23 dB。测试结果和仿真结果的一致性表明该弯折波导设计的合理性，同时也验证了多步SU-8 UV-LIGA工艺可以实现对该波导的高精度加工。
对140 GHz 带状注弯折波导的色散特性和耦合阻抗进行了仿真。CST微波工作室的仿真表明该波导在140 GHz时，波导内电磁波的轴向相速度为0.227c，且140 GHz频率附近色散特性平坦。波导的耦合阻抗在140 GHz时为5 左右。CST粒子工作室注波互作用的仿真结果表明该弯折波导在140 GHz处的功率增益为24.6 dB。该弯折波导带状电子注的设计保证了该波导的加工工艺与MEMS微加工工艺兼容。通过SU-8 UV-LIGA工艺实现了对该波导的微型加工。测试结果表明该波导的反射损耗S11与插入损耗S21分别为-28 dB和-1.2 dB。实测的输出功率增益达到23 dB。测试结果和仿真结果的一致性表明该弯折波导设计的合理性，同时也验证了多步SU-8 UV-LIGA工艺可以实现对该波导的高精度加工。
2015, 27: 083102.
doi: 10.11884/HPLPB201527.083102
摘要:
采用全矢量有限元法，仿真设计了一种工作在2.5 THz频段的中空芯太赫兹光子晶体光纤，用环烯烃聚合物材料（COC）制备了光纤样品，利用CO2激光泵浦气体太赫兹源搭建了测试平台并对光纤的太赫兹波传输性能进行了测试。实测光纤最低损耗0.17 dB/cm、平均损耗约0.5 dB/cm，在弯曲90情况下光纤传输损耗波动小于5%，具有良好的可弯曲性；光纤输出端口的模场分布测试结果表明，光纤是以主模进行传输，太赫兹能量很好地被束缚在光纤芯中。
采用全矢量有限元法，仿真设计了一种工作在2.5 THz频段的中空芯太赫兹光子晶体光纤，用环烯烃聚合物材料（COC）制备了光纤样品，利用CO2激光泵浦气体太赫兹源搭建了测试平台并对光纤的太赫兹波传输性能进行了测试。实测光纤最低损耗0.17 dB/cm、平均损耗约0.5 dB/cm，在弯曲90情况下光纤传输损耗波动小于5%，具有良好的可弯曲性；光纤输出端口的模场分布测试结果表明，光纤是以主模进行传输，太赫兹能量很好地被束缚在光纤芯中。
2015, 27: 083201.
doi: 10.11884/HPLPB201527.083201
摘要:
提出了一种基于时域反射原理的平行板传输线特性阻抗仿真计算方法,利用该方法借助CST软件构建模型对平行板传输线的特性阻抗值进行了仿真计算,同时重点研究了下极板展宽结构对特性阻抗值的影响。以仿真计算结果为基础,对原有特性阻抗公式进行了修正,提出了包含下极板展宽结构在内的不对称结构的平行板传输线阻抗计算公式,该公式可作为计算有界波模拟器等电磁脉冲模拟装置特性阻抗的参考公式。
提出了一种基于时域反射原理的平行板传输线特性阻抗仿真计算方法,利用该方法借助CST软件构建模型对平行板传输线的特性阻抗值进行了仿真计算,同时重点研究了下极板展宽结构对特性阻抗值的影响。以仿真计算结果为基础,对原有特性阻抗公式进行了修正,提出了包含下极板展宽结构在内的不对称结构的平行板传输线阻抗计算公式,该公式可作为计算有界波模拟器等电磁脉冲模拟装置特性阻抗的参考公式。
2015, 27: 083202.
doi: 10.11884/HPLPB201527.083202
摘要:
为实现混响室中威布尔分布杂波的有效模拟，营造逼真的雷达电磁环境，基于广义平稳非相关散射电磁环境下混响室信道衰落特性，通过控制幅度调制信号对衰落系数进行补偿，提出一种基于时域波形设计的混响室地杂波模拟方法。通过调节输入信号序列中大、小幅度脉冲比例，改变混响室传统输入信号的零均值幅度特性，以实测地杂波统计特性为参考，最终得到与实测数据统计特性参数一致的混响室杂波电磁环境。用最大似然估计和KS检验法对实验数据作参数估计和假设检验，实测地杂波数据拟合于标准威布尔模型，混响室实验数据拟合于实测地杂波幅度统计模型，从而实现了实测地杂波起伏特性的混响室有效模拟。
为实现混响室中威布尔分布杂波的有效模拟，营造逼真的雷达电磁环境，基于广义平稳非相关散射电磁环境下混响室信道衰落特性，通过控制幅度调制信号对衰落系数进行补偿，提出一种基于时域波形设计的混响室地杂波模拟方法。通过调节输入信号序列中大、小幅度脉冲比例，改变混响室传统输入信号的零均值幅度特性，以实测地杂波统计特性为参考，最终得到与实测数据统计特性参数一致的混响室杂波电磁环境。用最大似然估计和KS检验法对实验数据作参数估计和假设检验，实测地杂波数据拟合于标准威布尔模型，混响室实验数据拟合于实测地杂波幅度统计模型，从而实现了实测地杂波起伏特性的混响室有效模拟。
2015, 27: 083203.
doi: 10.11884/HPLPB201527.083203
摘要:
基于延迟抽取宏模型算法，将有耗地面上架空传输线分成多段求解，每段分成无损和有损部分。通过矢量匹配(VF)法对地阻抗相关参量进行匹配，利用HSPICE中的Laplace变换建立有损部分的等效电路，结合现有的无损传输线等效电路组成每一段的等效电路，然后将每段等效电路串联起来组成整个传输线的等效电路模型。与时域有限差分（FDTD）法进行对比，结果验证了该方法的正确性。同时对端接瞬态抑制二极管的算例进行了分析，证明了提出的等效电路模型能够轻松解决非线性负载问题。
基于延迟抽取宏模型算法，将有耗地面上架空传输线分成多段求解，每段分成无损和有损部分。通过矢量匹配(VF)法对地阻抗相关参量进行匹配，利用HSPICE中的Laplace变换建立有损部分的等效电路，结合现有的无损传输线等效电路组成每一段的等效电路，然后将每段等效电路串联起来组成整个传输线的等效电路模型。与时域有限差分（FDTD）法进行对比，结果验证了该方法的正确性。同时对端接瞬态抑制二极管的算例进行了分析，证明了提出的等效电路模型能够轻松解决非线性负载问题。
2015, 27: 083204.
doi: 10.11884/HPLPB201527.083204
摘要:
抛物方程有限差分解法的网格步长严格受波长限制，在求解城市小区电波传播问题时，计算速度明显变慢，为此，基于JASMIN框架研究了抛物方程有限差分解法的并行方法，通过将同一步进面划分成多个网格片，并分配到不同的处理器进行运算，实现了抛物方程有限差分解法的并行计算。与解析解的对比验证了并行程序的正确性，同时通过实例分析了并行程序的高效性，算例表明，抛物方程有限差分解法的求解效率得到了有效的提高。最后，模拟和分析了某一电信基站天线在包含9栋规则建筑物的城市小区环境中的电磁特性，结果表明，该方法能够得到基站在空间各处的信号覆盖强弱，可以为基站选址提供参考。
抛物方程有限差分解法的网格步长严格受波长限制，在求解城市小区电波传播问题时，计算速度明显变慢，为此，基于JASMIN框架研究了抛物方程有限差分解法的并行方法，通过将同一步进面划分成多个网格片，并分配到不同的处理器进行运算，实现了抛物方程有限差分解法的并行计算。与解析解的对比验证了并行程序的正确性，同时通过实例分析了并行程序的高效性，算例表明，抛物方程有限差分解法的求解效率得到了有效的提高。最后，模拟和分析了某一电信基站天线在包含9栋规则建筑物的城市小区环境中的电磁特性，结果表明，该方法能够得到基站在空间各处的信号覆盖强弱，可以为基站选址提供参考。
2015, 27: 083205.
doi: 10.11884/HPLPB201527.083205
摘要:
为了提高直升机对雷电的防护能力,根据标准SAE-ARP5416A规定的试验方法在基于传输线矩阵法的CST Microwave Studio中搭建仿真环境,对黑鹰直升机采用注入大电流的方法来分析其遭遇雷击时的间接效应。分析了在不同雷电流路径下,直升机机体外部以及机体内部重点舱室的电磁场分布情况,同时对机体内部线缆耦合情况进行了分析。仿真结果表明：在不具备开展整机直升机雷电间接效应试验的条件下,该方法能够对直升机遭遇雷击时的间接效应进行有效分析,进而指导直升机的防雷设计。
为了提高直升机对雷电的防护能力,根据标准SAE-ARP5416A规定的试验方法在基于传输线矩阵法的CST Microwave Studio中搭建仿真环境,对黑鹰直升机采用注入大电流的方法来分析其遭遇雷击时的间接效应。分析了在不同雷电流路径下,直升机机体外部以及机体内部重点舱室的电磁场分布情况,同时对机体内部线缆耦合情况进行了分析。仿真结果表明：在不具备开展整机直升机雷电间接效应试验的条件下,该方法能够对直升机遭遇雷击时的间接效应进行有效分析,进而指导直升机的防雷设计。
2015, 27: 083206.
doi: 10.11884/HPLPB201527.083206
摘要:
针对外场激励下双层带缝屏蔽腔内置传输线的终端响应计算问题，提出了一种混合方法。先利用传输线模型计算外腔体内的响应电压，将响应电压转换成内腔体孔缝处的等效磁流。然后利用电磁拓扑方法的BLT方程计算内腔体内置传输线终端的响应电压。计算结果表明：双层屏蔽腔内置传输线的终端响应明显低于单层屏蔽腔的，但在腔体和孔缝的谐振频率处，传输线响应仍然出现了峰值。
针对外场激励下双层带缝屏蔽腔内置传输线的终端响应计算问题，提出了一种混合方法。先利用传输线模型计算外腔体内的响应电压，将响应电压转换成内腔体孔缝处的等效磁流。然后利用电磁拓扑方法的BLT方程计算内腔体内置传输线终端的响应电压。计算结果表明：双层屏蔽腔内置传输线的终端响应明显低于单层屏蔽腔的，但在腔体和孔缝的谐振频率处，传输线响应仍然出现了峰值。
2015, 27: 084001.
doi: 10.11884/HPLPB201527.084001
摘要:
针对真空弧离子源，利用条纹相机将时间轴信息转换为空间轴信息的特点，结合光谱仪分光功能，建立了一套高时间分辨与光谱分辨能力的发射光谱诊断装置，其时间分辨率和光谱分辨率分别可达26 ps与0.1 nm。利用该诊断装置采集获得了单次脉冲内等离子体的时间演化特性；同时，基于局域热力学平衡等离子体的发射光谱理论，建立了一套谱线拟合的等离子体温度与密度计算模型。相比传统的Boltzmann斜率法与Stark展宽法需要寻找孤立的不受附近谱线叠加的干净线状光谱，建立的拟合光谱模型可以直接处理多条谱线因为展宽效应而叠加形成的光谱线型，计算得到等离子体中电子温度与电子密度。结果表明，在脉冲功率源的作用下，真空弧放电等离子体的电子温度与电子密度分别可达1 eV与3.51024 m-3。
针对真空弧离子源，利用条纹相机将时间轴信息转换为空间轴信息的特点，结合光谱仪分光功能，建立了一套高时间分辨与光谱分辨能力的发射光谱诊断装置，其时间分辨率和光谱分辨率分别可达26 ps与0.1 nm。利用该诊断装置采集获得了单次脉冲内等离子体的时间演化特性；同时，基于局域热力学平衡等离子体的发射光谱理论，建立了一套谱线拟合的等离子体温度与密度计算模型。相比传统的Boltzmann斜率法与Stark展宽法需要寻找孤立的不受附近谱线叠加的干净线状光谱，建立的拟合光谱模型可以直接处理多条谱线因为展宽效应而叠加形成的光谱线型，计算得到等离子体中电子温度与电子密度。结果表明，在脉冲功率源的作用下，真空弧放电等离子体的电子温度与电子密度分别可达1 eV与3.51024 m-3。
2015, 27: 084002.
doi: 10.11884/HPLPB201527.084002
摘要:
分析了核裂变与聚变情况下，典型能量的中子与半导体器件反应，所产生的次级粒子及其能谱分布。根据中子所能导致的最恶劣情况，讨论了65 nm工艺尺寸下，半导体静态存储器的单粒子效应，并给出了TCAD仿真的结果。结果显示，商用6管单元难以避免中子单粒子效应的发生。双互锁存储单元（DICE）结构在高密度设计时，也由于电荷共享效应，发生了单粒子翻转。由于电荷共享效应难以用SPICE仿真的方法得到，TCAD仿真更适用于中子单粒子免疫的SRAM设计验证。最后，讨论了65 nm工艺下，中子单粒子免疫的SRAM设计，指出6管单元加电容的方式，可能是更有竞争力的方案。
分析了核裂变与聚变情况下，典型能量的中子与半导体器件反应，所产生的次级粒子及其能谱分布。根据中子所能导致的最恶劣情况，讨论了65 nm工艺尺寸下，半导体静态存储器的单粒子效应，并给出了TCAD仿真的结果。结果显示，商用6管单元难以避免中子单粒子效应的发生。双互锁存储单元（DICE）结构在高密度设计时，也由于电荷共享效应，发生了单粒子翻转。由于电荷共享效应难以用SPICE仿真的方法得到，TCAD仿真更适用于中子单粒子免疫的SRAM设计验证。最后，讨论了65 nm工艺下，中子单粒子免疫的SRAM设计，指出6管单元加电容的方式，可能是更有竞争力的方案。
2015, 27: 084003.
doi: 10.11884/HPLPB201527.084003
摘要:
中性束离子源弧放电具有气体放电等离子体的非线性特性，工作时还会受到气体压强、外磁场、阴极状态等因素的影响，采用晶闸管相控调压技术的弧电源很难实现对这种大功率电弧的稳定的闭环控制。为此，提出了一种多相多重的大电流DC/DC变换器，具有响应速度快、电流上升时间短、电流纹波小等特点，大幅提高了离子源弧放电闭环控制的稳定性。设计了滤波电感能量回馈电路，弧电源可以根据中性束系统的需要使弧电流快速减小0%~100%(可调)，然后根据控制信号迅速恢复正常弧电流输出，形成一个弧电流凹坑。电源还采用超级电容储能技术，使电源体积减小了2/3，电网容量小于10 kVA。离子源放电时不会受到电网波动的影响，弧放电更加稳定。实验数据显示：该电源最大输出为220 kW/1500 A，电流纹波在1%以内，电流上升时间约100 s，最大超调量小于3%，可以满足5 MW中性束离子源及系统的要求。
中性束离子源弧放电具有气体放电等离子体的非线性特性，工作时还会受到气体压强、外磁场、阴极状态等因素的影响，采用晶闸管相控调压技术的弧电源很难实现对这种大功率电弧的稳定的闭环控制。为此，提出了一种多相多重的大电流DC/DC变换器，具有响应速度快、电流上升时间短、电流纹波小等特点，大幅提高了离子源弧放电闭环控制的稳定性。设计了滤波电感能量回馈电路，弧电源可以根据中性束系统的需要使弧电流快速减小0%~100%(可调)，然后根据控制信号迅速恢复正常弧电流输出，形成一个弧电流凹坑。电源还采用超级电容储能技术，使电源体积减小了2/3，电网容量小于10 kVA。离子源放电时不会受到电网波动的影响，弧放电更加稳定。实验数据显示：该电源最大输出为220 kW/1500 A，电流纹波在1%以内，电流上升时间约100 s，最大超调量小于3%，可以满足5 MW中性束离子源及系统的要求。
2015, 27: 084004.
doi: 10.11884/HPLPB201527.084004
摘要:
采用蒙特卡罗模拟方法研究了微结构参数、填充致密度等因素对沟槽型微结构半导体中子探测器（MSND）性能的影响规律，并开展了沟槽型MSND的优化设计研究。研究表明，随着沟槽间距的增加，MSND的探测效率呈下降趋势；当沟槽间距固定时，存在最优的沟槽宽度使得探测效率最大化；沟槽深度越大，探测效率越高。沟槽宽度和沟槽间距为15 m和5 m是一对优化的参数组合，可保证较高的探测效率和较平稳的系统甄别阈-探测效率曲线。当系统甄别阈取300 keV时，沟槽宽度、间距和深度分别为15，5 m和200 m时的MSND热中子本征探测效率可达37.77%，与平面探测器相比提高了9.2倍；对137Cs源662 keV伽马射线的中子-伽马射线甄别比可达4.1103，与平面探测器相比提高了23.7倍。本工作从理论上证明了MSND可解决传统平面型半导体中子探测器探测效率低的难题，同时可保持半导体探测器中子-伽马射线甄别容易的特点。
采用蒙特卡罗模拟方法研究了微结构参数、填充致密度等因素对沟槽型微结构半导体中子探测器（MSND）性能的影响规律，并开展了沟槽型MSND的优化设计研究。研究表明，随着沟槽间距的增加，MSND的探测效率呈下降趋势；当沟槽间距固定时，存在最优的沟槽宽度使得探测效率最大化；沟槽深度越大，探测效率越高。沟槽宽度和沟槽间距为15 m和5 m是一对优化的参数组合，可保证较高的探测效率和较平稳的系统甄别阈-探测效率曲线。当系统甄别阈取300 keV时，沟槽宽度、间距和深度分别为15，5 m和200 m时的MSND热中子本征探测效率可达37.77%，与平面探测器相比提高了9.2倍；对137Cs源662 keV伽马射线的中子-伽马射线甄别比可达4.1103，与平面探测器相比提高了23.7倍。本工作从理论上证明了MSND可解决传统平面型半导体中子探测器探测效率低的难题，同时可保持半导体探测器中子-伽马射线甄别容易的特点。
2015, 27: 084005.
doi: 10.11884/HPLPB201527.084005
摘要:
利用脉冲磁约束线形空心阴极放电装置,在 15 mT磁场约束下,产生了持续时间为200 s、峰值放电电流为3 A、面积为60 cm60 cm的大面积等离子体片。采用快帧法和旋转空心阴极法,在90~210 Pa内,利用朗缪尔探针首次获得了不同气压的等离子体片的厚度向电子密度分布及其演化构成的二维分布图；研究了在同等峰值放电电流条件下,等离子体片达到最大厚度向峰值电子密度时,气压对所需放电时间、最大厚度向峰值电子密度及电子密度半高宽的影响。结果表明：在相同的峰值放电电流条件下,等离子体片达到最大厚度向峰值电子密度的时间随气压的降低而减小；气压越低,最大厚度向峰值电子密度越大,电子密度半高宽越小。
利用脉冲磁约束线形空心阴极放电装置,在 15 mT磁场约束下,产生了持续时间为200 s、峰值放电电流为3 A、面积为60 cm60 cm的大面积等离子体片。采用快帧法和旋转空心阴极法,在90~210 Pa内,利用朗缪尔探针首次获得了不同气压的等离子体片的厚度向电子密度分布及其演化构成的二维分布图；研究了在同等峰值放电电流条件下,等离子体片达到最大厚度向峰值电子密度时,气压对所需放电时间、最大厚度向峰值电子密度及电子密度半高宽的影响。结果表明：在相同的峰值放电电流条件下,等离子体片达到最大厚度向峰值电子密度的时间随气压的降低而减小；气压越低,最大厚度向峰值电子密度越大,电子密度半高宽越小。
2015, 27: 084006.
doi: 10.11884/HPLPB201527.084006
摘要:
针对多孔网栅闪光照相图像含有随机脉冲噪声的问题,提出了一种改进的开关中值滤波噪声消除算法。该算法利用像素与邻域窗口统计中值的灰度信息,建立噪声点探测器。通过设置噪声点探测阈值来识别噪声,并用邻域窗口内统计中值代替噪声点取值。经过多次滤波,含随机脉冲噪声的计算机合成网栅图像及实验网栅图像可获得良好的恢复效果。
针对多孔网栅闪光照相图像含有随机脉冲噪声的问题,提出了一种改进的开关中值滤波噪声消除算法。该算法利用像素与邻域窗口统计中值的灰度信息,建立噪声点探测器。通过设置噪声点探测阈值来识别噪声,并用邻域窗口内统计中值代替噪声点取值。经过多次滤波,含随机脉冲噪声的计算机合成网栅图像及实验网栅图像可获得良好的恢复效果。
2015, 27: 085001.
doi: 10.11884/HPLPB201527.085001
摘要:
根据差分相移量子密钥分发实验对高速电光调制电路的需求,利用固体开关技术和变压器隔离技术,设计出了重复频率为45 kHz、输出脉冲电压达到2 kV的电光调制电路,该电光调制电路由两部分组成,正负1 kV高压脉冲产生电路,其中正1 kV高压脉冲的上升沿为50.44 ns,下降沿为44.6 ns,负1 kV高压脉冲下降沿为52.29 ns,上升沿为50.44 ns。普克尔盒调制电路与光路进行联调,光路的消光比达到23 dB,完全满足了消光比为20 dB的实验需求。
根据差分相移量子密钥分发实验对高速电光调制电路的需求,利用固体开关技术和变压器隔离技术,设计出了重复频率为45 kHz、输出脉冲电压达到2 kV的电光调制电路,该电光调制电路由两部分组成,正负1 kV高压脉冲产生电路,其中正1 kV高压脉冲的上升沿为50.44 ns,下降沿为44.6 ns,负1 kV高压脉冲下降沿为52.29 ns,上升沿为50.44 ns。普克尔盒调制电路与光路进行联调,光路的消光比达到23 dB,完全满足了消光比为20 dB的实验需求。
2015, 27: 085002.
doi: 10.11884/HPLPB201527.085002
摘要:
为了提高电磁被动装甲对聚能射流的防护能力，利用叠加原理和磁流体线性不稳定理论，在轴向脉冲电流作用下建立了射流运动线性扰动控制方程，并对射流箍缩和扭曲不稳定性增长率随粘性、时间的变化规律进行了分析，得到了射流不稳定增长率和射流的变形规律，并利用数值方法得到了射流变形的计算公式。最后通过直径39.2 mm破甲弹进行静破甲试验，通过后效板射流入射孔的大小验证了脉冲电流对射流的箍缩作用；利用具有初始弯曲、直径为1.75 mm铜丝模拟了脉冲电流对射流的扭曲作用，通过铜丝的变形验证了脉冲电流对射流的扭曲作用。实验结果证实了理论分析的正确性。
为了提高电磁被动装甲对聚能射流的防护能力，利用叠加原理和磁流体线性不稳定理论，在轴向脉冲电流作用下建立了射流运动线性扰动控制方程，并对射流箍缩和扭曲不稳定性增长率随粘性、时间的变化规律进行了分析，得到了射流不稳定增长率和射流的变形规律，并利用数值方法得到了射流变形的计算公式。最后通过直径39.2 mm破甲弹进行静破甲试验，通过后效板射流入射孔的大小验证了脉冲电流对射流的箍缩作用；利用具有初始弯曲、直径为1.75 mm铜丝模拟了脉冲电流对射流的扭曲作用，通过铜丝的变形验证了脉冲电流对射流的扭曲作用。实验结果证实了理论分析的正确性。
2015, 27: 085101.
doi: 10.11884/HPLPB201527.085101
摘要:
真空系统是加速器驱动次临界系统项目注入器Ⅱ的重要组成部分之一，为了保证其工作效率设计了一种基于实验物理及工业控制系统(EPICS)架构的远程控制系统。根据被控设备硬件接口的特点及控制需求分别采用PLC和串口服务器等作为控制设备，在主控机中使用LabView编程实现了对系统内所有设备的监控，并借助于DSC模块把设备状态和参数等以过程变量的形式进行网络发布。同时根据系统特点设计了软硬件相结合的连锁保护方案，增加了系统的可靠性，为5 MeV束流实验的顺利进行提供保障。
真空系统是加速器驱动次临界系统项目注入器Ⅱ的重要组成部分之一，为了保证其工作效率设计了一种基于实验物理及工业控制系统(EPICS)架构的远程控制系统。根据被控设备硬件接口的特点及控制需求分别采用PLC和串口服务器等作为控制设备，在主控机中使用LabView编程实现了对系统内所有设备的监控，并借助于DSC模块把设备状态和参数等以过程变量的形式进行网络发布。同时根据系统特点设计了软硬件相结合的连锁保护方案，增加了系统的可靠性，为5 MeV束流实验的顺利进行提供保障。
2015, 27: 085102.
doi: 10.11884/HPLPB201527.085102
摘要:
武威重离子治癌装置高能线爬升段上下跨度约为18 m，由于超大超重元件的悬空安装和狭小的安装空间及通视条件不足，使得就位时磁铁的位置及角度与地面做标定时不同，给准直安装工作带来了挑战。借助于激光跟踪仪和三维控制网，通过多重坐标转换，探索了一种新的方法，消除了爬升段磁铁调节时角度带来的偏差，有效提高了准直安装的工作效率，使得最后所有的磁铁安装各向安装误差均控制在0.10 mm以内，其结果优于该装置的精度要求，为整体安装进度提前提供了有力保证。
武威重离子治癌装置高能线爬升段上下跨度约为18 m，由于超大超重元件的悬空安装和狭小的安装空间及通视条件不足，使得就位时磁铁的位置及角度与地面做标定时不同，给准直安装工作带来了挑战。借助于激光跟踪仪和三维控制网，通过多重坐标转换，探索了一种新的方法，消除了爬升段磁铁调节时角度带来的偏差，有效提高了准直安装的工作效率，使得最后所有的磁铁安装各向安装误差均控制在0.10 mm以内，其结果优于该装置的精度要求，为整体安装进度提前提供了有力保证。
2015, 27: 085103.
doi: 10.11884/HPLPB201527.085103
摘要:
介绍了基于可编程逻辑门阵列（FPGA）的能量倍增器（SLED）相位翻转系统。该系统主要由微波IQ调制器、FPGA和高速DAC组成。在FPGA的控制下,DAC输出两路双极性脉冲电平信号,加载于调制器的IQ端,将微波连续波输入信号转变为4 s脉冲输出信号,并且在3 s时刻微波相位发生180跳变。经测试,相位翻转精度为1802,翻转相位的长期稳定度优于0.5；相位翻转系统驱动的6台SLED的输出功率增益均超过7 dB,最高达到7.54 dB,增益的长期稳定度达到0.1 dB。
介绍了基于可编程逻辑门阵列（FPGA）的能量倍增器（SLED）相位翻转系统。该系统主要由微波IQ调制器、FPGA和高速DAC组成。在FPGA的控制下,DAC输出两路双极性脉冲电平信号,加载于调制器的IQ端,将微波连续波输入信号转变为4 s脉冲输出信号,并且在3 s时刻微波相位发生180跳变。经测试,相位翻转精度为1802,翻转相位的长期稳定度优于0.5；相位翻转系统驱动的6台SLED的输出功率增益均超过7 dB,最高达到7.54 dB,增益的长期稳定度达到0.1 dB。
2015, 27: 085104.
doi: 10.11884/HPLPB201527.085104
摘要:
束束效应是限制对撞机性能提高的重要因素，其限制作用可以通过补偿机制来改善。针对正对撞束束效应，提出两种实现束束补偿的对撞机结构，并对实现束束补偿的原理和需要满足的条件进行分析。提出利用能量回收型直线加速器产生的电子束流进行正对撞束束补偿的方案，并且基于超级质子质子对撞机进行模拟研究，研究了补偿前后束流粒子分布、频移和粒子损失等变化情况。束束补偿可以减小束团内部粒子的频散，减小束流损失，提高束流寿命，可以大幅提高单束团流强，从而提高对撞机亮度。
束束效应是限制对撞机性能提高的重要因素，其限制作用可以通过补偿机制来改善。针对正对撞束束效应，提出两种实现束束补偿的对撞机结构，并对实现束束补偿的原理和需要满足的条件进行分析。提出利用能量回收型直线加速器产生的电子束流进行正对撞束束补偿的方案，并且基于超级质子质子对撞机进行模拟研究，研究了补偿前后束流粒子分布、频移和粒子损失等变化情况。束束补偿可以减小束团内部粒子的频散，减小束流损失，提高束流寿命，可以大幅提高单束团流强，从而提高对撞机亮度。
2015, 27: 085105.
doi: 10.11884/HPLPB201527.085105
摘要:
采用一维无碰撞的动力学鞘层模型计算了脉冲等离子体在恒压引出时的等离子体鞘层厚度变化，分别对短脉冲和长脉冲放电时的离子源发射面演变进行了分析。结果表明：对于短脉冲放电，发射面位置的变化相对等离子体密度的变化存在一定时间的延迟；对于长脉冲的上升沿和直流放电的开启阶段，鞘层厚度变化的速度与离子初始速度相关，稳定后发射面的位置与离子初始速度和等离子体密度的乘积相关。
采用一维无碰撞的动力学鞘层模型计算了脉冲等离子体在恒压引出时的等离子体鞘层厚度变化，分别对短脉冲和长脉冲放电时的离子源发射面演变进行了分析。结果表明：对于短脉冲放电，发射面位置的变化相对等离子体密度的变化存在一定时间的延迟；对于长脉冲的上升沿和直流放电的开启阶段，鞘层厚度变化的速度与离子初始速度相关，稳定后发射面的位置与离子初始速度和等离子体密度的乘积相关。
2015, 27: 085106.
doi: 10.11884/HPLPB201527.085106
摘要:
ADS注入器Ⅰ高频四极场(RFQ)功率源系统将为325 MHz RFQ提供连续波功率,使束流离开RFQ时,其能量达到几MeV。功率源系统除了补偿RFQ腔耗外,还必须提供足够的功率以保证RFQ中的加速电场。ADS注入器Ⅰ RFQ功率源系统主要包括600 kW连续波速调管、80 kV/18 A基于脉冲步进调制技术的PSM电源、环流器以及相应的波导传输系统等。根据ADS总体指标和RFQ的相关技术参数,提出了功率源的总体布局、技术指标以及设计要求等,在此基础上完成系统安装与调试,并通过专家组测试与验收。
ADS注入器Ⅰ高频四极场(RFQ)功率源系统将为325 MHz RFQ提供连续波功率,使束流离开RFQ时,其能量达到几MeV。功率源系统除了补偿RFQ腔耗外,还必须提供足够的功率以保证RFQ中的加速电场。ADS注入器Ⅰ RFQ功率源系统主要包括600 kW连续波速调管、80 kV/18 A基于脉冲步进调制技术的PSM电源、环流器以及相应的波导传输系统等。根据ADS总体指标和RFQ的相关技术参数,提出了功率源的总体布局、技术指标以及设计要求等,在此基础上完成系统安装与调试,并通过专家组测试与验收。
2015, 27: 086001.
doi: 10.11884/HPLPB201527.086001
摘要:
建立了半导体空间电势与界面氧化物正电荷之间联系的解析表达式。从一维情况下精确的泊松方程及其边界条件出发,对N（P）型硅半导体中的泊松方程作积累（耗尽）近似,根据德拜屏蔽效应对边界条件作截断近似,得到了氧化物正电荷影响下两种类型半导体内电势的近似解析解。另外，还进行了精确数值计算,并将它与近似解析解的结果进行比较,结果表明，当氧化物正电荷增加到使P型半导体发生强反型后,近似解不再成立。根据强反型的条件,给出了P型半导体中近似解的适用范围。
建立了半导体空间电势与界面氧化物正电荷之间联系的解析表达式。从一维情况下精确的泊松方程及其边界条件出发,对N（P）型硅半导体中的泊松方程作积累（耗尽）近似,根据德拜屏蔽效应对边界条件作截断近似,得到了氧化物正电荷影响下两种类型半导体内电势的近似解析解。另外，还进行了精确数值计算,并将它与近似解析解的结果进行比较,结果表明，当氧化物正电荷增加到使P型半导体发生强反型后,近似解不再成立。根据强反型的条件,给出了P型半导体中近似解的适用范围。
2015, 27: 086002.
doi: 10.11884/HPLPB201527.086002
摘要:
在核辐射科学研究中经常使用MCNP蒙卡计算程序，但其计算结果只是给定位置的物理量。为了快速获得计算点附近的感兴趣位置处的值，本研究建立了一种3点插值计算方法。首先分析了粒子在材料中输运的物理规律，给出了满足3点插值的空间范围，建立了插值计算模型。然后利用距离平方反比权重法，结合粒子衰减规律，推导了插值计算公式。最后设计了计算机程序，并用X射线屏蔽后注量的MCNP计算结果进行验证。通过和直接采用的距离平方反比权重法和克里金插值法对比，考虑物理作用机制的该计算方法精度更高，且误差在10%以内。
在核辐射科学研究中经常使用MCNP蒙卡计算程序，但其计算结果只是给定位置的物理量。为了快速获得计算点附近的感兴趣位置处的值，本研究建立了一种3点插值计算方法。首先分析了粒子在材料中输运的物理规律，给出了满足3点插值的空间范围，建立了插值计算模型。然后利用距离平方反比权重法，结合粒子衰减规律，推导了插值计算公式。最后设计了计算机程序，并用X射线屏蔽后注量的MCNP计算结果进行验证。通过和直接采用的距离平方反比权重法和克里金插值法对比，考虑物理作用机制的该计算方法精度更高，且误差在10%以内。
2015, 27: 086003.
doi: 10.11884/HPLPB201527.086003
摘要:
气-液两相流设备的性能受限于临界热流密度，开展流动微液膜动力学特性及其稳定性的相关研究是深入理解沸腾危机及临界热流密度机理的关键。采用光学玻璃制成的矩形通道作为实验段，使用微流量齿轮泵驱动去离子水，使其在实验通道入口处与在其上部流动的压缩空气接触形成同向流动的分层流。利用共轭光学探测器对流动微液膜的厚度进行了测量，利用高速摄像机对气-液两相分层流波动特性进行了可视化观测。研究表明，在绝热情况下，当液速一定时，液膜的平均厚度随着气速增加而减小，当气速增加到某一阈值时会导致液膜破裂。
气-液两相流设备的性能受限于临界热流密度，开展流动微液膜动力学特性及其稳定性的相关研究是深入理解沸腾危机及临界热流密度机理的关键。采用光学玻璃制成的矩形通道作为实验段，使用微流量齿轮泵驱动去离子水，使其在实验通道入口处与在其上部流动的压缩空气接触形成同向流动的分层流。利用共轭光学探测器对流动微液膜的厚度进行了测量，利用高速摄像机对气-液两相分层流波动特性进行了可视化观测。研究表明，在绝热情况下，当液速一定时，液膜的平均厚度随着气速增加而减小，当气速增加到某一阈值时会导致液膜破裂。
2015, 27: 089001.
doi: 10.11884/HPLPB201527.089001
摘要:
针对不锈钢焊接接头存在残余应力且分布不均匀、容易发生应力腐蚀的问题，采用激光冲击强化对其进行处理，探究激光功率密度和冲击次数对表面残余应力状态的优化作用，并通过应力腐蚀试验验证优化效果。结果表明：随着功率密度增加，表面残余应力明显下降，但下降幅度逐渐减小，功率密度4.24 GW/cm2与2.83 GW/cm2冲击产生的残余应力相差不大，熔合区还存在残余拉应力，说明高功率密度不足以消除表面残余拉应力；随着冲击次数增加，残余拉应力显著降低，2.83 GW/cm2冲击3次之后，残余拉应力完全消除，局部最高应力梯度从54.7 MPa/mm下降到11.7 MPa/mm，获得了高数值、分布均匀的残余压应力层。激光冲击强化后，焊接试样的应力腐蚀断裂时间提高了33.48%，激光冲击强化产生的残余压应力是其应力腐蚀抗性提高的重要原因。
针对不锈钢焊接接头存在残余应力且分布不均匀、容易发生应力腐蚀的问题，采用激光冲击强化对其进行处理，探究激光功率密度和冲击次数对表面残余应力状态的优化作用，并通过应力腐蚀试验验证优化效果。结果表明：随着功率密度增加，表面残余应力明显下降，但下降幅度逐渐减小，功率密度4.24 GW/cm2与2.83 GW/cm2冲击产生的残余应力相差不大，熔合区还存在残余拉应力，说明高功率密度不足以消除表面残余拉应力；随着冲击次数增加，残余拉应力显著降低，2.83 GW/cm2冲击3次之后，残余拉应力完全消除，局部最高应力梯度从54.7 MPa/mm下降到11.7 MPa/mm，获得了高数值、分布均匀的残余压应力层。激光冲击强化后，焊接试样的应力腐蚀断裂时间提高了33.48%，激光冲击强化产生的残余压应力是其应力腐蚀抗性提高的重要原因。
2015, 27: 089002.
doi: 10.11884/HPLPB201527.089002
摘要:
针对高超声速进气道在非设计工况下来流捕获量减少的问题，进行了激光能量沉积控制来流捕获的物理建模和数值模拟，在连续激光能量沉积和脉冲激光能量沉积两种方式下获得了进气道的性能参数。激光功率为15 kW时，脉冲重复频率越高，与连续能量注入情况下的进气道性能越接近。脉冲重复频率为100 kHz时，计算了脉冲方波占空比为0.1，0.2，0.3和0.4时的进气道流场，结果表明：占空比对进气道性能的影响不大；激光脉宽为500 ns时，保持激光平均功率不变，当频率为200 kHz和100 kHz时，流场结构与连续能量注入时类似，而当频率为500 kHz和25 kHz时的进气捕获量都有所降低，因此，提高激光脉冲重复频率的同时，降低平均功率，不仅可以有效增大来流捕获，还可降低能耗。
针对高超声速进气道在非设计工况下来流捕获量减少的问题，进行了激光能量沉积控制来流捕获的物理建模和数值模拟，在连续激光能量沉积和脉冲激光能量沉积两种方式下获得了进气道的性能参数。激光功率为15 kW时，脉冲重复频率越高，与连续能量注入情况下的进气道性能越接近。脉冲重复频率为100 kHz时，计算了脉冲方波占空比为0.1，0.2，0.3和0.4时的进气道流场，结果表明：占空比对进气道性能的影响不大；激光脉宽为500 ns时，保持激光平均功率不变，当频率为200 kHz和100 kHz时，流场结构与连续能量注入时类似，而当频率为500 kHz和25 kHz时的进气捕获量都有所降低，因此，提高激光脉冲重复频率的同时，降低平均功率，不仅可以有效增大来流捕获，还可降低能耗。
2015, 27: 089003.
doi: 10.11884/HPLPB201527.089003
摘要:
以乙炔炭黑、副产炭黑和炉法导电炭黑为研究对象，较为系统地分析了与导电炭黑应用性能密切相关的微晶结构、表面性质、颗粒形貌和粒度分布特征，探讨了导电炭黑微观结构对应用性能的影响。研究结果表明，导电炭黑的微观结构决定了其应用性能，而决定应用性能的关键在于其与基体材料的匹配性。副产炭黑在橡胶和塑料中导电性能较好，乙炔炭黑在锂离子电极材料中的导电性能较好。
以乙炔炭黑、副产炭黑和炉法导电炭黑为研究对象，较为系统地分析了与导电炭黑应用性能密切相关的微晶结构、表面性质、颗粒形貌和粒度分布特征，探讨了导电炭黑微观结构对应用性能的影响。研究结果表明，导电炭黑的微观结构决定了其应用性能，而决定应用性能的关键在于其与基体材料的匹配性。副产炭黑在橡胶和塑料中导电性能较好，乙炔炭黑在锂离子电极材料中的导电性能较好。
2015, 27: 089004.
doi: 10.11884/HPLPB201527.089004
摘要:
对两个纳米颗粒受超短激光照射时表面吸收光强的分布情况进行了研究。基于米散射理论和蒙特卡罗方法建立程序来模拟和追踪光子的运动轨迹,米散射理论主要用于确定光子的散射方向,运用兰贝特定律和解析解对模拟结果进行验证。通过对比材料为金和黑体时双颗粒的光强分布发现,颗粒的散射和激光照射宽度的增加会使颗粒相邻处的光强增大,颗粒底部的光强主要取决于颗粒的反照率大小以及散射光强的分布情况。
对两个纳米颗粒受超短激光照射时表面吸收光强的分布情况进行了研究。基于米散射理论和蒙特卡罗方法建立程序来模拟和追踪光子的运动轨迹,米散射理论主要用于确定光子的散射方向,运用兰贝特定律和解析解对模拟结果进行验证。通过对比材料为金和黑体时双颗粒的光强分布发现,颗粒的散射和激光照射宽度的增加会使颗粒相邻处的光强增大,颗粒底部的光强主要取决于颗粒的反照率大小以及散射光强的分布情况。
