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RSS2018年 30卷 第7期
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2018, 30: 071001.
doi: 10.11884/HPLPB201830.170153
摘要:
共振非弹性散射(RIXS)是一种研究分子、材料的电子结构的X射线光谱技术，其对光源、光谱仪都有着极为苛刻的要求。掌握先进RIXS光谱仪设计思想、使用方法、性能等对未来研究均具有重要意义。通过探究其设计思想，从光程函数理论方式出发并计算变间距光栅参数，逐一分析各像差项对最终成像结果影响; 开发可见激光的非接触式测量方式测量电机编码与光谱仪部件角度关系，并验证该方式的有效性; 在同步辐射实验站直接使用同步辐射X射线，对光谱仪成像分辨率进行标定，掌握光谱仪工作性能; 最终将SHADOW模拟数据与实际探测数据进行对比，表明光谱仪安装调试满足设计及实验要求。
共振非弹性散射(RIXS)是一种研究分子、材料的电子结构的X射线光谱技术，其对光源、光谱仪都有着极为苛刻的要求。掌握先进RIXS光谱仪设计思想、使用方法、性能等对未来研究均具有重要意义。通过探究其设计思想，从光程函数理论方式出发并计算变间距光栅参数，逐一分析各像差项对最终成像结果影响; 开发可见激光的非接触式测量方式测量电机编码与光谱仪部件角度关系，并验证该方式的有效性; 在同步辐射实验站直接使用同步辐射X射线，对光谱仪成像分辨率进行标定，掌握光谱仪工作性能; 最终将SHADOW模拟数据与实际探测数据进行对比，表明光谱仪安装调试满足设计及实验要求。
2018, 30: 071002.
doi: 10.11884/HPLPB201830.170404
摘要:
在利用液晶空间光调制器(LCSLM)产生涡旋光束时，入射光的偏振方向对涡旋的产生有着明显的影响。从液晶空间光调制器的工作原理出发，研究了不同偏振方向的线偏振光在通过LCSLM的相位调制后，涡旋光束产生的变化。通过模拟仿真与实验结果的比较，发现随着线偏振光的偏振方向与液晶分子光轴夹角的增大，液晶空间光调制器的调制误差变大，所产生的涡旋光束的质量变差。当夹角大于4.725°时，涡旋光束的质量明显变差。而随着夹角继续增大，LCSLM对入射光的调制作用减弱，无法产生涡旋光束。
在利用液晶空间光调制器(LCSLM)产生涡旋光束时，入射光的偏振方向对涡旋的产生有着明显的影响。从液晶空间光调制器的工作原理出发，研究了不同偏振方向的线偏振光在通过LCSLM的相位调制后，涡旋光束产生的变化。通过模拟仿真与实验结果的比较，发现随着线偏振光的偏振方向与液晶分子光轴夹角的增大，液晶空间光调制器的调制误差变大，所产生的涡旋光束的质量变差。当夹角大于4.725°时，涡旋光束的质量明显变差。而随着夹角继续增大，LCSLM对入射光的调制作用减弱，无法产生涡旋光束。
2018, 30: 071003.
doi: 10.11884/HPLPB201830.180068
摘要:
应用脉冲激光沉积(PLD)技术，固定脉冲激光能量密度为5 J/cm2，调节薄膜生长基底温度为300~700 ℃，制备了系列MgxNi1-xO合金薄膜。通过透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)、原子力显微术(AFM)等表征分析手段，详细分析了薄膜的成分及组织，研究了退火处理对样品的影响。通过UV-Vis分光光度计研究了透射光谱，结合理论计算了光学带隙宽度。结果表明：薄膜由非晶及多晶构成，紫外吸收边约为290 nm, 接近日盲波段的上限; 衬底温度为500 ℃、激光脉冲能量密度为5 J/cm2时生长的薄膜在短波部分吸收强烈，而长波部分几乎不吸收，有利于紫外探测; 退火处理改善了样品表面质量, 但不能有效拓宽光学带隙。
应用脉冲激光沉积(PLD)技术，固定脉冲激光能量密度为5 J/cm2，调节薄膜生长基底温度为300~700 ℃，制备了系列MgxNi1-xO合金薄膜。通过透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)、原子力显微术(AFM)等表征分析手段，详细分析了薄膜的成分及组织，研究了退火处理对样品的影响。通过UV-Vis分光光度计研究了透射光谱，结合理论计算了光学带隙宽度。结果表明：薄膜由非晶及多晶构成，紫外吸收边约为290 nm, 接近日盲波段的上限; 衬底温度为500 ℃、激光脉冲能量密度为5 J/cm2时生长的薄膜在短波部分吸收强烈，而长波部分几乎不吸收，有利于紫外探测; 退火处理改善了样品表面质量, 但不能有效拓宽光学带隙。
2018, 30: 072001.
doi: 10.11884/HPLPB201830.170529
摘要:
反射镜组件是光机装置的重要组成部分，反射镜片的转角稳定性对光路的传输有着直接影响。针对大型光机装置中反射镜架在地脉动随机微振动下的稳定性问题，推导了镜片转角响应均方根值的计算公式。在ANSYS中建立了一个镜架结构的有限元模型，并分析了该镜架系统的模态及结构在地脉动载荷下的微振动响应。根据计算结果分析得到了镜片转角响应均方根值; 提出了工程实际中如何通过有限元分析便捷获得镜片转角响应的另一种工程方法。两种方法所得镜片转角具有较好一致性，说明所采用镜片转角计算分析方法是有效的, 为精密反射镜架的稳定性设计分析提供了有效方法。
反射镜组件是光机装置的重要组成部分，反射镜片的转角稳定性对光路的传输有着直接影响。针对大型光机装置中反射镜架在地脉动随机微振动下的稳定性问题，推导了镜片转角响应均方根值的计算公式。在ANSYS中建立了一个镜架结构的有限元模型，并分析了该镜架系统的模态及结构在地脉动载荷下的微振动响应。根据计算结果分析得到了镜片转角响应均方根值; 提出了工程实际中如何通过有限元分析便捷获得镜片转角响应的另一种工程方法。两种方法所得镜片转角具有较好一致性，说明所采用镜片转角计算分析方法是有效的, 为精密反射镜架的稳定性设计分析提供了有效方法。
2018, 30: 072002.
doi: 10.11884/HPLPB201830.170512
摘要:
针对直接测量16.7 MeV进行烧氚历史诊断所需聚变产额高的情况，模拟研究了利用14 MeV中子与副靶作用产生的非弹伽马进行烧氚历史诊断的情况，计算了几种材料14 MeV中子作用产生的次级伽马能谱以及切伦科夫辐射阈能之上的非弹伽马数目，对副靶材料和厚度进行了选择。计算了14 MeV中子产生的切伦科夫光子时间谱，分析了光电转换器件处伽马、电子以及正电子等噪声信号，分析了气体切伦科夫系统测量统计涨落与聚变中子产额之间的关系，确定了气体切伦科夫系统所适用的最低聚变中子产额，通过测量14 MeV中子与副靶产生的非弹伽马进行烧氚历史诊断较直接测量16.7 MeV伽马可将测量所需聚变中子产额降低2个量级。
针对直接测量16.7 MeV进行烧氚历史诊断所需聚变产额高的情况，模拟研究了利用14 MeV中子与副靶作用产生的非弹伽马进行烧氚历史诊断的情况，计算了几种材料14 MeV中子作用产生的次级伽马能谱以及切伦科夫辐射阈能之上的非弹伽马数目，对副靶材料和厚度进行了选择。计算了14 MeV中子产生的切伦科夫光子时间谱，分析了光电转换器件处伽马、电子以及正电子等噪声信号，分析了气体切伦科夫系统测量统计涨落与聚变中子产额之间的关系，确定了气体切伦科夫系统所适用的最低聚变中子产额，通过测量14 MeV中子与副靶产生的非弹伽马进行烧氚历史诊断较直接测量16.7 MeV伽马可将测量所需聚变中子产额降低2个量级。
2018, 30: 073001.
doi: 10.11884/HPLPB201830.170469
摘要:
针对有源能量倍增器法(SLED)脉冲压缩实验中对储存能量阶段和释放能量阶段耦合度调节的需求，利用支臂短路波导H-T的调配功能，设计了一种耦合度可调节的SLED脉冲压缩装置。基于散射矩阵理论，分析了支臂短路波导H-T对SLED脉冲压缩装置耦合度的调节能力。利用大功率波导环形器代替3 dB耦合器，进行了基于单储能腔的无源SLED脉冲压缩实验，实验结果表明，支臂短路波导H-T对耦合度的调节能力与理论分析相吻合。
针对有源能量倍增器法(SLED)脉冲压缩实验中对储存能量阶段和释放能量阶段耦合度调节的需求，利用支臂短路波导H-T的调配功能，设计了一种耦合度可调节的SLED脉冲压缩装置。基于散射矩阵理论，分析了支臂短路波导H-T对SLED脉冲压缩装置耦合度的调节能力。利用大功率波导环形器代替3 dB耦合器，进行了基于单储能腔的无源SLED脉冲压缩实验，实验结果表明，支臂短路波导H-T对耦合度的调节能力与理论分析相吻合。
2018, 30: 073002.
doi: 10.11884/HPLPB201830.170491
摘要:
设计了一种X波段过模高效率相对论返波管(RBWO)，主要结构包括双谐振腔反射器、7周期梯形慢波结构与提取腔。该器件慢波结构的过模比为2.6，电子束与结构波TM01模的近π模相互作用，在慢波结构区域束波作用产生的TM01模表面波主要转化为TM02模的体波，其输出微波的模式主要为TM02模，占比为81%，其余为TM01模。提出一种过模条件下谐振腔反射器的设计思路，结合模式匹配法，优化得到了一种双谐振腔反射器结构，其对TM01模与TM02模的反射系数均大于0.99，可实现过模条件下RBWO慢波结构与二极管区的良好隔离; 同时双谐振腔反射器两个谐振腔中的纵向电场可以对电子束进行充分的预调制，将促进慢波结构区域的束波作用，有利于提升效率。通过在慢波结构后端加入提取腔，进一步提升了转换效率。PIC仿真中, 在二极管电压900 kV，电流14.3 kA，得到了6.6 GW的输出功率，转换效率约51%。
设计了一种X波段过模高效率相对论返波管(RBWO)，主要结构包括双谐振腔反射器、7周期梯形慢波结构与提取腔。该器件慢波结构的过模比为2.6，电子束与结构波TM01模的近π模相互作用，在慢波结构区域束波作用产生的TM01模表面波主要转化为TM02模的体波，其输出微波的模式主要为TM02模，占比为81%，其余为TM01模。提出一种过模条件下谐振腔反射器的设计思路，结合模式匹配法，优化得到了一种双谐振腔反射器结构，其对TM01模与TM02模的反射系数均大于0.99，可实现过模条件下RBWO慢波结构与二极管区的良好隔离; 同时双谐振腔反射器两个谐振腔中的纵向电场可以对电子束进行充分的预调制，将促进慢波结构区域的束波作用，有利于提升效率。通过在慢波结构后端加入提取腔，进一步提升了转换效率。PIC仿真中, 在二极管电压900 kV，电流14.3 kA，得到了6.6 GW的输出功率，转换效率约51%。
2018, 30: 073003.
doi: 10.11884/HPLPB201830.170436
摘要:
对Ka波段TM02模式低磁场相对论返波管的结构特点、工作原理进行了介绍，详细分析了该器件以TM02模工作的模式选择机制。通过粒子模拟，该器件在1 T引导磁场下获得了功率为493 MW、频率29.3 GHz的微波输出，工作模式及频率与理论设计相一致。随后，基于模拟中的结构参数开展了初步的实验研究，当二极管电压为580 kV、电流为3.56 kA、引导磁场1 T时，获得了功率286 MW、频率29.3 GHz、脉宽约10 ns的微波输出。实验获得的微波频率与数值模拟一致，但是微波功率与数值模拟结果有明显差异，并且微波脉冲后沿有明显的缩短，分析认为在低磁场下后端谐振腔链受到电子轰击是导致该问题的主要原因。
对Ka波段TM02模式低磁场相对论返波管的结构特点、工作原理进行了介绍，详细分析了该器件以TM02模工作的模式选择机制。通过粒子模拟，该器件在1 T引导磁场下获得了功率为493 MW、频率29.3 GHz的微波输出，工作模式及频率与理论设计相一致。随后，基于模拟中的结构参数开展了初步的实验研究，当二极管电压为580 kV、电流为3.56 kA、引导磁场1 T时，获得了功率286 MW、频率29.3 GHz、脉宽约10 ns的微波输出。实验获得的微波频率与数值模拟一致，但是微波功率与数值模拟结果有明显差异，并且微波脉冲后沿有明显的缩短，分析认为在低磁场下后端谐振腔链受到电子轰击是导致该问题的主要原因。
2018, 30: 073004.
doi: 10.11884/HPLPB201830.170441
摘要:
针对磁绝缘线高功率微波振荡器(MILO)的静态保真空和重频运行，设计了一种真空度在线测量系统及其组件，优化了常规的测量方法，实现了真空度的实时监测和数据采集。基于30 GW高功率脉冲平台，以硬管化MILO微波源为负载，开展了加电运行条件下微波源内真空度的实时在线测量。实验结果表明：研制的真空在线测量组件具有较强的抗电磁干扰能力，能够准确获得高功率微波源运行过程中的本底真空度及脉冲放气特性。
针对磁绝缘线高功率微波振荡器(MILO)的静态保真空和重频运行，设计了一种真空度在线测量系统及其组件，优化了常规的测量方法，实现了真空度的实时监测和数据采集。基于30 GW高功率脉冲平台，以硬管化MILO微波源为负载，开展了加电运行条件下微波源内真空度的实时在线测量。实验结果表明：研制的真空在线测量组件具有较强的抗电磁干扰能力，能够准确获得高功率微波源运行过程中的本底真空度及脉冲放气特性。
2018, 30: 073005.
doi: 10.11884/HPLPB201830.170532
摘要:
High power microwave research is moving into the high rep-rate regime and it will be common that an electron beam accelerator operates more than a million shots per year. As a result, accumulated bremsstrahlung X-ray produced by the electron beam collector is no longer negligible, and shielding is necessary for personnel safety. By using the BEAMnrc Monte-Carlo code, a typical collector for a ring beam usually used in HPM tube is simulated, which has beam voltage 1 MV, beam current 10 kA, pulse duration 100 ns and rep-rate 100 Hz. The results show the spectrum and spatial distribution of the X-ray generated at the collector. The attenuation factor of the X-ray is estimated from the simulation. The estimation of the skyshine radiation is also considered for the roof of the building.
High power microwave research is moving into the high rep-rate regime and it will be common that an electron beam accelerator operates more than a million shots per year. As a result, accumulated bremsstrahlung X-ray produced by the electron beam collector is no longer negligible, and shielding is necessary for personnel safety. By using the BEAMnrc Monte-Carlo code, a typical collector for a ring beam usually used in HPM tube is simulated, which has beam voltage 1 MV, beam current 10 kA, pulse duration 100 ns and rep-rate 100 Hz. The results show the spectrum and spatial distribution of the X-ray generated at the collector. The attenuation factor of the X-ray is estimated from the simulation. The estimation of the skyshine radiation is also considered for the roof of the building.
2018, 30: 073006.
doi: 10.11884/HPLPB201830.170530
摘要:
传统的粒子模拟软件在获得微放电阈值时需要进行多次微放电模拟，而且不具备自动功率扫描功能，在不考虑电子运动所产生的自洽场的情况下，提出了一种微波器件微放电阈值功率自适应扫描方法，对同一微波器件中的电磁场只计算一次并重复利用，改变输入功率，获得不同功率下的粒子数目变化的趋势，结合阈值功率判断方法，进而能够快速获得微放电阈值。首先，采用MSAT粒子模拟软件计算单位功率下微波部件中的电磁场分布，接着利用蛙跳法求解粒子运动轨迹，然后结合二次电子发射模型确定出射粒子数目。在微放电模拟过程中对粒子数目曲线进行分析，建立微放电阈值判据方法，根据二分法改变输入功率使得粒子模拟软件在给定初始功率后自动给出微放电阈值。以微波阶梯阻抗变换器与同轴腔体滤波器为研究对象，采用该方法分别计算其微放电阈值并与实验结果进行对比，结果表明，该方法具有准确性。
传统的粒子模拟软件在获得微放电阈值时需要进行多次微放电模拟，而且不具备自动功率扫描功能，在不考虑电子运动所产生的自洽场的情况下，提出了一种微波器件微放电阈值功率自适应扫描方法，对同一微波器件中的电磁场只计算一次并重复利用，改变输入功率，获得不同功率下的粒子数目变化的趋势，结合阈值功率判断方法，进而能够快速获得微放电阈值。首先，采用MSAT粒子模拟软件计算单位功率下微波部件中的电磁场分布，接着利用蛙跳法求解粒子运动轨迹，然后结合二次电子发射模型确定出射粒子数目。在微放电模拟过程中对粒子数目曲线进行分析，建立微放电阈值判据方法，根据二分法改变输入功率使得粒子模拟软件在给定初始功率后自动给出微放电阈值。以微波阶梯阻抗变换器与同轴腔体滤波器为研究对象，采用该方法分别计算其微放电阈值并与实验结果进行对比，结果表明，该方法具有准确性。
2018, 30: 073007.
doi: 10.11884/HPLPB201830.170302
摘要:
针对微波试验用某型飞艇升空平台开展试验环境测试研究，给出了中等气象条件下的测试结果。指出定姿飞控模式下的艇体方位角稳定性优于压航迹模式，两种飞控模式下艇体俯仰角和滚转角稳定性相近; 统计分析指出配试用艇载二轴天线稳定平台可有效隔离飞行中艇体三姿±10°以上的晃动，将接收天线主轴稳定指向辐射源，天线主轴方位、俯仰角控制精度优于±1°。研究了相对辐射源20~40 km，迎头、横向两种航线下，艇载4.5°波束宽度天线接收信号的幅度，统计分析指出迎头飞行时天线增益损失小于1 dB，信号稳定性优于±1 dB，横向飞行时天线增益损失约2.3 dB，信号稳定性约±3 dB。研究给出了飞行条件下艇体散射环境和地面散射环境对艇载天线接收信号幅度的影响。
针对微波试验用某型飞艇升空平台开展试验环境测试研究，给出了中等气象条件下的测试结果。指出定姿飞控模式下的艇体方位角稳定性优于压航迹模式，两种飞控模式下艇体俯仰角和滚转角稳定性相近; 统计分析指出配试用艇载二轴天线稳定平台可有效隔离飞行中艇体三姿±10°以上的晃动，将接收天线主轴稳定指向辐射源，天线主轴方位、俯仰角控制精度优于±1°。研究了相对辐射源20~40 km，迎头、横向两种航线下，艇载4.5°波束宽度天线接收信号的幅度，统计分析指出迎头飞行时天线增益损失小于1 dB，信号稳定性优于±1 dB，横向飞行时天线增益损失约2.3 dB，信号稳定性约±3 dB。研究给出了飞行条件下艇体散射环境和地面散射环境对艇载天线接收信号幅度的影响。
2018, 30: 073008.
doi: 10.11884/HPLPB201830.170531
摘要:
设计了一种无移相器结构的平板高功率天线，通过辐射层自旋转方式改变口径场相位分布，从而实现空间波束扫描，满足轻质、低剖面集成要求，辐射增益36 dB，波束扫描范围-30°至+30°，GW级功率容量，满足Ku波段工作的系统指标与能力要求。对天线进行了实物加工与测试，测试结果说明该天线具有良好的波束扫描特性和较高的口径辐射效率。无需加载移相馈电网络便可改变波束指向，具有伺服简单，结构紧凑，平面化、低剖面、轻质等优点，可广泛应用于机载、车载、舰载等高功率微波系统的表面共形发射。
设计了一种无移相器结构的平板高功率天线，通过辐射层自旋转方式改变口径场相位分布，从而实现空间波束扫描，满足轻质、低剖面集成要求，辐射增益36 dB，波束扫描范围-30°至+30°，GW级功率容量，满足Ku波段工作的系统指标与能力要求。对天线进行了实物加工与测试，测试结果说明该天线具有良好的波束扫描特性和较高的口径辐射效率。无需加载移相馈电网络便可改变波束指向，具有伺服简单，结构紧凑，平面化、低剖面、轻质等优点，可广泛应用于机载、车载、舰载等高功率微波系统的表面共形发射。
2018, 30: 073009.
doi: 10.11884/HPLPB201830.170490
摘要:
分析了单支肖特基二极管以及串并联模拟预失真电路的幅度和相位的非线性特性，仿真结果表明可以将二极管作为模拟预失真电路可调节的核心器件。利用传输矩阵分析得出改变肖特基二极管在预失真电路的不同位置，及不同的串并联连接方式，可以使幅度相位补偿曲线得到改善。由仿真结果可以看出，在不同位置以串联或并联的形式在电路中连接二极管，可有效改变曲线的位置和斜率，从而得到理想的目标曲线形状。
分析了单支肖特基二极管以及串并联模拟预失真电路的幅度和相位的非线性特性，仿真结果表明可以将二极管作为模拟预失真电路可调节的核心器件。利用传输矩阵分析得出改变肖特基二极管在预失真电路的不同位置，及不同的串并联连接方式，可以使幅度相位补偿曲线得到改善。由仿真结果可以看出，在不同位置以串联或并联的形式在电路中连接二极管，可有效改变曲线的位置和斜率，从而得到理想的目标曲线形状。
2018, 30: 073101.
doi: 10.11884/HPLPB201830.180029
摘要:
提出了一种工作在太赫兹频段的双频微带天线。在普通矩形微带天线的基础上，在辐射贴片上加载45°和135°的矩形贴片增大辐射面积，增大高频谐振点处阻抗带宽。通过引入缺陷接地结构使得天线在接地板处的电流路径改变，并与辐射贴片相互耦合，从而实现双频特性。为提高天线增益，在辐射贴片边缘加载若干寄生矩形贴片，并增加了寄生贴片处的基板厚度。该款天线可以同时在520 GHz(508~532 GHz)和680 GHz(581~766 GHz)的频段下工作，其中高频段的相对带宽达到了27.5%，最大增益达到了3.54 dB和4.11 dB。该双频天线结构相对简单，各项性能指标稳定，对于工作在太赫兹频段上的通信系统和无线传输系统具有一定的应用价值。
提出了一种工作在太赫兹频段的双频微带天线。在普通矩形微带天线的基础上，在辐射贴片上加载45°和135°的矩形贴片增大辐射面积，增大高频谐振点处阻抗带宽。通过引入缺陷接地结构使得天线在接地板处的电流路径改变，并与辐射贴片相互耦合，从而实现双频特性。为提高天线增益，在辐射贴片边缘加载若干寄生矩形贴片，并增加了寄生贴片处的基板厚度。该款天线可以同时在520 GHz(508~532 GHz)和680 GHz(581~766 GHz)的频段下工作，其中高频段的相对带宽达到了27.5%，最大增益达到了3.54 dB和4.11 dB。该双频天线结构相对简单，各项性能指标稳定，对于工作在太赫兹频段上的通信系统和无线传输系统具有一定的应用价值。
2018, 30: 073201.
doi: 10.11884/HPLPB201830.180047
摘要:
复杂工程细缝为金属腔电磁屏蔽效能的评估带来了挑战。采用时域有限差分(FDTD)法结合环路(CP)法，在不改变原有粗网格剖分的基础上，实现了对三维复杂细缝结构金属腔电磁屏蔽效能的快速计算。提出复杂工程细缝的等效模型，提高了复杂细缝结构的CP编程和计算效率，计算结果与采用精细网格剖分的传统FDTD(fine-FDTD)计算结果吻合很好，验证了等效模型的有效性。在此基础上，分析了两种开有典型工程细缝金属腔在0~3 GHz内的电磁屏蔽效能，计算结果与fine-FDTD算法结果吻合很好，且计算效率大大提高。
复杂工程细缝为金属腔电磁屏蔽效能的评估带来了挑战。采用时域有限差分(FDTD)法结合环路(CP)法，在不改变原有粗网格剖分的基础上，实现了对三维复杂细缝结构金属腔电磁屏蔽效能的快速计算。提出复杂工程细缝的等效模型，提高了复杂细缝结构的CP编程和计算效率，计算结果与采用精细网格剖分的传统FDTD(fine-FDTD)计算结果吻合很好，验证了等效模型的有效性。在此基础上，分析了两种开有典型工程细缝金属腔在0~3 GHz内的电磁屏蔽效能，计算结果与fine-FDTD算法结果吻合很好，且计算效率大大提高。
2018, 30: 073202.
doi: 10.11884/HPLPB201830.180048
摘要:
利用柔性屏蔽材料不平整性使屏蔽腔内场环境易于满足各向同性、均匀分布、随机极化统计特征的特点，研究了三种不同柔性屏蔽材料搭建的模式搅拌混响室的可行性。在Z字形搅拌器的作用下通过测量得到低频场均匀性和高频归一化电场的概率密度函数，根据IEC 61000-4-21-2011标准和理想混响室模型验证了所搭建混响室的有效性。在此基础之上，通过实验测量分析了搅拌器转速、天线高度、天线位置对归一化电场概率密度函数(PDF)的影响，并利用所搭建混响室对加载开孔电大金属腔的电磁屏蔽效能进行了测试。研究结果表明利用柔性屏蔽材料搭建混响室具有较好的可行性。
利用柔性屏蔽材料不平整性使屏蔽腔内场环境易于满足各向同性、均匀分布、随机极化统计特征的特点，研究了三种不同柔性屏蔽材料搭建的模式搅拌混响室的可行性。在Z字形搅拌器的作用下通过测量得到低频场均匀性和高频归一化电场的概率密度函数，根据IEC 61000-4-21-2011标准和理想混响室模型验证了所搭建混响室的有效性。在此基础之上，通过实验测量分析了搅拌器转速、天线高度、天线位置对归一化电场概率密度函数(PDF)的影响，并利用所搭建混响室对加载开孔电大金属腔的电磁屏蔽效能进行了测试。研究结果表明利用柔性屏蔽材料搭建混响室具有较好的可行性。
2018, 30: 073203.
doi: 10.11884/HPLPB201830.170401
摘要:
为满足不同尺寸效应物抗强电磁脉冲(EMP)性能试验的需求，产生覆盖范围更全面、波形更理想的模拟电磁环境，对基于Marx发生器的一级脉冲陡化EMP模拟器驱动源的基本构成与工作原理进行了介绍。结合实际设计与调试经验，分析了设计该类装置时可能遇到的一些问题以及解决的方案。给出了研制的电压等级在100~600 kV的中小型EMP模拟器驱动源的结构、参数与输出指标。通过紧凑型Marx发生器、低电感平板型薄膜电容器、低电感输出开关等关键部件与连接结构优化、器件参数选取，获得在驱动源接120~180 Ω负载时可输出前沿1.2~2.7 ns、半宽32~41 ns的双指数波。
为满足不同尺寸效应物抗强电磁脉冲(EMP)性能试验的需求，产生覆盖范围更全面、波形更理想的模拟电磁环境，对基于Marx发生器的一级脉冲陡化EMP模拟器驱动源的基本构成与工作原理进行了介绍。结合实际设计与调试经验，分析了设计该类装置时可能遇到的一些问题以及解决的方案。给出了研制的电压等级在100~600 kV的中小型EMP模拟器驱动源的结构、参数与输出指标。通过紧凑型Marx发生器、低电感平板型薄膜电容器、低电感输出开关等关键部件与连接结构优化、器件参数选取，获得在驱动源接120~180 Ω负载时可输出前沿1.2~2.7 ns、半宽32~41 ns的双指数波。
2018, 30: 073204.
doi: 10.11884/HPLPB201830.170465
摘要:
利用基于有限积分法的电磁场仿真软件CST仿真和分析了金属挡板对大型平行线栅有界波模拟器内部可用测试区和外部辐射电场分布的影响。首先建立了平行线栅有界波模拟器仿真模型，并依据GJB 8848证明了其合理性；而后重点分析了金属板对模拟器内部可用测试区电场分布的影响，并通过详实的数据列出了金属板位置、厚度、高度和长度等参数的具体作用效果；然后讨论了金属板对模拟器外部辐射电场的屏蔽效果；最后结合仿真结果提出金属挡板的设置应尽可能地远离模拟器，且有效反射面积越小越好，而对厚度无特别要求。
利用基于有限积分法的电磁场仿真软件CST仿真和分析了金属挡板对大型平行线栅有界波模拟器内部可用测试区和外部辐射电场分布的影响。首先建立了平行线栅有界波模拟器仿真模型，并依据GJB 8848证明了其合理性；而后重点分析了金属板对模拟器内部可用测试区电场分布的影响，并通过详实的数据列出了金属板位置、厚度、高度和长度等参数的具体作用效果；然后讨论了金属板对模拟器外部辐射电场的屏蔽效果；最后结合仿真结果提出金属挡板的设置应尽可能地远离模拟器，且有效反射面积越小越好，而对厚度无特别要求。
2018, 30: 073205.
doi: 10.11884/HPLPB201830.170475
摘要:
提出了一种基于共形网格技术的共形单步交替方向隐式时域有限差分(CLeapfrog ADI-FDTD)方法。与常规FDTD方法相比，此方法能够减小由于目标边界不契合网格划分而引入的阶梯近似误差，提高算法计算不规则目标时的精度；同时算法稳定性更强，计算效率更高。由于引入共形技术后显著降低了原差分法的无条件稳定性，本文利用增长矩阵本征值方法理论分析了算法的稳定性，然后采用了一种改进的共形面积计算方法，在此基础上提出了一种稳定性更高的改进的共形单步交替方向隐式时域有限差分(ICLeapfrog ADI-FDTD)方法。数值算例验证了ICLeapfrog ADI-FDTD是一种具有高稳定性和高精度的高效算法。
提出了一种基于共形网格技术的共形单步交替方向隐式时域有限差分(CLeapfrog ADI-FDTD)方法。与常规FDTD方法相比，此方法能够减小由于目标边界不契合网格划分而引入的阶梯近似误差，提高算法计算不规则目标时的精度；同时算法稳定性更强，计算效率更高。由于引入共形技术后显著降低了原差分法的无条件稳定性，本文利用增长矩阵本征值方法理论分析了算法的稳定性，然后采用了一种改进的共形面积计算方法，在此基础上提出了一种稳定性更高的改进的共形单步交替方向隐式时域有限差分(ICLeapfrog ADI-FDTD)方法。数值算例验证了ICLeapfrog ADI-FDTD是一种具有高稳定性和高精度的高效算法。
2018, 30: 074101.
doi: 10.11884/HPLPB201830.180007
摘要:
带抽头的微带交指滤波器初始设计方法繁多，但设计不够全面、简洁，同时精度不高，因此给出了一套详细、简洁的初始设计流程。设计步骤为：指标“规范化”，确定低通原型滤波器，求解滤波器阶数，求解归一化电导值，设计抽头的线长和线宽，设计谐振器的线宽，设计非输入输出谐振器的线长，设计相邻谐振器间距，设计输入输出谐振器的线长和抽头的位置，交指滤波器整体建模仿真。最后以Ka波段滤波器为案例进行初始设计，初始设计结果显示中心频率在30.19 GHz附近，通带比29.40~31.00 GHz略大，通带内最大插入损耗为4.22 dB，最小回波损耗为9.32 dB，27.00 GHz和33.40 GHz的带外抑制大于30.00 dB，已经基本满足设计指标，后续只需要稍加优化就能完全满足设计指标，验证了此套设计流程的可行性及其较高的精度。
带抽头的微带交指滤波器初始设计方法繁多，但设计不够全面、简洁，同时精度不高，因此给出了一套详细、简洁的初始设计流程。设计步骤为：指标“规范化”，确定低通原型滤波器，求解滤波器阶数，求解归一化电导值，设计抽头的线长和线宽，设计谐振器的线宽，设计非输入输出谐振器的线长，设计相邻谐振器间距，设计输入输出谐振器的线长和抽头的位置，交指滤波器整体建模仿真。最后以Ka波段滤波器为案例进行初始设计，初始设计结果显示中心频率在30.19 GHz附近，通带比29.40~31.00 GHz略大，通带内最大插入损耗为4.22 dB，最小回波损耗为9.32 dB，27.00 GHz和33.40 GHz的带外抑制大于30.00 dB，已经基本满足设计指标，后续只需要稍加优化就能完全满足设计指标，验证了此套设计流程的可行性及其较高的精度。
2018, 30: 074102.
doi: 10.11884/HPLPB201830.180026
摘要:
根据多镜面地基望远镜在近红外实现共相衍射极限成像的需求，提出了一种基于压电堆栈致动器的高分辨率倾斜镜设计方案。该方案以哑铃型柔性铰链和菱形位移缩小结构(RADS)作为倾斜镜的运动传递元件，压电堆栈致动器(PSA)作为动力元件，并使用电涡流传感器作为角度测量部件。介绍了高分辨倾斜镜的工作原理，并对哑铃型柔性铰链和菱形位移缩小结构进行设计。柔性铰链和位移缩小结构的关键结构参数均采用理论计算、实验和仿真进行优化。建立倾斜镜模型，利用理论计算和有限元仿真软件分别计算倾斜镜的倾斜角度和分辨率。实验结果表明：设计的倾斜镜角度分辨率达到0.017″，最大倾斜角度为14.6″，谐振频率为136.97 Hz，与有限元仿真结果相吻合，满足地基望远镜系统衍射极限成像的要求。
根据多镜面地基望远镜在近红外实现共相衍射极限成像的需求，提出了一种基于压电堆栈致动器的高分辨率倾斜镜设计方案。该方案以哑铃型柔性铰链和菱形位移缩小结构(RADS)作为倾斜镜的运动传递元件，压电堆栈致动器(PSA)作为动力元件，并使用电涡流传感器作为角度测量部件。介绍了高分辨倾斜镜的工作原理，并对哑铃型柔性铰链和菱形位移缩小结构进行设计。柔性铰链和位移缩小结构的关键结构参数均采用理论计算、实验和仿真进行优化。建立倾斜镜模型，利用理论计算和有限元仿真软件分别计算倾斜镜的倾斜角度和分辨率。实验结果表明：设计的倾斜镜角度分辨率达到0.017″，最大倾斜角度为14.6″，谐振频率为136.97 Hz，与有限元仿真结果相吻合，满足地基望远镜系统衍射极限成像的要求。
2018, 30: 074103.
doi: 10.11884/HPLPB201830.180055
摘要:
设计并搭建了基于高压放电方式的金属丝电爆炸制备纳米粉体的实验装置，并配备了电流电压测量辅助系统，可以方便地制备纳米颗粒，实时记录电爆炸过程中的电流和电压。对Zr丝进行电爆炸实验；理论上分析了Zr丝在电爆炸过程中的沉积能量以及物态的变化过程。研究了充电电压对沉积能量和纳米粉体特性的影响规律。通过元素能谱(EDS)和X射线衍射仪(XRD)对制备的纳米粉体做了成分分析。采用透射电子显微镜(TEM)观察纳米粉体的形貌和结构，并用电镜统计观察法得到纳米粉体的粒度分布。研究结果表明：电压的增大，会使沉积能量增加，并缩短锆丝完全汽化所需时间。增大充电电压可显著缩小纳米粉体的粒径分布范围，并得到更小平均粒径的颗粒。电爆炸锆丝的产物是ZrO2纳米颗粒，其晶相结构为单斜晶系(m-ZrO2)和立方晶系(c-ZrO2)，并且颗粒呈良好的球形，表面光滑，轮廓清晰，粒径分布主要集中在10 nm到40 nm之间。
设计并搭建了基于高压放电方式的金属丝电爆炸制备纳米粉体的实验装置，并配备了电流电压测量辅助系统，可以方便地制备纳米颗粒，实时记录电爆炸过程中的电流和电压。对Zr丝进行电爆炸实验；理论上分析了Zr丝在电爆炸过程中的沉积能量以及物态的变化过程。研究了充电电压对沉积能量和纳米粉体特性的影响规律。通过元素能谱(EDS)和X射线衍射仪(XRD)对制备的纳米粉体做了成分分析。采用透射电子显微镜(TEM)观察纳米粉体的形貌和结构，并用电镜统计观察法得到纳米粉体的粒度分布。研究结果表明：电压的增大，会使沉积能量增加，并缩短锆丝完全汽化所需时间。增大充电电压可显著缩小纳米粉体的粒径分布范围，并得到更小平均粒径的颗粒。电爆炸锆丝的产物是ZrO2纳米颗粒，其晶相结构为单斜晶系(m-ZrO2)和立方晶系(c-ZrO2)，并且颗粒呈良好的球形，表面光滑，轮廓清晰，粒径分布主要集中在10 nm到40 nm之间。
2018, 30: 074104.
doi: 10.11884/HPLPB201830.170403
摘要:
为实时监测高通量激光系统中洁净情况，提出了基于微纳光纤的微量污染物传感技术。为消除微纳光纤外形结构误差对测试结果影响，首先理论研究了微纳光纤拉制过程，得到了加热长度和拉伸长度误差和引入微纳光纤外形结构偏差的关系，接着通过理论仿真得到了不同拉制参数条件下，微纳光纤外形结构误差情况，并得到了拉制长度为10 mm、直径为1.5 μm的最优制备参数，最后通过实测微纳光纤外形结构验证了理论仿真结果。实验结果表明，通过优化微纳光纤拉制参数可实现其外形结构的精细控制，为微纳光纤用于微量污染物传感工程实用化奠定基础。
为实时监测高通量激光系统中洁净情况，提出了基于微纳光纤的微量污染物传感技术。为消除微纳光纤外形结构误差对测试结果影响，首先理论研究了微纳光纤拉制过程，得到了加热长度和拉伸长度误差和引入微纳光纤外形结构偏差的关系，接着通过理论仿真得到了不同拉制参数条件下，微纳光纤外形结构误差情况，并得到了拉制长度为10 mm、直径为1.5 μm的最优制备参数，最后通过实测微纳光纤外形结构验证了理论仿真结果。实验结果表明，通过优化微纳光纤拉制参数可实现其外形结构的精细控制，为微纳光纤用于微量污染物传感工程实用化奠定基础。
2018, 30: 075001.
doi: 10.11884/HPLPB201830.180008
摘要:
针对25 μm 2605TCA非晶涂层、25 μm 2605SA1非晶夹膜和50 μm DG6硅钢夹膜三种材料和工艺磁芯，对比研究了不同激磁条件下的磁化特性。结果表明：改变磁芯激磁条件，磁通密度变化量(ΔB)几乎不变，DG6硅钢夹膜磁芯和2605TCA非晶涂层磁芯ΔB均为3.1 T，2605SA1非晶夹膜磁芯ΔB仅为2.4 T；不同激磁条件下，相对磁导率变化较为明显，三种磁芯相对磁导率均随激磁特征参数的增加而迅速减小，当激磁特征参数由67 V/(cm2·ns)增加至129 V/(cm2·ns)时，2605SA1非晶夹膜磁芯最大相对磁导率由1800减小至1200，2605TCA非晶涂层磁芯最大相对磁导率由1100减小至400，相同激磁特征参数下2605TCA非晶涂层磁芯相对磁导率小于2605SA1非晶夹膜磁芯相对磁导率；DG6硅钢夹膜磁芯在快脉冲条件下磁化性能较差，最大相对磁导率仅为130。
针对25 μm 2605TCA非晶涂层、25 μm 2605SA1非晶夹膜和50 μm DG6硅钢夹膜三种材料和工艺磁芯，对比研究了不同激磁条件下的磁化特性。结果表明：改变磁芯激磁条件，磁通密度变化量(ΔB)几乎不变，DG6硅钢夹膜磁芯和2605TCA非晶涂层磁芯ΔB均为3.1 T，2605SA1非晶夹膜磁芯ΔB仅为2.4 T；不同激磁条件下，相对磁导率变化较为明显，三种磁芯相对磁导率均随激磁特征参数的增加而迅速减小，当激磁特征参数由67 V/(cm2·ns)增加至129 V/(cm2·ns)时，2605SA1非晶夹膜磁芯最大相对磁导率由1800减小至1200，2605TCA非晶涂层磁芯最大相对磁导率由1100减小至400，相同激磁特征参数下2605TCA非晶涂层磁芯相对磁导率小于2605SA1非晶夹膜磁芯相对磁导率；DG6硅钢夹膜磁芯在快脉冲条件下磁化性能较差，最大相对磁导率仅为130。
2018, 30: 075002.
doi: 10.11884/HPLPB201830.170453
摘要:
为了实现重频脉冲功率源小型化，研制了基于快Marx发生器的紧凑型重频低阻抗脉冲功率源。采用大功率重频高压电源对Marx发生器充电，通过对充电电源和脉冲触发源的同步控制，实现对Marx发生器重频充电；Marx发生器中采用薄膜脉冲电容器、小型化气体开关、电感隔离以及SF6气体绝缘等设计，以8级紧凑Marx发生器进行验证性研究，在16 Ω阻抗负载上实现了重复频率10 Hz、脉宽150 ns、峰值电压大于400 kV连续多脉冲输出；在此基础上，设计了18级紧凑型Marx发生器，在约18 Ω阻抗负载上输出功率达到33 GW，峰值功率密度大于150 GW/m3，实现重复频率5 Hz、脉宽约160 ns、峰值电压大于600 kV的连续多脉冲输出。为了降低Marx发生器的输出阻抗，采用4台电容器并联作为Marx发生器的一级储能模块，研制了同轴紧凑Marx脉冲功率源，有效减小放电回路电感，实现12 Ω低阻抗负载近似匹配输出，前沿减小至50 ns以下，脉宽约130 ns。
为了实现重频脉冲功率源小型化，研制了基于快Marx发生器的紧凑型重频低阻抗脉冲功率源。采用大功率重频高压电源对Marx发生器充电，通过对充电电源和脉冲触发源的同步控制，实现对Marx发生器重频充电；Marx发生器中采用薄膜脉冲电容器、小型化气体开关、电感隔离以及SF6气体绝缘等设计，以8级紧凑Marx发生器进行验证性研究，在16 Ω阻抗负载上实现了重复频率10 Hz、脉宽150 ns、峰值电压大于400 kV连续多脉冲输出；在此基础上，设计了18级紧凑型Marx发生器，在约18 Ω阻抗负载上输出功率达到33 GW，峰值功率密度大于150 GW/m3，实现重复频率5 Hz、脉宽约160 ns、峰值电压大于600 kV的连续多脉冲输出。为了降低Marx发生器的输出阻抗，采用4台电容器并联作为Marx发生器的一级储能模块，研制了同轴紧凑Marx脉冲功率源，有效减小放电回路电感，实现12 Ω低阻抗负载近似匹配输出，前沿减小至50 ns以下，脉宽约130 ns。
2018, 30: 075101.
doi: 10.11884/HPLPB201830.180034
摘要:
介绍了中国散裂中子源(CSNS)直线加速器(Linac)采用的自主研制的束流变压器(BCT)系统。根据CSNS Linac的束流参数、加速器管道的横向孔径和纵向空间，专门设计了BCT进行束流宏脉冲流强的测量。在CSNS Linac试运行阶段成功地测量到了负氢粒子束流的宏脉冲信息，给调束运行提供了有利的保障和支撑。
介绍了中国散裂中子源(CSNS)直线加速器(Linac)采用的自主研制的束流变压器(BCT)系统。根据CSNS Linac的束流参数、加速器管道的横向孔径和纵向空间，专门设计了BCT进行束流宏脉冲流强的测量。在CSNS Linac试运行阶段成功地测量到了负氢粒子束流的宏脉冲信息，给调束运行提供了有利的保障和支撑。
2018, 30: 075102.
doi: 10.11884/HPLPB201830.170098
摘要:
神龙二号注入器是一台感应叠加型强流脉冲电子束源，采用热阴极工作模式，为神龙二号加速器提供间隔可调的三脉冲电子束。该注入器的束流调试采取PIC模拟和实验调试交互验证、互相促进的方式，先是通过束斑测量确定引导线圈磁场的加载范围，然后通过PIC方法逐级梳理阳极段束线各线圈的磁场配置，再通过束斑测量加以确认。通过这种束流调试方法，获得了保持束流脉冲平顶完整通过的三种磁场配置，以适应下游加速段束流传输的不同要求。讨论了影响束流调试效果的因素，认为提升神龙二号注入器性能的关键是进一步改进大面积热阴极发射的均匀性。
神龙二号注入器是一台感应叠加型强流脉冲电子束源，采用热阴极工作模式，为神龙二号加速器提供间隔可调的三脉冲电子束。该注入器的束流调试采取PIC模拟和实验调试交互验证、互相促进的方式，先是通过束斑测量确定引导线圈磁场的加载范围，然后通过PIC方法逐级梳理阳极段束线各线圈的磁场配置，再通过束斑测量加以确认。通过这种束流调试方法，获得了保持束流脉冲平顶完整通过的三种磁场配置，以适应下游加速段束流传输的不同要求。讨论了影响束流调试效果的因素，认为提升神龙二号注入器性能的关键是进一步改进大面积热阴极发射的均匀性。
2018, 30: 079001.
doi: 10.11884/HPLPB201830.180023
摘要:
利用厚体布拉格光栅的波长选择特性对目标光场进行窄带滤波，是实现高光谱成像的一种新途径。基于严格耦合波理论，设计了体布拉格光栅结构，探索了厚体布拉格光栅的制作工艺，搭建系统光路验证了体布拉格光栅的光谱成像能力。研究结果表明：要获得较窄滤波谱宽，需要提高体布拉格光栅的厚度周期比，并严格控制入射光束发散角；刻写光束质量、震动和偏振会极大地影响制作的光栅条纹面质量，需要从优化写入光的光束均匀性、采用防震措施以及调整两刻写光束偏振一致性等方面优化刻写过程，以提高光栅的衍射效率和质量；验证了体布拉格光栅滤波片进行空间二维面阵成像的能力，宽谱光源透射条件下，通过对入射光束进行准直，滤波谱宽5 nm左右，空间分辨率约4 lines/mm；漫反射条件下，使用体布拉格光栅对进行色散补偿，能够实现较为清晰的成像，空间分辨率约4.9 lines/mm。
利用厚体布拉格光栅的波长选择特性对目标光场进行窄带滤波，是实现高光谱成像的一种新途径。基于严格耦合波理论，设计了体布拉格光栅结构，探索了厚体布拉格光栅的制作工艺，搭建系统光路验证了体布拉格光栅的光谱成像能力。研究结果表明：要获得较窄滤波谱宽，需要提高体布拉格光栅的厚度周期比，并严格控制入射光束发散角；刻写光束质量、震动和偏振会极大地影响制作的光栅条纹面质量，需要从优化写入光的光束均匀性、采用防震措施以及调整两刻写光束偏振一致性等方面优化刻写过程，以提高光栅的衍射效率和质量；验证了体布拉格光栅滤波片进行空间二维面阵成像的能力，宽谱光源透射条件下，通过对入射光束进行准直，滤波谱宽5 nm左右，空间分辨率约4 lines/mm；漫反射条件下，使用体布拉格光栅对进行色散补偿，能够实现较为清晰的成像，空间分辨率约4.9 lines/mm。
2018, 30: 079002.
doi: 10.11884/HPLPB201830.170500
摘要:
为研究非转移弧层流等离子体制备面向新材料领域的μm级球形氧化铝粉末的能力，使用自制的非转移弧分段式阳极层流等离子体球化设备，以载气送粉的方式，对η相的不规则μm级三氧化二铝粉末进行等离子体球化处理，并采用均匀设计法，研究等离子体发生器和送粉器不同的工作参数对氧化铝粉末球化率的影响规律。结果表明，实验所采用的直流非转移弧层流等离子体发生器能有效制备球化率接近100%的高球化率球形氧化铝粉末。实验发现，高球化率、高分散性和粒径大小均匀的球形氧化铝粉末可在不同工艺参数组合下制备，并证明了采用非转移弧分段式阳极层流等离子体发生器可实现较低功率下制备较高球化率球形氧化铝的可行性。实验还通过XRD与PDF卡片索引技术对球化前后的氧化铝粉末进行了物相定性分析，发现η相的氧化铝粉末经射流作用转化成了Corundum型的氧化铝粉末。
为研究非转移弧层流等离子体制备面向新材料领域的μm级球形氧化铝粉末的能力，使用自制的非转移弧分段式阳极层流等离子体球化设备，以载气送粉的方式，对η相的不规则μm级三氧化二铝粉末进行等离子体球化处理，并采用均匀设计法，研究等离子体发生器和送粉器不同的工作参数对氧化铝粉末球化率的影响规律。结果表明，实验所采用的直流非转移弧层流等离子体发生器能有效制备球化率接近100%的高球化率球形氧化铝粉末。实验发现，高球化率、高分散性和粒径大小均匀的球形氧化铝粉末可在不同工艺参数组合下制备，并证明了采用非转移弧分段式阳极层流等离子体发生器可实现较低功率下制备较高球化率球形氧化铝的可行性。实验还通过XRD与PDF卡片索引技术对球化前后的氧化铝粉末进行了物相定性分析，发现η相的氧化铝粉末经射流作用转化成了Corundum型的氧化铝粉末。
