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2023, 35: 124009.
doi: 10.11884/HPLPB202335.230412
2023, 35: 124001.
doi: 10.11884/HPLPB202335.230110
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doi: 10.11884/HPLPB202335.230299
摘要:
基于面向对象的C++语言研制三维柱坐标共形网格生成程序，对束-场互作用器件作共形网格剖分，为粒子模拟算法提供积分线元、面元。通过定义三维柱坐标网格体系如网格步长、网格索引、守护网格层、包围盒等数据，使模型的空间信息能转换成柱坐标网格信息。将轴上网格单元作特殊处理，使粒子模拟算法形式在轴上网格和在非轴上网格上保持一致。利用射线跟踪法得到属于模型子面、模型棱边的离散边界点，接着通过拓扑关系获得模型的顶点，保存上述三类离散边界点的拓扑信息和网格信息。将构建的基础网格元与边界点信息耦合，在离散网格体系中重构模型。用该共形网格剖分技术对相对论磁控管进行剖分，能够识别该磁控管的透明阴极、阳极和谐振腔等结构。
基于面向对象的C++语言研制三维柱坐标共形网格生成程序，对束-场互作用器件作共形网格剖分，为粒子模拟算法提供积分线元、面元。通过定义三维柱坐标网格体系如网格步长、网格索引、守护网格层、包围盒等数据，使模型的空间信息能转换成柱坐标网格信息。将轴上网格单元作特殊处理，使粒子模拟算法形式在轴上网格和在非轴上网格上保持一致。利用射线跟踪法得到属于模型子面、模型棱边的离散边界点，接着通过拓扑关系获得模型的顶点，保存上述三类离散边界点的拓扑信息和网格信息。将构建的基础网格元与边界点信息耦合，在离散网格体系中重构模型。用该共形网格剖分技术对相对论磁控管进行剖分，能够识别该磁控管的透明阴极、阳极和谐振腔等结构。
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doi: 10.11884/HPLPB202335.230194
摘要:
初始磁场电源系统用于激励千特斯拉级内爆磁压缩装置的初级线圈产生初始磁场，是内爆磁压缩装置的关键设备。在分析千特斯拉级内爆磁压缩装置初始磁场电源需求和技术难点的基础上，系统设计了核心部件选择方案和主脉冲电路及控制系统结构，研制成功一套输出电压1～40 kV可调、主放电电流脉冲上升沿约60 μs、总峰值电流达3.2 MA的初始磁场电源系统，已应用于千特斯拉级内爆磁压缩装置动态试验。
初始磁场电源系统用于激励千特斯拉级内爆磁压缩装置的初级线圈产生初始磁场，是内爆磁压缩装置的关键设备。在分析千特斯拉级内爆磁压缩装置初始磁场电源需求和技术难点的基础上，系统设计了核心部件选择方案和主脉冲电路及控制系统结构，研制成功一套输出电压1～40 kV可调、主放电电流脉冲上升沿约60 μs、总峰值电流达3.2 MA的初始磁场电源系统，已应用于千特斯拉级内爆磁压缩装置动态试验。
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doi: 10.11884/HPLPB202335.230184
摘要:
微波功率模块（MPM）是真空电子器件和固态电子器件组合而成的一种新型微波功率器件，具有频率高、频带宽、功率大、体积重量小等特点，它使常规行波管的应用变得更加便利和广泛。现代战争向雷达、电子战综合一体化方向发展，这就要求功放既能工作在高峰值功率、低占空比的高模工作方式，也能工作在低峰值功率、准连续波的低模工作方式，针对这一需求，结合电子系统收发共孔径的要求，提出了T/R双模MPM技术。T/R双模MPM技术的核心是T/R双模行波管，基于三端口双向T/R行波管，通过在慢波系统的衰减器附近设置一个耦合口，实现行波管的信号反向接收功能；通过T/R双模行波管设计、双模放大均衡组件、双调制栅极电源等技术实现MPM的双模双向功能。T/R双模MPM应用前景广阔，特别是在基于无人机平台的作战应用中的具有明显优势。
微波功率模块（MPM）是真空电子器件和固态电子器件组合而成的一种新型微波功率器件，具有频率高、频带宽、功率大、体积重量小等特点，它使常规行波管的应用变得更加便利和广泛。现代战争向雷达、电子战综合一体化方向发展，这就要求功放既能工作在高峰值功率、低占空比的高模工作方式，也能工作在低峰值功率、准连续波的低模工作方式，针对这一需求，结合电子系统收发共孔径的要求，提出了T/R双模MPM技术。T/R双模MPM技术的核心是T/R双模行波管，基于三端口双向T/R行波管，通过在慢波系统的衰减器附近设置一个耦合口，实现行波管的信号反向接收功能；通过T/R双模行波管设计、双模放大均衡组件、双调制栅极电源等技术实现MPM的双模双向功能。T/R双模MPM应用前景广阔，特别是在基于无人机平台的作战应用中的具有明显优势。
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doi: 10.11884/HPLPB202335.230239
摘要:
快校正磁铁电源是光源和加速器中重要的设备。随着光源性能的提升，加速器对快校正磁铁电源的性能也提出了更高要求。为满足快校正磁铁电源性能要求和简化设计过程，开展了快校正电源控制策略和仿真研究，并提出了PI控制加二阶相位补偿的方法作为快校正磁铁电源的控制策略；利用伯德图设计快校正磁铁电源的相位补偿参数，以提高电源系统相位裕量。该方法不仅保证了电源系统工作在深度负反馈状态，而且简化了相位补偿的参数计算过程。为了验证控制策略的正确性和有效性，本文提出用压控电压源代替开关器件开展电源性能仿真的方法。仿真结果验证了上述控制策略的可行性和有效性，同时验证了上述仿真方法的有效性和高效性。
快校正磁铁电源是光源和加速器中重要的设备。随着光源性能的提升，加速器对快校正磁铁电源的性能也提出了更高要求。为满足快校正磁铁电源性能要求和简化设计过程，开展了快校正电源控制策略和仿真研究，并提出了PI控制加二阶相位补偿的方法作为快校正磁铁电源的控制策略；利用伯德图设计快校正磁铁电源的相位补偿参数，以提高电源系统相位裕量。该方法不仅保证了电源系统工作在深度负反馈状态，而且简化了相位补偿的参数计算过程。为了验证控制策略的正确性和有效性，本文提出用压控电压源代替开关器件开展电源性能仿真的方法。仿真结果验证了上述控制策略的可行性和有效性，同时验证了上述仿真方法的有效性和高效性。
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doi: 10.11884/HPLPB202335.230101
摘要:
相对论电子束在理想顺磁环境下能够以较高的注量率击中靶目标，但实际情况中由于受环境的影响，相对论电子束的传输方向可能会与地磁场呈小角度偏差，因此会受到地磁场的作用产生拉莫尔进动，影响电子束的到靶瞄准以及到靶注量。基于二维片状相对论电子束，分别对相对论电子束顺磁和偏离磁场3°角两种传输情况进行仿真模拟，通过模拟束团的传输过程，分析研究了顺磁环境下不同传输距离束团到靶率的变化规律，以及偏离磁场3°角时传输过程中注量率的变化规律，为相对论电子束到靶率的预估和靶目标的瞄准提供数据参考。
相对论电子束在理想顺磁环境下能够以较高的注量率击中靶目标，但实际情况中由于受环境的影响，相对论电子束的传输方向可能会与地磁场呈小角度偏差，因此会受到地磁场的作用产生拉莫尔进动，影响电子束的到靶瞄准以及到靶注量。基于二维片状相对论电子束，分别对相对论电子束顺磁和偏离磁场3°角两种传输情况进行仿真模拟，通过模拟束团的传输过程，分析研究了顺磁环境下不同传输距离束团到靶率的变化规律，以及偏离磁场3°角时传输过程中注量率的变化规律，为相对论电子束到靶率的预估和靶目标的瞄准提供数据参考。
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doi: 10.11884/HPLPB202335.230243
摘要:
托卡马克装置预电离过程中，环向磁场应与电子回旋波频率相匹配，NCST装置现有的电子回旋波频率较低，为了让环向场与已有的电子回旋波频率匹配，提出新的环向场线圈电流产生方案，在原方案的磁场线圈平顶电流产生之前增加一个低电流台阶。回顾NCST球形托卡马克装置环向场线圈电源的原有方案后，设计了全控型和半控型两种方案，从电压电流的高次谐波、电流的可控性和纹波、改动成本和安装便捷性四方面对比两个方案的优缺点，最终选定半控型改造方案。根据现场条件制作电源改造柜，尽量减少对原有电源柜的改动。实际测试结果显示，两个电流台阶衔接正常，低电流台阶宽度可调、幅值可调，满足改造要求。
托卡马克装置预电离过程中，环向磁场应与电子回旋波频率相匹配，NCST装置现有的电子回旋波频率较低，为了让环向场与已有的电子回旋波频率匹配，提出新的环向场线圈电流产生方案，在原方案的磁场线圈平顶电流产生之前增加一个低电流台阶。回顾NCST球形托卡马克装置环向场线圈电源的原有方案后，设计了全控型和半控型两种方案，从电压电流的高次谐波、电流的可控性和纹波、改动成本和安装便捷性四方面对比两个方案的优缺点，最终选定半控型改造方案。根据现场条件制作电源改造柜，尽量减少对原有电源柜的改动。实际测试结果显示，两个电流台阶衔接正常，低电流台阶宽度可调、幅值可调，满足改造要求。
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doi: 10.11884/HPLPB202335.230248
摘要:
针对高功率微波在大气传输中可能出现的击穿现象，文章重点研究了脉冲序列中首次击穿时的延迟脉冲数，发现其与种子电子、脉冲击穿概率以及微波场强密切相关。研究发现，微波场强可通过作用于种子电子间接影响脉冲击穿概率和延迟脉冲数，由此提出利用延迟脉冲数估计微波击穿临界场强的方法，并定义在脉冲击穿概率大于一定值时的微波临界场强作为击穿阈值。文章推导了脉冲击穿概率的估计公式，并对估计量的性能进行了分析，随后利用S波段微波大气击穿模拟装置开展了实验验证。实验结果表明，在一定范围内，重复频率微波脉冲击穿延迟脉冲数仅与种子电子产生率和脉宽成反比，能用于估计脉冲击穿概率，进而给出击穿临界场强。
针对高功率微波在大气传输中可能出现的击穿现象，文章重点研究了脉冲序列中首次击穿时的延迟脉冲数，发现其与种子电子、脉冲击穿概率以及微波场强密切相关。研究发现，微波场强可通过作用于种子电子间接影响脉冲击穿概率和延迟脉冲数，由此提出利用延迟脉冲数估计微波击穿临界场强的方法，并定义在脉冲击穿概率大于一定值时的微波临界场强作为击穿阈值。文章推导了脉冲击穿概率的估计公式，并对估计量的性能进行了分析，随后利用S波段微波大气击穿模拟装置开展了实验验证。实验结果表明，在一定范围内，重复频率微波脉冲击穿延迟脉冲数仅与种子电子产生率和脉宽成反比，能用于估计脉冲击穿概率，进而给出击穿临界场强。
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doi: 10.11884/HPLPB202335.230158
摘要:
目前的高压保护开关缓冲电路参数设计缺乏相关理论设计方法，同时缓冲电路方案由于设计过程中并未考虑分布电容影响，因此均为等参数设计方案，这种方法均压效果不够理想。为了解决目前参数设计中存在的问题，首先建立了含缓冲电路和杂散电感的MOSFET模型并对其关断过程进行了分析，从而得到了抑制电压尖峰的缓冲电路理论设计方法及表达式。针对于串联均压未考虑分布电容的问题，通过构造等电位点，建立了含有分布电容的等效电路并进行分析，根据电荷方程等式得到了缓冲电路非等参数设计方法及表达式，该参数设计方法可以补偿分布电容造成的电压分布不均，并更好地指导高压保护开关的均压方案设计。为了验证参数设计的合理性进行了仿真分析，结果表明，最终得到的整体设计方案可以满足尖峰抑制以及均压的设计要求。
目前的高压保护开关缓冲电路参数设计缺乏相关理论设计方法，同时缓冲电路方案由于设计过程中并未考虑分布电容影响，因此均为等参数设计方案，这种方法均压效果不够理想。为了解决目前参数设计中存在的问题，首先建立了含缓冲电路和杂散电感的MOSFET模型并对其关断过程进行了分析，从而得到了抑制电压尖峰的缓冲电路理论设计方法及表达式。针对于串联均压未考虑分布电容的问题，通过构造等电位点，建立了含有分布电容的等效电路并进行分析，根据电荷方程等式得到了缓冲电路非等参数设计方法及表达式，该参数设计方法可以补偿分布电容造成的电压分布不均，并更好地指导高压保护开关的均压方案设计。为了验证参数设计的合理性进行了仿真分析，结果表明，最终得到的整体设计方案可以满足尖峰抑制以及均压的设计要求。
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doi: 10.11884/HPLPB202436.230275
摘要:
等离子体相对论微波发生器（PRMG）可以产生宽带高功率微波输出，同时又具有良好的频率可调谐性，因此在雷达、通信、电子对抗和物体探测等诸多领域均具有良好的应用前景。PRMG通常采用加载环形等离子体束的圆柱波导作为其波束互作用区，工作模式为慢等离子体波TM01模（下称P-TM01模）的色散特性及其变化规律对PRMG输出性能有着重要影响。利用全电磁粒子模拟程序对加载环形等离子体束的圆柱波导中P-TM01模的色散特性和场分布进行了粒子模拟和分析，获得等离子体束密度np、径向厚度Δrp和径向位置rp以及外加引导磁场强度Bz和波导半径rw等参数对P-TM01模的色散特性和场分布的影响规律。主要研究结果包括：（1）一定范围内，np 和Δrp的变化对色散特性影响较大，rp，Bz和rw的变化对色散特性影响较小。值得关注的是，由于波导中环形等离子体束的存在，随着波导半径rw的增加，相同纵向波数kz对应的P-TM01模的频率没有降低而是略有提高。因此，在实际应用时，可以适当加大波导径向尺寸以提高器件功率容量；适当降低磁场，则有利于提高器件的紧凑性。（2）P-TM01模的纵向电场的方向不随径向位置变化，径向电场的方向在等离子体束内外两侧相反,外侧的场分布与同轴波导中TEM模相似。主要物理参数变化时，场分布基本特点不会改变。但随着纵向模式数N和kz相应增加，电场能量向等离子体束收拢，不利于波束相互作用和电磁场的耦合输出。因此为了PRMG的高效运行，束波互作用的共振点最好落在kz相对较小的区域。上述研究结果对PRMG的设计和优化具有一定的理论参考价值。
等离子体相对论微波发生器（PRMG）可以产生宽带高功率微波输出，同时又具有良好的频率可调谐性，因此在雷达、通信、电子对抗和物体探测等诸多领域均具有良好的应用前景。PRMG通常采用加载环形等离子体束的圆柱波导作为其波束互作用区，工作模式为慢等离子体波TM01模（下称P-TM01模）的色散特性及其变化规律对PRMG输出性能有着重要影响。利用全电磁粒子模拟程序对加载环形等离子体束的圆柱波导中P-TM01模的色散特性和场分布进行了粒子模拟和分析，获得等离子体束密度np、径向厚度Δrp和径向位置rp以及外加引导磁场强度Bz和波导半径rw等参数对P-TM01模的色散特性和场分布的影响规律。主要研究结果包括：（1）一定范围内，np 和Δrp的变化对色散特性影响较大，rp，Bz和rw的变化对色散特性影响较小。值得关注的是，由于波导中环形等离子体束的存在，随着波导半径rw的增加，相同纵向波数kz对应的P-TM01模的频率没有降低而是略有提高。因此，在实际应用时，可以适当加大波导径向尺寸以提高器件功率容量；适当降低磁场，则有利于提高器件的紧凑性。（2）P-TM01模的纵向电场的方向不随径向位置变化，径向电场的方向在等离子体束内外两侧相反,外侧的场分布与同轴波导中TEM模相似。主要物理参数变化时，场分布基本特点不会改变。但随着纵向模式数N和kz相应增加，电场能量向等离子体束收拢，不利于波束相互作用和电磁场的耦合输出。因此为了PRMG的高效运行，束波互作用的共振点最好落在kz相对较小的区域。上述研究结果对PRMG的设计和优化具有一定的理论参考价值。
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doi: 10.11884/HPLPB202335.230212
摘要:
作为脉冲系统的核心部件，开关承担着脉冲成形、功率调制等重要作用，开关通断速度往往决定脉冲上升时间，高速开关是纳秒短脉冲形成的关键。提出一种高速SiC-MOSFET叠层封装结构，整体布局无引线、无外接，具有极低寄生电感。开展了电磁场仿真研究，揭示了脉冲形成过程中封装多介质界面电磁场分布规律，明确了封装结构电磁薄弱环节，为进一步绝缘优化提供指导。搭建双脉冲测试平台，对研制的SiC-MOSFET叠层封装开关与同芯片商用TO-263-7封装开关的动态性能进行测试。结果表明，大电流工况下，所提封装电流开通速度提升48%，关断速度提升50%，开通损耗降低54.6%，关断损耗降低62.8%，实验结果验证了所提叠层封装结构对开关动态性能的改善。
作为脉冲系统的核心部件，开关承担着脉冲成形、功率调制等重要作用，开关通断速度往往决定脉冲上升时间，高速开关是纳秒短脉冲形成的关键。提出一种高速SiC-MOSFET叠层封装结构，整体布局无引线、无外接，具有极低寄生电感。开展了电磁场仿真研究，揭示了脉冲形成过程中封装多介质界面电磁场分布规律，明确了封装结构电磁薄弱环节，为进一步绝缘优化提供指导。搭建双脉冲测试平台，对研制的SiC-MOSFET叠层封装开关与同芯片商用TO-263-7封装开关的动态性能进行测试。结果表明，大电流工况下，所提封装电流开通速度提升48%，关断速度提升50%，开通损耗降低54.6%，关断损耗降低62.8%，实验结果验证了所提叠层封装结构对开关动态性能的改善。
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doi: 10.11884/HPLPB202335.230260
摘要:
基于宽禁带光导半导体的固态光导微波源是高功率微波产生的一种新途径，该方案具有功率密度高、频带范围宽等特点，且其低时间抖动特性使其在功率合成方面具有巨大潜力，利用光波束形成网络构建光导微波有源相控阵是光导微波器件迈向实用的重要途径。本文分析了光导微波相控阵系统原理，设计了光导微波真延时网络架构，并构建了差分真延时相控阵和考虑相位随机误差的真延时相控阵的理论模型，对影响功率合成和波束扫描的关键因素开展定量分析和仿真验证。结果表明，对于发射1 GHz信号的n×10阵列，延时均方差在10 ps以下时，指向偏差小于0.13°，峰值增益损耗小于2%；延时步进精度在10 ps以下时，指向偏差小于0.2°，峰值增益损耗小于0.03%。由此提出延时精度指标，为未来更高功率、更大规模的光导微波合成技术发展提供参考。
基于宽禁带光导半导体的固态光导微波源是高功率微波产生的一种新途径，该方案具有功率密度高、频带范围宽等特点，且其低时间抖动特性使其在功率合成方面具有巨大潜力，利用光波束形成网络构建光导微波有源相控阵是光导微波器件迈向实用的重要途径。本文分析了光导微波相控阵系统原理，设计了光导微波真延时网络架构，并构建了差分真延时相控阵和考虑相位随机误差的真延时相控阵的理论模型，对影响功率合成和波束扫描的关键因素开展定量分析和仿真验证。结果表明，对于发射1 GHz信号的n×10阵列，延时均方差在10 ps以下时，指向偏差小于0.13°，峰值增益损耗小于2%；延时步进精度在10 ps以下时，指向偏差小于0.2°，峰值增益损耗小于0.03%。由此提出延时精度指标，为未来更高功率、更大规模的光导微波合成技术发展提供参考。
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doi: 10.11884/HPLPB202335.230119
摘要:
针对低信噪比条件下，现有的雷达辐射源信号识别方法存在识别正确率低、时效性差的问题，提出了一种基于压缩残差网络的雷达辐射源信号识别方法。首先，利用Choi-Williams分布的时频分析方法将时域信号转换为二维时频图像；然后，根据应用场景特点，选择卷积神经网络（Convolutional Neural Networks, CNN）“压缩”范围；最后，构建压缩残差网络来自动提取图像特征并完成分类。仿真实验结果表明，在同等体量的设计下，与当前较为常用的标准CNN以及ResNet模型相比，所提模型能够降低信号识别运行时间约8.4倍，在信噪比为-14dB条件下对14种雷达辐射源信号的平均识别率高约5%。提供了一种高效的雷达辐射源信号智能识别方法，具有潜在的工程应用前景。
针对低信噪比条件下，现有的雷达辐射源信号识别方法存在识别正确率低、时效性差的问题，提出了一种基于压缩残差网络的雷达辐射源信号识别方法。首先，利用Choi-Williams分布的时频分析方法将时域信号转换为二维时频图像；然后，根据应用场景特点，选择卷积神经网络（Convolutional Neural Networks, CNN）“压缩”范围；最后，构建压缩残差网络来自动提取图像特征并完成分类。仿真实验结果表明，在同等体量的设计下，与当前较为常用的标准CNN以及ResNet模型相比，所提模型能够降低信号识别运行时间约8.4倍，在信噪比为-14dB条件下对14种雷达辐射源信号的平均识别率高约5%。提供了一种高效的雷达辐射源信号智能识别方法，具有潜在的工程应用前景。
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doi: 10.11884/HPLPB202335.230281
摘要:
Microwave heating inhomogeneity has always been a hot issue in the minds of researchers engaged in microwave heating control. According to the physical structure of the microwave heating device, the static difference model of the surface temperature of each layer in the furnace is established, and the actual power of microwave heating is obtained by combining with experiments. Based on the finite difference method of heat transfer, the temperature distribution model in 3D space is established, and the effectiveness of the model is verified by MATLAB and COMSOL simulation. Compare the equilibrium temperature of the heated medium obtained by uniformly heating the microwave with the temperature distribution during uneven heating, and identify the partial temperature rise equilibrium point of the medium during the microwave heating process. Finally, it is compared with each other to find out the best point for the control object for expert PID (proportion-integral-derivative) microwave heating. The experimental results show that this method can accurately measure the equilibrium temperature of liquid heated medium at any time, and can make microwave heating more widely used in industrial production.
Microwave heating inhomogeneity has always been a hot issue in the minds of researchers engaged in microwave heating control. According to the physical structure of the microwave heating device, the static difference model of the surface temperature of each layer in the furnace is established, and the actual power of microwave heating is obtained by combining with experiments. Based on the finite difference method of heat transfer, the temperature distribution model in 3D space is established, and the effectiveness of the model is verified by MATLAB and COMSOL simulation. Compare the equilibrium temperature of the heated medium obtained by uniformly heating the microwave with the temperature distribution during uneven heating, and identify the partial temperature rise equilibrium point of the medium during the microwave heating process. Finally, it is compared with each other to find out the best point for the control object for expert PID (proportion-integral-derivative) microwave heating. The experimental results show that this method can accurately measure the equilibrium temperature of liquid heated medium at any time, and can make microwave heating more widely used in industrial production.
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doi: 10.11884/HPLPB202335.230214
摘要:
大功率电磁脉冲冲击下，射频集成微系统内部容易产生负载失配问题，严重者可能导致系统失效甚至损毁。采用实时的波形测试方法，对射频器件的负载失配进而导致器件损毁的机理进行了分析。该方法以矢量网络分析仪作为主要测试仪器，结合回波信号注入和相位参考模块获得待测器件实时电压电流波形，进而分析其负载失配影响机制。采用有源负载牵引技术模拟大功率耦合电磁脉冲注入，进行了电压驻波比39∶1的失配测试，大幅提升了测试范围。创新性地采用了谐波信号源注入模拟杂散谐波电磁干扰，评估器件的谐波阻抗失配特性。通过实际HBT器件测试的结果表明，基波的失配会造成负载端电压过大，增加器件的易损性；基波和谐波频率的干扰分量组合使得输出电压瞬态峰值升高，造成器件的损毁。在进行电磁安全防护时，应同时考虑基波和谐波频率的防护。
大功率电磁脉冲冲击下，射频集成微系统内部容易产生负载失配问题，严重者可能导致系统失效甚至损毁。采用实时的波形测试方法，对射频器件的负载失配进而导致器件损毁的机理进行了分析。该方法以矢量网络分析仪作为主要测试仪器，结合回波信号注入和相位参考模块获得待测器件实时电压电流波形，进而分析其负载失配影响机制。采用有源负载牵引技术模拟大功率耦合电磁脉冲注入，进行了电压驻波比39∶1的失配测试，大幅提升了测试范围。创新性地采用了谐波信号源注入模拟杂散谐波电磁干扰，评估器件的谐波阻抗失配特性。通过实际HBT器件测试的结果表明，基波的失配会造成负载端电压过大，增加器件的易损性；基波和谐波频率的干扰分量组合使得输出电压瞬态峰值升高，造成器件的损毁。在进行电磁安全防护时，应同时考虑基波和谐波频率的防护。
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doi: 10.11884/HPLPB202335.230207
摘要:
为满足雷达整机对发射机小型化的需求，针对8～18 GHz宽带脉冲行波管设计了一种小型化高压电源。采用脉冲峰值功率设计方法，结合高压电容储能，实现了行波管在脉冲工作期间高压稳定输出。同时主功率逆变电路采用了移相全桥拓扑结构，高压整流电路采用了碳化硅二极管，这可减轻电源的散热压力，提高高压电源的功率密度。研制的小型化脉冲高压电源，阴极电压−6.5 kV，最大工作脉宽2 ms，峰值功率最大1600 W。与某型号脉冲行波管联调，在脉冲工作期间行波管输出射频信号功率稳定，测试结果验证了该设计方法的可行性。
为满足雷达整机对发射机小型化的需求，针对8～18 GHz宽带脉冲行波管设计了一种小型化高压电源。采用脉冲峰值功率设计方法，结合高压电容储能，实现了行波管在脉冲工作期间高压稳定输出。同时主功率逆变电路采用了移相全桥拓扑结构，高压整流电路采用了碳化硅二极管，这可减轻电源的散热压力，提高高压电源的功率密度。研制的小型化脉冲高压电源，阴极电压−6.5 kV，最大工作脉宽2 ms，峰值功率最大1600 W。与某型号脉冲行波管联调，在脉冲工作期间行波管输出射频信号功率稳定，测试结果验证了该设计方法的可行性。
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doi: 10.11884/HPLPB202335.230173
摘要:
介质阻挡放电 (DBD) 在工业中得到广泛应用，但效率限制了它的进一步应用。提出了一种DBD结构和针板结构相结合的三电极结构。将正极性脉冲电源施加在DBD电极上，负极性脉冲电源施加到针板电极上。分析了不同结构下三电极DBD的放电特性、现象和光谱强度。结果表明，三电极结构更加有利于DBD放电通道的产生，其放电均匀性、发光强度均强于双电极DBD，特别是在丝网接地电极条件下，放电更加强烈。当三种电极结构正极性电压维持在11 kV，负极性电压为-5 kV时，丝网接地三电极中DBD的放电电流峰值达到1.54 A，而实心接地三电极和传统双电极中DBD的放电电流峰值为1.14 A和0.74 A。在负极性脉冲维持期间，针网间隙处于击穿状态，DBD放电出现很大的放电电流。在三电极结构中，随着施加在针板上负极性电压的升高也使三电极DBD放电更加强烈。不同结构下的DBD的放电光谱表明在丝网接地时三电极DBD激发粒子的光谱强度最强。这一趋势与DBD放电电流和功率一致。
介质阻挡放电 (DBD) 在工业中得到广泛应用，但效率限制了它的进一步应用。提出了一种DBD结构和针板结构相结合的三电极结构。将正极性脉冲电源施加在DBD电极上，负极性脉冲电源施加到针板电极上。分析了不同结构下三电极DBD的放电特性、现象和光谱强度。结果表明，三电极结构更加有利于DBD放电通道的产生，其放电均匀性、发光强度均强于双电极DBD，特别是在丝网接地电极条件下，放电更加强烈。当三种电极结构正极性电压维持在11 kV，负极性电压为-5 kV时，丝网接地三电极中DBD的放电电流峰值达到1.54 A，而实心接地三电极和传统双电极中DBD的放电电流峰值为1.14 A和0.74 A。在负极性脉冲维持期间，针网间隙处于击穿状态，DBD放电出现很大的放电电流。在三电极结构中，随着施加在针板上负极性电压的升高也使三电极DBD放电更加强烈。不同结构下的DBD的放电光谱表明在丝网接地时三电极DBD激发粒子的光谱强度最强。这一趋势与DBD放电电流和功率一致。
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doi: 10.11884/HPLPB202335.230148
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提出用P型开关作为充电管、N型开关作为放电管串联形成半桥结构，将其门极也短接，以同一个信号同时驱动充电管和放电管。再利用共原边的串心磁环驱动方案，只需1个半桥电路就可以从原边同时传递驱动功率和信号，同步驱动所有充电管和放电管，大幅简化了脉冲电源结构和尺寸，降低了成本。并以此搭建了24级固态Marx发生器，在10 kΩ阻性负载上，获得了10 kV、1 kHz、5 μs的高压方波脉冲，验证了方案的可行性，且该电源主电路的尺寸仅有20 cm（长）×13 cm（宽）×5.5 cm（高）。
提出用P型开关作为充电管、N型开关作为放电管串联形成半桥结构，将其门极也短接，以同一个信号同时驱动充电管和放电管。再利用共原边的串心磁环驱动方案，只需1个半桥电路就可以从原边同时传递驱动功率和信号，同步驱动所有充电管和放电管，大幅简化了脉冲电源结构和尺寸，降低了成本。并以此搭建了24级固态Marx发生器，在10 kΩ阻性负载上，获得了10 kV、1 kHz、5 μs的高压方波脉冲，验证了方案的可行性，且该电源主电路的尺寸仅有20 cm（长）×13 cm（宽）×5.5 cm（高）。
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doi: 10.11884/HPLPB202335.230155
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电源中的磁性元件对外部磁场天然敏感，其工作特性直接影响电源的输出特性。实现背景磁场的建模是研究电源中磁性元件受强杂散磁场干扰问题的重要前提，但目前关注这一应用场景的相关研究较少，且常用的电磁场分析方法难以兼顾计算的精度和效率。基于等效磁路网络法提出了一种杂散磁场效应的分析方法，该法将研究对象等效生成磁路单元，离散形成网络模型，并通过求解等效磁路系统方程得到模型的场量分布。以一款具体的环形铁氧体磁芯为例，利用等效磁路网络法计算了环形磁芯在直流激励和均匀正交磁场下的场量分布，分析了背景磁场对其等效电感的影响。通过对比等效磁路网络法与有限元法的计算结果，验证了所提分析方法的准确性与高效性，表明了该方法适用于电源受背景磁场干扰问题的分析。
电源中的磁性元件对外部磁场天然敏感，其工作特性直接影响电源的输出特性。实现背景磁场的建模是研究电源中磁性元件受强杂散磁场干扰问题的重要前提，但目前关注这一应用场景的相关研究较少，且常用的电磁场分析方法难以兼顾计算的精度和效率。基于等效磁路网络法提出了一种杂散磁场效应的分析方法，该法将研究对象等效生成磁路单元，离散形成网络模型，并通过求解等效磁路系统方程得到模型的场量分布。以一款具体的环形铁氧体磁芯为例，利用等效磁路网络法计算了环形磁芯在直流激励和均匀正交磁场下的场量分布，分析了背景磁场对其等效电感的影响。通过对比等效磁路网络法与有限元法的计算结果，验证了所提分析方法的准确性与高效性，表明了该方法适用于电源受背景磁场干扰问题的分析。
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doi: 10.11884/HPLPB202436.230197
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纳秒脉冲电场消融要求在100 Ω负载上产生数千伏的纳秒脉冲，加快脉冲前沿有利于获得更窄的纳秒脉冲。提出了一种具有快速前沿的固态Marx发生器，在每级电路中插入一个电感，并且让放电管和充电管同时导通数十纳秒，等放电管完全开通后，关断充电管，对负载进行放电，以消除放电管和放电回路杂散电感对脉冲前沿的限制，获得具有快前沿的高压脉冲。搭建了32级Marx样机，实验中通过调节直通时间，在100 Ω的低阻负载上获得了电压上升沿35 ns、脉宽800 ns、电流186 A的高压脉冲。对比并分析了充电管和放电管直通时间对上升沿的影响，发现直通时间越长，脉冲电流的前沿越快。输出端的峰值电流最大可达186 A。表明该脉冲电压源可以有效地提高电流的输出，提高系统带载能力。该方案相比于传统的改进方法，提高了系统抗干扰能力的同时，也减少了的所使用开关管的数量，降低了脉冲电源的成本。
纳秒脉冲电场消融要求在100 Ω负载上产生数千伏的纳秒脉冲，加快脉冲前沿有利于获得更窄的纳秒脉冲。提出了一种具有快速前沿的固态Marx发生器，在每级电路中插入一个电感，并且让放电管和充电管同时导通数十纳秒，等放电管完全开通后，关断充电管，对负载进行放电，以消除放电管和放电回路杂散电感对脉冲前沿的限制，获得具有快前沿的高压脉冲。搭建了32级Marx样机，实验中通过调节直通时间，在100 Ω的低阻负载上获得了电压上升沿35 ns、脉宽800 ns、电流186 A的高压脉冲。对比并分析了充电管和放电管直通时间对上升沿的影响，发现直通时间越长，脉冲电流的前沿越快。输出端的峰值电流最大可达186 A。表明该脉冲电压源可以有效地提高电流的输出，提高系统带载能力。该方案相比于传统的改进方法，提高了系统抗干扰能力的同时，也减少了的所使用开关管的数量，降低了脉冲电源的成本。
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doi: 10.11884/HPLPB202436.230322
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模块化多电平换流器（MMC）已成为新型全固态特种高压电源的有效解决方案，对其进行轻量化设计以节约设备空间成本成为当前研究热点。MMC中限制功率密度提升的首要因素为子模块大尺寸电容，为降低MMC对子模块容值的需求，提高系统功率密度，提出一种改进型MMC（I-MMC）拓扑。应用隔离型开关电容变换器，实现上下桥臂一对子模块高频链互联。研究中相单元内上、下桥臂子模块对并联的高频链两侧采用同步控制，使子模块电容之间呈现开关电容特性，实现波动功率在电容之间的自由传递，进而消除相位相反的基频与3倍频波动分量。结合MMC运行调制比和功率因数分析基频与3倍频波动分量消除后子模块电容取值，完成模块化设计。所提方案可将子模块电容减小至常规MMC的1/4。仿真与实验结果验证了所提拓扑方案的正确性与有效性。
模块化多电平换流器（MMC）已成为新型全固态特种高压电源的有效解决方案，对其进行轻量化设计以节约设备空间成本成为当前研究热点。MMC中限制功率密度提升的首要因素为子模块大尺寸电容，为降低MMC对子模块容值的需求，提高系统功率密度，提出一种改进型MMC（I-MMC）拓扑。应用隔离型开关电容变换器，实现上下桥臂一对子模块高频链互联。研究中相单元内上、下桥臂子模块对并联的高频链两侧采用同步控制，使子模块电容之间呈现开关电容特性，实现波动功率在电容之间的自由传递，进而消除相位相反的基频与3倍频波动分量。结合MMC运行调制比和功率因数分析基频与3倍频波动分量消除后子模块电容取值，完成模块化设计。所提方案可将子模块电容减小至常规MMC的1/4。仿真与实验结果验证了所提拓扑方案的正确性与有效性。
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doi: 10.11884/HPLPB202436.230159
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基于负离子的中性束注入是未来大型托卡马克装置不可或缺的辅助加热方式。中性束系统中的加速极电源需要输出−200 kV电压和5 MW的功率，还经常面临负载短路和断路的特殊工况。过去对加速极电源的研究中缺少高压部分的方案设计，而电源中高压部件的绝缘设计是电源研制过程中必不可少的关键环节。据电源指标和特殊工况的特点，计算了电源高压部分的隔离升压变压器、高压整流器和高压滤波器的电路参数，并对这些部件基于油浸式绝缘进行了工程设计，通过有限元仿真分析进行了绝缘验证。仿真结果表明，这些部件中的电场强度最高为16.22 kV/mm，小于变压器油击穿场强并具有2倍的绝缘裕度。设计的高压部件结构可以满足电源的绝缘要求。
基于负离子的中性束注入是未来大型托卡马克装置不可或缺的辅助加热方式。中性束系统中的加速极电源需要输出−200 kV电压和5 MW的功率，还经常面临负载短路和断路的特殊工况。过去对加速极电源的研究中缺少高压部分的方案设计，而电源中高压部件的绝缘设计是电源研制过程中必不可少的关键环节。据电源指标和特殊工况的特点，计算了电源高压部分的隔离升压变压器、高压整流器和高压滤波器的电路参数，并对这些部件基于油浸式绝缘进行了工程设计，通过有限元仿真分析进行了绝缘验证。仿真结果表明，这些部件中的电场强度最高为16.22 kV/mm，小于变压器油击穿场强并具有2倍的绝缘裕度。设计的高压部件结构可以满足电源的绝缘要求。
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doi: 10.11884/HPLPB202436.230228
摘要:
随着电气化的发展，电气与电子系统中的电磁兼容问题越来越被重视，为了消除或抑制电磁耦合的影响，实现设备或元件电磁兼容的工作，有必要对线缆间的串扰进行研究。但目前少有相关研究关注独立的发射回路与接收回路构成的双差模回路间的电磁串扰问题。提出了一种基于多导体传输线理论的五导体传输线模型，并基于此研究了双差模非屏蔽线缆回路间的串扰问题。该方法根据耦合机理，首先建立单位长度五导体传输线等效模型，然后根据有限差分的方法列写基尔霍夫方程组，最后补充边界条件后求解得到串扰的频域解。将串扰计算结果与CST软件仿真结果进行对比，验证了该模型和计算方法的可行性与有效性，经计算分别研究了感性耦合与容性耦合，分析得到了不同因素对线束间串扰的影响规律，可为实际工程中采取措施抑制线缆间串扰提供指导，体现出该模型的先进性。
随着电气化的发展，电气与电子系统中的电磁兼容问题越来越被重视，为了消除或抑制电磁耦合的影响，实现设备或元件电磁兼容的工作，有必要对线缆间的串扰进行研究。但目前少有相关研究关注独立的发射回路与接收回路构成的双差模回路间的电磁串扰问题。提出了一种基于多导体传输线理论的五导体传输线模型，并基于此研究了双差模非屏蔽线缆回路间的串扰问题。该方法根据耦合机理，首先建立单位长度五导体传输线等效模型，然后根据有限差分的方法列写基尔霍夫方程组，最后补充边界条件后求解得到串扰的频域解。将串扰计算结果与CST软件仿真结果进行对比，验证了该模型和计算方法的可行性与有效性，经计算分别研究了感性耦合与容性耦合，分析得到了不同因素对线束间串扰的影响规律，可为实际工程中采取措施抑制线缆间串扰提供指导，体现出该模型的先进性。
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doi: 10.11884/HPLPB202436.230211
摘要:
电磁发射的能力主要取决于脉冲功率电源系统，脉冲功率电源的优化是电磁发射技术取得进一步突破的关键技术之一。电感储能型脉冲功率电源在能量密度方面有很大优势，具备深远的发展潜力。基于串联充电和并联放电的XRAM型脉冲功率电源具有结构简单、可扩展性强的优点。分析了多级XRAM电源拓扑结构中二极管器件的工作原理，按照功能分类，提出了简化二极管器件数量的方案。建立了基于ICCOS的30级XRAM型脉冲功率电源带轨道炮负载的仿真模型，每5级为一个电源模块，系统总储能为365 kJ，发射效率近20%。通过对比简化前后模型性能指标的仿真结果，证明了简化第一级的下臂二极管不利于多级电源的运行。简化多级拓扑中的最后一级逆流电容串联二极管，以及在优化逆流电容参数的前提下简化充电晶闸管的反并二极管，对电源模块的放电电流没有明显影响。
电磁发射的能力主要取决于脉冲功率电源系统，脉冲功率电源的优化是电磁发射技术取得进一步突破的关键技术之一。电感储能型脉冲功率电源在能量密度方面有很大优势，具备深远的发展潜力。基于串联充电和并联放电的XRAM型脉冲功率电源具有结构简单、可扩展性强的优点。分析了多级XRAM电源拓扑结构中二极管器件的工作原理，按照功能分类，提出了简化二极管器件数量的方案。建立了基于ICCOS的30级XRAM型脉冲功率电源带轨道炮负载的仿真模型，每5级为一个电源模块，系统总储能为365 kJ，发射效率近20%。通过对比简化前后模型性能指标的仿真结果，证明了简化第一级的下臂二极管不利于多级电源的运行。简化多级拓扑中的最后一级逆流电容串联二极管，以及在优化逆流电容参数的前提下简化充电晶闸管的反并二极管，对电源模块的放电电流没有明显影响。
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doi: 10.11884/HPLPB202436.230171
摘要:
随着航空航天技术的不断发展，航天器对于霍尔电推进功率处理单元(PPU)的需求不断提高，高增益、大功率以及高效的PPU成为研究的主流方向。LLC拓扑能够在全负载范围内实现软开关，因此在PPU阳极电源中具有广阔的应用前景。原边LLC因其原副边增益特性，给阳极电源高增益变换器的谐振电感设计带来极大的挑战。针对上述问题，提出了一种改进的副边LLC谐振拓扑，在保留原边LLC谐振电路软开关特性的同时，有效解决了谐振电感设计问题，使得PPU阳极电源具备高增益的性能。首先利用时域分析法建立了副边LLC拓扑数学模型，其次在模型的基础上给出其峰值增益的计算方法，最后通过一台样机验证了所建模型的正确性并验证了副边LLC电路的有效性。
随着航空航天技术的不断发展，航天器对于霍尔电推进功率处理单元(PPU)的需求不断提高，高增益、大功率以及高效的PPU成为研究的主流方向。LLC拓扑能够在全负载范围内实现软开关，因此在PPU阳极电源中具有广阔的应用前景。原边LLC因其原副边增益特性，给阳极电源高增益变换器的谐振电感设计带来极大的挑战。针对上述问题，提出了一种改进的副边LLC谐振拓扑，在保留原边LLC谐振电路软开关特性的同时，有效解决了谐振电感设计问题，使得PPU阳极电源具备高增益的性能。首先利用时域分析法建立了副边LLC拓扑数学模型，其次在模型的基础上给出其峰值增益的计算方法，最后通过一台样机验证了所建模型的正确性并验证了副边LLC电路的有效性。
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doi: 10.11884/HPLPB202335.230186
摘要:
随着移动通信、物联网、车联网、工业互联网等网络的发展，电磁环境日益复杂，非法电子设备也日渐增多，各类信号耦合互调现象严重，这给泄漏信号类型识别带来了难题。提出基于融合特征的泄漏信号分类识别方法，综合运用高维度特征提取方法和图形化降维表征方法，结合残差网络等深度学习模型与特征融合分析方法，能够更综合地区分多类电磁泄漏信号，特征抗噪声鲁棒性高，方法可解释性好，可支撑基于电磁信号类型识别的辐射源智能检测工程应用。
随着移动通信、物联网、车联网、工业互联网等网络的发展，电磁环境日益复杂，非法电子设备也日渐增多，各类信号耦合互调现象严重，这给泄漏信号类型识别带来了难题。提出基于融合特征的泄漏信号分类识别方法，综合运用高维度特征提取方法和图形化降维表征方法，结合残差网络等深度学习模型与特征融合分析方法，能够更综合地区分多类电磁泄漏信号，特征抗噪声鲁棒性高，方法可解释性好，可支撑基于电磁信号类型识别的辐射源智能检测工程应用。
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doi: 10.11884/HPLPB202335.230139
摘要:
提出了一种新型高功率微波宽带紧耦合偶极子阵列天线。在常规的紧耦合偶极子阵列天线的基础上，该阵列天线通过采用全金属结构设计、天线匹配层和密封层一体化设计以及调节天线结构的手段，获得了宽带高功率性能。仿真结果显示，在0.8～4.0 GHz的范围内，天线未扫描时的驻波比小于2；在16 mm×32 mm单元尺寸内和1个大气压的SF6气体中，功率容量达到0.12 MW；以该单元天线组成10×10阵列，100个单元总尺寸仅为160 mm×320 mm，在1个大气压的SF6气体中，功率容量可以达到12 MW，另外，该天线可实现45°的宽角扫描。该阵列天线的提出为实现高功率微波宽带天线的宽频带、大角度扫描、紧凑化、小型化以及低剖面化提供了参考。
提出了一种新型高功率微波宽带紧耦合偶极子阵列天线。在常规的紧耦合偶极子阵列天线的基础上，该阵列天线通过采用全金属结构设计、天线匹配层和密封层一体化设计以及调节天线结构的手段，获得了宽带高功率性能。仿真结果显示，在0.8～4.0 GHz的范围内，天线未扫描时的驻波比小于2；在16 mm×32 mm单元尺寸内和1个大气压的SF6气体中，功率容量达到0.12 MW；以该单元天线组成10×10阵列，100个单元总尺寸仅为160 mm×320 mm，在1个大气压的SF6气体中，功率容量可以达到12 MW，另外，该天线可实现45°的宽角扫描。该阵列天线的提出为实现高功率微波宽带天线的宽频带、大角度扫描、紧凑化、小型化以及低剖面化提供了参考。
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2023, 35: 111001.
doi: 10.11884/HPLPB202335.230308
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脉冲时域相干合成技术主要通过对功率放大后的高重频脉冲序列进行时序合成，从而降低激光的重复频率，有效地提升输出脉冲的峰值功率与能量，避免放大过程中高峰值功率引起的非线性效应。该技术与空域相干合成相结合，能够突破单纤激光的性能极限，实现高能量、高平均功率和高峰值功率的超短脉冲激光输出，具有广阔的应用前景。介绍了超短脉冲光纤激光时域相干合成的基本原理和关键技术，综述了时域相干合成系统的发展历程及其关键技术的研究现状，重点介绍了近年来脉冲分割放大与脉冲相干堆积技术的研究进展，并对时域相干合成的不同技术路线进行了分析与比较，最后对其未来的发展方向进行了梳理，为相关领域的研究提供参考。
2023, 35: 111002.
doi: 10.11884/HPLPB202335.230073
摘要:
设计并制备了780 nm大功率半导体激光器的单管和巴条。采用金属有机化学气相沉积技术制备的外延结构，分别使用GaAsP和GaInP作为量子阱和波导层，限制层是具有高带隙的AlGaInP材料。量子阱与波导层带隙0.15 eV，波导层与限制层带隙0.28 eV，抑制了载流子泄露。1.55 μm厚非对称大光学腔波导结构抑制快轴高阶模，同时缓解腔面损伤问题。为进一步提高腔面损伤阈值，利用超高真空解理和钝化技术，在腔面上沉积了非晶ZnSe钝化层。条宽150 μm、腔长4 mm的单管器件，在电流为15 A时，输出连续功率16.3 W未出现COD现象，斜率效率达到1.27 W/A，电光转换效率为58%，慢轴发散角9.9°，光谱半高宽为1.81 nm。填充因子为40%的厘米巴条，在192 A下实现连续输出功率180 W，电光转换效率为50.7%，光谱宽度仅为2.2 nm。
设计并制备了780 nm大功率半导体激光器的单管和巴条。采用金属有机化学气相沉积技术制备的外延结构，分别使用GaAsP和GaInP作为量子阱和波导层，限制层是具有高带隙的AlGaInP材料。量子阱与波导层带隙0.15 eV，波导层与限制层带隙0.28 eV，抑制了载流子泄露。1.55 μm厚非对称大光学腔波导结构抑制快轴高阶模，同时缓解腔面损伤问题。为进一步提高腔面损伤阈值，利用超高真空解理和钝化技术，在腔面上沉积了非晶ZnSe钝化层。条宽150 μm、腔长4 mm的单管器件，在电流为15 A时，输出连续功率16.3 W未出现COD现象，斜率效率达到1.27 W/A，电光转换效率为58%，慢轴发散角9.9°，光谱半高宽为1.81 nm。填充因子为40%的厘米巴条，在192 A下实现连续输出功率180 W，电光转换效率为50.7%，光谱宽度仅为2.2 nm。
2023, 35: 111003.
doi: 10.11884/HPLPB202335.230180
摘要:
为了实现对不同偏振态入射激光的退偏控制，设计了一种具有随机位相分布结构的液晶退偏器。针对胆甾相液晶器件，利用时域有限差分法，对激光通过胆甾相液晶器件的传输问题建立了模型，并通过实验验证了理论模型，分析了激光通过液晶阵列单元后的偏振态变化及偏振态分布特性。仿真分析结果表明，在合适的液晶材料条件和微刻蚀坑的最大厚度条件下，胆甾相液晶器件对于不同偏振角的入射线偏振光均可以实现较好的退偏效果，且适用的谱宽范围较大。
为了实现对不同偏振态入射激光的退偏控制，设计了一种具有随机位相分布结构的液晶退偏器。针对胆甾相液晶器件，利用时域有限差分法，对激光通过胆甾相液晶器件的传输问题建立了模型，并通过实验验证了理论模型，分析了激光通过液晶阵列单元后的偏振态变化及偏振态分布特性。仿真分析结果表明，在合适的液晶材料条件和微刻蚀坑的最大厚度条件下，胆甾相液晶器件对于不同偏振角的入射线偏振光均可以实现较好的退偏效果，且适用的谱宽范围较大。
2023, 35: 111004.
doi: 10.11884/HPLPB202335.230126
摘要:
为分析和改善激光诱导击穿光谱技术（LIBS）在定量分析土壤和大米中镉（Cd）元素含量时基体效应对分析结果的影响，以Cd Ⅱ 226.502 nm谱线为分析对象，对比研究了基体种类、KCl质量分数和激发方式等对Cd Ⅱ 226.502 nm谱线强度和定量分析结果的影响规律。研究结果表明：基体主成分的化学形态和电离能是产生基体效应的主要因素，KCl作为添加剂能明显改善大米中Cd Ⅱ 226.502 nm的谱线强度，光电双脉冲激发能显著增强基体中Cd Ⅱ 226.502 nm的谱线强度、稳定性并提高信噪比。与单激光脉冲激发方式相比，在光电双脉冲激发下，SiO2、土壤和大米三种基体中Cd Ⅱ 226.502 nm的检测下限分别从372、332和2874 mg·kg−1降低到42、72和37 mg·kg−1。
为分析和改善激光诱导击穿光谱技术（LIBS）在定量分析土壤和大米中镉（Cd）元素含量时基体效应对分析结果的影响，以Cd Ⅱ 226.502 nm谱线为分析对象，对比研究了基体种类、KCl质量分数和激发方式等对Cd Ⅱ 226.502 nm谱线强度和定量分析结果的影响规律。研究结果表明：基体主成分的化学形态和电离能是产生基体效应的主要因素，KCl作为添加剂能明显改善大米中Cd Ⅱ 226.502 nm的谱线强度，光电双脉冲激发能显著增强基体中Cd Ⅱ 226.502 nm的谱线强度、稳定性并提高信噪比。与单激光脉冲激发方式相比，在光电双脉冲激发下，SiO2、土壤和大米三种基体中Cd Ⅱ 226.502 nm的检测下限分别从372、332和2874 mg·kg−1降低到42、72和37 mg·kg−1。
2023, 35: 111005.
doi: 10.11884/HPLPB202335.230131
摘要:
熔石英元件的抗激光损伤性能对高能激光器的稳定运行具有重要意义。为了提升熔石英元件抗激光损伤性能，针对传统氢氟酸蚀刻产生再沉积物的缺点，提出了采用有机氟酸蚀刻提升熔石英元件抗激光损伤性能的方法。有机氟酸蚀刻的优势在于产物具有较好的溶解性，因而产生再沉积物的可能性降低。采用有机氟酸溶液静态蚀刻熔石英元件，并对元件的表面质量、透过率和激光损伤密度进行了表征分析。表面质量和透过率的结果一致显示熔石英元件经有机氟酸蚀刻后，元件表面的再沉积物和污垢较少，表明有机氟酸具有较好的抑制再沉积物生成的效果。激光损伤密度结果显示，有机氟酸蚀刻熔石英的深度为6 μm时，元件的平均激光损伤密度为0.26 cm−2，接近先进缓释处理2（AMP2）工艺的水平。基于有机氟酸蚀刻提高熔石英元件的抗激光损伤性能为激光负载能力的提升开辟了一条新途径。
熔石英元件的抗激光损伤性能对高能激光器的稳定运行具有重要意义。为了提升熔石英元件抗激光损伤性能，针对传统氢氟酸蚀刻产生再沉积物的缺点，提出了采用有机氟酸蚀刻提升熔石英元件抗激光损伤性能的方法。有机氟酸蚀刻的优势在于产物具有较好的溶解性，因而产生再沉积物的可能性降低。采用有机氟酸溶液静态蚀刻熔石英元件，并对元件的表面质量、透过率和激光损伤密度进行了表征分析。表面质量和透过率的结果一致显示熔石英元件经有机氟酸蚀刻后，元件表面的再沉积物和污垢较少，表明有机氟酸具有较好的抑制再沉积物生成的效果。激光损伤密度结果显示，有机氟酸蚀刻熔石英的深度为6 μm时，元件的平均激光损伤密度为0.26 cm−2，接近先进缓释处理2（AMP2）工艺的水平。基于有机氟酸蚀刻提高熔石英元件的抗激光损伤性能为激光负载能力的提升开辟了一条新途径。
2023, 35: 112001.
doi: 10.11884/HPLPB202335.230161
摘要:
针对靶用高Z金属薄膜的无损检测需求，提出了一种通过超环面弯晶聚焦型X光单能成像器件，实现金属薄膜均匀性及面密度等参数精确标定的测量技术。该技术即通过高通量、高单能性成像，定量获取薄膜X光透过率及其空间分布，有效提升了面密度测量的精度，同时实现了对其均匀性的高空间分辨评估。从总体方案设计、元器件制备和测试实验等方面开展了深入研究，并评估了各种可能因素对测量不确定度的影响。所发展的超环面弯晶成像系统针对20 keV级的高能X射线在mm尺度内实现了优于5 μm的微区分辨，能谱分辨达到几eV。通过泡沫金样品面密度测量实验证明了技术可行性，相对不确定度优于2%。研究结果为激光惯性约束聚变高Z靶材料的精密无损检测提供了一种新的测量技术，并有望应用于其他需要大视场、高空谱分辨成像的需求领域。
针对靶用高Z金属薄膜的无损检测需求，提出了一种通过超环面弯晶聚焦型X光单能成像器件，实现金属薄膜均匀性及面密度等参数精确标定的测量技术。该技术即通过高通量、高单能性成像，定量获取薄膜X光透过率及其空间分布，有效提升了面密度测量的精度，同时实现了对其均匀性的高空间分辨评估。从总体方案设计、元器件制备和测试实验等方面开展了深入研究，并评估了各种可能因素对测量不确定度的影响。所发展的超环面弯晶成像系统针对20 keV级的高能X射线在mm尺度内实现了优于5 μm的微区分辨，能谱分辨达到几eV。通过泡沫金样品面密度测量实验证明了技术可行性，相对不确定度优于2%。研究结果为激光惯性约束聚变高Z靶材料的精密无损检测提供了一种新的测量技术，并有望应用于其他需要大视场、高空谱分辨成像的需求领域。
2023, 35: 112002.
doi: 10.11884/HPLPB202335.230317
摘要:
激光惯性约束聚变实验需要使用数十台套诊断设备从不同方位对瞬态微尺度物理过程进行诊断表征。大部分诊断设备通常需要进入巨型靶室真空环境内，在厘米到米级的不同工作距离上，对聚变靶上面毫米到数十微米的靶标进行瞄准，大部分诊断设备的瞄准精度需要达到50 μm水平。双目瞄准方法是在真空环境下实现远距离高精度瞄准的一种重要方法，但目前主要依赖人工判读图像识别靶标和手动操作诊断搭载平台运动实现对靶瞄准，特别是靶室内照明条件或诊断设备瞄准视线存在夹角等条件会严重影响靶标识别效果，对诊断设备瞄准精度造成较大影响。发展了一种基于机器视觉的诊断自动瞄准方法，采用Mask R-CNN算法并以大量模拟瞄准图进行靶标识别训练，有效解决了靶标自动判读问题，对靶标识别误差控制在8个像素点以内；同时基于实验室瞄准测试平台开展了靶标像素偏差与瞄准坐标偏离关系的离线标定，开展了算法引导下的瞄准精度测试，根据测试结果预估指向瞄准精度优于30 μm、径向瞄准精度优于50 μm，对实现诊断设备的高精度自动瞄准有一定的基础参考价值。
激光惯性约束聚变实验需要使用数十台套诊断设备从不同方位对瞬态微尺度物理过程进行诊断表征。大部分诊断设备通常需要进入巨型靶室真空环境内，在厘米到米级的不同工作距离上，对聚变靶上面毫米到数十微米的靶标进行瞄准，大部分诊断设备的瞄准精度需要达到50 μm水平。双目瞄准方法是在真空环境下实现远距离高精度瞄准的一种重要方法，但目前主要依赖人工判读图像识别靶标和手动操作诊断搭载平台运动实现对靶瞄准，特别是靶室内照明条件或诊断设备瞄准视线存在夹角等条件会严重影响靶标识别效果，对诊断设备瞄准精度造成较大影响。发展了一种基于机器视觉的诊断自动瞄准方法，采用Mask R-CNN算法并以大量模拟瞄准图进行靶标识别训练，有效解决了靶标自动判读问题，对靶标识别误差控制在8个像素点以内；同时基于实验室瞄准测试平台开展了靶标像素偏差与瞄准坐标偏离关系的离线标定，开展了算法引导下的瞄准精度测试，根据测试结果预估指向瞄准精度优于30 μm、径向瞄准精度优于50 μm，对实现诊断设备的高精度自动瞄准有一定的基础参考价值。
2023, 35: 113001.
doi: 10.11884/HPLPB202335.230198
摘要:
High power microwave devices are investigated extensively, because of their potential applications, such as advanced radars, electromagnetic warfare systems. However, low efficiency, enormous volume, huge weight and short lifetime limit their applications. In this paper, a coaxial grating slow wave structure backward wave oscillator (BWO) driven by radial beam is proposed. The focusing system is eliminated in the particle in cell simulation, which can reduce the volume and the power loss in practice. The lifetime of the BWO can also be improved with the thermionic radial beam cathode instead of the explosive emission cathode. After optimization, the BWO driven by 460 kV, 6 kA radial beam can produce 1.2 GW at frequency 3.8 GHz, with the efficiency of 43.5%.
2023, 35: 113002.
doi: 10.11884/HPLPB202335.230181
摘要:
针对空间行波管阴极预热过程中热子电流周期性波动的故障，建立热子等效电路估算了热子电流波动范围，采用激光测振频谱分析的手段测试了热子双螺旋结构的固有频率，进而完成了问题定位，对热子电流周期性波动进行了机理分析，阐明了热子电流发生周期性波动的条件，并提出了解决措施，同时从理论上定性分析了热子电流波动对空间行波管可靠性的影响，并通过试验验证了可靠性影响分析结论的正确性。
针对空间行波管阴极预热过程中热子电流周期性波动的故障，建立热子等效电路估算了热子电流波动范围，采用激光测振频谱分析的手段测试了热子双螺旋结构的固有频率，进而完成了问题定位，对热子电流周期性波动进行了机理分析，阐明了热子电流发生周期性波动的条件，并提出了解决措施，同时从理论上定性分析了热子电流波动对空间行波管可靠性的影响，并通过试验验证了可靠性影响分析结论的正确性。
2023, 35: 114001.
doi: 10.11884/HPLPB202335.230179
摘要:
负离子源中性束注入（NNBI）系统是聚变堆主机关键系统综合研究设施（CRAFT）的组成部分，其目标是开展NNBI相关的科学与工程问题研究，为未来聚变堆NNBI系统的研制与运行积累经验。加速器的束流光学特性决定着最终形成束流的发散性，进而影响着束流在加速器和束线中的传输效率，这对NNBI系统的高功率、高能量、长脉冲运行至关重要。为此，采用IBSimu离子束流模拟程序对目前CRAFT NNBI的400 keV加速器电极系统的物理设计进行束流光学特性分析与评估。目前该套电极结构的设计与ITER负离子源类似，束发散的计算结果满足设计要求。在负离子束流密度较高时（100～300 A/m2范围内），具有更小束发散角；引出距离（5～7 mm范围内）和加速距离（88～110 mm范围内）的适当增加，也呈现出束发散角下降趋势。
负离子源中性束注入（NNBI）系统是聚变堆主机关键系统综合研究设施（CRAFT）的组成部分，其目标是开展NNBI相关的科学与工程问题研究，为未来聚变堆NNBI系统的研制与运行积累经验。加速器的束流光学特性决定着最终形成束流的发散性，进而影响着束流在加速器和束线中的传输效率，这对NNBI系统的高功率、高能量、长脉冲运行至关重要。为此，采用IBSimu离子束流模拟程序对目前CRAFT NNBI的400 keV加速器电极系统的物理设计进行束流光学特性分析与评估。目前该套电极结构的设计与ITER负离子源类似，束发散的计算结果满足设计要求。在负离子束流密度较高时（100～300 A/m2范围内），具有更小束发散角；引出距离（5～7 mm范围内）和加速距离（88～110 mm范围内）的适当增加，也呈现出束发散角下降趋势。
2023, 35: 114002.
doi: 10.11884/HPLPB202335.230263
摘要:
实验上通过相干渡越辐射（CTR）能谱分析法测量束团长度以及进行纵向束团形状重建已成为一种有效的束流诊断手段。通过迈克尔逊干涉仪测量太赫兹辐射能谱，通常实验所用探测器只能测量辐射的强度谱的幅值，且由于缺少相位无法直接进行束团形状重建。目前重建算法主要有Kramers-Kronig（K-K）相位分析法和代数迭代重建算法。利用这两种算法分别对高斯分布和带拖尾的高斯分布模型进行验证并进行了对比，其中K-K得出的重建结果存在一定的误差，迭代算法在解决重建反转歧义、重建噪声抑制等表现良好。同时利用这两种算法对兰州高能电子成像平台CTR实验结果进行了重建及分析，得出了对应的重建结果，为后续高能电子束成像平台的束流诊断反馈提供了一种参考手段。
实验上通过相干渡越辐射（CTR）能谱分析法测量束团长度以及进行纵向束团形状重建已成为一种有效的束流诊断手段。通过迈克尔逊干涉仪测量太赫兹辐射能谱，通常实验所用探测器只能测量辐射的强度谱的幅值，且由于缺少相位无法直接进行束团形状重建。目前重建算法主要有Kramers-Kronig（K-K）相位分析法和代数迭代重建算法。利用这两种算法分别对高斯分布和带拖尾的高斯分布模型进行验证并进行了对比，其中K-K得出的重建结果存在一定的误差，迭代算法在解决重建反转歧义、重建噪声抑制等表现良好。同时利用这两种算法对兰州高能电子成像平台CTR实验结果进行了重建及分析，得出了对应的重建结果，为后续高能电子束成像平台的束流诊断反馈提供了一种参考手段。
2023, 35: 114003.
doi: 10.11884/HPLPB202335.230117
摘要:
随着粒子加速器对束流的精确控制要求越来越高，对工程控制网的设计与测量提出了更高的要求，详细介绍了高能同步辐射光源（HEPS）工程测量首级地面控制网的布设及测量方案。地面控制网永久点标志布设于粒子加速器建筑隧道内，通过垂直通视孔与架设在线站大厅顶面的仪器铅锤对中，并形成平面互相通视的观测条件，实现了平面测站和坐标的联系传递；高程方向采用水平通视孔及门窗通视的方式实现水准测站和高程坐标的联系传递。由此构成了立体化通视与观测结构，这在国内同步辐射光源建设中有独特之处，有力保证了加速器轨道的精确控制。平面控制网分别采用GNSS控制网和全站仪边角网测量的方案，高程控制网采用室内隧道地面和室外地面水准测量的方案。在加速器隧道设备安装前进行了两次地面控制网测量，数据处理采用平面+高程的模式平差。经过不同测量方案的对比来验证测量过程的正确性，同时对比两次控制网的测量结果来验证可靠性。平均点位标准偏差为2 mm，反映测量成果的精确可靠，满足后续二级隧道控制网测量及设备安装准直需要。HEPS对永久控制点的稳定性提出了很高的要求，通过优化设计和特殊施工，在狭窄隧道空间内成功建设了超高、超细、高稳定的基岩隔空桩，为储存环构成了稳固的三维永久控制点，为长期监测束流轨道的稳定性提供了基准，为后续同步辐射光源建设提供了借鉴。
随着粒子加速器对束流的精确控制要求越来越高，对工程控制网的设计与测量提出了更高的要求，详细介绍了高能同步辐射光源（HEPS）工程测量首级地面控制网的布设及测量方案。地面控制网永久点标志布设于粒子加速器建筑隧道内，通过垂直通视孔与架设在线站大厅顶面的仪器铅锤对中，并形成平面互相通视的观测条件，实现了平面测站和坐标的联系传递；高程方向采用水平通视孔及门窗通视的方式实现水准测站和高程坐标的联系传递。由此构成了立体化通视与观测结构，这在国内同步辐射光源建设中有独特之处，有力保证了加速器轨道的精确控制。平面控制网分别采用GNSS控制网和全站仪边角网测量的方案，高程控制网采用室内隧道地面和室外地面水准测量的方案。在加速器隧道设备安装前进行了两次地面控制网测量，数据处理采用平面+高程的模式平差。经过不同测量方案的对比来验证测量过程的正确性，同时对比两次控制网的测量结果来验证可靠性。平均点位标准偏差为2 mm，反映测量成果的精确可靠，满足后续二级隧道控制网测量及设备安装准直需要。HEPS对永久控制点的稳定性提出了很高的要求，通过优化设计和特殊施工，在狭窄隧道空间内成功建设了超高、超细、高稳定的基岩隔空桩，为储存环构成了稳固的三维永久控制点，为长期监测束流轨道的稳定性提供了基准，为后续同步辐射光源建设提供了借鉴。
2023, 35: 114004.
doi: 10.11884/HPLPB202335.230217
摘要:
中国散裂中子源（CSNS）工程材料中子衍射谱仪（EMD）的样品非常大，且形状各异，有些样品甚至是曲面的，中子准直光阑（狭缝）要靠近这些异形构件，需要设计成尖嘴型。狭缝的主要作用是给样品测试提供所需要的束流尺寸，并保证束流尺寸精度很高，束流没有太多杂散中子。工程材料中子衍射谱仪的尖嘴型狭缝为连续型，开口可以根据实验需求进行变化。狭缝采用双导轨结构，定位精度高，重复定位精度优于10 μm，绝对定位精度优于30 μm。狭缝刀片采用富集碳化硼，较大程度减小了刀片的厚度，可以有效降低狭缝悬臂结构的变形量，保证狭缝有足够长度的尖嘴，能够接近异形构件，特别能够深入到长管内部，提高了工程材料中子衍射谱仪的实验能力。狭缝采取双重安全设计：导轨互换系统和防撞结构，可以有效防止狭缝在使用过程中被大件样品撞坏。该狭缝已经应用到中国散裂中子源工程材料中子衍射谱仪的实验测试，为残余应力测量做出了重要贡献，它的应用为国内外尖嘴型狭缝的设计提供了非常重要的参考。
中国散裂中子源（CSNS）工程材料中子衍射谱仪（EMD）的样品非常大，且形状各异，有些样品甚至是曲面的，中子准直光阑（狭缝）要靠近这些异形构件，需要设计成尖嘴型。狭缝的主要作用是给样品测试提供所需要的束流尺寸，并保证束流尺寸精度很高，束流没有太多杂散中子。工程材料中子衍射谱仪的尖嘴型狭缝为连续型，开口可以根据实验需求进行变化。狭缝采用双导轨结构，定位精度高，重复定位精度优于10 μm，绝对定位精度优于30 μm。狭缝刀片采用富集碳化硼，较大程度减小了刀片的厚度，可以有效降低狭缝悬臂结构的变形量，保证狭缝有足够长度的尖嘴，能够接近异形构件，特别能够深入到长管内部，提高了工程材料中子衍射谱仪的实验能力。狭缝采取双重安全设计：导轨互换系统和防撞结构，可以有效防止狭缝在使用过程中被大件样品撞坏。该狭缝已经应用到中国散裂中子源工程材料中子衍射谱仪的实验测试，为残余应力测量做出了重要贡献，它的应用为国内外尖嘴型狭缝的设计提供了非常重要的参考。
2023, 35: 114005.
doi: 10.11884/HPLPB202335.230074
摘要:
理论上，使用断层扫描技术可以得到真实的横向相空间分布。但是想要更加精确地了解分布的细节，需要解决旋转角度范围受限和投影数目不足的问题。针对这两个问题，提出了在混合域处理的神经网络模型，即组合地在正弦域和断层域分别使用插值和去除伪影神经网络。在简单地测量束线以及投影数目比较少（7个）的情况下，该网络模型也能高质量地重建束团横向相空间分布。并且，由于选择旋转角度的方式和归一化相空间无关，因此，无需测量Twiss参数。采用该方法测量束团横向相空间，一定程度提升了重建质量，简化了测量的方式。
理论上，使用断层扫描技术可以得到真实的横向相空间分布。但是想要更加精确地了解分布的细节，需要解决旋转角度范围受限和投影数目不足的问题。针对这两个问题，提出了在混合域处理的神经网络模型，即组合地在正弦域和断层域分别使用插值和去除伪影神经网络。在简单地测量束线以及投影数目比较少（7个）的情况下，该网络模型也能高质量地重建束团横向相空间分布。并且，由于选择旋转角度的方式和归一化相空间无关，因此，无需测量Twiss参数。采用该方法测量束团横向相空间，一定程度提升了重建质量，简化了测量的方式。
2023, 35: 115001.
doi: 10.11884/HPLPB202335.230124
摘要:
为了降低空心脉冲发电机的能量损耗与励磁绕组发热，提出了一种具有剩余磁能回收功能的脉冲发电机励磁电路。通过在电容支路设置调节电感，使放电完成后的电容电压反向，迫使晶闸管与二极管关断，以切换电流流通路径来实现剩余励磁能量到电容器中的转移。该电路使用晶闸管作为主开关，电流关断能力强的特点使其在大功率脉冲发电机的应用中具有一定优势。对提出的励磁能量回收电路的工作过程进行了介绍，仿真分析了剩余能量回收对励磁绕组能量损耗和脉冲发电机发热的影响，并对该电路拓扑的工作原理进行了实验验证。结果表明：该电路可以迅速回收励磁绕组中的剩余能量，缩短励磁电流续流时间，减少励磁损耗与能量损耗。仿真与实验结果反映的规律与电路原理一致，表明了该电路方法的可行性。
为了降低空心脉冲发电机的能量损耗与励磁绕组发热，提出了一种具有剩余磁能回收功能的脉冲发电机励磁电路。通过在电容支路设置调节电感，使放电完成后的电容电压反向，迫使晶闸管与二极管关断，以切换电流流通路径来实现剩余励磁能量到电容器中的转移。该电路使用晶闸管作为主开关，电流关断能力强的特点使其在大功率脉冲发电机的应用中具有一定优势。对提出的励磁能量回收电路的工作过程进行了介绍，仿真分析了剩余能量回收对励磁绕组能量损耗和脉冲发电机发热的影响，并对该电路拓扑的工作原理进行了实验验证。结果表明：该电路可以迅速回收励磁绕组中的剩余能量，缩短励磁电流续流时间，减少励磁损耗与能量损耗。仿真与实验结果反映的规律与电路原理一致，表明了该电路方法的可行性。
2023, 35: 116001.
doi: 10.11884/HPLPB202335.230102
摘要:
目前，超临界二氧化碳（S-CO2）布雷顿循环普遍采用印刷电路板换热器（PCHE）来保证其相对其他能量转换循环的紧凑性优势。PCHE芯体为整体结构，若内部出现泄漏或结垢等问题，很难进行维护与检修。本文提出了一种微管壳式换热器（MSTE），其结构与传统管壳式换热器类似，但其管径缩小至微通道级。由于MSTE的流道横截面积占总截面积之比较PCHE大，在典型的回热器与冷却器设计工况下，相对PCHE而言，采用MSTE可将体积与质量均减小30%以上。灵敏性分析结果显示，采用本文设计的MSTE结构的回热器与冷却器，回热器冷热流道入口温度升高20 ℃左右，压缩机入口温度变化均不超过1 ℃，说明该种结构换热器的换热能力足够支撑能量转换循环的一般工况波动。
目前，超临界二氧化碳（S-CO2）布雷顿循环普遍采用印刷电路板换热器（PCHE）来保证其相对其他能量转换循环的紧凑性优势。PCHE芯体为整体结构，若内部出现泄漏或结垢等问题，很难进行维护与检修。本文提出了一种微管壳式换热器（MSTE），其结构与传统管壳式换热器类似，但其管径缩小至微通道级。由于MSTE的流道横截面积占总截面积之比较PCHE大，在典型的回热器与冷却器设计工况下，相对PCHE而言，采用MSTE可将体积与质量均减小30%以上。灵敏性分析结果显示，采用本文设计的MSTE结构的回热器与冷却器，回热器冷热流道入口温度升高20 ℃左右，压缩机入口温度变化均不超过1 ℃，说明该种结构换热器的换热能力足够支撑能量转换循环的一般工况波动。
2023, 35: 116002.
doi: 10.11884/HPLPB202335.230253
摘要:
小型移动式核反应堆电源能为偏远地区、事故应急等场景提供所需的电能和热能，而堆芯的轻量化和小型化是小型移动式核反应堆电源的设计重点。由此，基于前期概念设计，本研究提出了一个高可靠、长寿命的小型氦氙冷却固体核反应堆堆芯设计及其反应性控制方案。首先，在综合考虑反应堆寿命以及热工安全设计等限制条件的基础上，使用蒙特卡罗程序OpenMC进行了堆芯几何优化分析，得到了堆芯质量最小化的设计方案。其次，分析了含可燃毒物的布置优化方案，通过在堆芯靠近反射层附近的燃料棒中添加2%质量分数的可燃毒物Gd2O3，寿期初径向功率峰因子从2.22降低至1.43。最后，基于分层分块滑移反射层的反应性与功率控制方法，提出了反应性线性控制方案，该方案还可以保证事故情况下的反应堆安全。相关结果可为小型移动式核反应堆电源的堆芯设计及反应性控制提供参考。
小型移动式核反应堆电源能为偏远地区、事故应急等场景提供所需的电能和热能，而堆芯的轻量化和小型化是小型移动式核反应堆电源的设计重点。由此，基于前期概念设计，本研究提出了一个高可靠、长寿命的小型氦氙冷却固体核反应堆堆芯设计及其反应性控制方案。首先，在综合考虑反应堆寿命以及热工安全设计等限制条件的基础上，使用蒙特卡罗程序OpenMC进行了堆芯几何优化分析，得到了堆芯质量最小化的设计方案。其次，分析了含可燃毒物的布置优化方案，通过在堆芯靠近反射层附近的燃料棒中添加2%质量分数的可燃毒物Gd2O3，寿期初径向功率峰因子从2.22降低至1.43。最后，基于分层分块滑移反射层的反应性与功率控制方法，提出了反应性线性控制方案，该方案还可以保证事故情况下的反应堆安全。相关结果可为小型移动式核反应堆电源的堆芯设计及反应性控制提供参考。
2023, 35: 116003.
doi: 10.11884/HPLPB202335.230047
摘要:
为研究压水堆不同燃耗完整和破损燃料棒燃料芯块氧化过程和物相变化，采用拉曼光谱分析技术对燃耗为14 GW·d·t−1和45 GW·d·t−1的完整燃料棒及燃耗为14 GW·d·t−1和41 GW·d·t−1的破损燃料棒燃料芯块的氧化特征进行了分析。结果表明：14 GW·d·t−1和45 GW·d·t−1的完整燃料棒燃料芯块由UO2、U4O9和U3O8组成，相比于燃料芯块的内部区域，芯块边缘显示出更强的氧化性；14 GW·d·t−1和41 GW·d·t−1破损燃料棒燃料芯块发生了重结构，形成柱状晶粒，主要物相为UO2和U3O8。燃耗的加深和燃料棒的破损均促进了燃料芯块的氧化过程，但并不会改变燃料芯块的主要相结构。
为研究压水堆不同燃耗完整和破损燃料棒燃料芯块氧化过程和物相变化，采用拉曼光谱分析技术对燃耗为14 GW·d·t−1和45 GW·d·t−1的完整燃料棒及燃耗为14 GW·d·t−1和41 GW·d·t−1的破损燃料棒燃料芯块的氧化特征进行了分析。结果表明：14 GW·d·t−1和45 GW·d·t−1的完整燃料棒燃料芯块由UO2、U4O9和U3O8组成，相比于燃料芯块的内部区域，芯块边缘显示出更强的氧化性；14 GW·d·t−1和41 GW·d·t−1破损燃料棒燃料芯块发生了重结构，形成柱状晶粒，主要物相为UO2和U3O8。燃耗的加深和燃料棒的破损均促进了燃料芯块的氧化过程，但并不会改变燃料芯块的主要相结构。
2023, 35: 116004.
doi: 10.11884/HPLPB202335.230096
摘要:
在压水堆正常运行期间，氚贡献了压水堆液相流出物总活度的95%以上，是反应堆设计和运行中的关键放射性核素之一。通过对美国在运的8台堆芯设计非常相似的机组2000至2019年期间氚排放数据进行较为深度的数据清洗和分析研究，得出采用不锈钢包壳的Sb-Be次级中子源的氚释放是压水堆机组氚源项的重要来源之一，统计机组中次级中子源产氚贡献平均为7.5 TBq·a−1，结合理论计算，符合当前包壳材料发展和运行管理水平下的渗透比例10%～20%。取消次级中子源约可以降低20%的因氚排放造成的公众剂量，还可以降低氚源项对厂址规划机组数量的制约。此外，研究还发现，氚排放量的显著波动受到液态集中排放的显著影响，特别是在美国压水堆大修之前或期间，这将有助于优化未来机组放射性排放管理。
在压水堆正常运行期间，氚贡献了压水堆液相流出物总活度的95%以上，是反应堆设计和运行中的关键放射性核素之一。通过对美国在运的8台堆芯设计非常相似的机组2000至2019年期间氚排放数据进行较为深度的数据清洗和分析研究，得出采用不锈钢包壳的Sb-Be次级中子源的氚释放是压水堆机组氚源项的重要来源之一，统计机组中次级中子源产氚贡献平均为7.5 TBq·a−1，结合理论计算，符合当前包壳材料发展和运行管理水平下的渗透比例10%～20%。取消次级中子源约可以降低20%的因氚排放造成的公众剂量，还可以降低氚源项对厂址规划机组数量的制约。此外，研究还发现，氚排放量的显著波动受到液态集中排放的显著影响，特别是在美国压水堆大修之前或期间，这将有助于优化未来机组放射性排放管理。
2023, 35: 119001.
doi: 10.11884/HPLPB202335.230103
摘要:
采用稳态光致发光(PL)光谱技术，结合光谱学分析方法，对CH3NH3PbBr3(MAPbBr3)晶体粉末的功率密度和温度相关的光物理特性进行了研究。在405 nm连续激光激发下，PL发射峰位在560 nm，半高全宽为123 meV。光谱实验结果表明，通过对功率密度与PL强度进行拟合，其斜率为1.10，这很好地证明了单光子吸收的存在。在80～310 K温度范围内，MAPbBr3晶体粉末的荧光峰位表现出不同的温度依赖行为。随着温度的升高，激子-声子相互作用的增强，峰宽均匀展宽，积分强度逐渐减小。PL发射峰位在80～145 K出现蓝移。在150 K附近PL发射峰出现跳跃，而当温度超过150 K时，光谱的峰位几乎保持不变。这些温度相关的PL行为主要是由于在150 K左右发生了从正交相到四方相的结构相变。此外，从温度相关的PL实验数据拟合得到激子结合能约为49.8 meV和纵向光学声子能量约为60.4 meV。
采用稳态光致发光(PL)光谱技术，结合光谱学分析方法，对CH3NH3PbBr3(MAPbBr3)晶体粉末的功率密度和温度相关的光物理特性进行了研究。在405 nm连续激光激发下，PL发射峰位在560 nm，半高全宽为123 meV。光谱实验结果表明，通过对功率密度与PL强度进行拟合，其斜率为1.10，这很好地证明了单光子吸收的存在。在80～310 K温度范围内，MAPbBr3晶体粉末的荧光峰位表现出不同的温度依赖行为。随着温度的升高，激子-声子相互作用的增强，峰宽均匀展宽，积分强度逐渐减小。PL发射峰位在80～145 K出现蓝移。在150 K附近PL发射峰出现跳跃，而当温度超过150 K时，光谱的峰位几乎保持不变。这些温度相关的PL行为主要是由于在150 K左右发生了从正交相到四方相的结构相变。此外，从温度相关的PL实验数据拟合得到激子结合能约为49.8 meV和纵向光学声子能量约为60.4 meV。
2023, 35: 119002.
doi: 10.11884/HPLPB202335.230130
摘要:
针对一种在复杂环境条件下进行脉冲中子探测的闪烁探测器，开展了一系列的可靠性设计、保证工作。在设计上通过双通道冗余备份、抗振设计等方式提升了探测器的固有可靠性。此外还采取可靠性建模及指标分配的方式明确了探测器各部件的任务可靠性目标，通过FMECA分析方法研究了探测器各部件的故障模式及其影响，确定了可靠性重要部件。通过运用环境应力筛选试验及可靠性强化试验，进一步提升了探测器的可靠性。经初步验证，采取上述可靠性设计保障技术的脉冲中子探测器，其任务可靠度可达到99.9%以上。
针对一种在复杂环境条件下进行脉冲中子探测的闪烁探测器，开展了一系列的可靠性设计、保证工作。在设计上通过双通道冗余备份、抗振设计等方式提升了探测器的固有可靠性。此外还采取可靠性建模及指标分配的方式明确了探测器各部件的任务可靠性目标，通过FMECA分析方法研究了探测器各部件的故障模式及其影响，确定了可靠性重要部件。通过运用环境应力筛选试验及可靠性强化试验，进一步提升了探测器的可靠性。经初步验证，采取上述可靠性设计保障技术的脉冲中子探测器，其任务可靠度可达到99.9%以上。
