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2025, 37: 1-16.
doi: 10.11884/HPLPB202537.250001
2025, 37: 1-12.
doi: 10.11884/HPLPB202537.250004
2025, 37: 1-16.
doi: 10.11884/HPLPB202537.250001
摘要:
太赫兹波是介于微波和远红外区域之间的毫米/亚毫米波，波长从3 mm到30 μm。自宇宙开始以来发射的所有可探测光子中，98%落在太赫兹和远红外区域，其中许多光子来自宇宙微波背景辐射，其他重要的发射来自大量的受激分子，这些分子在太赫兹范围内具有明亮的光谱发射特征。基于太赫兹的天文观测技术在天体物理和宇宙学的研究中扮演着愈加重要的作用，对星际原子、分子和尘埃的太赫兹观测可以洞察宇宙星际介质的内部条件，并提供对恒星、行星、星系和宇宙本身起源和演化的独特观察窗口。近年来，许多大型天文望远镜不断部署基于微波动态电感探测器（MKID）的太赫兹探测器，MKID成为了太赫兹天文探测领域重要的技术手段。主要阐述MKID的基础原理和应用在太赫兹探测领域的研究进展，通过MKID在多个太赫兹天文探测项目的应用总结，厘清MKID 探测器的工作原理和架构，梳理MKID取得的突破，并对其发展进行展望。
太赫兹波是介于微波和远红外区域之间的毫米/亚毫米波，波长从3 mm到30 μm。自宇宙开始以来发射的所有可探测光子中，98%落在太赫兹和远红外区域，其中许多光子来自宇宙微波背景辐射，其他重要的发射来自大量的受激分子，这些分子在太赫兹范围内具有明亮的光谱发射特征。基于太赫兹的天文观测技术在天体物理和宇宙学的研究中扮演着愈加重要的作用，对星际原子、分子和尘埃的太赫兹观测可以洞察宇宙星际介质的内部条件，并提供对恒星、行星、星系和宇宙本身起源和演化的独特观察窗口。近年来，许多大型天文望远镜不断部署基于微波动态电感探测器（MKID）的太赫兹探测器，MKID成为了太赫兹天文探测领域重要的技术手段。主要阐述MKID的基础原理和应用在太赫兹探测领域的研究进展，通过MKID在多个太赫兹天文探测项目的应用总结，厘清MKID 探测器的工作原理和架构，梳理MKID取得的突破，并对其发展进行展望。
2025, 37: 1-9.
doi: 10.11884/HPLPB202537.240229
摘要:
为优化脉冲氙灯灭菌装置性能，基于自主研发的微秒脉冲电源系统，研究了不同规格的定制氙灯及其光谱范围对灭菌效果的影响。结果表明：弧长50 mm、气压50 kPa的氙灯的紫外-可见部分光谱中，UV波段占38.5%，UVC波段占17.6%。增大弧长、减小气压均可提高光谱强度，后者还可提高UV比例。弧长100 mm，气压50 kPa的氙灯在放电能量为20 J时，处理3 s可使覆盖范围内的大肠杆菌基本全部失去活性。灭菌效率与灯管弧长、放电能量呈正相关，与灯管气压呈负相关。氙灯辐射光的不同波段均有灭菌作用，UV波段灭菌对数值占87.7%，小于280 nm波段占64.6%。原子力显微镜结果显示，脉冲氙灯可以改变细菌菌体形貌和力学性质，使菌体萎缩，增大表面粗糙度、菌体弹性和粘附力。
为优化脉冲氙灯灭菌装置性能，基于自主研发的微秒脉冲电源系统，研究了不同规格的定制氙灯及其光谱范围对灭菌效果的影响。结果表明：弧长50 mm、气压50 kPa的氙灯的紫外-可见部分光谱中，UV波段占38.5%，UVC波段占17.6%。增大弧长、减小气压均可提高光谱强度，后者还可提高UV比例。弧长100 mm，气压50 kPa的氙灯在放电能量为20 J时，处理3 s可使覆盖范围内的大肠杆菌基本全部失去活性。灭菌效率与灯管弧长、放电能量呈正相关，与灯管气压呈负相关。氙灯辐射光的不同波段均有灭菌作用，UV波段灭菌对数值占87.7%，小于280 nm波段占64.6%。原子力显微镜结果显示，脉冲氙灯可以改变细菌菌体形貌和力学性质，使菌体萎缩，增大表面粗糙度、菌体弹性和粘附力。
2025, 37: 1-8.
doi: 10.11884/HPLPB202537.240408
摘要:
在地表核泄漏场景下，辐射中子与物质中原子核经过多次散射后，能量很快降低到只有几个电子伏的热中子能区，热中子的活化将对核反应过程产生强烈影响。在固体、液体材料中，原子核通常以束缚态核的形式存在，在与物质相互作用反应方面，束缚核与气态的自由核不同。为更准确地评估核辐射效应，本文研究了束缚核效应对热中子活化过程的影响。使用蒙特卡罗方法模拟粒子输运，基于地表核辐射的场景建立了相应的空地界面模型，模拟了核辐射中子束入射土壤、海水以及混凝土产生的一系列核反应。以热中子的活化反应为重点，通过替换入射中子在介质中的反应截面引入束缚核效应，计算并对比了考虑束缚核效应影响前后活化产物次级γ的注量变化。研究结果表明，在活化过程中考虑束缚核效应的影响，能够使固液介质的热中子活化强度出现明显增强，从而在一定程度上增强地表次级γ场的辐射强度。由于元素组成、粒子屏蔽能力等因素的综合作用，三种介质场景下次级γ注量的最高涨幅分别为18%、8%和11%，涨幅随探测距离的变化规律也有所差异。
在地表核泄漏场景下，辐射中子与物质中原子核经过多次散射后，能量很快降低到只有几个电子伏的热中子能区，热中子的活化将对核反应过程产生强烈影响。在固体、液体材料中，原子核通常以束缚态核的形式存在，在与物质相互作用反应方面，束缚核与气态的自由核不同。为更准确地评估核辐射效应，本文研究了束缚核效应对热中子活化过程的影响。使用蒙特卡罗方法模拟粒子输运，基于地表核辐射的场景建立了相应的空地界面模型，模拟了核辐射中子束入射土壤、海水以及混凝土产生的一系列核反应。以热中子的活化反应为重点，通过替换入射中子在介质中的反应截面引入束缚核效应，计算并对比了考虑束缚核效应影响前后活化产物次级γ的注量变化。研究结果表明，在活化过程中考虑束缚核效应的影响，能够使固液介质的热中子活化强度出现明显增强，从而在一定程度上增强地表次级γ场的辐射强度。由于元素组成、粒子屏蔽能力等因素的综合作用，三种介质场景下次级γ注量的最高涨幅分别为18%、8%和11%，涨幅随探测距离的变化规律也有所差异。
2025, 37: 1-9.
doi: 10.11884/HPLPB202537.250011
摘要:
高空电磁脉冲晚期成分（HEMP E3）和地磁暴通过地磁感应作用在地表形成感应地电场，其在输电系统中产生的低频地磁感应电流诱发变压器直流偏磁，可能对电力系统电压稳定性构成潜在威胁。然而，在现有的HEMP E3效应评估研究中，通常假定大地呈均匀或一维分层结构，未充分考虑大地电导率横向差异对HEMP E3感应地电场的影响，因而在海岸等地质条件复杂的区域，难以准确评估电网面临的电磁风险。基于有限元法建立了HEMP E3感应地电场的三维计算模型，研究了复杂大地电性结构对HEMP E3感应地电场时空分布的影响规律，进而采用电磁暂态仿真方法评估了极端感应地电场冲击下的电力系统电压稳定性。仿真结果表明，在海岸等大地电导率分界面附近，HEMP E3感应地电场的幅值和持续时间发生显著变化，从而对电力系统电压稳定性评估结果产生较大影响，该方法为开展复杂地质条件下基础设施的HEMP效应评估和防护提供了重要依据。
高空电磁脉冲晚期成分（HEMP E3）和地磁暴通过地磁感应作用在地表形成感应地电场，其在输电系统中产生的低频地磁感应电流诱发变压器直流偏磁，可能对电力系统电压稳定性构成潜在威胁。然而，在现有的HEMP E3效应评估研究中，通常假定大地呈均匀或一维分层结构，未充分考虑大地电导率横向差异对HEMP E3感应地电场的影响，因而在海岸等地质条件复杂的区域，难以准确评估电网面临的电磁风险。基于有限元法建立了HEMP E3感应地电场的三维计算模型，研究了复杂大地电性结构对HEMP E3感应地电场时空分布的影响规律，进而采用电磁暂态仿真方法评估了极端感应地电场冲击下的电力系统电压稳定性。仿真结果表明，在海岸等大地电导率分界面附近，HEMP E3感应地电场的幅值和持续时间发生显著变化，从而对电力系统电压稳定性评估结果产生较大影响，该方法为开展复杂地质条件下基础设施的HEMP效应评估和防护提供了重要依据。
2025, 37: 1-6.
doi: 10.11884/HPLPB202537.240433
摘要:
利用输出532 nm波长的全固态准连续Nd:YAG激光器作为泵浦源，对以KTP晶体为非线性晶体的窄线宽光学参量振荡器输出特性进行研究。在谐振腔内插入石英标准具压缩输出激光线宽。通过理论分析,估算了脉冲光学参量振荡器谐振腔内标准具对闲频光的透射光谱线宽，根据计算结果设计了实验用的标准具参数。在光学参量振荡器谐振腔内插入另一KTP晶体对闲频光进行腔内倍频，实现了波长调谐范围574.5～577.2 nm的pm级窄线宽可调谐黄光输出。在重复频率为10 kHz、泵浦光平均功率为30 W时，倍频黄光的峰值波长为575.81 nm，对应的平均输出功率为155 mW，脉宽约为35 ns，线宽仅为0.8 pm，x和y方向光束质量因子则分别为1.286和1.807。
利用输出532 nm波长的全固态准连续Nd:YAG激光器作为泵浦源，对以KTP晶体为非线性晶体的窄线宽光学参量振荡器输出特性进行研究。在谐振腔内插入石英标准具压缩输出激光线宽。通过理论分析,估算了脉冲光学参量振荡器谐振腔内标准具对闲频光的透射光谱线宽，根据计算结果设计了实验用的标准具参数。在光学参量振荡器谐振腔内插入另一KTP晶体对闲频光进行腔内倍频，实现了波长调谐范围574.5～577.2 nm的pm级窄线宽可调谐黄光输出。在重复频率为10 kHz、泵浦光平均功率为30 W时，倍频黄光的峰值波长为575.81 nm，对应的平均输出功率为155 mW，脉宽约为35 ns，线宽仅为0.8 pm，x和y方向光束质量因子则分别为1.286和1.807。
2025, 37: 1-12.
doi: 10.11884/HPLPB202537.250004
摘要:
激光无线能量传输技术具有高功率、远距离、非接触式、能信同传等优点，有望成为一种革新性的能源传递方式，在消费电子产品、无人机、航天等领域展现巨大的应用潜力。分析了激光无线能量传输系统的核心模块以及在地面、航天、水下等领域的国内外发展现状，总结了其面临的技术挑战。最后，讨论了激光无线能量传输系统的未来发展趋势。
激光无线能量传输技术具有高功率、远距离、非接触式、能信同传等优点，有望成为一种革新性的能源传递方式，在消费电子产品、无人机、航天等领域展现巨大的应用潜力。分析了激光无线能量传输系统的核心模块以及在地面、航天、水下等领域的国内外发展现状，总结了其面临的技术挑战。最后，讨论了激光无线能量传输系统的未来发展趋势。
2025, 37: 1-10.
doi: 10.11884/HPLPB202537.240240
摘要:
针对中国散裂中子源二期（China Spallation Neutron Source Phase II, CSNS-II）加速器众多预研设备的调试及离线运行需求，自主设计并研制了一套基于“高精度脉冲发生器+低抖动光纤传输链路”的同步时序系统，为各预研设备提供精准且符合物理设计需求的工作时序信号。在同步时序系统硬件方面，研制了具有高性价比的多功能时序信号总控板卡和终端接收板卡，实现了时序信号的严格同步和低抖动传输。同时，采用“超高速双向点对点数据传输+千兆多模SFP光模块”方案，实现基于高速串行传输链路的板间级联，以扩展输出通道数量。在同步时序系统上位机软件方面，采用“串口服务器 + PC soft IOC”方式实现了多功能时序信号总控板卡与实验物理与工业控制系统（Experimental Physics and Industrial Control System, EPICS）之间的数据交互机制，实现远程精确配置同步时序信号的频率、延时、脉宽等参数。同步时序系统已成功投入CSNS-II加速器射频离子源等关键预研设备的调试和运行，并在长期运行中表现出稳定可靠的性能。此外，与商业产品相比，该同步时序系统在软硬件设计方面具备灵活性强、抗干扰能力高和通用性好的优点，为国内外粒子加速器设备的同步时序系统设计与实现提供了切实可行的技术参考。
针对中国散裂中子源二期（China Spallation Neutron Source Phase II, CSNS-II）加速器众多预研设备的调试及离线运行需求，自主设计并研制了一套基于“高精度脉冲发生器+低抖动光纤传输链路”的同步时序系统，为各预研设备提供精准且符合物理设计需求的工作时序信号。在同步时序系统硬件方面，研制了具有高性价比的多功能时序信号总控板卡和终端接收板卡，实现了时序信号的严格同步和低抖动传输。同时，采用“超高速双向点对点数据传输+千兆多模SFP光模块”方案，实现基于高速串行传输链路的板间级联，以扩展输出通道数量。在同步时序系统上位机软件方面，采用“串口服务器 + PC soft IOC”方式实现了多功能时序信号总控板卡与实验物理与工业控制系统（Experimental Physics and Industrial Control System, EPICS）之间的数据交互机制，实现远程精确配置同步时序信号的频率、延时、脉宽等参数。同步时序系统已成功投入CSNS-II加速器射频离子源等关键预研设备的调试和运行，并在长期运行中表现出稳定可靠的性能。此外，与商业产品相比，该同步时序系统在软硬件设计方面具备灵活性强、抗干扰能力高和通用性好的优点，为国内外粒子加速器设备的同步时序系统设计与实现提供了切实可行的技术参考。
2025, 37: 1-7.
doi: 10.11884/HPLPB202537.240383
摘要:
水介质的绝缘性能影响脉冲功率装置的运行状态，水中气泡是引起水介质击穿的主要因素。为去除水介质中的气泡和溶解性气体，分析了水介质中产生气泡的原因，针对水介质中的体相气泡和表面吸附气泡去除问题，比较了涡流式分离器和反渗透膜的脱气方法，并对其气泡脱除性能进行实验研究。研究结果表明，涡流式分离器的旋流强度低造成分离效率较低，反渗透膜脱气通过降低气体在水中的溶解度使得表面吸附气泡重新溶解，分离效率较高，可以去除水中气泡和溶解性气体，对脉冲功率装置的稳定运行具有重要意义。
水介质的绝缘性能影响脉冲功率装置的运行状态，水中气泡是引起水介质击穿的主要因素。为去除水介质中的气泡和溶解性气体，分析了水介质中产生气泡的原因，针对水介质中的体相气泡和表面吸附气泡去除问题，比较了涡流式分离器和反渗透膜的脱气方法，并对其气泡脱除性能进行实验研究。研究结果表明，涡流式分离器的旋流强度低造成分离效率较低，反渗透膜脱气通过降低气体在水中的溶解度使得表面吸附气泡重新溶解，分离效率较高，可以去除水中气泡和溶解性气体，对脉冲功率装置的稳定运行具有重要意义。
2025, 37: 1-6.
doi: 10.11884/HPLPB202537.240412
摘要:
平面碳化硅光导开关因可采用本征光触发而具有实现高光电增益的特点，但正面与背面光入射两种触发方式在响应特性上存在显著差异。基于TCAD数值仿真软件，对本征光背入射的平面碳化硅（SiC）光导开关的光电流响应进行研究，对比本征光触发下不同衬底厚度、不同光功率下器件正面与背面入光输出光电流，并对器件内部电流与电场分布状态进行对比分析，最终对厚度为50 μm的平面SiC光导开关进行了正面、背面触发实验测试。实验结果表明，40 kW峰值光功率下，与正面触发相比，背面触发器件的导通电阻减少了40%，验证了背面入光器件光电转换效率高的特点，且背面触发器件内部电场、电流更加均匀，更有利于提高器件高功率容量。结果为平面光导开关本征触发提供仿真与实验参考。
平面碳化硅光导开关因可采用本征光触发而具有实现高光电增益的特点，但正面与背面光入射两种触发方式在响应特性上存在显著差异。基于TCAD数值仿真软件，对本征光背入射的平面碳化硅（SiC）光导开关的光电流响应进行研究，对比本征光触发下不同衬底厚度、不同光功率下器件正面与背面入光输出光电流，并对器件内部电流与电场分布状态进行对比分析，最终对厚度为50 μm的平面SiC光导开关进行了正面、背面触发实验测试。实验结果表明，40 kW峰值光功率下，与正面触发相比，背面触发器件的导通电阻减少了40%，验证了背面入光器件光电转换效率高的特点，且背面触发器件内部电场、电流更加均匀，更有利于提高器件高功率容量。结果为平面光导开关本征触发提供仿真与实验参考。
2025, 37: 1-5.
doi: 10.11884/HPLPB202537.240186
摘要:
光导开关连续工作在长脉宽、高重频工况时，由于存在一定的导通电阻，开关内部热沉积现象较严重，容易导致光导开关的热损伤和热击穿，严重影响光导开关的使用寿命。因此必须对高功率光导开关进行有效散热。常规冷却循环系统采用循环泵泵出方式对物体进行冷却，存在冷却介质在循环过程中压力过高或过低的问题，使物体冷却不均匀，极易导致物体损坏；此外，循环泵的桨叶循环过程中会产生气泡，使光导开关绝缘强度下降，导致沿面闪络击穿。针对此问题，研制了一套基于负压吸引机制消除气泡、双回路系统实现精确控温的冷却系统，大幅度提高了光导开关寿命：光导开关的良好散热，实现了光导开关在工作电压11 kV、输出电流560 A、脉宽55 ns、重复频率1 kHz条件下寿命达到106次。
光导开关连续工作在长脉宽、高重频工况时，由于存在一定的导通电阻，开关内部热沉积现象较严重，容易导致光导开关的热损伤和热击穿，严重影响光导开关的使用寿命。因此必须对高功率光导开关进行有效散热。常规冷却循环系统采用循环泵泵出方式对物体进行冷却，存在冷却介质在循环过程中压力过高或过低的问题，使物体冷却不均匀，极易导致物体损坏；此外，循环泵的桨叶循环过程中会产生气泡，使光导开关绝缘强度下降，导致沿面闪络击穿。针对此问题，研制了一套基于负压吸引机制消除气泡、双回路系统实现精确控温的冷却系统，大幅度提高了光导开关寿命：光导开关的良好散热，实现了光导开关在工作电压11 kV、输出电流560 A、脉宽55 ns、重复频率1 kHz条件下寿命达到106次。
2025, 37: 1-8.
doi: 10.11884/HPLPB202537.240426
摘要:
主要围绕Fe: β-Ga2O3基垂直型光导开关的高压性能进行实验和分析。结果显示，Fe: β-Ga2O3中深能级能提供产生非本征激发的载流子，输入电压为20 kV并进行单次激光触发时器件未出现击穿趋势，在15 kV下以10 Hz光触发至少5000 余次后开关损坏，有效数据中脉冲表现较为稳定，初步证明了氧化镓光导开关可应用于大功率和高频等极限环境。失效分析说明较大的禁带宽度不是决定高耐压的唯一条件，除了使用精确掺杂的手段引入特定缺陷来改变Ga2O3材料性能外，进一步改良现有的材料生长方式和器件封装结构等也对提高光导开关的输出和寿命有所帮助。
主要围绕Fe: β-Ga2O3基垂直型光导开关的高压性能进行实验和分析。结果显示，Fe: β-Ga2O3中深能级能提供产生非本征激发的载流子，输入电压为20 kV并进行单次激光触发时器件未出现击穿趋势，在15 kV下以10 Hz光触发至少
2025, 37: 1-7.
doi: 10.11884/HPLPB202537.250028
摘要:
研究表明，基于维纳滤波的信号同轴电缆传输畸变补偿方法对于多种不同类型的脉冲信号均表现出优异的补偿性能和补偿效率，可以有效解决脉冲信号同轴电缆传输畸变问题，具有很好的应用价值。但是，目前尚未对影响该方法补偿效果的因素进行分析，也未明确其最佳应用条件或参数设置。深入分析了影响基于维纳滤波信号传输畸变补偿方法补偿性能的因素，确定主要影响因素为输出信号信噪比SNR、同轴电缆S21曲线测量步长Δf以及功率谱估计方法。针对上述影响因素开展了同轴电缆信号传输畸变补偿试验，结果表明：当SNR小于25 dB时，SNR越低，补偿方法补偿性能越差，而当SNR大于25 dB时，随着SNR的增大，补偿性能趋于稳定不变；对于S21参数测量频率步长Δf，当Δf较小时，补偿性能几乎保持不变，当Δf较大时，随着Δf的增大，补偿精度缓慢降低；而对于功率谱估计方法，常用的三种功率谱估计方法（周期图法、Welch法和Burg法）中，Burg法补偿性能最佳。研究结果可为维纳滤波实际应用提供指导。
研究表明，基于维纳滤波的信号同轴电缆传输畸变补偿方法对于多种不同类型的脉冲信号均表现出优异的补偿性能和补偿效率，可以有效解决脉冲信号同轴电缆传输畸变问题，具有很好的应用价值。但是，目前尚未对影响该方法补偿效果的因素进行分析，也未明确其最佳应用条件或参数设置。深入分析了影响基于维纳滤波信号传输畸变补偿方法补偿性能的因素，确定主要影响因素为输出信号信噪比SNR、同轴电缆S21曲线测量步长Δf以及功率谱估计方法。针对上述影响因素开展了同轴电缆信号传输畸变补偿试验，结果表明：当SNR小于25 dB时，SNR越低，补偿方法补偿性能越差，而当SNR大于25 dB时，随着SNR的增大，补偿性能趋于稳定不变；对于S21参数测量频率步长Δf，当Δf较小时，补偿性能几乎保持不变，当Δf较大时，随着Δf的增大，补偿精度缓慢降低；而对于功率谱估计方法，常用的三种功率谱估计方法（周期图法、Welch法和Burg法）中，Burg法补偿性能最佳。研究结果可为维纳滤波实际应用提供指导。
