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2025, 37: 094003.
doi: 10.11884/HPLPB202537.250022
2025, 37: 091002.
doi: 10.11884/HPLPB202537.250033
摘要:
针对典型拍瓦级飞秒激光装置参数，提出一种毛细管型的气室结构靶以产生百微米尺度且具有陡峭的密度上升沿的近临界密度等离子体。该气室结构靶具有背压低、喷气量小的特点。由于气室壁约束，气室内，该气室靶可更加稳定产生平台状的气体密度分布。采用粒子模拟方法研究了拍瓦级飞秒激光与该近临界密度等离子体相互作用的电子加速及betatron辐射过程。结果表明，合适气体密度和激光脉宽有利于产生稳定的等离子体通道。在通道内，电子首先经历有效的激光尾波场加速。这些加速的高能电子与激光尾部直接作用，通过betatron共振和激光直接加速，可使其产额及截止能量进一步提升。该大电荷量高能电子束在等离子体通道内的横向振荡能够产生高亮度betatron辐射源，峰值光子能量约8 keV，亮度达到\begin{document}$ 1.75\times {10}^{20}\;\mathrm{p}\mathrm{h}\cdot {\mathrm{s}}^{-1}\cdot {\mathrm{mm}}^{-2}\cdot $\end{document} ![]()
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\begin{document}$ {\mathrm{m}\mathrm{rad}}^{-2}\cdot {\left(0.1\mathrm{{\text{%}}}\mathrm{b}\mathrm{w}\right)}^{-1} $\end{document} ![]()
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针对典型拍瓦级飞秒激光装置参数，提出一种毛细管型的气室结构靶以产生百微米尺度且具有陡峭的密度上升沿的近临界密度等离子体。该气室结构靶具有背压低、喷气量小的特点。由于气室壁约束，气室内，该气室靶可更加稳定产生平台状的气体密度分布。采用粒子模拟方法研究了拍瓦级飞秒激光与该近临界密度等离子体相互作用的电子加速及betatron辐射过程。结果表明，合适气体密度和激光脉宽有利于产生稳定的等离子体通道。在通道内，电子首先经历有效的激光尾波场加速。这些加速的高能电子与激光尾部直接作用，通过betatron共振和激光直接加速，可使其产额及截止能量进一步提升。该大电荷量高能电子束在等离子体通道内的横向振荡能够产生高亮度betatron辐射源，峰值光子能量约8 keV，亮度达到
2025, 37: 093001.
doi: 10.11884/HPLPB202537.250131
摘要:
随着固态化、模块化、小型化脉冲功率系统的需求不断加深，宽禁带半导体光电导开关（PCSS）由于高功率和快响应等特点引起了广泛的关注。基于高纯半绝缘（HPSI）碳化硅（SiC）衬底，研制了体结构SiC PCSS。在此基础上，提出了一种基于氟化镁和二氧化钛的高反射镜SiC光电导开关封装结构，有效地提高了光电导开关的光能利用率，搭建了基于新封装结构高纯SiC光电导开关的亚纳秒短脉冲产生电路，优化了脉冲形成线与光电导开关的连接方式，设计了开槽型脉冲形成线结构，减小了电路的寄生电感，缩短了电路的响应时间。采用新封装结构和脉冲形成线，在偏置电压为10 kV、激光波长为532 nm、激光脉冲半高宽为500 ps、激光脉冲能量为90 μJ和负载为50 Ω的工作条件下，实验获得了电压幅值为7.6 kV的亚纳秒短脉冲，脉冲波形的上升沿和半高宽分别为620 ps和2.2 ns，对应的输出峰值功率为1.1 MW，系统的光电功率增益达到7.7 dB。
随着固态化、模块化、小型化脉冲功率系统的需求不断加深，宽禁带半导体光电导开关（PCSS）由于高功率和快响应等特点引起了广泛的关注。基于高纯半绝缘（HPSI）碳化硅（SiC）衬底，研制了体结构SiC PCSS。在此基础上，提出了一种基于氟化镁和二氧化钛的高反射镜SiC光电导开关封装结构，有效地提高了光电导开关的光能利用率，搭建了基于新封装结构高纯SiC光电导开关的亚纳秒短脉冲产生电路，优化了脉冲形成线与光电导开关的连接方式，设计了开槽型脉冲形成线结构，减小了电路的寄生电感，缩短了电路的响应时间。采用新封装结构和脉冲形成线，在偏置电压为10 kV、激光波长为532 nm、激光脉冲半高宽为500 ps、激光脉冲能量为90 μJ和负载为50 Ω的工作条件下，实验获得了电压幅值为7.6 kV的亚纳秒短脉冲，脉冲波形的上升沿和半高宽分别为620 ps和2.2 ns，对应的输出峰值功率为1.1 MW，系统的光电功率增益达到7.7 dB。
2025, 37: 093002.
doi: 10.11884/HPLPB202537.250097
摘要:
为研究基于磁控管等电真空振荡器的低成本、小型化、稳定且可阵列化应用的SLAC能量倍增器（SLED），设计了一种功率容量兆瓦级、响应时间纳秒级的高功率快速倒相开关。在波导结构中插入传统PIN二极管加载线型移相电路单元，通过波导外置偏置电路控制PIN二极管的“开”/“关”状态，改变移相电路的等效阻抗以控制波导传输微波相位。已通过高功率实验验证了此类二极管波导移相器的高功率特性。通过级联8个移相电路单元实现180°相移。对所设计的倒相开关进行了频域与时域参数测试：频域测试结果表明，该倒相开关在工作频率下的插损小于0.7 dB，在中心频率2.458 GHz处相移172°，相移量与仿真设计值相比误差在±4°以内；时域测试结果表明，该倒相开关的倒相时间约为5 ns。
为研究基于磁控管等电真空振荡器的低成本、小型化、稳定且可阵列化应用的SLAC能量倍增器（SLED），设计了一种功率容量兆瓦级、响应时间纳秒级的高功率快速倒相开关。在波导结构中插入传统PIN二极管加载线型移相电路单元，通过波导外置偏置电路控制PIN二极管的“开”/“关”状态，改变移相电路的等效阻抗以控制波导传输微波相位。已通过高功率实验验证了此类二极管波导移相器的高功率特性。通过级联8个移相电路单元实现180°相移。对所设计的倒相开关进行了频域与时域参数测试：频域测试结果表明，该倒相开关在工作频率下的插损小于0.7 dB，在中心频率2.458 GHz处相移172°，相移量与仿真设计值相比误差在±4°以内；时域测试结果表明，该倒相开关的倒相时间约为5 ns。
2025, 37: 093003.
doi: 10.11884/HPLPB202537.250041
摘要:
共焦波导结构因其衍射损耗可降低模式密度的特性，能够有效抑制模式竞争，进而有助于回旋行波管放大器（gyro-TWT）在太赫兹（>100 GHz）频段实现稳定工作。采用理论分析与三维粒子模拟（3D-PIC）相结合的方法，针对220 GHz共焦波导gyro-TWT的衍射损耗率（DLR）展开综合分析。研究结果表明，DLR的大小对gyro-TWT性能具有显著影响。较小的DLR会激发低阶竞争模式的回旋返波振荡（GBWO）；而较大的DLR则会大幅降低共焦波导gyro-TWT的束波互作效率、增益、带宽，同时降低其对电子束速度零散的容忍度，应避免使共焦波导gyro-TWT工作在较大的DLR下。在该设计的共焦波导gyro-TWT中，HE07单模稳定工作的DLR不小于0.38 dB/cm，对应的镜面宽度角θ不大于47°。
共焦波导结构因其衍射损耗可降低模式密度的特性，能够有效抑制模式竞争，进而有助于回旋行波管放大器（gyro-TWT）在太赫兹（>100 GHz）频段实现稳定工作。采用理论分析与三维粒子模拟（3D-PIC）相结合的方法，针对220 GHz共焦波导gyro-TWT的衍射损耗率（DLR）展开综合分析。研究结果表明，DLR的大小对gyro-TWT性能具有显著影响。较小的DLR会激发低阶竞争模式的回旋返波振荡（GBWO）；而较大的DLR则会大幅降低共焦波导gyro-TWT的束波互作效率、增益、带宽，同时降低其对电子束速度零散的容忍度，应避免使共焦波导gyro-TWT工作在较大的DLR下。在该设计的共焦波导gyro-TWT中，HE07单模稳定工作的DLR不小于0.38 dB/cm，对应的镜面宽度角θ不大于47°。
2025, 37: 093004.
doi: 10.11884/HPLPB202537.250048
摘要:
为在微波波段实现宽带大功率合成输出，设计并研制了一种新型大功率、宽带四路矩形波导TE10模到圆波导TE01模模式变换功率合成器。该模式变换功率合成器由两部分组成，分别是四路矩形波导TE10模合成变换到十字波导TE22模的结构，以及十字波导TE22模变换到过模圆波导TE01模的结构。仿真结果表明，在15.2～18.2 GHz的Ku波段内，TE10-TE01模式合成转化效率大于99.4%，最大可承受1.6 MW的脉冲功率输出。实验验证样品的背靠背冷测实验表明，该模式变换功率合成器在15.2～18.2 GHz频段内的最低合成效率为94%。仿真结果和冷测实验结果表明，该模式变换功率合成器具有工作带宽大、合成效率高、功率容量大的特点，可以较好地解决微波及毫米低端波段宽带大功率TE01模的模式变换和合成输出问题。
为在微波波段实现宽带大功率合成输出，设计并研制了一种新型大功率、宽带四路矩形波导TE10模到圆波导TE01模模式变换功率合成器。该模式变换功率合成器由两部分组成，分别是四路矩形波导TE10模合成变换到十字波导TE22模的结构，以及十字波导TE22模变换到过模圆波导TE01模的结构。仿真结果表明，在15.2～18.2 GHz的Ku波段内，TE10-TE01模式合成转化效率大于99.4%，最大可承受1.6 MW的脉冲功率输出。实验验证样品的背靠背冷测实验表明，该模式变换功率合成器在15.2～18.2 GHz频段内的最低合成效率为94%。仿真结果和冷测实验结果表明，该模式变换功率合成器具有工作带宽大、合成效率高、功率容量大的特点，可以较好地解决微波及毫米低端波段宽带大功率TE01模的模式变换和合成输出问题。
2025, 37: 093005.
doi: 10.11884/HPLPB202537.250069
摘要:
为进一步提高返波管的耦合阻抗和输出功率，提出了一种梯形双脊波导慢波结构。与正弦双脊波导和平顶型正弦双脊波导相比，在归一化相速度基本一致时，梯形双脊波导的电子注通道中心轴线耦合阻抗和截面平均耦合阻抗都得到了显著提升。仿真结果显示，在320～360 GHz频带范围内，其平均耦合阻抗较正弦双脊波导提升78.33%～86.97%，较平顶型正弦双脊波导提升至少46.65%。在相同工作条件及频带范围内，梯形双脊波导返波管在340 GHz频段的输出功率为5.55～8.03 W，比正弦双脊波导返波管提升26.97%～73.44%，比平顶型正弦双脊波导返波管提升33.65%～52.47%。此时三种返波管均为最佳管长，梯形双脊波导返波管可比另两种结构缩短至少16.5%。
为进一步提高返波管的耦合阻抗和输出功率，提出了一种梯形双脊波导慢波结构。与正弦双脊波导和平顶型正弦双脊波导相比，在归一化相速度基本一致时，梯形双脊波导的电子注通道中心轴线耦合阻抗和截面平均耦合阻抗都得到了显著提升。仿真结果显示，在320～360 GHz频带范围内，其平均耦合阻抗较正弦双脊波导提升78.33%～86.97%，较平顶型正弦双脊波导提升至少46.65%。在相同工作条件及频带范围内，梯形双脊波导返波管在340 GHz频段的输出功率为5.55～8.03 W，比正弦双脊波导返波管提升26.97%～73.44%，比平顶型正弦双脊波导返波管提升33.65%～52.47%。此时三种返波管均为最佳管长，梯形双脊波导返波管可比另两种结构缩短至少16.5%。
2025, 37: 094001.
doi: 10.11884/HPLPB202537.250106
摘要:
硬X射线自由电子激光装置（SHINE）中常温L波段聚束器在电子束团进行压缩过程中发挥了关键作用，有效提升了束流品质，满足了SHINE对低发射度和低能散的注入要求。由于聚束器采用了2-cell的设计，特研制了一套数字化低电平控制系统。该系统基于FPGA板卡和上下变频板卡的架构，采用I/Q解调技术，集成了幅度相位反馈、频率调谐及场平坦度多电机协调控制功能。在10 kW连续波运行中，聚束器腔压的幅度稳定度（peak-to-peak）由开环的±0.17%提高到闭环的±0.03%，相位稳定度（peak-to-peak）控制在±0.05°以内，场平坦度保持在±2%以内，满足了设计指标要求。此外，还提出了一种基于模拟数字转换（ADC）采集的射频信号功率校准方法，与功率计对比，实测误差在±2%以内，验证了该方法的可行性，为射频功率标定提供了一种可选方案。
硬X射线自由电子激光装置（SHINE）中常温L波段聚束器在电子束团进行压缩过程中发挥了关键作用，有效提升了束流品质，满足了SHINE对低发射度和低能散的注入要求。由于聚束器采用了2-cell的设计，特研制了一套数字化低电平控制系统。该系统基于FPGA板卡和上下变频板卡的架构，采用I/Q解调技术，集成了幅度相位反馈、频率调谐及场平坦度多电机协调控制功能。在10 kW连续波运行中，聚束器腔压的幅度稳定度（peak-to-peak）由开环的±0.17%提高到闭环的±0.03%，相位稳定度（peak-to-peak）控制在±0.05°以内，场平坦度保持在±2%以内，满足了设计指标要求。此外，还提出了一种基于模拟数字转换（ADC）采集的射频信号功率校准方法，与功率计对比，实测误差在±2%以内，验证了该方法的可行性，为射频功率标定提供了一种可选方案。
2025, 37: 094002.
doi: 10.11884/HPLPB202537.250024
摘要:
高能电子加速器中，束流与真空室相互作用产生的尾场会引发束流不稳定性，此现象在高重频(>105 Hz)超导加速器中尤为明显。全金属加速器真空室大量使用的CF刀口法兰，其连接处截面突变是导致产生束流耦合阻抗的主要来源之一。设计了一种RF屏蔽型法兰-密封圈连接结构，其目的是通过实现法兰-密封圈-法兰预紧密封后的平滑过渡，有效减少阻抗。首先，采用3D电磁仿真CST软件对比仿真了连接过渡段不同径向台阶和轴向间隙参数下的阻抗效应，给出了相关参数的允许范围。然后，通过ANSYS软件对屏蔽法兰-铜圈结构进行了形变仿真，初步制定了不同型号的屏蔽密封圈的内径几何参数，在屏蔽法兰-密封圈的真空密封试验中，验证了预紧力矩≥6 N·m时即可实现有效的超高真空密封，并且通过屏蔽法兰-密封铜圈过渡段径向台阶和轴向间隙测试试验，得到了最优预紧力矩和屏蔽铜圈的关键尺寸参数。最后，采用对光滑真空管段、标准法兰-密封圈过渡段和屏蔽法兰-密封圈过渡段的功率损失和阻抗进行了仿真计算，验证了所设计的RF屏蔽型法兰-密封圈连接结构可以有效地实现阻抗屏蔽。
高能电子加速器中，束流与真空室相互作用产生的尾场会引发束流不稳定性，此现象在高重频(>105 Hz)超导加速器中尤为明显。全金属加速器真空室大量使用的CF刀口法兰，其连接处截面突变是导致产生束流耦合阻抗的主要来源之一。设计了一种RF屏蔽型法兰-密封圈连接结构，其目的是通过实现法兰-密封圈-法兰预紧密封后的平滑过渡，有效减少阻抗。首先，采用3D电磁仿真CST软件对比仿真了连接过渡段不同径向台阶和轴向间隙参数下的阻抗效应，给出了相关参数的允许范围。然后，通过ANSYS软件对屏蔽法兰-铜圈结构进行了形变仿真，初步制定了不同型号的屏蔽密封圈的内径几何参数，在屏蔽法兰-密封圈的真空密封试验中，验证了预紧力矩≥6 N·m时即可实现有效的超高真空密封，并且通过屏蔽法兰-密封铜圈过渡段径向台阶和轴向间隙测试试验，得到了最优预紧力矩和屏蔽铜圈的关键尺寸参数。最后，采用对光滑真空管段、标准法兰-密封圈过渡段和屏蔽法兰-密封圈过渡段的功率损失和阻抗进行了仿真计算，验证了所设计的RF屏蔽型法兰-密封圈连接结构可以有效地实现阻抗屏蔽。
2025, 37: 094003.
doi: 10.11884/HPLPB202537.250022
摘要:
基于正在运行的合肥红外自由电子激光装置注入器的指标要求，对注入器结构进行优化设计，得到更适合红外振荡器型自由电子激光装置的电子束。基于前期电子枪栅网结构的优化结果，进一步改进设计，将现有6次次谐波聚束系统的前级增设一个新的12次次谐波聚束腔，再结合改进的行波聚束结构对束团进行聚束和加速。在束流动力学优化过程中，首先设计次谐波聚束腔，扫描束流注入相位、行波聚束器相速度等参数，使得电子束在聚束阶段中达到100%捕获，能量提升至接近4.4 MeV。随后，通过装置原有的两个等梯度行波加速管，束流能量被提升至64 MeV。根据红外自由电子激光的实际应用需求，滤除高能散电子，对±1%束团能散的电子束进行统计，优化后核心束团的均方根纵向长度降低至3.1 ps，能散低于0.23 MeV，归一化横向发射度可以降低至9.8 mm · mrad，同时峰值流强达到270 A，为原有优化结果的2.7倍。优化后的注入器能够为光源的运行提供更高品质的电子束，有望驱动产生质量更为优异的红外辐射光。
基于正在运行的合肥红外自由电子激光装置注入器的指标要求，对注入器结构进行优化设计，得到更适合红外振荡器型自由电子激光装置的电子束。基于前期电子枪栅网结构的优化结果，进一步改进设计，将现有6次次谐波聚束系统的前级增设一个新的12次次谐波聚束腔，再结合改进的行波聚束结构对束团进行聚束和加速。在束流动力学优化过程中，首先设计次谐波聚束腔，扫描束流注入相位、行波聚束器相速度等参数，使得电子束在聚束阶段中达到100%捕获，能量提升至接近4.4 MeV。随后，通过装置原有的两个等梯度行波加速管，束流能量被提升至64 MeV。根据红外自由电子激光的实际应用需求，滤除高能散电子，对±1%束团能散的电子束进行统计，优化后核心束团的均方根纵向长度降低至3.1 ps，能散低于0.23 MeV，归一化横向发射度可以降低至9.8 mm · mrad，同时峰值流强达到270 A，为原有优化结果的2.7倍。优化后的注入器能够为光源的运行提供更高品质的电子束，有望驱动产生质量更为优异的红外辐射光。
2025, 37: 094004.
doi: 10.11884/HPLPB202537.250055
摘要:
随着粒子加速器对束流的稳定性要求越来越高，对工程控制网的精度提出了更高的要求，以高能同步辐射光源（HEPS）周长454 m的增强器为例，针对隧道内空间狭长、无法大范围通视的不利条件，提出了基于激光跟踪仪精密测量的控制网布设方案及测量方法；同时，面对测量环节中测站多和测点密的数据有效性检测难题，提出了相邻单站拟合及多站拟合的观测过程质量控制方法，点位拟合误差RMS优于0.1 mm；最终，控制网的径向、切向及高程方向各坐标分量的绝对点位误差RMS达到0.2 mm，满足设备安装精度要求。同时，为了监测增强器土建完毕初期的稳定性，对增强器控制网在一年内进行了两期观测，测量结果表明：增强器隧道在一年内产生了10 mm左右变形，具体表现为隧道地基在正东偏南、正北偏西、正南偏西三区域向外膨胀。
随着粒子加速器对束流的稳定性要求越来越高，对工程控制网的精度提出了更高的要求，以高能同步辐射光源（HEPS）周长454 m的增强器为例，针对隧道内空间狭长、无法大范围通视的不利条件，提出了基于激光跟踪仪精密测量的控制网布设方案及测量方法；同时，面对测量环节中测站多和测点密的数据有效性检测难题，提出了相邻单站拟合及多站拟合的观测过程质量控制方法，点位拟合误差RMS优于0.1 mm；最终，控制网的径向、切向及高程方向各坐标分量的绝对点位误差RMS达到0.2 mm，满足设备安装精度要求。同时，为了监测增强器土建完毕初期的稳定性，对增强器控制网在一年内进行了两期观测，测量结果表明：增强器隧道在一年内产生了10 mm左右变形，具体表现为隧道地基在正东偏南、正北偏西、正南偏西三区域向外膨胀。
2025, 37: 094005.
doi: 10.11884/HPLPB202537.250172
摘要:
为了对取消散热板后的12.5 kW霍尔推力器的热设计优化提供工程指引，计算了推力器热耗并校准了热模型，之后采用有限元仿真结合热平衡试验验证对12.5 kW霍尔推力器的不同热设计措施的有效性进行了分析。结果显示，在取消散热板后，推力器各部件平均温升达到50~150 ℃，在考虑推力器主要的热量传递路径后，提出6种热设计措施并分别进行仿真分析。分析结果表明，措施4和措施6，即阻断空心阴极与内线圈的辐射热交换以及提高导磁底座外磁屏和外线圈套筒的发射系数，对控制内线圈及导磁底座的温升具有显著影响。基于措施1即阻断内线圈和导磁底座之间的热传导，在二者间增加了厚度为5 mm隔热垫并开展了热平衡试验验证。结果显示，各部件的仿真值与实测值的比对误差均小于10%，而导磁底座和外壳处的温度比对误差最大，这是由于试验中仍存在轴向热传导所导致。比对结果验证了针对措施1所开展仿真分析的准确性，同时也间接证明了措施4组合措施6的降温效果有效性。
为了对取消散热板后的12.5 kW霍尔推力器的热设计优化提供工程指引，计算了推力器热耗并校准了热模型，之后采用有限元仿真结合热平衡试验验证对12.5 kW霍尔推力器的不同热设计措施的有效性进行了分析。结果显示，在取消散热板后，推力器各部件平均温升达到50~150 ℃，在考虑推力器主要的热量传递路径后，提出6种热设计措施并分别进行仿真分析。分析结果表明，措施4和措施6，即阻断空心阴极与内线圈的辐射热交换以及提高导磁底座外磁屏和外线圈套筒的发射系数，对控制内线圈及导磁底座的温升具有显著影响。基于措施1即阻断内线圈和导磁底座之间的热传导，在二者间增加了厚度为5 mm隔热垫并开展了热平衡试验验证。结果显示，各部件的仿真值与实测值的比对误差均小于10%，而导磁底座和外壳处的温度比对误差最大，这是由于试验中仍存在轴向热传导所导致。比对结果验证了针对措施1所开展仿真分析的准确性，同时也间接证明了措施4组合措施6的降温效果有效性。
2025, 37: 095001.
doi: 10.11884/HPLPB202537.250017
摘要:
一般来说，同一大小的力推动不同质量的物体，质量轻的物体获得的速度总是更大。然而，在磁驱动对称飞片发射实验中，同一电流驱动0.37 mm和0.48 mm两个“飞片对”，0.37 mm“飞片对”获得的最终速度为18 km/s，0.48 mm“飞片对”获得的最终速度为19 km/s，即厚“飞片对”获得的测量速度反而更大。采用边界磁场受烧蚀影响的磁流体力学程序解释这一反常现象。数值模拟表明，边界磁场受烧蚀影响的磁流体力学程序能正确模拟0.37 mm和0.48 mm两个“飞片对”的动力学过程。厚“飞片对”测得的最终速度比薄“飞片对”测得的最终速度更大，其物理机理是厚“飞片对”烧蚀熔化到整个“飞片对”密度低于固体密度的完全熔化时间，比薄“飞片对”烧蚀熔化到整个“飞片对”密度低于固体密度的完全熔化时间更长。
一般来说，同一大小的力推动不同质量的物体，质量轻的物体获得的速度总是更大。然而，在磁驱动对称飞片发射实验中，同一电流驱动0.37 mm和0.48 mm两个“飞片对”，0.37 mm“飞片对”获得的最终速度为18 km/s，0.48 mm“飞片对”获得的最终速度为19 km/s，即厚“飞片对”获得的测量速度反而更大。采用边界磁场受烧蚀影响的磁流体力学程序解释这一反常现象。数值模拟表明，边界磁场受烧蚀影响的磁流体力学程序能正确模拟0.37 mm和0.48 mm两个“飞片对”的动力学过程。厚“飞片对”测得的最终速度比薄“飞片对”测得的最终速度更大，其物理机理是厚“飞片对”烧蚀熔化到整个“飞片对”密度低于固体密度的完全熔化时间，比薄“飞片对”烧蚀熔化到整个“飞片对”密度低于固体密度的完全熔化时间更长。
2025, 37: 095002.
doi: 10.11884/HPLPB202537.250043
摘要:
随着有源相控阵雷达的发展，相控阵雷达对发送接收（TR）电源的需求不断提高，宽输入电压范围、高频化和高效率的TR电源成为当今的主流研究方向。双有源桥（DAB）变换器能够实现宽输入电压范围，并且控制方式多样化，在TR电源领域具有广泛的应用前景，但DAB变换器的电感量和开关频率等系统参数对TR电源的传输功率和功率MOS管的通态电流影响很大。基于DAB变换器中的扩展移相（EPS）调制方法，推导了其功率传输特性和电感电流大小等表达式，并以考虑过载需求的最大传输功率、MOS器件最大通态电流降额设计、最小输出电压纹波频率为限制指标，提出一种基于EPS调制下的DAB电路参数优化设计方法，基于参数限制规划了可靠运行区ROA，为设计相应的电感值、开关频率，优化DAB参数提供参考依据。最后通过对两路输出的DAB变换器进行相应的MATLAB仿真分析，仿真结果表明输出电压纹波、MOS管通态电流大小、输出功率符合预期需求指标，验证上述理论推导的准确性。
随着有源相控阵雷达的发展，相控阵雷达对发送接收（TR）电源的需求不断提高，宽输入电压范围、高频化和高效率的TR电源成为当今的主流研究方向。双有源桥（DAB）变换器能够实现宽输入电压范围，并且控制方式多样化，在TR电源领域具有广泛的应用前景，但DAB变换器的电感量和开关频率等系统参数对TR电源的传输功率和功率MOS管的通态电流影响很大。基于DAB变换器中的扩展移相（EPS）调制方法，推导了其功率传输特性和电感电流大小等表达式，并以考虑过载需求的最大传输功率、MOS器件最大通态电流降额设计、最小输出电压纹波频率为限制指标，提出一种基于EPS调制下的DAB电路参数优化设计方法，基于参数限制规划了可靠运行区ROA，为设计相应的电感值、开关频率，优化DAB参数提供参考依据。最后通过对两路输出的DAB变换器进行相应的MATLAB仿真分析，仿真结果表明输出电压纹波、MOS管通态电流大小、输出功率符合预期需求指标，验证上述理论推导的准确性。
2025, 37: 096001.
doi: 10.11884/HPLPB202537.250009
摘要:
停堆剂量率计算分析是核反应堆辐射安全的重要内容。为了分析车载微型移动核电源的停堆剂量率，研究了基于栅元嵌套网格的停堆剂量率计算方法。该方法在严格两步法的计算框架下，对活化光子源的抽样方法进行了改进。通过构建几何简单的包围盒，抽样得到源栅元内的粒子分布，从而提高了抽样效率和精度。在国际热核聚变实验堆(ITER)停堆剂量率基准题中进行了验证，该方法与参考解符合较好。基于该方法开展了兆瓦级车载微型移动核电源Megapower的停堆剂量率分析，计算结果表明热管贯穿端剂量率水平相对较高。该方法可用于反应堆停堆剂量率的计算分析，能够准确评估结构材料活化源及其产生的剂量率，对于反应堆屏蔽设计、维修计划的制定及退役具有重要的参考意义。
停堆剂量率计算分析是核反应堆辐射安全的重要内容。为了分析车载微型移动核电源的停堆剂量率，研究了基于栅元嵌套网格的停堆剂量率计算方法。该方法在严格两步法的计算框架下，对活化光子源的抽样方法进行了改进。通过构建几何简单的包围盒，抽样得到源栅元内的粒子分布，从而提高了抽样效率和精度。在国际热核聚变实验堆(ITER)停堆剂量率基准题中进行了验证，该方法与参考解符合较好。基于该方法开展了兆瓦级车载微型移动核电源Megapower的停堆剂量率分析，计算结果表明热管贯穿端剂量率水平相对较高。该方法可用于反应堆停堆剂量率的计算分析，能够准确评估结构材料活化源及其产生的剂量率，对于反应堆屏蔽设计、维修计划的制定及退役具有重要的参考意义。
2025, 37: 096002.
doi: 10.11884/HPLPB202537.250012
摘要:
当核反应堆一回路系统发生超压时，可采用超压泄放系统将高温高压流体通过安全阀及下游管道向水池泄放以实现降压，但是安全阀的快速开启会导致流体剧烈释放，可能对管道及水池施加剧烈地瞬态载荷冲击。建立了包括压力容器、管道及水池的系统性分析模型，用于分析管道及水池处的载荷特征。结果表明：超压泄放过程中阀门入口存在水封及开启时间减小会使管道及水池所受载荷峰值增大。喷嘴淹没深度减小或水池截面积增大，水池处载荷峰值减小。
当核反应堆一回路系统发生超压时，可采用超压泄放系统将高温高压流体通过安全阀及下游管道向水池泄放以实现降压，但是安全阀的快速开启会导致流体剧烈释放，可能对管道及水池施加剧烈地瞬态载荷冲击。建立了包括压力容器、管道及水池的系统性分析模型，用于分析管道及水池处的载荷特征。结果表明：超压泄放过程中阀门入口存在水封及开启时间减小会使管道及水池所受载荷峰值增大。喷嘴淹没深度减小或水池截面积增大，水池处载荷峰值减小。
2025, 37: 096003.
doi: 10.11884/HPLPB202537.250061
摘要:
基于一体化小堆堆芯设计特点，分析了氚的产生途径，建立了主回路冷却剂中氚源项计算模型。计算结果表明，单台一体化小堆堆芯氚年产量为1.81 TBq，其主要贡献来源是二次中子源材料Sb-Be和控制棒吸收体材料B4C受中子活化产生，占比分别达到46%和51%。通过对沸水堆（BWR）运行电厂氚的排放数据进行统计，证明了理论分析结果的包络性。基于该分析结果，提出了减小一体化小堆运行期间氚产生量的途径，为一体化小堆优化设计提供指引。分析表明，取消二次中子源或中子源棒采用双层包壳结构，以及控制棒吸收体材料进行更换（如更换为Ag-In-Cd或者铪），将会显著减小一体化小堆的氚产生量。
基于一体化小堆堆芯设计特点，分析了氚的产生途径，建立了主回路冷却剂中氚源项计算模型。计算结果表明，单台一体化小堆堆芯氚年产量为1.81 TBq，其主要贡献来源是二次中子源材料Sb-Be和控制棒吸收体材料B4C受中子活化产生，占比分别达到46%和51%。通过对沸水堆（BWR）运行电厂氚的排放数据进行统计，证明了理论分析结果的包络性。基于该分析结果，提出了减小一体化小堆运行期间氚产生量的途径，为一体化小堆优化设计提供指引。分析表明，取消二次中子源或中子源棒采用双层包壳结构，以及控制棒吸收体材料进行更换（如更换为Ag-In-Cd或者铪），将会显著减小一体化小堆的氚产生量。
2025, 37: 096004.
doi: 10.11884/HPLPB202537.240438
摘要:
在高温颗粒球床堆芯辐射换热过程中，角系数是辐射换热计算的关键参数。传统数值计算角系数的方法需进行复杂积分运算，且不同几何形状的积分公式各异，计算难度较大。为降低球床颗粒间角系数的计算难度，提出了一种基于光线追踪理论并结合颗粒辐射特性的角系数计算模型。该模型无需对颗粒进行建模做离散分析，仅需获取颗粒的坐标信息和半径即可进行计算，极大地简化了计算过程。通过在颗粒相切情况下对比光线追踪与数值结果，当光线密度达到特定值时，二者结果相对误差在1%内。颗粒间辐射主要以中心连线为辐射能量最强处，向四周减少，其变化趋势呈余弦函数。在球床颗粒随机堆积情况下，选取单个颗粒进行分析，发现辐射范围以2倍直径内为主，此时角系数累积超过0.98，颗粒数量在100个以内；在3倍直径范围内，累积角系数超过0.99。
在高温颗粒球床堆芯辐射换热过程中，角系数是辐射换热计算的关键参数。传统数值计算角系数的方法需进行复杂积分运算，且不同几何形状的积分公式各异，计算难度较大。为降低球床颗粒间角系数的计算难度，提出了一种基于光线追踪理论并结合颗粒辐射特性的角系数计算模型。该模型无需对颗粒进行建模做离散分析，仅需获取颗粒的坐标信息和半径即可进行计算，极大地简化了计算过程。通过在颗粒相切情况下对比光线追踪与数值结果，当光线密度达到特定值时，二者结果相对误差在1%内。颗粒间辐射主要以中心连线为辐射能量最强处，向四周减少，其变化趋势呈余弦函数。在球床颗粒随机堆积情况下，选取单个颗粒进行分析，发现辐射范围以2倍直径内为主，此时角系数累积超过0.98，颗粒数量在100个以内；在3倍直径范围内，累积角系数超过0.99。
2025, 37: 096005.
doi: 10.11884/HPLPB202537.250051
摘要:
针对目前单相交流输入低纹波直流稳压电源存在主电路结构复杂等不足，提出一种新型的单相交流输入低纹波可调直流稳压电源主电路拓扑结构。介绍了该新型拓扑结构的基本工作原理，建立了其数学模型并分析了其电压传输特性，根据其低纹波高稳定度控制要求，提出一种基于改进迭代学习控制的参考输出电压幅值自补偿与双闭环比例复数积分(PCI)控制相结合的控制方法，最后对其效果进行了仿真与实验验证。同时，与目前常用单相交流输入低纹波直流稳压电源进行了对比分析，结果表明：所提出的单相交流输入低纹波可调直流稳压电源拓扑结构具有电路结构简单、输出电压任意可调、纹波小、稳态精度高等特点，具有较好的实际应用价值。
针对目前单相交流输入低纹波直流稳压电源存在主电路结构复杂等不足，提出一种新型的单相交流输入低纹波可调直流稳压电源主电路拓扑结构。介绍了该新型拓扑结构的基本工作原理，建立了其数学模型并分析了其电压传输特性，根据其低纹波高稳定度控制要求，提出一种基于改进迭代学习控制的参考输出电压幅值自补偿与双闭环比例复数积分(PCI)控制相结合的控制方法，最后对其效果进行了仿真与实验验证。同时，与目前常用单相交流输入低纹波直流稳压电源进行了对比分析，结果表明：所提出的单相交流输入低纹波可调直流稳压电源拓扑结构具有电路结构简单、输出电压任意可调、纹波小、稳态精度高等特点，具有较好的实际应用价值。
2025, 37: 099001.
doi: 10.11884/HPLPB202537.250090
摘要:
高功率微波系统上使用的固面天线一般为悬臂结构，在有外界扰动力情况下，很难保持馈源结构较低加速度响应的要求。传统的动力吸振方法可以较好地控制悬臂结构的振动响应，但是这种方法仅能在一个有限的频率范围内抑制悬臂结构的响应加速度。为了解决上述问题，提出了一种主动控制与被动吸振相结合的最优振动控制方法。通过分析和仿真固面天线的结构模型得到主动吸振器最佳的安装位置，然后根据简化被动吸振器数学模型计算出最优的参数，在此基础上，将滑模控制方法与主动吸振方法相结合设计了相应的控制律，同时，证明了控制律的稳定性。仿真分析了存在主动控制吸振器情况下的两自由度振动系统，得出天线馈源结构随时间的振动响应情况。结果表明：该方法可以有效降低在外界扰动下馈源结构顶部的加速度响应，顶部最大振幅相比无控制情况可降低95%以上，馈源结构在该控制器作用下处于较稳定的状态。
高功率微波系统上使用的固面天线一般为悬臂结构，在有外界扰动力情况下，很难保持馈源结构较低加速度响应的要求。传统的动力吸振方法可以较好地控制悬臂结构的振动响应，但是这种方法仅能在一个有限的频率范围内抑制悬臂结构的响应加速度。为了解决上述问题，提出了一种主动控制与被动吸振相结合的最优振动控制方法。通过分析和仿真固面天线的结构模型得到主动吸振器最佳的安装位置，然后根据简化被动吸振器数学模型计算出最优的参数，在此基础上，将滑模控制方法与主动吸振方法相结合设计了相应的控制律，同时，证明了控制律的稳定性。仿真分析了存在主动控制吸振器情况下的两自由度振动系统，得出天线馈源结构随时间的振动响应情况。结果表明：该方法可以有效降低在外界扰动下馈源结构顶部的加速度响应，顶部最大振幅相比无控制情况可降低95%以上，馈源结构在该控制器作用下处于较稳定的状态。
2025, 37: 094006.
doi: 10.11884/HPLPB202537.250108
摘要:
通过多尺度建模模拟，同时考虑电子系统和晶格系统的温度变化，选用TTM-MD模型开展X射线与材料相互作用时的热效应仿真模拟，对X射线辐照铝箔的能量沉积及其在材料内的热传导过程进行深入研究。通过分析X射线能量对铝箔热效应的具体影响，得到了电子和晶格温度、材料密度等物理参数随时间的演化规律。在X射线辐照铝箔的过程中，X射线的能量被铝箔材料吸收并转化为热能，这种加热效应会导致其表面密度下降并逐渐向深层沉积；同时，辐照引起的温度升高还导致了铝箔内部压力的动态响应，先急剧增加后逐渐稳定。
通过多尺度建模模拟，同时考虑电子系统和晶格系统的温度变化，选用TTM-MD模型开展X射线与材料相互作用时的热效应仿真模拟，对X射线辐照铝箔的能量沉积及其在材料内的热传导过程进行深入研究。通过分析X射线能量对铝箔热效应的具体影响，得到了电子和晶格温度、材料密度等物理参数随时间的演化规律。在X射线辐照铝箔的过程中，X射线的能量被铝箔材料吸收并转化为热能，这种加热效应会导致其表面密度下降并逐渐向深层沉积；同时，辐照引起的温度升高还导致了铝箔内部压力的动态响应，先急剧增加后逐渐稳定。
2025, 37: 096006.
doi: 10.11884/HPLPB202537.250047
摘要:
SOI MOSFET器件广泛应用于航天电子设备中，但它们容易受到空间中电磁脉冲及粒子辐照效应的影响，进而影响航天器的稳定性。通过建立二维的短沟道SOI MOSFET器件模型，探究电磁脉冲和重离子辐照引起的单粒子效应对器件电学特性的影响。研究结果表明，在电磁脉冲作用下，随着电磁脉冲电压幅值的增大，SOI MOSFET会发生雪崩击穿，雪崩击穿现象导致PN结内建电场的电场强度和电流密度的增加，继而导致晶格温度上升；器件发生雪崩击穿的阈值电压随着栅极电压的增加而降低，同时也随着源极和漏极之间沟道长度的减小而降低。重离子入射会使SOI MOSFET器件的瞬态漏电流激增，随着电子-空穴对的复合和扩散，电流逐渐减小。电磁脉冲和重离子协同作用于器件时，重离子辐照降低了器件发生雪崩击穿的阈值电压。
SOI MOSFET器件广泛应用于航天电子设备中，但它们容易受到空间中电磁脉冲及粒子辐照效应的影响，进而影响航天器的稳定性。通过建立二维的短沟道SOI MOSFET器件模型，探究电磁脉冲和重离子辐照引起的单粒子效应对器件电学特性的影响。研究结果表明，在电磁脉冲作用下，随着电磁脉冲电压幅值的增大，SOI MOSFET会发生雪崩击穿，雪崩击穿现象导致PN结内建电场的电场强度和电流密度的增加，继而导致晶格温度上升；器件发生雪崩击穿的阈值电压随着栅极电压的增加而降低，同时也随着源极和漏极之间沟道长度的减小而降低。重离子入射会使SOI MOSFET器件的瞬态漏电流激增，随着电子-空穴对的复合和扩散，电流逐渐减小。电磁脉冲和重离子协同作用于器件时，重离子辐照降低了器件发生雪崩击穿的阈值电压。
2025, 37: 099002.
doi: 10.11884/HPLPB202537.250133
摘要:
光学散射特性是空间目标的重要特征，在目标识别和探测系统中起着非常重要的作用。针对空间目标仿真渲染需求，以及传统目标光学散射特性方法仅给出目标光学散射截面（OCS）、散射特性或模拟目标图像等不足，对空间目标光学散射特性计算进行了较全面研究，给出了空间目标光学散射特性计算流程，给出了目标OCS、目标辐照度、天光背景亮度、目标星等、信噪比和探测概率等计算公式，根据太阳辐射特性、相对于站址位置、天地背景球辐射特性等，利用图形处理单元（GPU）和着色语言实现任意时刻目标光学散射特性计算（目标OCS、探测器接收到的目标反射光功率和背景光功率、目标星等、信噪比和探测概率、模拟目标亮度图像等）。通过球体和圆柱体实验验证了目标OCS计算正确性。通过光学散射特性仿真实验，给出了空间目标在不同站址、不同反射特性和不同探测窗口下目标光学散射特性计算结果，结果表明，目标光学散射特性计算结果合理。给出了全套计算公式、计算参数和计算结果，对空间目标光学散射特性计算、目标图像识别等研究提供了参考。
光学散射特性是空间目标的重要特征，在目标识别和探测系统中起着非常重要的作用。针对空间目标仿真渲染需求，以及传统目标光学散射特性方法仅给出目标光学散射截面（OCS）、散射特性或模拟目标图像等不足，对空间目标光学散射特性计算进行了较全面研究，给出了空间目标光学散射特性计算流程，给出了目标OCS、目标辐照度、天光背景亮度、目标星等、信噪比和探测概率等计算公式，根据太阳辐射特性、相对于站址位置、天地背景球辐射特性等，利用图形处理单元（GPU）和着色语言实现任意时刻目标光学散射特性计算（目标OCS、探测器接收到的目标反射光功率和背景光功率、目标星等、信噪比和探测概率、模拟目标亮度图像等）。通过球体和圆柱体实验验证了目标OCS计算正确性。通过光学散射特性仿真实验，给出了空间目标在不同站址、不同反射特性和不同探测窗口下目标光学散射特性计算结果，结果表明，目标光学散射特性计算结果合理。给出了全套计算公式、计算参数和计算结果，对空间目标光学散射特性计算、目标图像识别等研究提供了参考。
