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前沿技术与交叉科学
脉冲负载下柴油发电机组建模优化与评价
师萌, 杨艺斌, 杨定富, 黄克峰, 何凯, 吴振
, doi: 10.11884/HPLPB202436.230342
摘要:
针对柴油发电机组-三相不控整流器-DC/DC变换器-脉冲负载系统中柴油发电机组的输出特性,提出仿真模型与试验电源输出电压(流)波形契合度的评价指标,以判断模型的仿真程度;提出了基于反向(BP)传播神经网络算法的同步发电机励磁电压输出动态限幅方法,应用于脉冲负载下柴油发电机组的模型优化。试验验证表明:27组算例中,初始仿真模型有18组波形实时契合度值不足90%,优化仿真模型27组值均大于90%。说明本文提出的优化方法使仿真模型比初始模型更加有效,可应用于后续柴油发电机组带脉冲负载系统的研究。
基于Walsh函数调制的单帧图像深度学习相位反演技术
刘奇, 杜应磊, 向汝建, 李国会, 张秋实, 向振佼, 吴晶, 岳献, 包安超, 游疆
, doi: 10.11884/HPLPB202436.240048
摘要:
远场波前反演存在简并态,复原波前容易出现多解问题。相较于传统的迭代算法,结合了相位调制与深度学习的相位反演方法不仅显著降低了计算复杂度,还可有效地解决多解问题。这种方法实时性强,结构简洁,显示出其独特的优势。使用不同的沃尔什函数(Walsh)对相位进行调制,采取深度学习的方法训练卷积神经网络从调制后单帧远场强度图中获得4~30阶Zernike系数从而复原出原始波前,解决了相位反演多解问题。对于3~15 cm大气相干长度的湍流像差的残差波前,其RMS与原始波前RMS的比值可达7.8%。深入研究了Zernike阶数、随机噪声、遮挡以及强度图分辨率等多种因素对波前复原精度的影响。研究结果表明,这种基于深度学习的相位反演方法在复杂的环境中展现出了良好的鲁棒性。
蒙特卡罗模拟中物理模型对质子硼俘获治疗剂量学的影响
吴骏翔, 邓力源, 何贞岑, 孙钊, 胡智民
, doi: 10.11884/HPLPB202436.240019
摘要:
比较了蒙特卡罗(MC)软件Geant4中不同物理过程对质子硼俘获治疗(PBCT)的剂量学影响。选取Geant4中FTFP、QBBC和QGSP三种物理过程,构建包含质子硼核反应的质子剂量沉积的模型,比较了80 MeV质子束选取三种物理过程在有无硼时的剂量分布,以及3 MeV质子束轰击纯硼时的核反应产物数据。三种物理过程在有无硼时水模体中的剂量分布无显著差异,一致性较好。FTFP物理过程获得的质子硼核反应产物与QBBC和QGSP物理过程相比差异较大。而QGSP物理过程得到的α粒子的产额、平均能量和能量范围与QBBC物理过程相比与实际情况吻合更好。综合评估三种物理过程中使用的非弹性散射模型以及模拟得到的核反应产物数据,Geant4中的QGSP物理过程更适用于PBCT的MC模拟研究。
多光源照射下目标图像实时生成方法
张玉双, 谢晓钢, 苏华, 王锐, 张飞舟
, doi: 10.11884/HPLPB202436.230442
摘要:
由于地理位置、太阳、大气环境等因素限制,无法获取空间目标在各种姿态、光照条件、特别是激光、太阳和背景光共同作用下的实际成像。提出一种多光源照射下目标图像实时生成方法。该方法基于计算机图形学中纹理映射思想,采用现代图形显卡编程技术和帧缓存对象特性,在GPU(Graphics Processing Unit)端采用着色器语言实现多光源作用下目标亮度值高效计算和真实感增强;采用开源三维图形引擎OSG(Open Scene Graph)支持多种格式三维模型文件,提高与国产麒麟操作系统及常用战场态势显示软件的兼容性。仿真实验验证了该方法的有效性和优越性。
激光自适应光学系统可靠性改进效果评估
贾启旺, 李新阳, 甘永东, 马瑞浩, 梅月, 斯那卓玛
, doi: 10.11884/HPLPB202436.230436
摘要:
随着自适应光学技术在激光领域的发展,工程上以经典自适应光学(AO)系统为基础,增加了多种基于软件监测和硬件保护的改进措施以保证激光AO系统稳定连续出光。面对结构复杂度提升带来的可靠性挑战,如何构建系统失效模型对激光AO系统可靠性进行评估,成为影响激光AO系统发展的重要一环。本文以激光光稳净化AO系统为例,提出使用动态故障树方法对激光AO系统可靠性进行评估,根据设备间动态关系建立动态故障树(DFT),结合厂家信息、疲劳寿命试验与历史数据估计得到底事件失效率,使用二元决策图和马尔可夫模型求解得到DFT的可靠性参数。使用DFT分析增加改进措施的AO系统可靠运行时间,结果相对于基本故障树获得了十倍以上的提高。实际系统调试期间,在预计的可靠运行时间内未发生自因故障,与DFT估计结果一致。验证了应用DFT方法评估增加改进措施后的激光AO系统可靠性更准确。
基于神经网络特征线提取的飞机位姿识别方法研究
陈长俊, 唐丹, 杨浩, 游安清, 潘旭东
, doi: 10.11884/HPLPB202436.240032
摘要:
为实现复杂情况下的飞机位姿识别,提出了基于神经网络特征线提取的位姿识别新方法。该方法利用3D模型进行图像渲染,通过添加背景形成数据集,为提高算法鲁棒性进行了数据集增强。特征线提取模型采用卷积神经网络提取目标深度特征,利用热力图获取飞机特征线。结合飞机特征线、飞机3D模型以及n线透视方法解算目标位姿。该方法建立的飞机特征线提取模型,在复杂背景下准确率约为91%。叠加了各类噪声后,准确率为84%。飞机位姿通过EPnL算法与非线性优化进行求解。在目标背景复杂的情况下,实验得到的平均预测角度误差约为0.57°,平均预测平移误差约为0.47%。图像叠加各类噪声后,得到的平均预测角度误差约为2.11°,平均预测平移误差约为0.93%。本文提出的飞机位姿识别方法在复杂背景、各类噪声影响下可以较精准的预测飞机位姿,应用场景更加广泛。
孔形对基于硅微通道阵列的CsI:Tl闪烁屏性能影响的模拟
赵子锋, 王国政, 郝子恒, 张妮, 戈钧, 杨继凯
, doi: 10.11884/HPLPB202436.230424
摘要:
使用Geant4程序模拟了微孔形状对基于硅微通道阵列的CsI:Tl像素化X射线闪烁屏性能的影响。模拟的闪烁屏性能参数包括:闪烁光子数、底光输出、传输效率、n次全反射占比、调制传递函数(MTF)与空间分辨率的关系。模拟过程中设定微孔的形状分别为方形和圆形,两种孔形的微通道阵列周期相同,均为10 μm。模拟结果显示:方形微孔的闪烁光子数优于圆形微孔,闪烁光子数正比于微孔横截面积;闪烁屏厚度小于400 μm时,方形微孔的底光输出优于圆形微孔,厚度大于400 μm时,圆形微孔的底光输出优于方形微孔;圆形微孔的传输效率优于方形微孔;厚度为40和200 μm的方形微孔闪烁屏空间分辨率优于相同厚度的圆形微孔闪烁屏。制备了方形微孔的CsI:Tl闪烁屏样品,测量了其MTF与空间分辨率的关系,当MTF为0.1时,空间分辨率为22.6 lp/mm。
高功率微波技术
电磁场B样条间断有限元方法
华沁怡, 李林, 齐红新
, doi: 10.11884/HPLPB202436.240076
摘要:
在计算电磁学领域,时域间断有限元算法(DGTD)一般基于模型空间的不规则网格划分和单元上高阶多项式插值计算。同样的插值阶数,两维空间四边形网格划分比三角形网格划分具有更少的自由度和更高的计算效率。然而,传统基于等参变换和多项式张量积插值的基函数空间在四边形单元上仅具有低阶完备性,且稳定性和精度受网格畸变影响较大。为此,本文提出了一种基于不规则四边形网格的高阶B样条插值DGTD方法,用于Maxwell方程的求解。文章采用的B样条基不仅具有高阶多项式空间的插值完备性,而且完全消除了单元内部自由度。此外,Maxwell方程离散系统的各系数矩阵还具有精确的解析形式。使用该方法分析腔体的本征模和楔形体的电磁散射,结果表明,相较于COMSOL软件最大允许时间步长提高2.5倍,计算所需未知量减少25%,证实了本文算法的高稳定性和高精度特点。
聚合物真空绝缘子表面二级微结构
霍艳坤, 刘文元, 何亚姣, 柯昌凤, 蔡利兵, 白现臣, 程军
, doi: 10.11884/HPLPB202436.230423
摘要:
为研究绝缘子表面二级微结构的耐压提升机制,将表面二级微结构拆分为两种子结构,也即是表面微孔结构与表面微槽结构,并通过复合材料制备、激光处理、酸液选择性腐蚀等方式制备出表面二级微结构与相应的两种子结构。对三种结构分别进行沿面耐压性能测试,结果表明表面微孔与表面微槽均能有效地提升绝缘子的真空沿面耐压性能,而二者组合形成的表面二级微结构能够进一步提升绝缘子的真空沿面耐压性能。该结果表明通过将表面结构进行合理的组合能够实现对绝缘子表面闪络发展的多重、协同抑制,进一步提升绝缘子的真空沿面耐压水平。
高功率高效率开口波导阵列天线设计与实验
魏溢宏, 李相强, 苏奕宇, 张健穹, 王庆峰
, doi: 10.11884/HPLPB202436.230421
摘要:
针对研究具有高功率容量、高效率和低剖面特性的阵列天线的应用需求,提出并设计了一种高功率容量高效率开口波导阵列天线。该天线由紧凑型1分16路波导功率分配网络、4×4矩形开口波导单元和陶瓷密封罩组成,通过设计开口波导尺寸、在开口波导表面加载E面金属栅条,使得辐射口面的电场分布更为均匀,提高了单元辐射增益。采用阶梯匹配结构实现了波导功率分配网络输出端口到开口波导单元口面的尺寸变换,同时提高了系统的阻抗带宽。加载在阵面上的陶瓷罩可使天线内部处于真空状态,提高了天线的功率容量。针对X波段高功率阵列天线的应用需求,优化设计了一个中心频率为9.5 GHz的16单元开口波导阵列,仿真结果表明其在9.25~9.65 GHz范围内口径效率均大于90%,反射系数均小于-13.9 dB。对天线进行了加工测试,测试得到的天线反射曲线和中心频率下的辐射方向图与仿真结果吻合良好,中心频率下天线增益为21.7 dBi。天线整体剖面高度为中心频率处波长的2倍,仿真得到的真空中功率容量为40 MW,具有高功率容量、高效率和低剖面的特点。
高功率小型化波导E面异频功率合成器的设计
苏奕宇, 李相强, 魏溢宏, 张健穹, 王庆峰
, doi: 10.11884/HPLPB202436.230433
摘要:
为了满足典型应用场景对高功率异频功率合成器提出的输入输出同向及结构紧凑的需求,提出并设计了一种工作在9.3 GHz和9.7 GHz频率的高功率小型化波导E面异频功率合成器。基于滤波器结构异频功率合成器的原理,通过采用过模矩形波导E面合成的形式,使两个波导滤波器相互平行,两个输入端口相互平齐,以满足特定应用场景的需求。同时,通过减小合成环节的矩形波导尺寸对合成过程中产生的高次模进行抑制,并按照半个波导波长的整数倍减小波导滤波器模片间距,在保证具有高功率容量的前提下缩短了滤波器长度。设计的异频功率合成器整体长度为9.2 λ,宽度为1.5 λ,高度为2.8 λ(λ为9.5 GHz所对应的自由空间波长)。仿真结果表明,该合成器在9.3 GHz和9.7 GHz频率下的回波损耗均大于20 dB,合成效率大于98%,输入端口之间的隔离度大于20 dB,在80 MV/m微波脉冲击穿阈值下,功率容量为310 MW。
超宽带薄型频率选择表面吸波体设计
李希, 王东俊, 张袁, 赵翔, 闫丽萍
, doi: 10.11884/HPLPB202436.230443
摘要:
设计了一种新型集总电阻加载超宽带薄型频率选择表面(FSS)吸波体。该吸波体使用单层单谐振FSS损耗层结构,具有厚度薄、宽带吸波且极化稳定的特点。FSS损耗层单元结构采用非单元中心对称轴集总电阻加载方法,并结合非均匀金属导带宽度和圆顶枝节加载设计有效拓宽了吸波带宽。该吸波体的等效电路分析及全波仿真结果均表明该结构在6.0~26.77 GHz频段内对电磁波吸波率能够达到90%,相对带宽达到126.8%。该吸波体总厚度为0.086λLλL为吸波频段最低频率对应波长),仅为Rozanov理论极限厚度的1.09倍。对该吸波体进行加工与测试,实测结果与仿真结果一致,验证了设计的有效性。
高电压绝缘与放电
辅助放电针对气体间隙直流自击穿特性的影响
石凌, 谢霖燊, 郭帆, 贾伟, 王海洋, 陈志强, 程乐, 王艺, 吴刚, 肖晶, 梅锴盛, 王戈飞, 花见涛
, doi: 10.11884/HPLPB202436.230371
摘要:
为降低气体放电间隙直流条件下自击穿电压分散性,尽可能不影响其自击穿电压,基于环形电极放电间隙,设计了一种在阴极中心植入辅助放电针的辅助放电电极结构。通过电场仿真,研究了辅助放电针直径、长度和顶部倒角对放电间隙场畸变的影响。实验研究了放电间隙无辅助放电针和植入辅助放电针后,其在干燥空气和SF6气体中的直流自击穿特性。结果表明:辅助放电针直径越小、长度越长,电极环对其电场屏蔽作用越弱,放电间隙场畸变强度越大;辅助放电针对SF6气体放电间隙直流自击穿电压值影响较小,随着场畸变系数的增大,同一气压下干燥空气自击穿电压下降百分数为SF6气体的2~3倍;辅助放电针对直流条件下干燥空气和SF6气体放电间隙自击穿稳定性具有有益作用,分散性减小百分数较无辅助放电针结构均提高约25%。
高功率微波与强电磁脉冲
高空电磁脉冲晚期环境下电力系统效应研究进展
刘彤宇, 李丽, 王亚楠, 田逸涵, 赵禹洋, 王奕欢, 何雨桁, 孟维, 蔡玲珑, 马志钦, 李兴文, 丁卫东
, doi: 10.11884/HPLPB202436.240042
摘要:
高空电磁脉冲作为一种广域电磁攻击手段,能对电力设备造成较大冲击,甚至造成电力基础设施瘫痪,严重威胁新型电力系统安全。本文主要聚焦国内外高空电磁脉冲晚期环境下电力系统效应研究进展。首先,分析了高空电磁脉冲晚期环境下地磁扰动产生机理及感应地电场计算方法,建立了极端地磁感应电流的计算模型。其次,归纳了极端地磁感应电流注入情况下电力变压器、互感器、断路器等典型易损设备效应特征与机理。进一步地,分析了高空电磁脉冲晚期环境极下端地磁感应电流模拟注入装置和效应试验方法,总结了美国国防威胁降低局、美国电力研究院项目等相关试验和电力系统效应仿真与评估研究。最后,从高空电磁脉冲晚期环境效应机理、典型设备效应特征、模拟效应试验和系统级效应评估等层面总结了现有研究结论,梳理了下一步发展方向。
粒子束及加速器技术
强流脉冲束流位置探测器标定技术
李勤, 张肇驿, 蒋薇, 刘云龙, 王永伟, 龙全红
, doi: 10.11884/HPLPB202436.240034
摘要:
电子直线感应加速器性能提升对束流探测器提出了高精度测量要求,由此不仅要求高精度的探测器设计装配技术,而且也要求探测器的准确标定。从强流脉冲束流位置探测器测量原理出发,从理论和实验两方面开展强流脉冲束流位置探测器标定技术研究。在理论上采用解析方法,分析了不同的计算处理方法和标定方法的标定效果,提出了特征平面标定,在建立的位置标定系统上,对用于多脉冲电子直线感应加速器的No.23电阻环进行了标定实验研究,实验结果验证了理论分析结果,根据理论和实验研究结果,确定了强流脉冲束流位置探测器标定方法。
1.3 GHz 9-cell高性能超导腔高阶模耦合器电磁及热分析研究
王子晗, 潘卫民, 米正辉, 翟纪元, 贺斐思, 沙鹏, 王光伟, 刘铭
, doi: 10.11884/HPLPB202436.230425
摘要:
中国科学院高能物理研究所于2023年6月完成了高品质因数1.3 GHz超导加速模组研发,在国际上率先实现了中温退火高品质因数超导腔模组技术路线。模组中集成了八只经过中温退火工艺处理的1.3 GHz 9-cell超导腔,在模组的测试过程中超导腔的高阶模耦合器温升异常,导致超导腔无法在高梯度下稳定工作。本文通过HFSS软件和CST软件中的微波仿真模块对高阶模耦合器进行电磁分析,再通过理论和ansysworkbench软件对高阶模耦合器进行热仿真分析,并结合模组的高功率实验,找到了超导腔性能异常的原因,并对超导腔高阶模耦合器的冷却方式进行了进一步的优化,解决了模组中超导腔高梯度下的不稳定性。
荧光靶历史图像数据存储系统设计与实现
吴汉楠, 岳敏, 马涛, 张玮, 张洁
, doi: 10.11884/HPLPB202436.230413
摘要:
针对兰州重离子研究装置(HHIRFL)荧光靶历史图像数据存储系统所产生的数据不断递增和历史数据检索速度慢的问题,构建了基于MongoDB数据库的荧光靶历史图像数据存储系统。为了能够保存和观测分析荧光靶束流图像,搭建了基于EPICS的历史数据归档系统获取荧光靶图像过程变量(PV)数据,用MongoDB数据库分片技术对所得数据进行存储,通过Django框架完成图像的转化和Web页面的实现,并在系统中应用了图像分类算法,提高了数据读写的速率。该系统在HIRFL上可以稳定获取、存储、观测荧光靶束流历史图像,为束流分析、调束工作提供了便利。
连续激光载波同步系统的慢漂抑制
贾燕庆, 杜应超, 黄文会
, doi: 10.11884/HPLPB202436.230353
摘要:
高精度同步系统是加速器产生高品质束流的关键因素之一,基于清华大学已有的连续激光载波同步系统,对不同接收端之间参考微波信号相位差的长时漂移,即同步系统慢漂进行了研究,提出了一种基于接收端参考微波信号幅值的EOM偏置电压控制方法抑制慢漂。采用该方法后,清华大学甚高频光阴极电子枪测试平台L波段(1 300 MHz)同步系统慢漂被抑制到10.45 fs@24 h,清华大学汤姆逊散射装置(TTX)S波段(2 856 MHz)同步系统慢漂被抑制到10.53 fs@24 h,并且该方法可以使整套同步系统工作于室温环境,有效的提高了同步系统对工作环境温度的适应性。
脉冲功率技术
稠密等离子体焦点二维模拟研究
欧海彬, 段书超, 王刚华, 肖金水, 何佳龙, 谢龙, 肖波, 阚明先
, doi: 10.11884/HPLPB202436.240001
摘要:
为了探究稠密等离子体焦点装置内等离子体层的运动规律以及相关设计参数的影响,利用自主开发的FOI程序对Mather型放电室结构下的等离子体层加速过程、焦点形成过程进行二维磁流体力学仿真,得到了与美国Livermore国家实验室可见光实验图像相似的结果。同时,研究了装置的不同充气气压、电流幅值、阳极半径和阴阳极间隙对等离子体层轴向加速过程和箍缩效果的影响。计算结果表明,等离子体层会以一定的弧度沿径向压缩气体,这是引起腊肠不稳定现象的原因之一;等离子体层的轴向运动速度与装置充气压力的平方根成反比,与施加的电流成正比,与装置的阳极半径成反比;增大电流的同时需要延长装置阳极的长度,使箍缩发生在电流达到峰值的时刻;阴阳极间隙的大小对等阳极附近离子体层的轴向运动过程影响不大。
基于PFN-Marx技术的紧凑型重频脉冲功率源
伍友成, 冯传均, 付佳斌, 戴文峰, 曹龙博
, doi: 10.11884/HPLPB202436.230354
摘要:
本文针对低磁场相对论磁控管高功率微波器件实验驱动需求,对基于脉冲形成网络(PFN)储能的高功率脉冲产生技术进行了研究。为了使其结构紧凑且具有较好的输出脉冲波形,设计了半环形PFN脉冲形成单元,两个半环形带状PFN与一体化开关、绝缘盘组成圆环形高压脉冲产生模块。PFN脉冲形成单元由13个陶瓷电容与半环形金属电极板构成,多个高压脉冲产生模块同轴层叠,所有开关导通后各模块PFN串联放电,产生快前沿高功率方波脉冲,再通过对触发开关和充电电源的同步控制实现重频工作。采用电磁仿真软件对PFN物理结构进行优化设计,研制的高压脉冲产生模块充电51 kV在负载8.5 Ω上输出电压峰值49.6 kV、脉冲半高宽108 ns、脉冲前沿14 ns、平顶(90%~90%)74 ns,具有较好的方波特性;11个高压脉冲产生模块层叠集成为1个22级紧凑PFN-Marx装置,在充电51 kV的条件下,84 Ω负载上获得峰值516 kV的高电压脉冲输出,半高宽104 ns、平顶63 ns、脉冲前沿11 ns,实现了20 Hz连续15 s重频稳定工作,输出波形完全一致。
亚纳秒重频脉冲信号源设计与实验
冯传均, 戴文峰, 徐乐, 王传伟, 付佳斌
, doi: 10.11884/HPLPB202436.240022
摘要:
亚纳秒前沿、数百伏幅度、近似高斯单周波的重频窄脉冲信号源在超宽带探测、电磁兼容测试等领域有着十分广泛的应用。设计了一种全固态Marx电路结构型重频脉冲信号源,选用云母电容、雪崩三极管、贴片电阻、电感等元器件,根据信号输出要求优化印制电路板(PCB)布局及微带线结构,调整匹配电路元件参数,在50 Ω电阻负载上获得了脉冲峰值约1 kV、脉宽约650 ps、前沿约450 ps、后沿约700 ps的单极性负脉冲信号,脉冲波形前后沿相似且光滑陡峭,实现了10 kHz重频输出,波形峰值抖动和半高宽抖动均小于10%。
Ricker脉冲功率合成方法及辐射效率
谢继杨, 蒋正, 魏召唤, 杨宏春
, doi: 10.11884/HPLPB202436.230285
摘要:
针对时域天线辐射效率低的问题,对Ricker脉冲展开了研究。首先指出Ricker脉冲具有较高的中心频率,对提高天线的辐射效率大有裨益。然后从时延量精确控制出发,阐述了产生Ricker脉冲的功率合成方法。设计了一款单极脉冲源并采用锐化电容法优化了其下降沿,并以该单级脉冲源为基础,设计了一款峰峰值为5.1 kV,主峰半峰值脉宽为350 ps的Ricker脉冲源,其中心频率为0.5 GHz。为了验证以上分析的正确性,针对全金属的时域天线,提出了一种计算辐射效率的简便方法,并利用设计的Ricker脉冲和具有相同脉宽的单极脉冲来激励相同的天线。结果表明,单极脉冲的幅度辐射效率只有60%左右,而Ricker脉冲可以达到80%以上;单极脉冲的功率辐射效率不到40%,而Ricker脉冲则可以提高到60%以上。推导出合成高阶高斯脉冲最优延时的理论公式,提出了一种计算全金属类天线时域辐射效率的简便方法。利用Ricker脉冲做为激励信号,大幅提升了天线的辐射效率,大大减小了发射系统被反射功率损坏的风险,同时对天线小型化有着重要意义,在诸如探地雷达、高功率微波源等时域应用中具有广泛的应用前景。
脉冲驱动等离子体射流中活性粒子空间分布规律
包涵春, 关银霞, 王世强, 唐诗雅, 李超, 郭亚逢
, doi: 10.11884/HPLPB202436.230422
摘要:
为探究大气压脉冲驱动等离子体射流中活性粒子空间分布特性,采用同轴双环等离子体射流反应器,在外施脉冲激励驱动下,研究各活性粒子在不同电离段的特征峰相对强度沿轴向空间的变化规律。结果表明:在脉冲激励等离子体射流所有测量点位均能检测到NO、OH、N2、N2+、He等活性粒子特征峰,其中以OH、N2、N2+粒子所对应的发射光谱谱带及特征峰较为显著;在高压电极和接地电极之间的电场驱动电离段,活性粒子NO、OH、N2活性粒子的特征峰相对强度在靠近高压电极和接地电极区域较高,而在在两电极中间的区域相对强度较低,不同激发能级He、N2+特征峰相对强度沿气流方向逐渐降低;在接地电极至反应器管口的半开放离子激发段,活性粒子NO、OH以及不同能级N2、N2+、He特征峰的相对强度轴向分布呈现出随着气流方向逐渐降低的趋势;在反应器管口至等离子体射流末端区域的开放离子激发段,活性粒子OH、NO与不同能级He特征峰的相对强度轴向分布随气体流动方向逐渐减弱,不同能级N2、N2+特征峰的相对强度呈现出先增后减的规律,为脉冲驱动等离子体射流能量传递过程与反应机理的深入研究提供支撑。
小型闪光X射线机的研究进展综述
胡汉鹏, 黄亚琪, 张珍铭, 张修路, 袁长迎
, doi: 10.11884/HPLPB202436.240020
摘要:
闪光X射线照相常用来拍摄高速运动物体的内部结构与流体动力学行为,也逐渐拓展到工业探伤、精密系统状态检测等领域。概述了小型闪光X射线机的研究历程与进展,包括Marx发生器、脉冲形成线、快脉冲直线型变压器、高压变压器4种主要技术路线与开关、X射线二极管2种关键元器件,讨论了小型闪光X射线照相系统的研究现状,探究了国外成熟的商业小型X光机与国内商业产品的不足,分析了小型闪光X光机将来的发展趋势,为小型闪光X射线机的研发和商业普及探索提供参考。
一种角向传输线B-dot标定平台的设计
张信军, 罗维熙, 呼义翔, 尹佳辉, 周文渊
, doi: 10.11884/HPLPB202436.230341
摘要:
基于感应电压叠加器感应腔角向传输线电流探头离线标定的需求,设计了离线标定平台。离线标定平台为平板传输线结构,与在线标定相比,对标定信号的畸变更低。分析了跨平台标定误差的来源,并针对性提出降低误差的措施。分析表明,安装偏心与探头纵向安装深度是跨平台标定误差的最大来源,需要在工程设计中重点关注。实际建立了离线标定平台并开展误差分析,得到跨平台标定误差3.3%的结果。
高精度固态调制器绝缘栅双极晶体管驱动电路研制
石秀倩, 何大勇, 李飞, 甘楠, 牟雅洁, 李京祎
, doi: 10.11884/HPLPB202436.240031
摘要:
加法器式固态调制器是一种使用绝缘栅双极晶体管(IGBT)控制储能电容放电来产生脉冲高压的装置,相比传输线型调制器,具有模块化、稳定性好、寿命长等优势。但IGBT的正常工作需要利用栅极驱动电路将控制信号进行放大才能实现,驱动电路的性能直接影响IGBT的开关特性,最终影响脉冲电压质量,尤其是驱动电路的导通抖动指标,这是影响脉冲电压精度的关键因素之一。根据加法器式固态调制器中IGBT的工作特性,以提高脉冲电压精度为目标,对驱动电路进行研究。分析了开关抖动对输出电压精度的影响,介绍了设计原理,研制了驱动电路板,并利用放电模块对其工作性能进行了实验测试。测试结果表明,该款驱动电路的导通抖动为300 ps,相比1 ns的商用驱动电路抖动压缩至1/3,在1 kV充电电压下,放电模块在0.5 Ω的负载上放电,形成上升时间为500 ns、导通抖动峰峰值在5 ns以下的脉冲电压,当发生退饱和故障时,驱动电路能够在4 µs时间内关断IGBT,该款驱动电路满足高精度固态调制器的工作要求。
高频纳秒脉冲调制器的分立磁耦合驱动器设计
陈磊, 李国超, 张戈, 朱才会, 邱剑, 赵晖, 刘克富
, doi: 10.11884/HPLPB202436.230306
摘要:
随着高压纳秒固态脉冲发生器在生物、工业和环境等领域的应用日益广泛和深入,脉冲波形、电压幅值、脉冲持续时间、脉冲重复频率等参数已成为特定脉冲功率应用所需的基本可控变量。为了进一步减小电源的体积、降低成本,提出一款以正极性Marx为主电路,多个脉冲变压器为核心驱动器,具有纳秒级前沿高重复频率的高压纳秒脉冲调制器。提出的驱动器结构紧凑,无需提供多路隔离供电的驱动电源,可以在高重复频率下实现两个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFETs)的栅极电压快速同步上升和下降,获得百纳秒以内、幅值可控的栅极驱动电压。不仅最大脉宽不受磁芯饱和的限制,而且负偏置电压使开关管可控关断,同时一定程度上避免了电流流过MOSFET米勒电容而引起的寄生导通,提高了电路工作的可靠性。此外,研究了不同匝数和磁芯材料对驱动波形的影响。搭建了一台14级脉冲调制器样机,测试结果表明,基于该驱动器下的调制器输出电压和脉宽都连续可调,具有改变脉冲轮廓的能力,最大输出电压可达5.5 kV,宽度100 ns~50 ms,最小上升时间约18 ns,连续重复频率100 kHz。
基于LC串联谐振的高压恒流充电电源设计
江进波, 徐林, 罗正, 杨文, 唐铭, 姚延东, 陈锐
, doi: 10.11884/HPLPB202436.230295
摘要:
LC串联谐振式高压恒流充电电源能够实现电容器的高效快速充电,且具有较好的抗负载短路能力,在高重频脉冲功率系统中具有广阔的应用前景。充电电源的效率是决定系统重频运行能力的重要因素,提高效率是目前高压电容器充电电源设计的首要目标。根据LC串联谐振电路的工作原理,分析可知电源工作模式、逆变桥的开关频率以及高频变压器的分布参数是影响LC串联谐振电源效率的主要因素。针对功率为10 kW、输出电压为40 kV的直流电源,计算主电路参数并利用Pspice建立了电路模型验证其准确性,采用软开关技术减小开关损耗,设计了分布参数较小的高频变压器进一步提高效率,并在此基础上完成了电源整体结构设计。最后测试了电源的充电特性,结果表明该电源可将0.1 µF电容器在37 ms内充电至39.5 kV,其充电效率为87.1%。
脉冲放电破岩等离子体通道长度预测方法
刘毅, 廖洪彬, 程晋, 李柳霞, 林福昌, 赵勇
, doi: 10.11884/HPLPB202436.230432
摘要:
针对高压脉冲放电破岩电弧等离子体通道长度难以预测的问题,构建了高压脉冲放电破岩综合试验平台,测量了花岗岩-自来水组合介质下电弧等离子体通道发展特性及典型电流、电压参数,提取了不同电极间距和脉冲放电次数下岩石表面形成的破碎区域。基于能量平衡方程建立了岩石中电弧等离子体通道的阻抗模型,采用迭代优化算法获取阻抗模型参数的近似最优解,模型计算结果与试验结果的相对误差小于7%。基于优化参数,利用实测电流电压数据预测了等离子体通道的长度。模型预测的等离子体通道长度与实测值的绝对误差均处于毫米量级,且两者的相对误差小于10%,为高压脉冲放电破岩系统电源-电极负载的匹配设计提供了理论支撑。
强激光物理与技术
大规模激光相干合成主动相位控制技术研究进展
周宏冰, 张昊宇, 李敏, 冯曦, 谢亮华, 刘玙, 楚秋慧, 闫玥芳, 陶汝茂, 林宏奂, 王建军, 颜立新, 景峰
, doi: 10.11884/HPLPB202436.230426
摘要:
大规模激光相干合成是突破单口径激光特性极限、获得超高峰值/平均功率、超大脉冲能量、超高空/谱亮度等极端特性激光的有效技术路径之一,而大规模激光相干合成的关键是主动相位控制。主动相位控制技术可以对各路光束相位进行主动控制,补偿相位噪声引起的相干特性退化、合成效率下降,获得高品质的合成激光。自相干合成技术提出以来,研究人员开发了多种主动相位控制方法用于相干合成相位校正,其中适用于大规模激光相干合成的主动相位控制方法也得到了飞速发展。系统梳理了大规模激光相干合成的主动相位控制方法,深入分析了不同方法的原理、特点、适用场景和扩展能力,介绍了不同方法取得的相干合成研究最新进展及标志性成果,首次报道了19通道闭环上升时间仅6 μs的相干合成锁相控制突破性结果,最后总结和展望了主动相位控制方法的发展趋势。
用于激光照明的荧光粉@SiO2气凝胶复合发光材料的制备与发光性能研究
冯杰, 高燕, 朱家艺, 毕于铁, 任洪波
, doi: 10.11884/HPLPB202436.240010
摘要:
通过溶胶-凝胶法成功制备了Tb3Al5O12 (TAG) 荧光粉。热分析数据证实,增加H3BO3摩尔比会导致最终相的转变温度降低。同时,通过扫描电镜观察到,H3BO3摩尔比的提高会导致荧光粉颗粒尺寸增大。在激发波长为275 nm的条件下,发射光谱在480~650 nm范围内出现了由Tb3+的5d→4f跃迁产生的多个发射峰。然后通过物理掺杂和超临界干燥工艺成功制备了荧光粉@SiO2气凝胶复合发光材料。与荧光粉相比,荧光粉@SiO2气凝胶复合发光材料的内量子产率显著增加,可达63.64%。采用波长为355 nm的激光源激发荧光粉@SiO2气凝胶复合发光材料,可实现长距离无导线方式发光,并具有良好均匀性。以上结果证明了荧光粉@SiO2气凝胶复合发光材料在激光应急照明领域具有潜在的应用前景。
深度学习在波前重构与波前预测中的研究进展
邱从攀, 刘国栋, 张大勇, 胡流森
, doi: 10.11884/HPLPB202436.230430
摘要:
深度学习技术与自适应光学技术的结合,预期能够有效提升波前校正效果,并能更好地应对更复杂的环境条件。详细梳理了在波前重构技术和波前预测技术方向上应用深度学习的研究进展,包括研究者在这两个研究方向中所采用的具体研究方法以及相应的神经网络结构设计,同时分析了这些神经网络在不同实际应用场景下的性能表现,并对不同神经网络结构之间的差异进行了比较和讨论,探究了结构差异所带来的具体影响。最后,总结了深度学习在这两个方向上的已有方法,并就未来深度学习与自适应光学技术如何深度融合的发展趋势进行了展望。
核科学与工程
基于多孔介质方法的钠冷快堆冷却剂沸腾现象模拟
惠天宇, 佟立丽, 曹学武
, doi: 10.11884/HPLPB202436.230408
摘要:
基于两流体六方程模型针对钠的气液两相分别构建守恒方程,采用蒸发冷凝模型表征两相质量交换,分别使用显式和隐式处理方法对蒸发冷凝模型进行计算,同时考虑了Sobolev阻力模型、两相对流换热模型以及相间动量交换等本构关系,开发了适用于模拟钠冷快堆冷却剂沸腾的多孔介质分析方法,利用KNS-37失流实验L22工况数据进行了对比验证,并利用L29工况流量数据验证模型的适用性。结果表明,所建立的钠沸腾多孔介质分析方法可以对钠冷快堆沸腾现象较好地模拟,预测沸腾发生时间在6.3 s左右,与实验相差0.2 s,温度和流量的总体变化趋势与实验数据吻合较好。
MORPHY程序在铅冷快堆中的应用
李金洲, 张滕飞, 何东豪, 潘清泉, 刘晓晶
, doi: 10.11884/HPLPB202436.230357
摘要:
铅冷快堆在燃料增殖和核废料处理方面的优势明显,针对欧洲铅冷系统(ELSY),基于“两步法”,使用蒙特卡罗软件产生少群组件参数,经过截面修正后,传递给确定论程序MORPHY进行堆芯计算。分析截面修正处理、角度展开阶数对计算精度的影响,量化比较ELSY堆芯的有效增殖因数、归一化通量水平以及控制棒组的控制棒价值。对于不同算例,采用输运修正和中子倍增效应修正,堆芯计算采用S4阶展开条件下,有效增殖因数偏差最大为38×10−5,控制棒价值计算偏差在45×10−5之内,归一化中子通量密度最大绝对偏差为9.73%,平均绝对偏差在2%以内,初步验证MORPHY程序在铅冷快堆物理分析中具备可行性。