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2024, 36: 094004.
doi: 10.11884/HPLPB202436.240023
2024, 36: 095001.
doi: 10.11884/HPLPB202436.240120
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doi: 10.11884/HPLPB202436.240134
摘要:
设计了一种140 GHz折叠波导行波管电子光学系统，利用三维粒子仿真软件Opera-3D对考虑热初速效应的圆形电子注在周期永磁聚焦系统内传输状态进行了仿真分析，并对磁场过渡区进行了优化设计，改善电子注与磁场的匹配效果。经计算，该电子光学系统阴极发射电流60 mA，阴极电压20 kV，流通率99.9%。样管测试结果显示，电子枪参数与设计结果相符合，实测流通率达到97.2%，行波管实现连续波稳定工作。
设计了一种140 GHz折叠波导行波管电子光学系统，利用三维粒子仿真软件Opera-3D对考虑热初速效应的圆形电子注在周期永磁聚焦系统内传输状态进行了仿真分析，并对磁场过渡区进行了优化设计，改善电子注与磁场的匹配效果。经计算，该电子光学系统阴极发射电流60 mA，阴极电压20 kV，流通率99.9%。样管测试结果显示，电子枪参数与设计结果相符合，实测流通率达到97.2%，行波管实现连续波稳定工作。
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doi: 10.11884/HPLPB202436.240198
摘要:
功分网络用于将HPM分成若干路后馈入移相器、单元天线等，其中过模圆波导到多路矩形波导功分器同时具有模式转换和功率分配功能，需具备高功率容量、高传输效率、低反射等特性。针对Ku波段GW级过模圆波导到8路矩形波导功分器，开展了设计、仿真、研制和小信号测试，建立了功率容量测试平台，对其功率容量进行了考核。小信号测试结果表明，该1分8路功分器，在14.7 GHz±200 MHz范围内，反射系数小于−20 dB，传输系数−9.1 dB左右，端口不平衡度小于0.4 dB；功率容量考核实验表明，该功分器功率容量超过900 MW。
功分网络用于将HPM分成若干路后馈入移相器、单元天线等，其中过模圆波导到多路矩形波导功分器同时具有模式转换和功率分配功能，需具备高功率容量、高传输效率、低反射等特性。针对Ku波段GW级过模圆波导到8路矩形波导功分器，开展了设计、仿真、研制和小信号测试，建立了功率容量测试平台，对其功率容量进行了考核。小信号测试结果表明，该1分8路功分器，在14.7 GHz±200 MHz范围内，反射系数小于−20 dB，传输系数−9.1 dB左右，端口不平衡度小于0.4 dB；功率容量考核实验表明，该功分器功率容量超过900 MW。
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doi: 10.11884/HPLPB202436.240217
摘要:
高斯噪声是闪光图像中的主要噪声，将在密度反演等后续处理中被放大，严重影响密度重建及客体边界提取结果，因此消高斯噪声是闪光图像消噪研究的重点内容。针对闪光照相图像噪声及照相客体轴旋转对称的特点，研究了基于BM3D（Block Matching 3D，BM3D）的闪光照相图像消噪算法，针对闪光照相图像中难以获得更高质量相似块的缺陷，在不破坏噪声独立性的情况下，通过对含噪退化图像进行旋转与镜像操作，增加了提供相似块的图像来源。同时，通过引入图像块的灰度变换，降低了原有相似性要求中的灰度值要求，提高了形状相似的要求，增加了获得高质量相似块的能力。图像的消噪结果表明，由于相似块的质量得到保证，用于闪光图像消噪的改进BM3D方法取得了更好的消噪效果。
高斯噪声是闪光图像中的主要噪声，将在密度反演等后续处理中被放大，严重影响密度重建及客体边界提取结果，因此消高斯噪声是闪光图像消噪研究的重点内容。针对闪光照相图像噪声及照相客体轴旋转对称的特点，研究了基于BM3D（Block Matching 3D，BM3D）的闪光照相图像消噪算法，针对闪光照相图像中难以获得更高质量相似块的缺陷，在不破坏噪声独立性的情况下，通过对含噪退化图像进行旋转与镜像操作，增加了提供相似块的图像来源。同时，通过引入图像块的灰度变换，降低了原有相似性要求中的灰度值要求，提高了形状相似的要求，增加了获得高质量相似块的能力。图像的消噪结果表明，由于相似块的质量得到保证，用于闪光图像消噪的改进BM3D方法取得了更好的消噪效果。
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doi: 10.11884/HPLPB202436.240095
摘要:
闪光放疗使用超高剂量率在毫秒时间内将剂量全部注入靶区，其超高剂量率使现有的在线剂量计基本失效，目前通常使用辐射显色胶片来测量剂量。基于中国工程物理研究院应用电子学研究所研制的电子加速器搭建了电子FLASH放疗平台，基于EBT3胶片的快速读出方法，研究了此平台的剂量率范围及剂量分布。实验结果表明，EBT3胶片的快速读出方法可用于电子FLASH放疗的剂量测量，在源皮距100 cm及深度1 cm处剂量率在240～290 Gy/s之间；电子束到达模体表面的平均能量的波动会导致靶区约±5%的剂量波动；面剂量分布满足平坦性在±5%以内和对称性在±3%以内的要求。
闪光放疗使用超高剂量率在毫秒时间内将剂量全部注入靶区，其超高剂量率使现有的在线剂量计基本失效，目前通常使用辐射显色胶片来测量剂量。基于中国工程物理研究院应用电子学研究所研制的电子加速器搭建了电子FLASH放疗平台，基于EBT3胶片的快速读出方法，研究了此平台的剂量率范围及剂量分布。实验结果表明，EBT3胶片的快速读出方法可用于电子FLASH放疗的剂量测量，在源皮距100 cm及深度1 cm处剂量率在240～290 Gy/s之间；电子束到达模体表面的平均能量的波动会导致靶区约±5%的剂量波动；面剂量分布满足平坦性在±5%以内和对称性在±3%以内的要求。
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doi: 10.11884/HPLPB202436.240213
摘要:
磁开关具有高功率、高重频、高稳定、长寿命等特点，在脉冲功率领域得到了重要应用。首先，介绍了磁开关技术的发展现状。然后，建立了一种磁开关场路协同仿真模型，分析了不同脉冲宽度下磁开关的磁场扩散及饱和动态特性、层间绝缘特性和损耗特性等；研究了磁芯几何结构对磁开关动态特性的影响。最后，阐述了磁开关技术在固态化高功率脉冲驱动源的应用，以及两路脉冲源合成时磁开关的同步技术。
磁开关具有高功率、高重频、高稳定、长寿命等特点，在脉冲功率领域得到了重要应用。首先，介绍了磁开关技术的发展现状。然后，建立了一种磁开关场路协同仿真模型，分析了不同脉冲宽度下磁开关的磁场扩散及饱和动态特性、层间绝缘特性和损耗特性等；研究了磁芯几何结构对磁开关动态特性的影响。最后，阐述了磁开关技术在固态化高功率脉冲驱动源的应用，以及两路脉冲源合成时磁开关的同步技术。
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doi: 10.11884/HPLPB202436.240163
摘要:
战斗力指数的定量化研究是军队实现信息化建设必须解决的难题。针对战斗力指数研究存在定量研究较少、方法精度较低、鲁棒性不强等问题，以及战斗力指数函数本身为复杂规则主导、多变量数学模型、影响因素强耦合等难以拟合的限制，受模糊逻辑理论中对规则的数学分析方法启发，提出了一种基于局部逼近的战斗力指数函数拟合方法，并结合神经网络强大的自学习和自推导能力，构建了相应的基于径向基神经网络(RBF)的定量计算模型。仿真对比实验表明，该方法比利用全局逼近的方法误差率低约2%和6%，且表现出更强的鲁棒性。该计算方法具有较强的实用性，而且具备向其他军事领域迁移的可能性，具备良好的工程应用前景。
战斗力指数的定量化研究是军队实现信息化建设必须解决的难题。针对战斗力指数研究存在定量研究较少、方法精度较低、鲁棒性不强等问题，以及战斗力指数函数本身为复杂规则主导、多变量数学模型、影响因素强耦合等难以拟合的限制，受模糊逻辑理论中对规则的数学分析方法启发，提出了一种基于局部逼近的战斗力指数函数拟合方法，并结合神经网络强大的自学习和自推导能力，构建了相应的基于径向基神经网络(RBF)的定量计算模型。仿真对比实验表明，该方法比利用全局逼近的方法误差率低约2%和6%，且表现出更强的鲁棒性。该计算方法具有较强的实用性，而且具备向其他军事领域迁移的可能性，具备良好的工程应用前景。
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doi: 10.11884/HPLPB202436.240231
摘要:
The electrostatic discharge (ESD) protection circuit widely exists in the input and output ports of CMOS digital circuits, and fast rising time electromagnetic pulse (FREMP) coupled into the device not only interacts with the CMOS circuit, but also acts on the protection circuit. This paper establishes a model of on-chip CMOS electrostatic discharge protection circuit and selects square pulse as the FREMP signals. Based on multiple physical parameter models, it depicts the distribution of the lattice temperature, current density, and electric field intensity inside the device. At the same time, this paper explores the changes of the internal devices in the circuit under the injection of fast rising time electromagnetic pulse and describes the relationship between the damage amplitude threshold and the pulse width. The results show that the ESD protection circuit has potential damage risk, and the injection of FREMP leads to irreversible heat loss inside the circuit. In addition, pulse signals with different attributes will change the damage threshold of the circuit. These results provide an important reference for further evaluation of the influence of electromagnetic environment on the chip, which is helpful to carry out the reliability enhancement research of ESD protection circuit.
The electrostatic discharge (ESD) protection circuit widely exists in the input and output ports of CMOS digital circuits, and fast rising time electromagnetic pulse (FREMP) coupled into the device not only interacts with the CMOS circuit, but also acts on the protection circuit. This paper establishes a model of on-chip CMOS electrostatic discharge protection circuit and selects square pulse as the FREMP signals. Based on multiple physical parameter models, it depicts the distribution of the lattice temperature, current density, and electric field intensity inside the device. At the same time, this paper explores the changes of the internal devices in the circuit under the injection of fast rising time electromagnetic pulse and describes the relationship between the damage amplitude threshold and the pulse width. The results show that the ESD protection circuit has potential damage risk, and the injection of FREMP leads to irreversible heat loss inside the circuit. In addition, pulse signals with different attributes will change the damage threshold of the circuit. These results provide an important reference for further evaluation of the influence of electromagnetic environment on the chip, which is helpful to carry out the reliability enhancement research of ESD protection circuit.
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doi: 10.11884/HPLPB202436.240226
摘要:
基于输入微波与腔体耦合的等效电路模型，对于任意的腔体和电子束参数，建立了任意的输入微波与腔体耦合的速调管放大器输入腔的两种匹配状态的理论。建立了带有互感和电子束等效电阻和电容等参数的输入腔等效电路模型，推导了入射功率与反射功率的表达式，以及输入微波与带有电子束的输入腔耦合的完全匹配状态和任意的耦合这两种情形时输入功率和间隙电压关系的公式。推导了完全匹配状态时输入微波工作频率与输入腔有载品质因数的表达式。推导了复耦合系数等于1时输入腔外观品质因数与热腔品质因数的表达式，得出了当工作频率等于输入腔谐振频率，输入腔外观品质因数与热腔品质因数相等，且满足电子束等效电容远小于1时接近达到匹配状态，与传统理论基本一致。通过对比两种状态时的入射功率，得出了匹配状态时的入射功率小于复耦合系数等于1时入射功率的结论。通过对比复耦合系数等于1时新理论和传统理论的入射功率，得出不考虑电子束等效电容情况下两者相等的结论。采用二维粒子模拟的模型与匹配理论进行了对比，粒子模拟与理论基本一致。根据匹配理论找到了接近匹配状态的工作频率与有载品质因数以及较小的输入功率。
基于输入微波与腔体耦合的等效电路模型，对于任意的腔体和电子束参数，建立了任意的输入微波与腔体耦合的速调管放大器输入腔的两种匹配状态的理论。建立了带有互感和电子束等效电阻和电容等参数的输入腔等效电路模型，推导了入射功率与反射功率的表达式，以及输入微波与带有电子束的输入腔耦合的完全匹配状态和任意的耦合这两种情形时输入功率和间隙电压关系的公式。推导了完全匹配状态时输入微波工作频率与输入腔有载品质因数的表达式。推导了复耦合系数等于1时输入腔外观品质因数与热腔品质因数的表达式，得出了当工作频率等于输入腔谐振频率，输入腔外观品质因数与热腔品质因数相等，且满足电子束等效电容远小于1时接近达到匹配状态，与传统理论基本一致。通过对比两种状态时的入射功率，得出了匹配状态时的入射功率小于复耦合系数等于1时入射功率的结论。通过对比复耦合系数等于1时新理论和传统理论的入射功率，得出不考虑电子束等效电容情况下两者相等的结论。采用二维粒子模拟的模型与匹配理论进行了对比，粒子模拟与理论基本一致。根据匹配理论找到了接近匹配状态的工作频率与有载品质因数以及较小的输入功率。
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doi: 10.11884/HPLPB202436.240246
摘要:
为了实现透镜阵列天线所需的移相范围，设计了两种不同的单元结构，通过优化参数，在保证良好的传输幅值的基础上实现相移范围的互补。为了探索在高功率微波系统应用，对两种单元的功率容量也开展了详细研究。在无限周期情况下，随着单元尺寸变化，单元功率容量范围为1.08～19.37 MW；通过研制口径为315 mm×315 mm的透镜天线来构建有限周期条件，并仿真计算得到该天线最大功率容量为226.553 MW，功率密度可以达到2283.23 W/mm2，并且该天线在中心频点10 GHz处峰值增益可达到29.37 dBi，口径效率为62.43%，副瓣电平约为-21.54 dBi。结果表明所提出单元的有效性与正确性，也说明设计的透镜阵列天线不仅具有良好的辐射特性，同时具有MW量级的功率容量。
为了实现透镜阵列天线所需的移相范围，设计了两种不同的单元结构，通过优化参数，在保证良好的传输幅值的基础上实现相移范围的互补。为了探索在高功率微波系统应用，对两种单元的功率容量也开展了详细研究。在无限周期情况下，随着单元尺寸变化，单元功率容量范围为1.08～19.37 MW；通过研制口径为315 mm×315 mm的透镜天线来构建有限周期条件，并仿真计算得到该天线最大功率容量为226.553 MW，功率密度可以达到
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doi: 10.11884/HPLPB202436.240005
摘要:
开关触发前发生的低概率自击穿故障，是制约直线变压器驱动源（LTD）技术发展和工程应用的主要因素。针对多间隙气体开关的自放电概率展开研究，设计了简化结构的气体开关来测量更高气压下的自击穿电压；推导了考虑间隙分压不均的开关自击穿电压累积分布函数，计算LTD工作气压下的多间隙开关自击穿电压分布特性并进行实验验证；通过超越阈值方法对低工作系数下的小概率自放电事件进行威布尔分布拟合，得到自放电概率估计值；对气体开关开展了万发次考核实验，得到自放电概率测量值。结果表明：开关的自击穿电压分散性随着气压升高而增加，测量低气压下的自击穿电压无法外推得到实际工作高气压条件下的自放电概率；开关工作系数为65%和60%时，气体开关的自放电概率估计值为\begin{document}$1.44 \times {10^{ - 4}}$\end{document} ![]()
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\begin{document}$3.01 \times {10^{ - 5}}$\end{document} ![]()
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开关触发前发生的低概率自击穿故障，是制约直线变压器驱动源（LTD）技术发展和工程应用的主要因素。针对多间隙气体开关的自放电概率展开研究，设计了简化结构的气体开关来测量更高气压下的自击穿电压；推导了考虑间隙分压不均的开关自击穿电压累积分布函数，计算LTD工作气压下的多间隙开关自击穿电压分布特性并进行实验验证；通过超越阈值方法对低工作系数下的小概率自放电事件进行威布尔分布拟合，得到自放电概率估计值；对气体开关开展了万发次考核实验，得到自放电概率测量值。结果表明：开关的自击穿电压分散性随着气压升高而增加，测量低气压下的自击穿电压无法外推得到实际工作高气压条件下的自放电概率；开关工作系数为65%和60%时，气体开关的自放电概率估计值为
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doi: 10.11884/HPLPB202436.240155
摘要:
输出耦合器作为速调管关键部件，其性能直接关系到速调管的整体表现。然而，耦合器故障却是速调管及多种真空电子设备中最为常见的问题之一，特别是在高连续波功率运行场景下，这一问题更为突出。针对连续波650 MHz/800 kW高效率速调管，对输出耦合器进行优化设计，并在单注和多注速调管耦合器测试方面取得了重要突破：单注速调管输出耦合器在连续波模式下的测试功率已达到690 kW以上，为了进一步增加功率容量，本文采用T-bar结构过渡，并对耦合器进行优化设计，使陶瓷附近电场分布更均匀；而多注速调管矩形波导窗输出耦合器最高测试功率达到全驻波115 kW。此外，通过对耦合器的结构、材料以及散热方式进行分析与优化，积极探索提升耦合器功率容量的多种可能途径，进一步增强了速调管的稳定性和可靠性。
输出耦合器作为速调管关键部件，其性能直接关系到速调管的整体表现。然而，耦合器故障却是速调管及多种真空电子设备中最为常见的问题之一，特别是在高连续波功率运行场景下，这一问题更为突出。针对连续波650 MHz/800 kW高效率速调管，对输出耦合器进行优化设计，并在单注和多注速调管耦合器测试方面取得了重要突破：单注速调管输出耦合器在连续波模式下的测试功率已达到690 kW以上，为了进一步增加功率容量，本文采用T-bar结构过渡，并对耦合器进行优化设计，使陶瓷附近电场分布更均匀；而多注速调管矩形波导窗输出耦合器最高测试功率达到全驻波115 kW。此外，通过对耦合器的结构、材料以及散热方式进行分析与优化，积极探索提升耦合器功率容量的多种可能途径，进一步增强了速调管的稳定性和可靠性。
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doi: 10.11884/HPLPB202436.240148
摘要:
由于行波管工作时无法直接测量阴极温度，目前主要通过组件测温和电子枪热仿真确定阴极工作温度。热辐射不仅是电子枪热量传递的主要途径之一，也是产生热损耗的主要因素，因而热辐射是电子枪热分析不可忽略的因素。对热损耗进行了定量分析，考虑了接触热阻和热损耗，建立了全面的热辐射边界，对阴极-热屏组件进行热仿真，通过调整零件表面发射率拟合了阴极-热屏组件测温实验数据曲线，得到了行波管电子枪高温区域零件表面的发射率，分析了热损耗、零件表面发射率对阴极温度的影响，并通过电子枪热平衡实验验证了所得发射率数值的正确性，进而得到了更准确的电子枪温度分布云图。研究表明，阴极温度950～1100 ℃时其表面发射率为0.65；电子枪零件表面发射率越大，阴极温度越低，阴极筒表面发射率对阴极温度影响最大；温度越高热子热损耗越大，不考虑热损耗仿真得到的阴极表面温度偏高14.4～17.5 ℃；组件测温得到的阴极表面温度比整管时高42～62 ℃。
由于行波管工作时无法直接测量阴极温度，目前主要通过组件测温和电子枪热仿真确定阴极工作温度。热辐射不仅是电子枪热量传递的主要途径之一，也是产生热损耗的主要因素，因而热辐射是电子枪热分析不可忽略的因素。对热损耗进行了定量分析，考虑了接触热阻和热损耗，建立了全面的热辐射边界，对阴极-热屏组件进行热仿真，通过调整零件表面发射率拟合了阴极-热屏组件测温实验数据曲线，得到了行波管电子枪高温区域零件表面的发射率，分析了热损耗、零件表面发射率对阴极温度的影响，并通过电子枪热平衡实验验证了所得发射率数值的正确性，进而得到了更准确的电子枪温度分布云图。研究表明，阴极温度950～
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doi: 10.11884/HPLPB202436.240176
摘要:
为了满足多领域对幅值、脉宽、波形、重复频率等参数的不同要求，基于分布式理念，提出了一种分布式全固态波形可调高压脉冲发生器研制发生器。该脉冲发生器由多个结构相同的子模块构成，单个模块采用半桥结构的全固态Marx主拓扑，驱动采用磁隔离方案；每个模块具有统一设计的连接端子与通信协议，多个模块可以独立工作，也可以直接串联工作以获得更好的性能。整个装置采用分层式设计，结构紧凑。详细阐述了该发生器的电路拓扑、工作原理与波形产生方法，并搭建了三台8级基本单元的9电平试验样机，串联后可输出25级电平的单极性任意高压脉冲波形，最大输出电压达到16 kV。
为了满足多领域对幅值、脉宽、波形、重复频率等参数的不同要求，基于分布式理念，提出了一种分布式全固态波形可调高压脉冲发生器研制发生器。该脉冲发生器由多个结构相同的子模块构成，单个模块采用半桥结构的全固态Marx主拓扑，驱动采用磁隔离方案；每个模块具有统一设计的连接端子与通信协议，多个模块可以独立工作，也可以直接串联工作以获得更好的性能。整个装置采用分层式设计，结构紧凑。详细阐述了该发生器的电路拓扑、工作原理与波形产生方法，并搭建了三台8级基本单元的9电平试验样机，串联后可输出25级电平的单极性任意高压脉冲波形，最大输出电压达到16 kV。
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doi: 10.11884/HPLPB202436.240099
摘要:
设计了基于双峰滤波的掺铒全光纤激光模型，开展异步双波长脉冲锁模动力学特性的数值模拟研究。基于同一噪声作为初始条件，分别将增益光纤饱和能量设置为15、40、55 pJ，模拟结果表明噪声最终分别演化成为单波长脉冲锁模、异步双波长脉冲锁模、孤子分子形式的异步双波长脉冲锁模，其中异步双波长脉冲生成的演化过程经历噪声脉冲、多脉冲锁模与增益竞争、稳定的异步双波长脉冲锁模3个阶段；增益光纤饱和能量的大小直接决定脉冲在增益竞争中的演化方向。脉冲碰撞过程中互相位调制作用引起的脉冲频率移动，导致时域脉冲时间抖动。
设计了基于双峰滤波的掺铒全光纤激光模型，开展异步双波长脉冲锁模动力学特性的数值模拟研究。基于同一噪声作为初始条件，分别将增益光纤饱和能量设置为15、40、55 pJ，模拟结果表明噪声最终分别演化成为单波长脉冲锁模、异步双波长脉冲锁模、孤子分子形式的异步双波长脉冲锁模，其中异步双波长脉冲生成的演化过程经历噪声脉冲、多脉冲锁模与增益竞争、稳定的异步双波长脉冲锁模3个阶段；增益光纤饱和能量的大小直接决定脉冲在增益竞争中的演化方向。脉冲碰撞过程中互相位调制作用引起的脉冲频率移动，导致时域脉冲时间抖动。
预发表栏目展示本刊经同行评议确定正式录用的文章，这些文章目前处在编校过程，尚未确定卷期及页码，但可以根据DOI进行引用。
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doi: 10.11884/HPLPB202436.240256
摘要:
为了实现强伽马场环境下的造氚率在线测量，研制了小型“背靠背”6Li/7Li玻璃探测器。每块锂玻璃闪烁体的尺寸为3.0 mm×3.0 mm×0.4 mm，闪烁体之间及侧面采用0.5 mm二氧化钛作为反射层，整体尺寸为4.0 mm×4.0 mm×1.3 mm。7Li玻璃探测器测量伽马产生的信号作为6Li玻璃探测器的伽马本底扣除。通过对标准60Co源的伽马射线脉冲幅度谱测量，验证了两个闪烁体对伽马场响应的一致性；在反应堆热中子孔道处和252Cf中子源直照等强伽马环境下测量了脉冲幅度谱，获得的中子伽马信噪比都大于1，表明可以有效扣除伽马本底。验证实验研制的锂玻璃探测器在强伽马场环境下仍能有效甄别伽马，可用于聚变堆和聚变-裂变混合堆实验包层模块内造氚率高精度在线测量。
为了实现强伽马场环境下的造氚率在线测量，研制了小型“背靠背”6Li/7Li玻璃探测器。每块锂玻璃闪烁体的尺寸为3.0 mm×3.0 mm×0.4 mm，闪烁体之间及侧面采用0.5 mm二氧化钛作为反射层，整体尺寸为4.0 mm×4.0 mm×1.3 mm。7Li玻璃探测器测量伽马产生的信号作为6Li玻璃探测器的伽马本底扣除。通过对标准60Co源的伽马射线脉冲幅度谱测量，验证了两个闪烁体对伽马场响应的一致性；在反应堆热中子孔道处和252Cf中子源直照等强伽马环境下测量了脉冲幅度谱，获得的中子伽马信噪比都大于1，表明可以有效扣除伽马本底。验证实验研制的锂玻璃探测器在强伽马场环境下仍能有效甄别伽马，可用于聚变堆和聚变-裂变混合堆实验包层模块内造氚率高精度在线测量。
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doi: 10.11884/HPLPB202436.240207
摘要:
极端环境服役材料的研发一直是航空航天等国家战略发展的“瓶颈”，不同环境因素会影响材料的性能。中子由于其强穿透性、轻元素敏感等特点，可与同步辐射技术互为补充，运用原位装置还原材料在真实工况条件下的受力变形过程，并利用中子探针原位观察材料在服役条件下晶格应变、织构、相变和残余应力的演化。多个国家的中子谱仪均配备了不同的原位拉伸装置，实现在不同的加载环境下对样品进行原位应力加载，对样品材料的微观结构进行测试分析，能够解决材料工程领域的重要科学机理问题，进而推动材料的发展应用。介绍了国内外不同中子源谱仪原位拉伸装置的情况，重点阐述了应用于中子衍射技术的多场耦合原位拉伸装置的设计原理与结构特点，凸显了工程材料研究的发展方向。
极端环境服役材料的研发一直是航空航天等国家战略发展的“瓶颈”，不同环境因素会影响材料的性能。中子由于其强穿透性、轻元素敏感等特点，可与同步辐射技术互为补充，运用原位装置还原材料在真实工况条件下的受力变形过程，并利用中子探针原位观察材料在服役条件下晶格应变、织构、相变和残余应力的演化。多个国家的中子谱仪均配备了不同的原位拉伸装置，实现在不同的加载环境下对样品进行原位应力加载，对样品材料的微观结构进行测试分析，能够解决材料工程领域的重要科学机理问题，进而推动材料的发展应用。介绍了国内外不同中子源谱仪原位拉伸装置的情况，重点阐述了应用于中子衍射技术的多场耦合原位拉伸装置的设计原理与结构特点，凸显了工程材料研究的发展方向。
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doi: 10.11884/HPLPB202436.240162
摘要:
在光阴极电子枪系统当中，驱动激光的时空整形是实现束流低发射度的关键之一。基于南方光源预研项目C波段光阴极电子枪测试平台，介绍了驱动激光系统的布局与测试相关内容。测试平台于国内首次采用初始RMS脉冲长度为160 fs的266 nm激光作为驱动激光，利用双折射晶体的脉冲时间延迟完成对激光脉冲纵向时间整形，并配备多个孔径的可调光阑实现对束流的横向尺寸的调节。经过整形，激光平台可以提供纵向RMS长度为160 fs、420 fs的高斯脉冲激光与半高全宽为5 ps的平顶分布脉冲激光，根据激光测试结果，简要分析了不同脉冲分布对于束流发射度演化以及脉冲分布的影响，不仅为后续光阴极电子枪束流调试提供了指导，并对初始脉冲分布对空间电荷力的影响实现更加深入的研究提供了支持。
在光阴极电子枪系统当中，驱动激光的时空整形是实现束流低发射度的关键之一。基于南方光源预研项目C波段光阴极电子枪测试平台，介绍了驱动激光系统的布局与测试相关内容。测试平台于国内首次采用初始RMS脉冲长度为160 fs的266 nm激光作为驱动激光，利用双折射晶体的脉冲时间延迟完成对激光脉冲纵向时间整形，并配备多个孔径的可调光阑实现对束流的横向尺寸的调节。经过整形，激光平台可以提供纵向RMS长度为160 fs、420 fs的高斯脉冲激光与半高全宽为5 ps的平顶分布脉冲激光，根据激光测试结果，简要分析了不同脉冲分布对于束流发射度演化以及脉冲分布的影响，不仅为后续光阴极电子枪束流调试提供了指导，并对初始脉冲分布对空间电荷力的影响实现更加深入的研究提供了支持。
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doi: 10.11884/HPLPB202436.240268
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面向高端特种光纤激光器研制需求，突破限制光纤激光器系统功率输出和性能提升的技术瓶颈，中国工程物理研究院化工材料研究所高功率光纤激光技术所地联合创新中心团队采用模式裁剪制备工艺技术，率先推出了国内首创、特别适合976 nm-LD端面泵浦方式（976技术路线）的第1.5代YDF特种激光光纤，有效提升了光纤激光系统的模式不稳定阈值（TMI），显著优化了激光输出的光束质量。相对于目前普遍使用的第1.0代铝磷硅三元体系光纤（Yb-APS），第1.5代YDF特种激光光纤的激光功率提升约20%，光束质量M2优化约20%，集中展现了高功率、高效率、高TMI阈值、M2优化的“三高一优”的技术特点，可供工业市场高端客户选择和强激光技术领域应用。
面向高端特种光纤激光器研制需求，突破限制光纤激光器系统功率输出和性能提升的技术瓶颈，中国工程物理研究院化工材料研究所高功率光纤激光技术所地联合创新中心团队采用模式裁剪制备工艺技术，率先推出了国内首创、特别适合976 nm-LD端面泵浦方式（976技术路线）的第1.5代YDF特种激光光纤，有效提升了光纤激光系统的模式不稳定阈值（TMI），显著优化了激光输出的光束质量。相对于目前普遍使用的第1.0代铝磷硅三元体系光纤（Yb-APS），第1.5代YDF特种激光光纤的激光功率提升约20%，光束质量M2优化约20%，集中展现了高功率、高效率、高TMI阈值、M2优化的“三高一优”的技术特点，可供工业市场高端客户选择和强激光技术领域应用。
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doi: 10.11884/HPLPB202436.240096
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通过实验测量与数值模拟相结合的方法评估电子FLASH-RT的剂量学特性。实验中，使用EBT3胶片在固体水模中测量剂量，同时采用MCNP5程序模拟验证束流特征参数。实验平台基于9 MeV电子直线加速器构建，通过调整加速器参数，在源皮距1 m处实现了250 Gy/s的超高剂量率。实验与模拟结果在剂量分布上的最大偏差不超过5%，束流平坦度控制在3%以内。关键剂量率评估显示，加速器在最大工况下工作，可获得满足FLASH效应所需的超高剂量率。离轴剂量变化研究表明，引出窗中水层的存在改善了束流的均匀性。中心轴深度剂量分布分析表明，模拟与实验结果在水层厚度10 mm时吻合较好。二维剂量分布显示，模拟结果与EBT3胶片测量趋势一致。研究结果表明，电子FLASH-RT实验平台能够提供所需的超高剂量率，且实验与模拟结果具有较高的一致性，为FLASH-RT的进一步研究和应用提供了重要的剂量学参数和束流特征参考。
通过实验测量与数值模拟相结合的方法评估电子FLASH-RT的剂量学特性。实验中，使用EBT3胶片在固体水模中测量剂量，同时采用MCNP5程序模拟验证束流特征参数。实验平台基于9 MeV电子直线加速器构建，通过调整加速器参数，在源皮距1 m处实现了250 Gy/s的超高剂量率。实验与模拟结果在剂量分布上的最大偏差不超过5%，束流平坦度控制在3%以内。关键剂量率评估显示，加速器在最大工况下工作，可获得满足FLASH效应所需的超高剂量率。离轴剂量变化研究表明，引出窗中水层的存在改善了束流的均匀性。中心轴深度剂量分布分析表明，模拟与实验结果在水层厚度10 mm时吻合较好。二维剂量分布显示，模拟结果与EBT3胶片测量趋势一致。研究结果表明，电子FLASH-RT实验平台能够提供所需的超高剂量率，且实验与模拟结果具有较高的一致性，为FLASH-RT的进一步研究和应用提供了重要的剂量学参数和束流特征参考。
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doi: 10.11884/HPLPB202436.240143
摘要:
水中流注放电为击穿前放电通道起始与发展的关键过程，但由于涉及物理机制较为复杂且尚不明确，制约了水中放电应用效率的提升。探究了水中正极性丝状流注放电的模式转化特性、重燃特性与分叉特性，明确了通道界面沉积电荷与空间电荷分布对流注发展过程的影响。研究结果表明，水中正极性放电可分为第一类与第二类丝状流注，流注模式转化特性受气液界面电荷弛豫过程影响较大。当外施电压达到加速电压时，第一类流注迅速转化为第二类流注。第一类丝状流注通道内电离形成、熄灭及重燃过程与通道内部电场及气/液界面电荷密度关系密切。第二类丝状流注通道空间电荷分布受电压上升沿与电极表面结构影响较大。电压上升沿时间越长，主通道头部电荷密度与电场强度越低，通道发展速度随之降低。随电极表面微凸结构半径增大，流注分叉点位置将电极表面过渡为主通道根部。受主通道空间电荷分布影响，分支通道发展速度在微凸结构半径为5 μm时呈现先降后升趋势。
水中流注放电为击穿前放电通道起始与发展的关键过程，但由于涉及物理机制较为复杂且尚不明确，制约了水中放电应用效率的提升。探究了水中正极性丝状流注放电的模式转化特性、重燃特性与分叉特性，明确了通道界面沉积电荷与空间电荷分布对流注发展过程的影响。研究结果表明，水中正极性放电可分为第一类与第二类丝状流注，流注模式转化特性受气液界面电荷弛豫过程影响较大。当外施电压达到加速电压时，第一类流注迅速转化为第二类流注。第一类丝状流注通道内电离形成、熄灭及重燃过程与通道内部电场及气/液界面电荷密度关系密切。第二类丝状流注通道空间电荷分布受电压上升沿与电极表面结构影响较大。电压上升沿时间越长，主通道头部电荷密度与电场强度越低，通道发展速度随之降低。随电极表面微凸结构半径增大，流注分叉点位置将电极表面过渡为主通道根部。受主通道空间电荷分布影响，分支通道发展速度在微凸结构半径为5 μm时呈现先降后升趋势。
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doi: 10.11884/HPLPB202436.240097
摘要:
为了解决百ns级可见光条纹相机时空非线性标定需求，提出了通过构建一个时空二维分布的等间距标准光场快速标定条纹相机二维非线性的设想。通过序列脉冲光构造技术获得时间维度间距相等的参考点；通过光场空间调制技术获得空间维度间距相等的参考点。分析了序列脉冲光和光学系统的设计准则，基于该准则研制了一套可见光条纹相机二维非线性快速标定系统。该系统的时间分辨可达0.1 ns、空间分辨小于90 μm。基于该系统，通过单次扫描成像高效标定了国产某型条纹相机的扫描非线性、时间弥散、时间畸变和几何像差等非线性信息。此外，利用该系统对不同电路的扫描非线性进行了分析验证。该标定系统快速验证了双边扫描电路有利于优化扫描非线性。分析验证结果表明，该标定技术通过单次扫描即可对条纹相机的非线性参数进行标定。
为了解决百ns级可见光条纹相机时空非线性标定需求，提出了通过构建一个时空二维分布的等间距标准光场快速标定条纹相机二维非线性的设想。通过序列脉冲光构造技术获得时间维度间距相等的参考点；通过光场空间调制技术获得空间维度间距相等的参考点。分析了序列脉冲光和光学系统的设计准则，基于该准则研制了一套可见光条纹相机二维非线性快速标定系统。该系统的时间分辨可达0.1 ns、空间分辨小于90 μm。基于该系统，通过单次扫描成像高效标定了国产某型条纹相机的扫描非线性、时间弥散、时间畸变和几何像差等非线性信息。此外，利用该系统对不同电路的扫描非线性进行了分析验证。该标定系统快速验证了双边扫描电路有利于优化扫描非线性。分析验证结果表明，该标定技术通过单次扫描即可对条纹相机的非线性参数进行标定。
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doi: 10.11884/HPLPB202436.240136
摘要:
脉冲强磁场在高功率激光与物质相互作用领域有着重要的作用。报导了用于激光等离子体实验的脉冲强磁场设备产生的电磁干扰的空间和频谱分布特征以及屏蔽方法的实验结果。发现电磁干扰来自于脉冲强磁场设备的放电主回路、充电和接地的次级回路。这些电磁干扰主要通过电容性耦合进入真空靶室、进而通过传导型耦合途径从靶室进入电子设备，或通过充电线和接地线进入电网或弱电电缆、最终进入电子设备，部分电磁辐射通过自由空间传输方式耦合进电缆和电子设备。通过断开传导型耦合路径和屏蔽自由空间电磁辐射等途径来消弱电磁干扰，对比实验发现这些措施对抑制电磁干扰有明显的效果。这些结果可以应用于强磁场调控激光等离子体的实验研究。
脉冲强磁场在高功率激光与物质相互作用领域有着重要的作用。报导了用于激光等离子体实验的脉冲强磁场设备产生的电磁干扰的空间和频谱分布特征以及屏蔽方法的实验结果。发现电磁干扰来自于脉冲强磁场设备的放电主回路、充电和接地的次级回路。这些电磁干扰主要通过电容性耦合进入真空靶室、进而通过传导型耦合途径从靶室进入电子设备，或通过充电线和接地线进入电网或弱电电缆、最终进入电子设备，部分电磁辐射通过自由空间传输方式耦合进电缆和电子设备。通过断开传导型耦合路径和屏蔽自由空间电磁辐射等途径来消弱电磁干扰，对比实验发现这些措施对抑制电磁干扰有明显的效果。这些结果可以应用于强磁场调控激光等离子体的实验研究。
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doi: 10.11884/HPLPB202436.240200
摘要:
吸收法测量脉冲X射线能谱时，测量数据的微小扰动会引起重建能谱的较大波动，甚至出现不符合物理规律的负值。针对测量数据的噪声对脉冲X射线重建能谱影响较大的问题，构建了重建能谱准确性的评估方法，分析了贝叶斯迭代法对包含不同程度噪声干扰的测量数据重建能谱的准确性。通过在贝叶斯迭代法中加入平滑约束条件的方式，降低了噪声对重建能谱的影响。根据预估待测能谱的特征，提出了以能谱峰值为界分段平滑的方法，比较了整体平滑和分段平滑方法的能谱重建效果。多次求解表明，分段平滑贝叶斯迭代法的重建能谱对噪声的敏感度显著下降。设计了基于吸收法的能谱测量系统，分别利用平滑前后的贝叶斯迭代法依据实验测量数据重建能谱，结果表明，分段平滑的贝叶斯迭代法的重建能谱更接近理论能谱，重建效果更好。
吸收法测量脉冲X射线能谱时，测量数据的微小扰动会引起重建能谱的较大波动，甚至出现不符合物理规律的负值。针对测量数据的噪声对脉冲X射线重建能谱影响较大的问题，构建了重建能谱准确性的评估方法，分析了贝叶斯迭代法对包含不同程度噪声干扰的测量数据重建能谱的准确性。通过在贝叶斯迭代法中加入平滑约束条件的方式，降低了噪声对重建能谱的影响。根据预估待测能谱的特征，提出了以能谱峰值为界分段平滑的方法，比较了整体平滑和分段平滑方法的能谱重建效果。多次求解表明，分段平滑贝叶斯迭代法的重建能谱对噪声的敏感度显著下降。设计了基于吸收法的能谱测量系统，分别利用平滑前后的贝叶斯迭代法依据实验测量数据重建能谱，结果表明，分段平滑的贝叶斯迭代法的重建能谱更接近理论能谱，重建效果更好。
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doi: 10.11884/HPLPB202436.240141
摘要:
高功率容量的气体开关是国内外大型脉冲功率装置的首选，但因气体放电随机性导致的自击穿电压抖动一直以来是脉冲功率装置的瓶颈问题。电极是影响气体开关稳定性和寿命的关键，开关设计总要面临低抖动和长寿命之间的取舍，提出一种兼顾低抖动、长寿命特性的球墨铸铁气体开关。基于对球墨铸铁材料的特性分析，提出球墨均布于电极有利于提高气体开关击穿稳定性的机制，且球状石墨均布于整个电极体内，相比表面结构，具有长寿命的原生优势。设计开展了单级开关稳定性测试实验，结果表明球墨铸铁电极可将传统电极结构3%～4%的重频自击穿抖动有效降低至2.5%。最终利用低抖动球墨电极，设计了5级1 MV等自击穿概率型全密封气体开关，开关抖动进一步降低至2%以下。在测试电压范围960～980 kV，放电电流约9 kA，无维护条件下开展了开关30万脉冲寿命考核，自击穿抖动维持在2%以下，最优达1.7%。开关导通前沿小于5 ns，传输效率大于90%。此结果展现了球墨铸铁作为气体开关电极的应用潜力。
高功率容量的气体开关是国内外大型脉冲功率装置的首选，但因气体放电随机性导致的自击穿电压抖动一直以来是脉冲功率装置的瓶颈问题。电极是影响气体开关稳定性和寿命的关键，开关设计总要面临低抖动和长寿命之间的取舍，提出一种兼顾低抖动、长寿命特性的球墨铸铁气体开关。基于对球墨铸铁材料的特性分析，提出球墨均布于电极有利于提高气体开关击穿稳定性的机制，且球状石墨均布于整个电极体内，相比表面结构，具有长寿命的原生优势。设计开展了单级开关稳定性测试实验，结果表明球墨铸铁电极可将传统电极结构3%～4%的重频自击穿抖动有效降低至2.5%。最终利用低抖动球墨电极，设计了5级1 MV等自击穿概率型全密封气体开关，开关抖动进一步降低至2%以下。在测试电压范围960～980 kV，放电电流约9 kA，无维护条件下开展了开关30万脉冲寿命考核，自击穿抖动维持在2%以下，最优达1.7%。开关导通前沿小于5 ns，传输效率大于90%。此结果展现了球墨铸铁作为气体开关电极的应用潜力。
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doi: 10.11884/HPLPB202436.240190
摘要:
射频击穿、模式竞争是导致速调管振荡器（RKO）功率下降、脉冲缩短的主要原因。本文引入扩展互作用提取结构，可以有效降低提取腔射频电场，增大器件功率容量。传统的双间隙提取结构将电子能量在提取腔内转化为微波能量，共用一个通道输出。而扩展互作用提取结构采用了分布式提取腔而非集中式提取腔，增加了输出通道，可以有效提高束-波转换效率，降低提取腔的射频电场。粒子模拟结果显示：二极管电压561 kV，磁场强度0.5 T条件下，保持阴极结构、调制腔及反射器不变时，分别对传统双间隙提取腔、双间隙及三间隙扩展互作用提取腔进行仿真：输出功率分别为2.14、2.22、2.35 GW；分析其提取腔最大射频电场，分别为1.50、1.21、1.10 MV/cm；束波转换效率分别为35.7%、36.9%、39.1%；器件工作频率为12.52 GHz。在三维仿真中，通过改变阴极结构的S参数、设计新的反射器，有效抑制了调制腔TM113模带来的模式竞争，为开展后续实验奠定了基础。
射频击穿、模式竞争是导致速调管振荡器（RKO）功率下降、脉冲缩短的主要原因。本文引入扩展互作用提取结构，可以有效降低提取腔射频电场，增大器件功率容量。传统的双间隙提取结构将电子能量在提取腔内转化为微波能量，共用一个通道输出。而扩展互作用提取结构采用了分布式提取腔而非集中式提取腔，增加了输出通道，可以有效提高束-波转换效率，降低提取腔的射频电场。粒子模拟结果显示：二极管电压561 kV，磁场强度0.5 T条件下，保持阴极结构、调制腔及反射器不变时，分别对传统双间隙提取腔、双间隙及三间隙扩展互作用提取腔进行仿真：输出功率分别为2.14、2.22、2.35 GW；分析其提取腔最大射频电场，分别为1.50、1.21、1.10 MV/cm；束波转换效率分别为35.7%、36.9%、39.1%；器件工作频率为12.52 GHz。在三维仿真中，通过改变阴极结构的S参数、设计新的反射器，有效抑制了调制腔TM113模带来的模式竞争，为开展后续实验奠定了基础。
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doi: 10.11884/HPLPB202436.240206
摘要:
12级串联太瓦级直线型变压器驱动源（LTD）采用内置时序触发新方法，对触发支路气体开关提出了低自放概率、低触发阈值、低抖动、触发延时可调的技术要求。介绍了自行研制的基于电阻均压/电晕辅助触发技术的气体开关结构和工作原理；建立了气体开关特性测试平台，完成了12只气体开关的老练和击穿特性测试；开关应用于12级LTD脉冲源级联触发实验，获得了不同工作电压、工作系数下的触发特性参数。实验结果表明：开关工作电压±60～±80 kV，工作系数60%～80%，抖动小于2 ns，500余发实验未发生自放电，实现了12级LTD脉冲源触发支路按理想时序依次导通，触发时序系数0.83～1.17范围内可调。
12级串联太瓦级直线型变压器驱动源（LTD）采用内置时序触发新方法，对触发支路气体开关提出了低自放概率、低触发阈值、低抖动、触发延时可调的技术要求。介绍了自行研制的基于电阻均压/电晕辅助触发技术的气体开关结构和工作原理；建立了气体开关特性测试平台，完成了12只气体开关的老练和击穿特性测试；开关应用于12级LTD脉冲源级联触发实验，获得了不同工作电压、工作系数下的触发特性参数。实验结果表明：开关工作电压±60～±80 kV，工作系数60%～80%，抖动小于2 ns，500余发实验未发生自放电，实现了12级LTD脉冲源触发支路按理想时序依次导通，触发时序系数0.83～1.17范围内可调。
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doi: 10.11884/HPLPB202436.240037
摘要:
为了能够通过选择合适的计算方法对不同辐射情况的光子剂量进行准确有效的计算和评估，对比研究了蒙特卡罗模拟软件中常用的四种光子剂量计算方法：剂量转换系数法、发热数法、径迹长度能量沉积法和脉冲高度计数法，从计算原理出发结合仿真结果分析比较了这四种方法。通过模拟不同能量的单能光子束入射不同体积大小的水球，分析了用比释动能近似吸收剂量导致的误差，并且模拟分析了不同含量的高原子序数元素钆对于吸收剂量计算结果差异的影响。由于转换系数是根据参考人模计算得到的，因此剂量转换系数法只能对吸收剂量进行快速的估计计算，很难在特定情况下得到精准剂量；当高能量光子入射小体积物质时，比释动能会大于吸收剂量，使用发热数法和径迹长度能量沉积法会产生误差，采用脉冲高度计数法更加合适；在低能量和大体积时可以根据计算精度和计算机资源选择任意方法；当组成物质的高原子序数元素含量增多时，径迹长度能量沉积法和脉冲高度计数法之间的计算误差会减少。
为了能够通过选择合适的计算方法对不同辐射情况的光子剂量进行准确有效的计算和评估，对比研究了蒙特卡罗模拟软件中常用的四种光子剂量计算方法：剂量转换系数法、发热数法、径迹长度能量沉积法和脉冲高度计数法，从计算原理出发结合仿真结果分析比较了这四种方法。通过模拟不同能量的单能光子束入射不同体积大小的水球，分析了用比释动能近似吸收剂量导致的误差，并且模拟分析了不同含量的高原子序数元素钆对于吸收剂量计算结果差异的影响。由于转换系数是根据参考人模计算得到的，因此剂量转换系数法只能对吸收剂量进行快速的估计计算，很难在特定情况下得到精准剂量；当高能量光子入射小体积物质时，比释动能会大于吸收剂量，使用发热数法和径迹长度能量沉积法会产生误差，采用脉冲高度计数法更加合适；在低能量和大体积时可以根据计算精度和计算机资源选择任意方法；当组成物质的高原子序数元素含量增多时，径迹长度能量沉积法和脉冲高度计数法之间的计算误差会减少。
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doi: 10.11884/HPLPB202436.240234
摘要:
层叠Blumlein脉冲发生器具有灵活紧凑的优点，但由于开关隔离问题没有得到广泛运用。本文设计了一种集成隔离全固态层叠Blumlein脉冲发生器，利用4绕组共模电感为脉冲形成网络充电、驱动供电和高电压隔离的器件，解决了半导体开关应用于层叠Blumlein脉冲发生器的问题。首先介绍了隔离的原理，设计了包含共模电感和同步光触发隔离组件，以及基于IGBT开关阵列的Blumlein脉冲形成网络，分析了层叠Blumlein脉冲发生器的充放电过程；其次，对设计的Blumlein脉冲形成网络与层叠Blumlein脉冲发生器进行电路仿真；搭建了8级层叠Blumlein脉冲发生器，在匹配负载上实验得到电压30.0 kV、电流604 A、脉宽237 ns的方波脉冲。
层叠Blumlein脉冲发生器具有灵活紧凑的优点，但由于开关隔离问题没有得到广泛运用。本文设计了一种集成隔离全固态层叠Blumlein脉冲发生器，利用4绕组共模电感为脉冲形成网络充电、驱动供电和高电压隔离的器件，解决了半导体开关应用于层叠Blumlein脉冲发生器的问题。首先介绍了隔离的原理，设计了包含共模电感和同步光触发隔离组件，以及基于IGBT开关阵列的Blumlein脉冲形成网络，分析了层叠Blumlein脉冲发生器的充放电过程；其次，对设计的Blumlein脉冲形成网络与层叠Blumlein脉冲发生器进行电路仿真；搭建了8级层叠Blumlein脉冲发生器，在匹配负载上实验得到电压30.0 kV、电流604 A、脉宽237 ns的方波脉冲。
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doi: 10.11884/HPLPB202436.240165
摘要:
为了拓展相对论磁控管工作频段，设计了一个Ku波段高效率全腔提取相对论磁控管。该器件采用20腔阳极结构，冷腔模拟结果表明其π模工作频率约为13.5 GHz。结合全腔轴向提取技术，在电压150 kV、电流0.41 kA、工作磁场0.4 T的条件下，PIC仿真得到38 MW的仿真功率，工作频率13.47 GHz；仿真得到的功率转换效率约61.6%。仿真结果表明该器件转换效率高，结构紧凑，具有实现轻小型永磁包装的潜质。
为了拓展相对论磁控管工作频段，设计了一个Ku波段高效率全腔提取相对论磁控管。该器件采用20腔阳极结构，冷腔模拟结果表明其π模工作频率约为13.5 GHz。结合全腔轴向提取技术，在电压150 kV、电流0.41 kA、工作磁场0.4 T的条件下，PIC仿真得到38 MW的仿真功率，工作频率13.47 GHz；仿真得到的功率转换效率约61.6%。仿真结果表明该器件转换效率高，结构紧凑，具有实现轻小型永磁包装的潜质。
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doi: 10.11884/HPLPB202436.240122
摘要:
无人机定位系统是无人机与外部环境进行信息交互的重要核心模块，同时也为电磁干扰信号提供了耦合路径。围绕无人机定位系统电磁效应分析展开研究，关注未采取电磁加固措施的消费级无人机，基于无人机定位系统内部结构，建立了无人机定位系统的干扰序列图，进而推导出无人机定位系统各模块的瞬态响应函数，基于干扰序列图构建了无人机定位系统物理模型，开展了定位系统电磁效应场路联合分析，仿真分析了定位系统及其敏感单元磁场强度H和磁感应强度B的分布与规律，得到了无人机定位系统的电磁效应分布特征与电磁薄弱环节。仿真结果表明：无人机定位系统电磁薄弱环节在芯片线路连接点处，且随着电磁脉冲干扰时间的增加，电磁效应持续累积且呈现趋势一致的震荡效应。
无人机定位系统是无人机与外部环境进行信息交互的重要核心模块，同时也为电磁干扰信号提供了耦合路径。围绕无人机定位系统电磁效应分析展开研究，关注未采取电磁加固措施的消费级无人机，基于无人机定位系统内部结构，建立了无人机定位系统的干扰序列图，进而推导出无人机定位系统各模块的瞬态响应函数，基于干扰序列图构建了无人机定位系统物理模型，开展了定位系统电磁效应场路联合分析，仿真分析了定位系统及其敏感单元磁场强度H和磁感应强度B的分布与规律，得到了无人机定位系统的电磁效应分布特征与电磁薄弱环节。仿真结果表明：无人机定位系统电磁薄弱环节在芯片线路连接点处，且随着电磁脉冲干扰时间的增加，电磁效应持续累积且呈现趋势一致的震荡效应。
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doi: 10.11884/HPLPB202436.240149
摘要:
用大气压空气下的场畸变火花开关组建一套纳秒脉冲电源，研究了开关不同重复频率（从50 Hz到1300 Hz）触发击穿时的电压工作范围以及吹气的影响，用高压探头和数字示波器记录电压波形。实验结果表明，开关稳定工作（电压低于30 kV、电流峰值小于300 A）的最高重复频率为1300 Hz，因开关击穿后绝缘未完全恢复，稳定工作的最高工作电压\begin{document}$ {V}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}} $\end{document} ![]()
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1300 Hz时很小，大约只有0.5 kV，这是因为高频时绝缘水平低，触发脉冲对击穿电压的降低作用不明显，因此触发条件下的实际工作电压更接近当前的自击穿电压。吹气可以加快气体绝缘恢复，提高最高和最低工作电压。若开关的最高工作电压为工作前自击穿电压30 kV的90%以上，则不吹气时重复频率低于50 Hz，吹气时最高能到500 Hz。
用大气压空气下的场畸变火花开关组建一套纳秒脉冲电源，研究了开关不同重复频率（从50 Hz到
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doi: 10.11884/HPLPB202436.240161
摘要:
雪崩砷化镓光导开关（PCSS）因其超快开关速度、低触发抖动、光电隔离、高功率容量、高重复频率以及器件结构灵活的特点，得到广泛应用。制备封装了电极间隙为5 mm的异面结构GaAs光导开关，对不同偏置电场下（36～76 kV/cm）开关的暗态和开态的电学特性进行了测试分析，结果表明其具有百皮秒～纳秒量级的上升沿、低暗态泄漏电流（0.15～6.61 μA）、高耐压（18～38 kV）的特点。实验探究了开关工作次数与输出电压峰值的关系，结果表明随着工作次数的增大，输出电压幅值呈台阶型降低趋势，在20 kV、2 Hz条件下，开关寿命达4.0×104次。
雪崩砷化镓光导开关（PCSS）因其超快开关速度、低触发抖动、光电隔离、高功率容量、高重复频率以及器件结构灵活的特点，得到广泛应用。制备封装了电极间隙为5 mm的异面结构GaAs光导开关，对不同偏置电场下（36～76 kV/cm）开关的暗态和开态的电学特性进行了测试分析，结果表明其具有百皮秒～纳秒量级的上升沿、低暗态泄漏电流（0.15～6.61 μA）、高耐压（18～38 kV）的特点。实验探究了开关工作次数与输出电压峰值的关系，结果表明随着工作次数的增大，输出电压幅值呈台阶型降低趋势，在20 kV、2 Hz条件下，开关寿命达4.0×104次。
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doi: 10.11884/HPLPB202436.240086
摘要:
当前对于光触发伪火花开关的研究主要集中在使用紫外激光触发，触发物理机制普遍认为是光电发射。然而，当紫外弱聚焦激光在低电场环境中照射光电材料（靶材）时，由光电发射产生的种子电子非常有限。为了进一步揭示紫外弱聚焦激光触发物理机制，利用266 nm紫外弱聚焦激光，搭建了开关测试实验平台和种子电子测试实验平台，研究了激光能量、开关电压、气压、靶材料、触发位置对开关触发特性的影响，分析了种子电子的来源和对触发开关的贡献。研究结果表明，在阴极背面孔边缘触发时，光电发射产生的瞬发电子不是种子电子的主要来源，与烧蚀等离子有关的超快电子才是。因此，当在阴极背面孔边缘触发时，密度和熔沸点低，易烧蚀的材料更适合作为紫外弱聚焦激光触发伪火花开关的靶材。经测试，当在阴极背面孔边缘触发，工作电压为−15 kV，气压为80 Pa（氦气）时，以镁为靶材的开关能实现稳定触发导通的最低激光能量为2 mJ，远低于铜（6 mJ）和钼（8 mJ）。此外，在上述相同条件下，激光在开关阴极孔内壁触发时，触发时延和抖动分别为36.9 ns和1.41 ns，远低于在阴极背面孔边缘触发时的时延和抖动（116.4 ns和5.39 ns）。
当前对于光触发伪火花开关的研究主要集中在使用紫外激光触发，触发物理机制普遍认为是光电发射。然而，当紫外弱聚焦激光在低电场环境中照射光电材料（靶材）时，由光电发射产生的种子电子非常有限。为了进一步揭示紫外弱聚焦激光触发物理机制，利用266 nm紫外弱聚焦激光，搭建了开关测试实验平台和种子电子测试实验平台，研究了激光能量、开关电压、气压、靶材料、触发位置对开关触发特性的影响，分析了种子电子的来源和对触发开关的贡献。研究结果表明，在阴极背面孔边缘触发时，光电发射产生的瞬发电子不是种子电子的主要来源，与烧蚀等离子有关的超快电子才是。因此，当在阴极背面孔边缘触发时，密度和熔沸点低，易烧蚀的材料更适合作为紫外弱聚焦激光触发伪火花开关的靶材。经测试，当在阴极背面孔边缘触发，工作电压为−15 kV，气压为80 Pa（氦气）时，以镁为靶材的开关能实现稳定触发导通的最低激光能量为2 mJ，远低于铜（6 mJ）和钼（8 mJ）。此外，在上述相同条件下，激光在开关阴极孔内壁触发时，触发时延和抖动分别为36.9 ns和1.41 ns，远低于在阴极背面孔边缘触发时的时延和抖动（116.4 ns和5.39 ns）。
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2024, 36: 091001.
doi: 10.11884/HPLPB202436.240068
摘要:
针对双面抛光难以建立稳定去除函数进行加工面型预测这一问题，基于双面抛光加工原理，采用坐标变换法推导出元件上下表面相对速度分布方程，然后运用ANSYS软件仿真元件上下表面静态压力分布，采用多项式拟合法将仿真数据导入Matlab软件拟合出元件上下表面压力分布随时间变化公式。根据Preston方程推导修正系数K表达式，通过4组抛光实验数据计算出修正系数K值为2.588×10−15，构建双面抛光加工面型预测模型。最后通过加工实验验证该预测模型，实验结果表明预测PV值误差占元件实际加工后面型PV值的1.07%～7.4%，预测模型与实际加工后的面型吻合。
针对双面抛光难以建立稳定去除函数进行加工面型预测这一问题，基于双面抛光加工原理，采用坐标变换法推导出元件上下表面相对速度分布方程，然后运用ANSYS软件仿真元件上下表面静态压力分布，采用多项式拟合法将仿真数据导入Matlab软件拟合出元件上下表面压力分布随时间变化公式。根据Preston方程推导修正系数K表达式，通过4组抛光实验数据计算出修正系数K值为2.588×10−15，构建双面抛光加工面型预测模型。最后通过加工实验验证该预测模型，实验结果表明预测PV值误差占元件实际加工后面型PV值的1.07%～7.4%，预测模型与实际加工后的面型吻合。
2024, 36: 091002.
doi: 10.11884/HPLPB202436.240144
摘要:
在金属铝表面用飞秒激光分别刻蚀了四种形状的微结构，对比分析了周期不同的矩形、圆形、三角形和六边形微结构对沉积在其表面Cr元素水溶液的表面增强激光诱导击穿光谱（LIBS）光谱强度和稳定性的影响。研究结果表明微结构的周期越小，光谱增强效果越显著，其中矩形微结构在相同周期下表现出最优光谱增强效果，相比于未处理的金属铝，其光谱强度增强了4倍左右。此外，六边形微结构的光谱稳定性最佳，具有良好的可重复性。研究结果为今后采用表面增强LIBS法检测水溶液中的重金属元素提供了一种可行的基底制备方法。
在金属铝表面用飞秒激光分别刻蚀了四种形状的微结构，对比分析了周期不同的矩形、圆形、三角形和六边形微结构对沉积在其表面Cr元素水溶液的表面增强激光诱导击穿光谱（LIBS）光谱强度和稳定性的影响。研究结果表明微结构的周期越小，光谱增强效果越显著，其中矩形微结构在相同周期下表现出最优光谱增强效果，相比于未处理的金属铝，其光谱强度增强了4倍左右。此外，六边形微结构的光谱稳定性最佳，具有良好的可重复性。研究结果为今后采用表面增强LIBS法检测水溶液中的重金属元素提供了一种可行的基底制备方法。
2024, 36: 091003.
doi: 10.11884/HPLPB202436.240128
摘要:
为解决传统显微成像技术难以获取无色透明样本结构和厚度的问题，设计了一款小型透明样本3维重建系统。该系统通过对透明样本进行相位恢复，实现3维重建。系统的设计突破了传统光学结构，只需输入携带样本信息的光线，经过分光棱镜分成两路，终由双目相机捕获。系统使用3D打印制作，尺寸仅为110 mm×110 mm×60 mm，成本低廉，并可与传统显微成像设备配合使用。系统内置自动对焦和视场配准算法，只需采集1张过焦和1张欠焦图像，通过求解光强传输方程便可进行相位恢复，从而实现透明样本的3维重建。测试结果显示，10倍物镜下系统的成像分辨率可达2.46 μm，同时相位恢复精确度也能达到基本要求。系统成功对血细胞和载玻片划痕进行了3维重建，证明了系统的可行性与实用性。
为解决传统显微成像技术难以获取无色透明样本结构和厚度的问题，设计了一款小型透明样本3维重建系统。该系统通过对透明样本进行相位恢复，实现3维重建。系统的设计突破了传统光学结构，只需输入携带样本信息的光线，经过分光棱镜分成两路，终由双目相机捕获。系统使用3D打印制作，尺寸仅为110 mm×110 mm×60 mm，成本低廉，并可与传统显微成像设备配合使用。系统内置自动对焦和视场配准算法，只需采集1张过焦和1张欠焦图像，通过求解光强传输方程便可进行相位恢复，从而实现透明样本的3维重建。测试结果显示，10倍物镜下系统的成像分辨率可达2.46 μm，同时相位恢复精确度也能达到基本要求。系统成功对血细胞和载玻片划痕进行了3维重建，证明了系统的可行性与实用性。
2024, 36: 092001.
doi: 10.11884/HPLPB202436.240078
摘要:
为了实现多路激光集束焦斑测量，给出其时间和空间分辨的特性，搭建了基于成像系统、光电管结合示波器、条纹相机和科学CCD等主要部件组成的焦斑光学测试平台。实验之前，对科学CCD的灵敏度和动态范围及条纹相机增益系数、狭缝宽度、扫描时间等性能参数进行离线测试标定。采用CCD测试多路激光时间积分的集束焦斑空间分布；采用光电管结合示波器及条纹相机对多路激光到达靶点的时间同步进行测试；开展高质量集束焦斑的时间分辨特性测试，获得了光谱色散匀滑光束焦斑精细的时空演化图像。多路激光集束焦斑形态及多路光束时间同步测试为提升高功率激光装置焦斑测试技术和方法提供了支撑。
为了实现多路激光集束焦斑测量，给出其时间和空间分辨的特性，搭建了基于成像系统、光电管结合示波器、条纹相机和科学CCD等主要部件组成的焦斑光学测试平台。实验之前，对科学CCD的灵敏度和动态范围及条纹相机增益系数、狭缝宽度、扫描时间等性能参数进行离线测试标定。采用CCD测试多路激光时间积分的集束焦斑空间分布；采用光电管结合示波器及条纹相机对多路激光到达靶点的时间同步进行测试；开展高质量集束焦斑的时间分辨特性测试，获得了光谱色散匀滑光束焦斑精细的时空演化图像。多路激光集束焦斑形态及多路光束时间同步测试为提升高功率激光装置焦斑测试技术和方法提供了支撑。
2024, 36: 093001.
doi: 10.11884/HPLPB202436.240147
摘要:
针对高功率微波源在深空通信、空间无线能量传输和高功率超导线性加速器等应用中的实时功率控制难题，提出了一种利用注入锁定频率控制输出功率的方法。从理论上分析了注入锁定频控功率源的可行性，并基于双路S波段20 kW高功率磁控管完成了注入锁定频率控制输出功率的实验。实验结果表明，当双路20 kW磁控管的自由振荡频率或注入功率不同时，双管合成的输出功率可通过注入频率实现有效控制，功率控制的范围达到了3 dB，注入锁定的带宽达到了4.0 MHz，输出频谱尖锐，无啁啾颤噪，杂散抑制比为−65.0 dBc@500 kHz。该系统合成输出功率达到了33.9 kW，系统效率约为86.6%。上述研究结果为磁控管在高功率微波领域的应用起到了重大推动作用。
针对高功率微波源在深空通信、空间无线能量传输和高功率超导线性加速器等应用中的实时功率控制难题，提出了一种利用注入锁定频率控制输出功率的方法。从理论上分析了注入锁定频控功率源的可行性，并基于双路S波段20 kW高功率磁控管完成了注入锁定频率控制输出功率的实验。实验结果表明，当双路20 kW磁控管的自由振荡频率或注入功率不同时，双管合成的输出功率可通过注入频率实现有效控制，功率控制的范围达到了3 dB，注入锁定的带宽达到了4.0 MHz，输出频谱尖锐，无啁啾颤噪，杂散抑制比为−65.0 dBc@500 kHz。该系统合成输出功率达到了33.9 kW，系统效率约为86.6%。上述研究结果为磁控管在高功率微波领域的应用起到了重大推动作用。
2024, 36: 093002.
doi: 10.11884/HPLPB202436.240145
摘要:
随着高功率微波源频率的提升，腔体尺寸会随着电磁波波长的缩短而减小，从而导致器件功率容量不足，增大了射频击穿、脉冲缩短的风险。为了提升高频器件的功率容量，提出了一种基于TM03模式的低表面场强V波段同轴渡越时间振荡器，通过引入TM03模式的方式在极高频下拓宽腔体的横向尺寸，从而降低表面场强，提升功率容量。为了激励TM03模式并使之成为器件主要工作模式，计算了束波互作用结构的色散曲线及耦合阻抗，通过腔体设计使TM03模式的相速度与电子速度同步并发生换能，从而获得较低的群速度以及较高的耦合阻抗，最终成功在慢波结构中建立起了TM03模式电磁场。随后的粒子模拟仿真表明，在二极管电压400 kV、电流5 kA的条件下，输出微波功率达440 MW，频率为62.25 GHz，转换效率为22%，最大表面场强为1.6 MV/cm。
随着高功率微波源频率的提升，腔体尺寸会随着电磁波波长的缩短而减小，从而导致器件功率容量不足，增大了射频击穿、脉冲缩短的风险。为了提升高频器件的功率容量，提出了一种基于TM03模式的低表面场强V波段同轴渡越时间振荡器，通过引入TM03模式的方式在极高频下拓宽腔体的横向尺寸，从而降低表面场强，提升功率容量。为了激励TM03模式并使之成为器件主要工作模式，计算了束波互作用结构的色散曲线及耦合阻抗，通过腔体设计使TM03模式的相速度与电子速度同步并发生换能，从而获得较低的群速度以及较高的耦合阻抗，最终成功在慢波结构中建立起了TM03模式电磁场。随后的粒子模拟仿真表明，在二极管电压400 kV、电流5 kA的条件下，输出微波功率达440 MW，频率为62.25 GHz，转换效率为22%，最大表面场强为1.6 MV/cm。
2024, 36: 093003.
doi: 10.11884/HPLPB202436.240072
摘要:
为掌握雷达装备关键参数对虚警信号的影响规律，揭示虚警信号产生的本质原因，针对雷达装备在复杂电磁干扰中出现的多虚警信号问题，以某型步进频雷达为受试对象，理论阐明虚警干扰的作用机理和虚警目标的成像特征。理论与试验测定相结合，选取单频连续波为电磁干扰源，采用注入等效替代电磁辐射的试验方法，总结归纳雷达关键参数跳频间隔和频率步进对虚警信号影响规律。结果表明：受试雷达在单频电磁干扰作用下会产生能量较集中的虚警信号；受试雷达频率步进选取10 kHz、跳频时间0.05 ms时，虚警电平随干扰频偏的变化规律较稳定，信号幅度损失较小，该参数取值可作为控制参数的最优取值，依据该结果能够为后续开展雷达装备在多频电磁环境下的试验评估提供技术支撑。
为掌握雷达装备关键参数对虚警信号的影响规律，揭示虚警信号产生的本质原因，针对雷达装备在复杂电磁干扰中出现的多虚警信号问题，以某型步进频雷达为受试对象，理论阐明虚警干扰的作用机理和虚警目标的成像特征。理论与试验测定相结合，选取单频连续波为电磁干扰源，采用注入等效替代电磁辐射的试验方法，总结归纳雷达关键参数跳频间隔和频率步进对虚警信号影响规律。结果表明：受试雷达在单频电磁干扰作用下会产生能量较集中的虚警信号；受试雷达频率步进选取10 kHz、跳频时间0.05 ms时，虚警电平随干扰频偏的变化规律较稳定，信号幅度损失较小，该参数取值可作为控制参数的最优取值，依据该结果能够为后续开展雷达装备在多频电磁环境下的试验评估提供技术支撑。
2024, 36: 093004.
doi: 10.11884/HPLPB202436.240012
摘要:
为了满足星载通信中多任务并行需求，提出了一种由格里高利型反射面和三个馈源喇叭天线组成的共口径多波束反射面天线，该天线能够产生两个固定轮廓波束和一个点波束。天线设计是采用射线追踪法确定点波束馈源位置以建立天线基础结构，并通过Zernike多项式和Cubic B-splines函数共同对主、副反射面进行赋形优化来完成。为了验证该方法的有效性，对口径为1.1 m的天线进行仿真设计，结果表明两个赋形轮廓波束在Ku收、发频段边缘增益（EOC gain）分别为27.7、28.0、28.0、28.2 dBi，固定点波束在服务区EOC gain不低于34 dBi并且在0～6.5°范围内的扫描波束增益不低于35 dBi。
为了满足星载通信中多任务并行需求，提出了一种由格里高利型反射面和三个馈源喇叭天线组成的共口径多波束反射面天线，该天线能够产生两个固定轮廓波束和一个点波束。天线设计是采用射线追踪法确定点波束馈源位置以建立天线基础结构，并通过Zernike多项式和Cubic B-splines函数共同对主、副反射面进行赋形优化来完成。为了验证该方法的有效性，对口径为1.1 m的天线进行仿真设计，结果表明两个赋形轮廓波束在Ku收、发频段边缘增益（EOC gain）分别为27.7、28.0、28.0、28.2 dBi，固定点波束在服务区EOC gain不低于34 dBi并且在0～6.5°范围内的扫描波束增益不低于35 dBi。
2024, 36: 094001.
doi: 10.11884/HPLPB202436.230386
摘要:
针对高能同步辐射光源需要进行大批量磁铁的中心引出标定，提出了一种基于三坐标测量机的磁铁机械中心标定方案，确定了编写自动测量程序的流程和方法,参与完成了加速器中多种类型磁铁的标定。对176块储存环六极铁的三坐标机测量数据进行分析，结果表明：每块磁铁进行两遍机械中心标定，获得准直基准点的标定重复性在0.01 mm之内；极缝间距离的实测值与设计值标准偏差均在0.015 mm之内；标定效率相较激光跟踪仪提高了2倍。这种借助三坐标测量机的磁铁标定方法可以提高标定精度，降低人力成本，提高工作效率，能为加速器工程中磁铁中心的引出标定工作提供参考，保证加速器装置的安装顺利，满足加速器准直测量的工程进度要求。
针对高能同步辐射光源需要进行大批量磁铁的中心引出标定，提出了一种基于三坐标测量机的磁铁机械中心标定方案，确定了编写自动测量程序的流程和方法,参与完成了加速器中多种类型磁铁的标定。对176块储存环六极铁的三坐标机测量数据进行分析，结果表明：每块磁铁进行两遍机械中心标定，获得准直基准点的标定重复性在0.01 mm之内；极缝间距离的实测值与设计值标准偏差均在0.015 mm之内；标定效率相较激光跟踪仪提高了2倍。这种借助三坐标测量机的磁铁标定方法可以提高标定精度，降低人力成本，提高工作效率，能为加速器工程中磁铁中心的引出标定工作提供参考，保证加速器装置的安装顺利，满足加速器准直测量的工程进度要求。
2024, 36: 094002.
doi: 10.11884/HPLPB202436.230283
摘要:
Penning离子源因为结构简单、体积小、功耗低等优点，被广泛应用在伴随中子管中。基于实验室所用的潘宁（Penning）离子源，分析其电离时的伏-安特性；通过CCD相机拍摄观察离子源内部等离子体分布情况；采用光谱法诊断氢等离子体中电子的密度和温度。基于实验测试用的Penning离子源结构，建立H2分子碰撞电离的全局模型，分析离子源的工作参数与等离子体中电子温度和电子密度之间的关系。仿真结果表明：电子温度和电子密度与离子源的运行压强、磁场和功率密切相关；电子密度随功率增加逐渐增加、随磁场强度和压强都是先增加后减小，因此需将磁场强度控制在0.03～0.05 T，压强控制在（0.2～2）×10−2 Pa之间；电子温度随功率增加逐渐增加、随压强增加逐渐减小。通过模型可知，在Penning离子源的工作区间内，电子平均温度小于10 eV，电子密度数量级为1010 cm−3。
Penning离子源因为结构简单、体积小、功耗低等优点，被广泛应用在伴随中子管中。基于实验室所用的潘宁（Penning）离子源，分析其电离时的伏-安特性；通过CCD相机拍摄观察离子源内部等离子体分布情况；采用光谱法诊断氢等离子体中电子的密度和温度。基于实验测试用的Penning离子源结构，建立H2分子碰撞电离的全局模型，分析离子源的工作参数与等离子体中电子温度和电子密度之间的关系。仿真结果表明：电子温度和电子密度与离子源的运行压强、磁场和功率密切相关；电子密度随功率增加逐渐增加、随磁场强度和压强都是先增加后减小，因此需将磁场强度控制在0.03～0.05 T，压强控制在（0.2～2）×10−2 Pa之间；电子温度随功率增加逐渐增加、随压强增加逐渐减小。通过模型可知，在Penning离子源的工作区间内，电子平均温度小于10 eV，电子密度数量级为1010 cm−3。
2024, 36: 094003.
doi: 10.11884/HPLPB202436.230452
摘要:
在环形对撞机中等方位角间隔安装奇数个西伯利亚蛇是用来获得纵向极化束对撞的通常方案。根据超级陶粲装置的特点，选取螺线管型西伯利亚蛇作为维持束流极化的装置。详细介绍了如何把粒子群优化算法与螺线管蛇去耦合和光学匹配问题相结合，对它进行快速优化设计，并对设计结果进行了展示。结果显示，基于粒子群算法的螺线管蛇优化设计有效且高效。
在环形对撞机中等方位角间隔安装奇数个西伯利亚蛇是用来获得纵向极化束对撞的通常方案。根据超级陶粲装置的特点，选取螺线管型西伯利亚蛇作为维持束流极化的装置。详细介绍了如何把粒子群优化算法与螺线管蛇去耦合和光学匹配问题相结合，对它进行快速优化设计，并对设计结果进行了展示。结果显示，基于粒子群算法的螺线管蛇优化设计有效且高效。
2024, 36: 094004.
doi: 10.11884/HPLPB202436.240023
摘要:
辐照通量是指单位时间里离子辐照的细胞数量，是单离子束细胞辐照系统的重要性能指标。为提高单离子定位辐照通量，将微流控技术应用于单离子束细胞辐照系统，实现了单离子-单细胞精确定位自动辐照技术。微流控芯片上建立细胞储液池、O2和CO2注入通道、恒温加热、pH检测、细胞检测等功能机构。细胞微流受驱动在通道中保持运动，离子经微流控芯片辐照点射入微通道，对动态细胞进行辐照。基于CAS-LIBB装置，建立离子定位微流细胞的计算模型，研究离子精确瞄准微流细胞的基本方法和规律，获得微流细胞速度、最大辐照通量、辐照剂量、细胞间距等多个参量之间的相互约束关系，成为系统运行的理论指导。提出“即测即打”运行模式，以加快辐照速度，提高离子定位准确性。结果表明，细胞速度和辐照通量均存在上限值，提高微流细胞数密度和离子发射密度，是提高辐照通量的可选方法。采用微流控技术后，辐照通量达到10000 细胞/h，相比之前提高10倍以上。计算数据和实验结果基本吻合。
辐照通量是指单位时间里离子辐照的细胞数量，是单离子束细胞辐照系统的重要性能指标。为提高单离子定位辐照通量，将微流控技术应用于单离子束细胞辐照系统，实现了单离子-单细胞精确定位自动辐照技术。微流控芯片上建立细胞储液池、O2和CO2注入通道、恒温加热、pH检测、细胞检测等功能机构。细胞微流受驱动在通道中保持运动，离子经微流控芯片辐照点射入微通道，对动态细胞进行辐照。基于CAS-LIBB装置，建立离子定位微流细胞的计算模型，研究离子精确瞄准微流细胞的基本方法和规律，获得微流细胞速度、最大辐照通量、辐照剂量、细胞间距等多个参量之间的相互约束关系，成为系统运行的理论指导。提出“即测即打”运行模式，以加快辐照速度，提高离子定位准确性。结果表明，细胞速度和辐照通量均存在上限值，提高微流细胞数密度和离子发射密度，是提高辐照通量的可选方法。采用微流控技术后，辐照通量达到
2024, 36: 094005.
doi: 10.11884/HPLPB202436.230403
摘要:
为提高用于医用同位素211At生产的金属Bi靶在高束流功率作用下的可靠性与使役寿命，对多种束流均匀化方法进行了模拟与对比，利用计算流体力学（CFD）方法模拟分析了在wobbler磁铁作用下强度为500 eμA的α束流轰击Bi靶产生的热效应，为靶系统的设计和寿命的延长提供了关键技术支撑。结果表明，通过扫描实现束流均匀化可大幅降低靶上的最大热功率密度；在靶前采用wobbler磁铁对束流进行周期性圆扫描可有效降低Bi靶的表面温度。当扫描频率为50 Hz时，Bi靶最高温度为189.8 ℃，低于其熔点（271.3 ℃），能够满足Bi靶在此高功率束流照射下安全运行的温度要求。
为提高用于医用同位素211At生产的金属Bi靶在高束流功率作用下的可靠性与使役寿命，对多种束流均匀化方法进行了模拟与对比，利用计算流体力学（CFD）方法模拟分析了在wobbler磁铁作用下强度为500 eμA的α束流轰击Bi靶产生的热效应，为靶系统的设计和寿命的延长提供了关键技术支撑。结果表明，通过扫描实现束流均匀化可大幅降低靶上的最大热功率密度；在靶前采用wobbler磁铁对束流进行周期性圆扫描可有效降低Bi靶的表面温度。当扫描频率为50 Hz时，Bi靶最高温度为189.8 ℃，低于其熔点（271.3 ℃），能够满足Bi靶在此高功率束流照射下安全运行的温度要求。
2024, 36: 095001.
doi: 10.11884/HPLPB202436.240120
摘要:
近年来，采用新一代半导体开关替代传统气体或真空开关是脉冲功率系统的一种重要发展趋势。为了给脉冲功率半导体器件领域的技术发展提供参考，简要介绍了压控型脉冲功率半导体器件技术的发展历程，总结了MOS栅控晶闸管（MCT）在器件设计、工艺和可靠性等方面的研究进展，同时通过比较MCT与一般商业IGBT器件，阐述了MCT相比于其他功率脉冲半导体器件的优劣情况，并结合典型应用场景展示了MCT器件的优势，对压控型脉冲功率半导体器件的发展趋势进行了简要分析。
近年来，采用新一代半导体开关替代传统气体或真空开关是脉冲功率系统的一种重要发展趋势。为了给脉冲功率半导体器件领域的技术发展提供参考，简要介绍了压控型脉冲功率半导体器件技术的发展历程，总结了MOS栅控晶闸管（MCT）在器件设计、工艺和可靠性等方面的研究进展，同时通过比较MCT与一般商业IGBT器件，阐述了MCT相比于其他功率脉冲半导体器件的优劣情况，并结合典型应用场景展示了MCT器件的优势，对压控型脉冲功率半导体器件的发展趋势进行了简要分析。
2024, 36: 095002.
doi: 10.11884/HPLPB202436.240123
摘要:
为提高线圈发射器的发射速度及能量利用率，研究了磁阻型电磁线圈发射器不同放电电路结构对发射性能的影响。对晶闸管式（SCR)、半桥式、阻容（RCD）吸收式、Boost-Buck式四种不同结构放电电路进行分析，使用有限元方法研究了四种电路对发射性能的影响。结果表明，相同条件下，相比SCR式电路，三种可关断电路中，Boost-Buck式电路下电枢出口速度提升最少，为78.77%；RCD式电路下系统能量利用率提升最少，为220.66%。可关断电路中电流的衰减速率会影响电枢的加速度，存在最优电流衰减速率曲线；单级可关断电路中出口速度与系统能量利用率搭配最均衡的为半桥式放电电路；Boost-Buck式放电电路更具灵活性，更适合应用于多级线圈发射器中。
为提高线圈发射器的发射速度及能量利用率，研究了磁阻型电磁线圈发射器不同放电电路结构对发射性能的影响。对晶闸管式（SCR)、半桥式、阻容（RCD）吸收式、Boost-Buck式四种不同结构放电电路进行分析，使用有限元方法研究了四种电路对发射性能的影响。结果表明，相同条件下，相比SCR式电路，三种可关断电路中，Boost-Buck式电路下电枢出口速度提升最少，为78.77%；RCD式电路下系统能量利用率提升最少，为220.66%。可关断电路中电流的衰减速率会影响电枢的加速度，存在最优电流衰减速率曲线；单级可关断电路中出口速度与系统能量利用率搭配最均衡的为半桥式放电电路；Boost-Buck式放电电路更具灵活性，更适合应用于多级线圈发射器中。
2024, 36: 095003.
doi: 10.11884/HPLPB202436.230218
摘要:
峰化电容器由于结构紧凑一般采用间接测量其承受的电压，而峰化电容电压的直接测量一直是难以解决的问题。为了解决该问题，以峰化电容器为基础，研制了一种新型结构的电阻补偿式自积分型峰化电容一体化电容分压器。其次，根据分压器的新型结构分析了峰化电容一体化电容分压器的理论分压比，给出了理论分压比计算公式，分析了影响低频响应的因素并进行了电路仿真验证。同时，开展了方波标定实验，得到了两个探头的分压比及响应时间，且探头响应时间均小于6.2 ns。此外，为了得到更准确的分压比并验证正常工作状态下该一体化电容分压器分压比的稳定性，进行了高压在线标定实验，得到了1#探头分压比为11071 ，2#探头分压比为15148 。且在更高电压等级下，该电容分压器探头的测量相对误差较小，分压比稳定性良好。
峰化电容器由于结构紧凑一般采用间接测量其承受的电压，而峰化电容电压的直接测量一直是难以解决的问题。为了解决该问题，以峰化电容器为基础，研制了一种新型结构的电阻补偿式自积分型峰化电容一体化电容分压器。其次，根据分压器的新型结构分析了峰化电容一体化电容分压器的理论分压比，给出了理论分压比计算公式，分析了影响低频响应的因素并进行了电路仿真验证。同时，开展了方波标定实验，得到了两个探头的分压比及响应时间，且探头响应时间均小于6.2 ns。此外，为了得到更准确的分压比并验证正常工作状态下该一体化电容分压器分压比的稳定性，进行了高压在线标定实验，得到了1#探头分压比为
2024, 36: 096001.
doi: 10.11884/HPLPB202436.240024
摘要:
为了深入研究核数据不确定度对JRR-3M研究堆有效增殖因子计算的影响，建立了一套基于蒙特卡罗法的核数据不确定度量化流程。具体方法为：使用核数据扰动软件SANDY扰动目标核素的重要反应道生成扰动文件，再通过核数据加工软件NJOY对扰动文件进行处理，最终利用核反应堆物理模拟软件OpenMC进行蒙特卡罗模拟。针对JRR-3M研究堆的控制棒全插、反应堆临界、控制棒全拔三种运行工况，对多个关键核素（如235U、238U、Hf等）的核数据不确定度给有效增殖因子计算带来的影响进行了详细分析。研究结果表明，177Hf、235U、1H、27Al的核数据不确定度对JRR-3M有效增殖因子具有显著影响。临界、控制棒全插和控制棒全提这3种工况下，核数据不确定引起的有效增殖因子总不确定度分别为660.8×10−5、588.5×10−5、708.4×10−5。在各个工况下，235U的次级粒子能量分布的影响都是最大的。研究发现，对以铪为主要组成材料的控制棒内，只有177Hf的核数据不确定度起主要影响。
为了深入研究核数据不确定度对JRR-3M研究堆有效增殖因子计算的影响，建立了一套基于蒙特卡罗法的核数据不确定度量化流程。具体方法为：使用核数据扰动软件SANDY扰动目标核素的重要反应道生成扰动文件，再通过核数据加工软件NJOY对扰动文件进行处理，最终利用核反应堆物理模拟软件OpenMC进行蒙特卡罗模拟。针对JRR-3M研究堆的控制棒全插、反应堆临界、控制棒全拔三种运行工况，对多个关键核素（如235U、238U、Hf等）的核数据不确定度给有效增殖因子计算带来的影响进行了详细分析。研究结果表明，177Hf、235U、1H、27Al的核数据不确定度对JRR-3M有效增殖因子具有显著影响。临界、控制棒全插和控制棒全提这3种工况下，核数据不确定引起的有效增殖因子总不确定度分别为660.8×10−5、588.5×10−5、708.4×10−5。在各个工况下，235U的次级粒子能量分布的影响都是最大的。研究发现，对以铪为主要组成材料的控制棒内，只有177Hf的核数据不确定度起主要影响。
2024, 36: 096002.
doi: 10.11884/HPLPB202436.240117
摘要:
高分辨率通用型三维多粒子输运蒙特卡罗软件JMCT能够模拟任意复杂几何系统的中子/光子/电子/质子/分子/光辐射/大气输运问题，支持数十万核的多级并行，已广泛用于辐射屏蔽、反应堆临界安全分析、核探测及核医学等领域。JMCT已升级到3.0版本，相比2.0版本，3.0版本新增了13项功能，改进发展了8种算法，通过对低层JCOGIN框架的优化，计算效率提高30%~600%。新功能主要用于图像诊断、闪光照相、光辐射及大气输运的模拟。JMCT3.0开发了质子、低能光子/电子及分子模拟功能，通过基准检验，验证了算法的正确有效性。
高分辨率通用型三维多粒子输运蒙特卡罗软件JMCT能够模拟任意复杂几何系统的中子/光子/电子/质子/分子/光辐射/大气输运问题，支持数十万核的多级并行，已广泛用于辐射屏蔽、反应堆临界安全分析、核探测及核医学等领域。JMCT已升级到3.0版本，相比2.0版本，3.0版本新增了13项功能，改进发展了8种算法，通过对低层JCOGIN框架的优化，计算效率提高30%~600%。新功能主要用于图像诊断、闪光照相、光辐射及大气输运的模拟。JMCT3.0开发了质子、低能光子/电子及分子模拟功能，通过基准检验，验证了算法的正确有效性。
2024, 36: 096003.
doi: 10.11884/HPLPB202436.230385
摘要:
高空电磁脉冲（HEMP）能够对电子器件或系统产生不可忽视的电磁脉冲效应。选取高速比较器与时钟驱动器，采用脉冲电流注入（PCI）的实验方法研究这两种器件电源模块的电磁敏感性。试验结果表明：双指数脉冲电流的上升沿是引起高速比较器与时钟驱动器输出扰动的主要原因，且扰动幅度都受到注入脉冲电流幅值的影响；高速比较器工作在不同电平时电源模块的电磁敏感性不同；高速比较器与时钟驱动器在不同工作频率下会表现出不同的电磁敏感性。研究结果对电子器件或系统的电磁敏感性分析与加固具有一定的指导意义。
高空电磁脉冲（HEMP）能够对电子器件或系统产生不可忽视的电磁脉冲效应。选取高速比较器与时钟驱动器，采用脉冲电流注入（PCI）的实验方法研究这两种器件电源模块的电磁敏感性。试验结果表明：双指数脉冲电流的上升沿是引起高速比较器与时钟驱动器输出扰动的主要原因，且扰动幅度都受到注入脉冲电流幅值的影响；高速比较器工作在不同电平时电源模块的电磁敏感性不同；高速比较器与时钟驱动器在不同工作频率下会表现出不同的电磁敏感性。研究结果对电子器件或系统的电磁敏感性分析与加固具有一定的指导意义。
2024, 36: 096004.
doi: 10.11884/HPLPB202436.240152
摘要:
图像重建算法对编码孔伽马相机的成像性能有重要的影响，然而广泛使用的最大似然期望最大化（MLEM）算法无法在较强干扰背景下有效抑制图像中的噪声，当超过一定迭代次数后，图像信噪比会逐渐降低。针对MLEM算法的这一“病态性”问题开展了研究。首先将最大后验估计（MAP）算法应用于编码孔图像重建，接着分析了算法中Gibbs先验函数的邻域大小和权值系数等关键参数的选取方法。然后使用编码孔相机开展了成像实验，对比了MLEM算法与MAP算法对22Na点源的图像重建结果。结果表明，在300～1200 次迭代下，MLEM重建图像中出现了明显的噪点，且随着迭代深入图像质量逐渐变差；而MAP重建图像没有出现明显噪点，重建图像的平均梯度相较于MLEM降低了26.45%～49.16%，对比度噪声比（CNR）提升了42.32%～351.07%。另外，对比了3×3和5×5邻域大小时的多点源图像重建结果，结果显示，邻域过小会导致重建图像的热点亮度降低，与理论分析结果一致。最后，分别对比了MLEM与MAP算法在较远距离和较强干扰两种场景下的成像结果，MAP算法均表现出更好的信噪比性能。
图像重建算法对编码孔伽马相机的成像性能有重要的影响，然而广泛使用的最大似然期望最大化（MLEM）算法无法在较强干扰背景下有效抑制图像中的噪声，当超过一定迭代次数后，图像信噪比会逐渐降低。针对MLEM算法的这一“病态性”问题开展了研究。首先将最大后验估计（MAP）算法应用于编码孔图像重建，接着分析了算法中Gibbs先验函数的邻域大小和权值系数等关键参数的选取方法。然后使用编码孔相机开展了成像实验，对比了MLEM算法与MAP算法对22Na点源的图像重建结果。结果表明，在300～
2024, 36: 099001.
doi: 10.11884/HPLPB202436.240079
摘要:
针对噪声对跳频信号参数估计造成的困难，提出了基于时频变换和波形整形的跳频信号参数估计方法。对跳频信号进行短时傅里叶变换，计算得到时频脊线，对时频脊线进行波形整形处理，消除噪声造成的虚假跳频时刻干扰，通过跳频时刻序列得到跳周期序列，对跳周期序列计算其直方图，选出出现次数最多的值来计算跳频信号的跳频速率。根据跳周期序列分别取出每段信号，再进行频率估计。通过实验验证了提出方法的有效性，综合利用时频变换及波形整形处理技术，保证了在低信噪比下跳频信号跳频时刻、跳频速率及跳频频率的理想估计结果。
针对噪声对跳频信号参数估计造成的困难，提出了基于时频变换和波形整形的跳频信号参数估计方法。对跳频信号进行短时傅里叶变换，计算得到时频脊线，对时频脊线进行波形整形处理，消除噪声造成的虚假跳频时刻干扰，通过跳频时刻序列得到跳周期序列，对跳周期序列计算其直方图，选出出现次数最多的值来计算跳频信号的跳频速率。根据跳周期序列分别取出每段信号，再进行频率估计。通过实验验证了提出方法的有效性，综合利用时频变换及波形整形处理技术，保证了在低信噪比下跳频信号跳频时刻、跳频速率及跳频频率的理想估计结果。
2024, 36: 099002.
doi: 10.11884/HPLPB202436.240177
摘要:
针对多设备叠加系统级电磁兼容性问题，提出了一种基于神经网络反向模型的复杂系统电磁干扰预测新方法。首先实测单设备电场辐射发射数据，通过噪声源辐射发射等效性原理仿真多设备叠加的系统级电场辐射发射，获取训练样本集。选择各设备辐射场强、频率、坐标为输入参数，以系统级电场辐射发射为输出参数，建立基于Levenberg-Marquardt （LM）算法的三层逆向传播（BP）神经网络的反向模型，将神经网络的输入、输出反向，寻找验证误差最小的备选神经网络作为最终的神经网络，并结合试位法和共轭梯度法等数值求解算法计算神经网络输出。结果表明，该模型仿真的验证误差较传统三层LM-BP神经网络改善明显，其中采用共轭梯度法求解的神经网络反向模型将验证误差由0.4159 %减小到了0.0997 %。该方法不仅不依赖于复杂的神经网络结构，且在有限的训练数据规模下提高了模型精度，为舰船、卫星、飞机等电子信息平台的电磁兼容性评估提供了一种新的高效解决途径。
针对多设备叠加系统级电磁兼容性问题，提出了一种基于神经网络反向模型的复杂系统电磁干扰预测新方法。首先实测单设备电场辐射发射数据，通过噪声源辐射发射等效性原理仿真多设备叠加的系统级电场辐射发射，获取训练样本集。选择各设备辐射场强、频率、坐标为输入参数，以系统级电场辐射发射为输出参数，建立基于Levenberg-Marquardt （LM）算法的三层逆向传播（BP）神经网络的反向模型，将神经网络的输入、输出反向，寻找验证误差最小的备选神经网络作为最终的神经网络，并结合试位法和共轭梯度法等数值求解算法计算神经网络输出。结果表明，该模型仿真的验证误差较传统三层LM-BP神经网络改善明显，其中采用共轭梯度法求解的神经网络反向模型将验证误差由
2024, 36: 092002.
doi: 10.11884/HPLPB202436.240106
摘要:
双层磁化套筒靶在内层采用高原子序数（Z）材料，减少了因能斯特效应导致的磁通损失并降低点火要求，为磁化靶聚变提供了一种备选方案。然而，添加高Z材料也可能增加由于物质混合而产生的辐射损失。通过在金属套筒中使用带有塑料掺杂的锗作为高Z替代物，初步分析了磁场能斯特输运和物质混合对磁化套筒惯性聚变的影响。与单层套筒相比，双层套筒靶展示出温度和磁通的显著增加，从而使聚变产额提高了154%。将碳氢掺杂剂添加到最内层的锗中，模拟了物质混合对聚变产额的影响。研究结果表明，锗与CH混合，保持较低的混合比例，能够显著提高聚变产额。
双层磁化套筒靶在内层采用高原子序数（Z）材料，减少了因能斯特效应导致的磁通损失并降低点火要求，为磁化靶聚变提供了一种备选方案。然而，添加高Z材料也可能增加由于物质混合而产生的辐射损失。通过在金属套筒中使用带有塑料掺杂的锗作为高Z替代物，初步分析了磁场能斯特输运和物质混合对磁化套筒惯性聚变的影响。与单层套筒相比，双层套筒靶展示出温度和磁通的显著增加，从而使聚变产额提高了154%。将碳氢掺杂剂添加到最内层的锗中，模拟了物质混合对聚变产额的影响。研究结果表明，锗与CH混合，保持较低的混合比例，能够显著提高聚变产额。
