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多路激光集束的焦斑测试技术
孙志红, 张波, 赵军普, 董军, 曾发, 李平
当前状态:  doi: 10.11884/HPLPB202436.240078
[摘要](6) [HTML全文](5) [PDF 8824KB](0)
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和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。
异面结构雪崩GaAs光导开关的制备及特性测试
杨迎香, 杨向红, 朱章杰, 黄嘉, 李昕, 胡龙
当前状态:  doi: 10.11884/HPLPB202436.240161
[摘要](11) [HTML全文](9) [PDF 2410KB](0)
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。
基于最大后验估计的编码孔图像重建算法
秦玉瑞, 朱巴邻, 王忠海, 周荣, 杨朝文
当前状态:  doi: 10.11884/HPLPB202436.240152
[摘要](16) [HTML全文](13) [PDF 42597KB](0)
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。本文针对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至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%至49.16%,对比度噪声比(CNR)提升了42.32%至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算法均表现出更良好的信噪比性能。
基于相位恢复的透明样本3维重建系统
曹皓月, 赵晨, 刘静, 彭贺, 周扬, 杨树蔚, 马悦, 卢奕冰
当前状态:  doi: 10.11884/HPLPB202436.240128
[摘要](19) [HTML全文](12) [PDF 36220KB](108)
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。
利用掺杂层研究磁化靶中的能斯特效应
陈诗佳, 张华, 周沧涛, 卓红斌, 吴福源, RafaelRamis
当前状态:  doi: 10.11884/HPLPB202436.240106
[摘要](15) [HTML全文](13) [PDF 1624KB](1)
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,即使锗与其他物质混合,只要保持较低的混合比例,也能显著提高聚变产额。
高能光源磁铁的三坐标标定技术
韩圆颖, 董岚, 王铜, 卢尚, 闫路平, 张露彦, 刘晓阳, 闫皓月, 门玲鸰, 王小龙, 李波, 梁静, 马娜, 何振强, 柯志勇
当前状态:  doi: 10.11884/HPLPB202436.230386
[摘要](21) [HTML全文](12) [PDF 7612KB](1)
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。
266 nm紫外弱聚焦激光触发伪火花开关研究
聂少豪, 孙国祥, 余锟浩, 袁琪, 丁卫东, 王霞
当前状态:  doi: 10.11884/HPLPB202436.240086
[摘要](22) [HTML全文](18) [PDF 9858KB](0)
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)。
磁阻型线圈发射器电路拓扑优化与性能提升
王振春, 胡言, 张玉婷
当前状态:  doi: 10.11884/HPLPB202436.240123
[摘要](28) [HTML全文](22) [PDF 1104KB](3)
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。
高功率S波段注入锁定频控功率源研究
刘臻龙
当前状态:  doi: 10.11884/HPLPB202436.240147
[摘要](64) [HTML全文](23) [PDF 4296KB](775)
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。
基于粒子群优化算法设计超级陶粲工厂中的螺线管蛇装置
蓝杰钦, 钟敏良, 王栋梁, 李炜煌, 谭淦, 曾德榕, 高巍巍
当前状态:  doi: 10.11884/HPLPB202436.230452
[摘要](216) [HTML全文](34) [PDF 1424KB](21)
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。根据超级陶粲工厂的特点,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。
高速比较器与时钟驱动器电源模块电磁敏感性研究
李宁, 彭治钢, 贺朝会
当前状态:  doi: 10.11884/HPLPB202436.230385
[摘要](51) [HTML全文](25) [PDF 3496KB](5)
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的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。
步进频雷达关键参数对虚警信号的影响分析
杜雪, 魏光辉, 吴大林
当前状态:  doi: 10.11884/HPLPB202436.240072
[摘要](908) [HTML全文](23) [PDF 1127KB](1)
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。
核数据引起的研究堆有效增殖因子计算不确定度量化
孙静宇, 马纪敏
当前状态:  doi: 10.11884/HPLPB202436.240024
[摘要](58) [HTML全文](30) [PDF 1729KB](1)
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(keff)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keff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keff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。
伴随中子管Penning源诊断及仿真研究
叶龙建, 董攀, 李杰, 张东东, 陈宇航, 胡志杰
当前状态:  doi: 10.11884/HPLPB202436.230283
[摘要](58) [HTML全文](24) [PDF 10693KB](1)
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
一种MV级峰化电容一体化电容分压器的研制
李奇胜, 李俊娜, 李楚男, 王永亮, 龚渝涵, 刘建
当前状态:  doi: 10.11884/HPLPB202436.230218
[摘要](72) [HTML全文](40) [PDF 6706KB](9)
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以及影响低频响应因素的分析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的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。
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金属微结构表面增强激光诱导击穿光谱的强度与稳定性
祁言兵, 汤家原, 姜蒙恩, 周卫东
当前状态:  doi: 10.11884/HPLPB202436.240144
[摘要](47) [HTML全文](28) [PDF 1856KB](4)
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。
光学元件双面抛光加工面型预测模型
米智恺, 聂凤明, 黄思玲, 薛枫
当前状态:  doi: 10.11884/HPLPB202436.240068
[摘要](65) [HTML全文](28) [PDF 7822KB](6)
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。
基于时频变换和波形整形的跳频信号参数估计方法
王川川, 张宽桥, 王满喜
当前状态:  doi: 10.11884/HPLPB202436.240079
[摘要](52) [HTML全文](29) [PDF 1209KB](4)
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。
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封面目录
《强激光与粒子束》2024年36卷第7期封面目录
《强》刊编辑部
[PDF 5772KB](46)
强激光物理与技术
2 μm超窄线宽光纤激光实现1 kW近衍射极限输出
刘航, 王宏宇, 王佳伟, 于洋, 张骞文, 冯昱骏, 孙殷宏, 徐善辉, 鲁燕华, 唐淳
2024, 36: 071001.   doi: 10.11884/HPLPB202436.240171
[摘要](208) [HTML全文](53) [PDF 2804KB](75)
摘要:
2 μm波段光纤激光广泛应用于生物医学、环境监测、非线性频率转换,以及激光雷达和激光通信领域,备受研究人员关注。然而,该波段的激光器功率提升面临着低量子效率、高热负载和部分非线性效应的限制。基于反转概率调谐序列的高阶相位调制技术以抑制SBS效应、多级链路自动反馈的信号激光时域稳定控制技术以提升SRS阈值,以及光纤基横模纯化技术以控制光束质量,采用两级主放大结构,在1 950 nm波长实现了1 kW窄线宽近衍射极限输出,光光转换效率达55.6%,线宽3.8 GHz,光束质量M2约1.2,在最高功率时无横向模式不稳定效应。
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
2024, 36: 071002.   doi: 10.11884/HPLPB202436.230430
[摘要](219) [HTML全文](94) [PDF 12140KB](57)
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。
高功率微波技术
高空核爆炸磁流体动力学电磁脉冲
王建国
2024, 36: 073001.   doi: 10.11884/HPLPB202436.240105
[摘要](235) [HTML全文](64) [PDF 5003KB](57)
摘要:
高空核爆炸产生的磁流体动力学(晚期)电磁脉冲对电力系统等国家重要基础设施具有严重影响。由于晚期电磁脉冲产生的机理复杂,依赖因素众多,包括爆炸当量、爆高、爆炸方位、爆炸时间、观察点位置以及土壤电导率等,因此,目前还没有成熟的代码可以模拟整个晚期电磁脉冲的产生过程。介绍晚期电磁脉冲的产生机理,讨论晚期电磁脉冲电场随核装置爆炸当量、爆高和大气状况的变化关系。E3A电场峰值随爆炸当量线性增加,而E3B电场峰值则随爆炸当量增加出现明显的饱和效应。分析了当前晚期电磁脉冲模拟代码现状,为进一步研究晚期电磁脉冲数值模拟方法和代码研发提供参考。
一种新型可移动TEM喇叭辐射波模拟器的模拟优化
朱湘琴, 吴伟, 蔡利兵
2024, 36: 073002.   doi: 10.11884/HPLPB202436.240093
[摘要](128) [HTML全文](59) [PDF 2177KB](28)
摘要:
为改善基于TEM喇叭的辐射波模拟器的低频辐射特性从而展宽其辐射近场半高宽,首次提出了在指数型TEM喇叭上/下两个极板的端口加上2个金属直板、并通过倾斜金属板和并联电阻相连的新型可移动模拟器的设计方案。基于FDTD方法模拟分析了该新型模拟器的特性参数对其近场辐射性能的影响,并给出了优化后的模拟器及其阵列的辐射特性。计算结果表明:尺寸为6 m×6 m×6.24 m的优化后的新型模拟器在距离口面3 m的中心位置的辐射近场脉宽能达到18.95 ns,而达到相同低频辐射性能的常规模拟器尺寸为9 m×12 m×6.8 m。且与常规模拟器相比,优化后的模拟器的场峰值更大。与前人的研究相比,优化后的模拟器场在保持高峰值的同时,时域波形后延震荡的幅度与主峰的比值明显减小。优化后的模拟器2×2阵列模型的测试平面中心点场峰值最大,且在测试平面上满足6 dB均匀性要求的有效测试区最大;有效测试区在横向上范围最大的是2×2阵列模型,其次是2×1阵列模型;在纵向上范围最大的是2×2阵列模型及1×2阵列模型。
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
2024, 36: 073003.   doi: 10.11884/HPLPB202436.230433
[摘要](158) [HTML全文](79) [PDF 12592KB](46)
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 λλ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。
电磁场B样条间断有限元方法
华沁怡, 李林, 齐红新
2024, 36: 073004.   doi: 10.11884/HPLPB202436.240076
[摘要](131) [HTML全文](66) [PDF 16280KB](33)
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,二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,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。
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
2024, 36: 073005.   doi: 10.11884/HPLPB202436.230421
[摘要](173) [HTML全文](70) [PDF 5908KB](48)
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。
粒子束及加速器技术
直线加速器控制网测量跟踪仪测角误差标定
张翼飞, 董晓浩, 陈家华, 孙小沛, 刘芳芳
2024, 36: 074001.   doi: 10.11884/HPLPB202436.230374
[摘要](81) [HTML全文](58) [PDF 1081KB](21)
摘要:
根据关键设备在直线加速器隧道内的布局,控制网布设在隧道地面和墙面。跟踪仪是直线加速器控制网测量的主要仪器,跟踪仪的测角误差是影响设备精度的关键因素。根据隧道墙面和地面网点的布局以及跟踪仪测量方案,对跟踪仪所有测量状态下的水平角和垂直角进行分解;然后通过高精度三坐标测量仪和跟踪仪联动测试,对分解后的角度进行高精度求解,解算值用于修正跟踪仪的实测角度。结果表明,不管是哪种测量状态,跟踪仪实测角度值均大于解算值;地面网点垂直角和水平角的偏差与跟踪仪的标称精度基本相当;墙面点水平角超过15°时,测角误差随着角度的增加而增大,在隧道控制网测量时需要对墙面点水平角进行修正。
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
2024, 36: 074002.   doi: 10.11884/HPLPB202436.230425
[摘要](129) [HTML全文](77) [PDF 8946KB](30)
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。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Ansys Workbench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
2024, 36: 074003.   doi: 10.11884/HPLPB202436.230413
[摘要](139) [HTML全文](61) [PDF 4708KB](23)
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。
基于斜孔散射校正板的锥束X射线CT散射校正方法
郭成龙, 倪培君, 齐子诚, 付康
2024, 36: 074004.   doi: 10.11884/HPLPB202436.230362
[摘要](110) [HTML全文](52) [PDF 21702KB](30)
摘要:
锥束X射线CT和二维扇束、平行束CT系统相比具有扫描速度快、射线利用率高、重建图像轴向分辨率和水平分辨率一致等优点,是当前工业CT技术发展的重点。然而,由于散射线的存在,其成像质量受到影响。为了减小散射线对图像质量的影响,提出一种新的基于斜孔散射校正板的散射校正方法,对该方法的原理和实现进行了深入的研究,通过获取原始扫描数据以及斜孔散射校正板后的扫描数据,利用插值和平滑处理的方法获得散射场数据。然后,通过将原始数据减去散射场数据后进行重建,即可得到无散射的CT图像。通过与光栅式散射校正板校正方法进行对比,结果表明,该方法应用于涡轮叶片的锥束CT扫描结果校正,典型区域(叶片内冷却通道及叶片内壁)对比度噪声比分别提升了14.2%和56.8%,而光栅式散射校正板校正后,同一位置对比度噪声比分别仅提升了5.6%和27.6%,验证了基于斜孔散射校正板散射校正方法的优越性。
脉冲功率技术
稠密等离子体焦点二维模拟
欧海彬, 段书超, 王刚华, 肖金水, 何佳龙, 谢龙, 肖波, 阚明先
2024, 36: 075001.   doi: 10.11884/HPLPB202436.240001
[摘要](143) [HTML全文](61) [PDF 2560KB](28)
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,得到了与美国劳伦斯利弗莫尔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阳极附近等离子体层的轴向运动过程影响不大。
一种基于磁阻式线圈的模拟冰雹发射装置设计与仿真
贾文霄, 李贞晓, 弯港, 石双慧
2024, 36: 075002.   doi: 10.11884/HPLPB202436.240091
[摘要](76) [HTML全文](43) [PDF 1201KB](20)
摘要:
基于光伏板模拟冰雹撞击试验的实际需求,开展了磁阻型线圈发射装置与脉冲功率源之间的匹配性研究。通过理论对续流前置型和续流后置型两种基本脉冲放电电路进行了适用性分析,结果表明,续流前置型脉冲放电电路与发射装置具有更优的匹配性。针对发射过程中剩余脉冲电流的反向制动问题,设计了一种可以快速消除剩余脉冲电流的泄能电路,用于改进续流前置型脉冲放电电路的拓扑结构,进一步提高其适用性,并借助仿真进行验证。结果表明,泄能电路能快速消除剩余脉冲电流的反向拉力影响,使抛体的发射性能显著提高,抛体出口速度相比传统放电电路提升50.8%,系统发射效率提高127.5%。该项研究可为磁阻式线圈发射技术应用在模拟撞击试验领域的研究提供参考。
核科学与工程
高温气冷堆主氦风机变阻力工况调试方法
叶林, 严义杰, 徐伟强, 赵峰, 陈光建, 李超, 朱英杰
2024, 36: 076001.   doi: 10.11884/HPLPB202436.230444
[摘要](104) [HTML全文](59) [PDF 2136KB](20)
摘要:
高温气冷堆主氦风机调试期间,由于一回路阻力低于设计工况,因而主氦风机无法完成全转速范围性能测试。基于主氦风机的理论特性与相似原理开发主氦风机不同阻力工况调试参数的推算方法。结合主氦风机单体试验工况点,准确推算主氦风机冷态与热态性能试验的工况点参数,并指导完成高温气冷堆主氦风机全转速、满功率性能测试。通过对主氦风机调试与出厂试验结果的对比分析,验证本推算方法的可行性,并给出空气介质与氦气介质工况转换的修正因子。通过主氦风机调试与运行数据的对比分析,可以看出本文提供的主氦风机调试工况具有足够的包络性,能够覆盖高温气冷堆运行期间主氦风机的所有运行工况,证明了本文提供的变阻力工况主氦风机调试方法满足高温气冷堆主氦风机性能验证需求,可用于指导后续高温气冷堆的主氦风机调试工作。
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
2024, 36: 076002.   doi: 10.11884/HPLPB202436.230408
[摘要](117) [HTML全文](74) [PDF 1317KB](22)
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较好地模拟钠冷快堆沸腾现象,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。
核爆炸光辐射能量分布的模拟仿真研究
韩小祥, 李君, 张欣, 原林, 刘洋, 王博宇
2024, 36: 076003.   doi: 10.11884/HPLPB202436.230406
[摘要](123) [HTML全文](48) [PDF 25940KB](31)
摘要:
光辐射是核爆炸中能量的重要组成部分,因此研究其在空间中的热能分布规律具有重要的意义。根据核爆炸理论中火球的发展规律和光辐射的瞬时能量特征得到核爆炸光辐射的热能计算公式,该公式主要与爆炸高度、爆炸当量、大气衰减系数、火球半径和火球温度有关。首先,通过设计不同地图、改变核爆的相关参数进行模拟计算,分析了核爆炸光辐射热能的分布特点。然后,结合光辐射烧伤的伤情分级标准,在模拟程序中添加搜寻功能,实现自动对虚拟地图的伤情分级半径区域进行划分。最后,采用神经网络训练模拟数据,得到核爆的相关参数与地图伤情分级半径的映射关系,从而能够由核爆炸参数直接预测目标地图上的伤情分级半径,可大大缩短计算时间。
前沿技术与交叉科学
基于里德堡原子的无线电技术研究进展
贺青, 李栋, 谷立, 罗思源, 贺寓东, 李彪, 王强
2024, 36: 079001.   doi: 10.11884/HPLPB202436.240061
[摘要](320) [HTML全文](132) [PDF 31506KB](107)
摘要:
近年来,量子信息技术飞速发展,其中基于里德堡原子的电磁传感器吸引了人们的极大兴趣。里德堡原子是一种处于高能态的原子,因其拥有对外场响应灵敏、具备自校准并直接追溯到国际单位制的测量能力、不受传统天线尺寸效应的影响等特点,十分适合于无线电传感与探测。自2012年Shaffer等突破性地利用里德堡原子的电磁诱导透明效应测量微波电场强度的灵敏度及不确定度均远高于传统微波测量结果之后,近十年来,以里德堡原子超外差测量等新理论和新技术为代表的研究已经实现了对电磁波的频率、极化、相位、强度等多参数的测量,相关工程化的技术也蓬勃发展,有望对传统的无线电技术产生颠覆性的影响。对基于里德堡原子的无线电技术近十年来的研究进展进行综述,从探测原理出发,梳理本领域的发展脉络,并对其未来发展趋势进行展望。
采用卷积神经网络提高鬼成像的边缘质量
张航宇, 吴仪, 赵帅, 冯国英
2024, 36: 079002.   doi: 10.11884/HPLPB202436.240030
[摘要](120) [HTML全文](46) [PDF 2419KB](27)
摘要:
散斑移位鬼成像边缘提取方法需要对物体进行多次的采样,才能得到高质量的边缘图。为了解决散斑移位鬼成像提取物体边缘时采样次数多和时间长的问题,在鬼成像的边缘提取实验中采用了卷积神经网络。首先用Walsh散斑对未知图像进行照射,将桶探测器收集的采样信号作为图像特征信息输入到鬼成像边缘提取网络,最后通过训练好的网络直接输出探测物体的边缘信息图,并且使用非极大值抑制算法来优化卷积神经网络的输出结果。实验结果表明,对于128×128像素的重建物体,在采样次数为1600时,鬼成像边缘提取网络输出边缘图案的信噪比和结构相似指数分别比散斑移位鬼成像的输出结果提高了5倍和2倍,成功提高了低采样率下鬼成像边缘提取的质量,降低了采样的时间。采用卷积神经网络的鬼成像边缘提取方案,有利于鬼成像在物体识别、安全检查的实际应用中进行快速高质量的边缘检测。
第4届HPLPB前沿学术研讨会专栏
基于轨道控制的FEL圆偏振辐射的产生与空间分离
易怀千, 王晓凡, 张未卿
2024, 36: 071003.   doi: 10.11884/HPLPB202436.240082
[摘要](132) [HTML全文](61) [PDF 1600KB](28)
摘要:
研究了在自由电子激光设施中产生高偏振度圆偏振辐射的技术方案。该方案将工作在反向渐变模式的平面波荡器和常规椭圆极化波荡器以前后连接的方式进行排布,并通过波荡器之间的矫正磁铁对电子束进行轨道控制。在平面波荡器部分利用偏转磁铁使电子束偏向传输,所产生线偏振辐射也将偏轴传播,脉冲能量为0.357 \begin{document}${\text{μJ}}$\end{document}。在进入椭圆极化波荡器之前校正电子束的轨道和前进方向,使得带有微群聚结构的电子束沿轴线正向传输,其产生的圆偏振辐射能量为92.39 \begin{document}${\text{μJ}}$\end{document}。圆偏振辐射将沿轴向传输,在一定距离后可实现其与线偏振辐射在空间上的分离。通过数值模拟分析了电子束偏转对辐射光性质所产生的影响。
谐波驱动自种子自由电子激光方案模拟
涂凌君, 王晓凡, 张未卿
2024, 36: 071004.   doi: 10.11884/HPLPB202436.240102
[摘要](106) [HTML全文](60) [PDF 1597KB](38)
摘要:
在自由电子激光(FEL)中,谐波驱动自种子(HLSS)可以减小自放大自发辐射(SASE)机制的辐射带宽、提高X射线波段FEL的谱亮度,其原理已被FLASH、PAL、European XFEL等实验室验证。HLSS可改善SASE FEL的相干性,但同时相对SASE并没有提出新的硬件需求,因此可以很方便地应用于国内在建或运行在SASE机制的自由电子激光装置。本文对HLSS方案实现窄带宽效果的原理进行了归纳,给出了波荡器参数的定量条件;随后使用深圳中能高重复频率X射线自由电子激光的典型参数进行模拟,模拟结果表明在出光波长为4.5 nm与6.75 nm时,HLSS的带宽减小至SASE的1/2左右,同时谱亮度提高至2倍左右。
单路直线变压器驱动源中组件自放电连锁故障影响分析
万臻博, 丁卫东
2024, 36: 075003.   doi: 10.11884/HPLPB202436.240063
[摘要](120) [HTML全文](38) [PDF 2152KB](29)
摘要:
建立电路模型分析了28级单路直线变压器驱动源(LTD)中可能出现的组件自放电连锁故障过程。结果表明当任何一个4级组件被误触发时,均会导致整个单路LTD连锁动作,产生的故障电压无法被单路驱动源输出端的隔离开关限制。且当误动的组件位于单路LTD下游时,电压沿着传输线向上游传播会在第1组件较低阻抗的传输线上产生远高于正常放电时的峰值场强,有可能引发装置的绝缘故障。通过适当增加第1组件传输线内外导体的间隙可以在几乎不影响负载电流输出幅值和波形的前提下削弱反向传播的连锁故障导致的高峰值场强,从而提高装置运行的可靠性。