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2023, 35: 124009.
doi: 10.11884/HPLPB202335.230412
2023, 35: 124001.
doi: 10.11884/HPLPB202335.230110
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doi: 10.11884/HPLPB202436.230330
摘要:
传统的透射式空馈阵列存在功率容量低的缺点，不能直接应用于高功率微波领域。现有的高功率空馈阵列布局不够灵活，波束扫描速度较慢，不能充分发挥空馈阵列在系统集成方面的优势。本文提出并设计了一种新型的采用空间馈电的螺旋辐射单元，并构建了一种透射式空馈螺旋阵列天线，通过控制单个螺旋旋转可以实现二维波束扫描，在设计上更加灵活，可根据实际应用需求调整阵列布局，符合高功率微波天线紧凑化、模块化的发展趋势。仿真设计了包含324个单元的透镜阵列，数值模拟结果表明，单元反射系数S11≤−20 dB，功率容量0.35 MW，阵列口径效率0.68，可在±45°范围内扫描，最大增益下降3 dB。
传统的透射式空馈阵列存在功率容量低的缺点，不能直接应用于高功率微波领域。现有的高功率空馈阵列布局不够灵活，波束扫描速度较慢，不能充分发挥空馈阵列在系统集成方面的优势。本文提出并设计了一种新型的采用空间馈电的螺旋辐射单元，并构建了一种透射式空馈螺旋阵列天线，通过控制单个螺旋旋转可以实现二维波束扫描，在设计上更加灵活，可根据实际应用需求调整阵列布局，符合高功率微波天线紧凑化、模块化的发展趋势。仿真设计了包含324个单元的透镜阵列，数值模拟结果表明，单元反射系数S11≤−20 dB，功率容量0.35 MW，阵列口径效率0.68，可在±45°范围内扫描，最大增益下降3 dB。
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doi: 10.11884/HPLPB202436.230329
摘要:
为了满足脉冲电场消融的应用需求，解决单极性脉冲电场分布不均匀的问题，研制了一台基于半桥结构的主电路、具有纳秒级前沿的高重复频率双极性亚微秒高压脉冲电源。该脉冲电源由FPGA提供控制信号，经过驱动芯片放大控制信号后，利用光耦隔离驱动多个SiC MOSFET。驱动电路所需元器件较少，信号控制时序简单，可提供负压偏置，使开关管可靠关断，提高了电路的抗电磁干扰能力，使电源能稳定运行。通过电阻负载实验，对比分析了不同栅极电阻对驱动电压的影响，驱动电压上升沿时间越短对应的双极性高压脉冲前沿越快。实验结果表明：所设计的高频双极性脉冲电源在100 Ω纯阻性负载上能够稳定产生重频双极性纳秒脉冲，输出电压0～±4 kV可调，脉宽0.2～1.0 μs可调，正负脉冲相间延时0～1 ms可调，上升沿和下降沿60～150 ns之间。该双极性脉冲源电路设计结构紧凑，能满足应用的参数需求。
为了满足脉冲电场消融的应用需求，解决单极性脉冲电场分布不均匀的问题，研制了一台基于半桥结构的主电路、具有纳秒级前沿的高重复频率双极性亚微秒高压脉冲电源。该脉冲电源由FPGA提供控制信号，经过驱动芯片放大控制信号后，利用光耦隔离驱动多个SiC MOSFET。驱动电路所需元器件较少，信号控制时序简单，可提供负压偏置，使开关管可靠关断，提高了电路的抗电磁干扰能力，使电源能稳定运行。通过电阻负载实验，对比分析了不同栅极电阻对驱动电压的影响，驱动电压上升沿时间越短对应的双极性高压脉冲前沿越快。实验结果表明：所设计的高频双极性脉冲电源在100 Ω纯阻性负载上能够稳定产生重频双极性纳秒脉冲，输出电压0～±4 kV可调，脉宽0.2～1.0 μs可调，正负脉冲相间延时0～1 ms可调，上升沿和下降沿60～150 ns之间。该双极性脉冲源电路设计结构紧凑，能满足应用的参数需求。
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doi: 10.11884/HPLPB202436.230082
摘要:
针对高功率微波在大气传输中可能出现的击穿现象，研究了脉冲序列中首次脉冲击穿延时和后续脉冲击穿延时，研究结果发现首次脉冲击穿延时在脉宽范围内大致均匀分布，后续脉冲击穿延时波动性较小。根据击穿延时数据对电离率进行了分析，指出在重频条件下，初始电子密度较高，电子密度分布不适用指数分布，无法用延时数据标准差对电离率进行估计。提出了一种用重频脉冲击穿延时数据计算电离率的方法，并将计算结果与仿真结果进行了对比，结果显示，二者有较好的对应关系。
针对高功率微波在大气传输中可能出现的击穿现象，研究了脉冲序列中首次脉冲击穿延时和后续脉冲击穿延时，研究结果发现首次脉冲击穿延时在脉宽范围内大致均匀分布，后续脉冲击穿延时波动性较小。根据击穿延时数据对电离率进行了分析，指出在重频条件下，初始电子密度较高，电子密度分布不适用指数分布，无法用延时数据标准差对电离率进行估计。提出了一种用重频脉冲击穿延时数据计算电离率的方法，并将计算结果与仿真结果进行了对比，结果显示，二者有较好的对应关系。
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doi: 10.11884/HPLPB202436.230276
摘要:
电源变换系统中功率器件如MOSFETs和IGBT开关管的高速切换将产生高幅值和宽频段的电磁干扰，是电动车辆最为常见也无法避免的电磁干扰源。同时，互连线缆是机电设备传递信号和能量的载体，是实现设备功能不可或缺的组成部分，线缆的天线效应使其成为设备产生电磁干扰的主要途径，是系统电磁兼容问题的主要根源之一。为了分析高压电源变换系统对低压控制系统的电磁耦合，以某典型地面装备电源变换系统IGBT开关管产生的脉冲宽度调制波（PWM波）作为电磁干扰源，以实装线缆作为分析对象，构建高低压线缆串扰模型，仿真分析不同线缆对地距离、线缆间距条件下单线、屏蔽线、双绞线等多类低压线缆的近端串扰电压，得出低压线缆的抗干扰性，为系统线缆的布线提供指导。
电源变换系统中功率器件如MOSFETs和IGBT开关管的高速切换将产生高幅值和宽频段的电磁干扰，是电动车辆最为常见也无法避免的电磁干扰源。同时，互连线缆是机电设备传递信号和能量的载体，是实现设备功能不可或缺的组成部分，线缆的天线效应使其成为设备产生电磁干扰的主要途径，是系统电磁兼容问题的主要根源之一。为了分析高压电源变换系统对低压控制系统的电磁耦合，以某典型地面装备电源变换系统IGBT开关管产生的脉冲宽度调制波（PWM波）作为电磁干扰源，以实装线缆作为分析对象，构建高低压线缆串扰模型，仿真分析不同线缆对地距离、线缆间距条件下单线、屏蔽线、双绞线等多类低压线缆的近端串扰电压，得出低压线缆的抗干扰性，为系统线缆的布线提供指导。
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doi: 10.11884/HPLPB202335.230299
摘要:
基于面向对象的C++语言研制三维柱坐标共形网格生成程序，对束-场互作用器件作共形网格剖分，为粒子模拟算法提供积分线元、面元。通过定义三维柱坐标网格体系如网格步长、网格索引、守护网格层、包围盒等数据，使模型的空间信息能转换成柱坐标网格信息。将轴上网格单元作特殊处理，使粒子模拟算法形式在轴上网格和在非轴上网格上保持一致。利用射线跟踪法得到属于模型子面、模型棱边的离散边界点，接着通过拓扑关系获得模型的顶点，保存上述三类离散边界点的拓扑信息和网格信息。将构建的基础网格元与边界点信息耦合，在离散网格体系中重构模型。用该共形网格剖分技术对相对论磁控管进行剖分，能够识别该磁控管的透明阴极、阳极和谐振腔等结构。
基于面向对象的C++语言研制三维柱坐标共形网格生成程序，对束-场互作用器件作共形网格剖分，为粒子模拟算法提供积分线元、面元。通过定义三维柱坐标网格体系如网格步长、网格索引、守护网格层、包围盒等数据，使模型的空间信息能转换成柱坐标网格信息。将轴上网格单元作特殊处理，使粒子模拟算法形式在轴上网格和在非轴上网格上保持一致。利用射线跟踪法得到属于模型子面、模型棱边的离散边界点，接着通过拓扑关系获得模型的顶点，保存上述三类离散边界点的拓扑信息和网格信息。将构建的基础网格元与边界点信息耦合，在离散网格体系中重构模型。用该共形网格剖分技术对相对论磁控管进行剖分，能够识别该磁控管的透明阴极、阳极和谐振腔等结构。
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doi: 10.11884/HPLPB202335.230194
摘要:
初始磁场电源系统用于激励千特斯拉级内爆磁压缩装置的初级线圈产生初始磁场，是内爆磁压缩装置的关键设备。在分析千特斯拉级内爆磁压缩装置初始磁场电源需求和技术难点的基础上，系统设计了核心部件选择方案和主脉冲电路及控制系统结构，研制成功一套输出电压1～40 kV可调、主放电电流脉冲上升沿约60 μs、总峰值电流达3.2 MA的初始磁场电源系统，已应用于千特斯拉级内爆磁压缩装置动态试验。
初始磁场电源系统用于激励千特斯拉级内爆磁压缩装置的初级线圈产生初始磁场，是内爆磁压缩装置的关键设备。在分析千特斯拉级内爆磁压缩装置初始磁场电源需求和技术难点的基础上，系统设计了核心部件选择方案和主脉冲电路及控制系统结构，研制成功一套输出电压1～40 kV可调、主放电电流脉冲上升沿约60 μs、总峰值电流达3.2 MA的初始磁场电源系统，已应用于千特斯拉级内爆磁压缩装置动态试验。
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doi: 10.11884/HPLPB202335.230184
摘要:
微波功率模块（MPM）是真空电子器件和固态电子器件组合而成的一种新型微波功率器件，具有频率高、频带宽、功率大、体积重量小等特点，它使常规行波管的应用变得更加便利和广泛。现代战争向雷达、电子战综合一体化方向发展，这就要求功放既能工作在高峰值功率、低占空比的高模工作方式，也能工作在低峰值功率、准连续波的低模工作方式，针对这一需求，结合电子系统收发共孔径的要求，提出了T/R双模MPM技术。T/R双模MPM技术的核心是T/R双模行波管，基于三端口双向T/R行波管，通过在慢波系统的衰减器附近设置一个耦合口，实现行波管的信号反向接收功能；通过T/R双模行波管设计、双模放大均衡组件、双调制栅极电源等技术实现MPM的双模双向功能。T/R双模MPM应用前景广阔，特别是在基于无人机平台的作战应用中的具有明显优势。
微波功率模块（MPM）是真空电子器件和固态电子器件组合而成的一种新型微波功率器件，具有频率高、频带宽、功率大、体积重量小等特点，它使常规行波管的应用变得更加便利和广泛。现代战争向雷达、电子战综合一体化方向发展，这就要求功放既能工作在高峰值功率、低占空比的高模工作方式，也能工作在低峰值功率、准连续波的低模工作方式，针对这一需求，结合电子系统收发共孔径的要求，提出了T/R双模MPM技术。T/R双模MPM技术的核心是T/R双模行波管，基于三端口双向T/R行波管，通过在慢波系统的衰减器附近设置一个耦合口，实现行波管的信号反向接收功能；通过T/R双模行波管设计、双模放大均衡组件、双调制栅极电源等技术实现MPM的双模双向功能。T/R双模MPM应用前景广阔，特别是在基于无人机平台的作战应用中的具有明显优势。
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doi: 10.11884/HPLPB202335.230239
摘要:
快校正磁铁电源是光源和加速器中重要的设备。随着光源性能的提升，加速器对快校正磁铁电源的性能也提出了更高要求。为满足快校正磁铁电源性能要求和简化设计过程，开展了快校正电源控制策略和仿真研究，并提出了PI控制加二阶相位补偿的方法作为快校正磁铁电源的控制策略；利用伯德图设计快校正磁铁电源的相位补偿参数，以提高电源系统相位裕量。该方法不仅保证了电源系统工作在深度负反馈状态，而且简化了相位补偿的参数计算过程。为了验证控制策略的正确性和有效性，本文提出用压控电压源代替开关器件开展电源性能仿真的方法。仿真结果验证了上述控制策略的可行性和有效性，同时验证了上述仿真方法的有效性和高效性。
快校正磁铁电源是光源和加速器中重要的设备。随着光源性能的提升，加速器对快校正磁铁电源的性能也提出了更高要求。为满足快校正磁铁电源性能要求和简化设计过程，开展了快校正电源控制策略和仿真研究，并提出了PI控制加二阶相位补偿的方法作为快校正磁铁电源的控制策略；利用伯德图设计快校正磁铁电源的相位补偿参数，以提高电源系统相位裕量。该方法不仅保证了电源系统工作在深度负反馈状态，而且简化了相位补偿的参数计算过程。为了验证控制策略的正确性和有效性，本文提出用压控电压源代替开关器件开展电源性能仿真的方法。仿真结果验证了上述控制策略的可行性和有效性，同时验证了上述仿真方法的有效性和高效性。
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doi: 10.11884/HPLPB202335.230243
摘要:
托卡马克装置预电离过程中，环向磁场应与电子回旋波频率相匹配，NCST装置现有的电子回旋波频率较低，为了让环向场与已有的电子回旋波频率匹配，提出新的环向场线圈电流产生方案，在原方案的磁场线圈平顶电流产生之前增加一个低电流台阶。回顾NCST球形托卡马克装置环向场线圈电源的原有方案后，设计了全控型和半控型两种方案，从电压电流的高次谐波、电流的可控性和纹波、改动成本和安装便捷性四方面对比两个方案的优缺点，最终选定半控型改造方案。根据现场条件制作电源改造柜，尽量减少对原有电源柜的改动。实际测试结果显示，两个电流台阶衔接正常，低电流台阶宽度可调、幅值可调，满足改造要求。
托卡马克装置预电离过程中，环向磁场应与电子回旋波频率相匹配，NCST装置现有的电子回旋波频率较低，为了让环向场与已有的电子回旋波频率匹配，提出新的环向场线圈电流产生方案，在原方案的磁场线圈平顶电流产生之前增加一个低电流台阶。回顾NCST球形托卡马克装置环向场线圈电源的原有方案后，设计了全控型和半控型两种方案，从电压电流的高次谐波、电流的可控性和纹波、改动成本和安装便捷性四方面对比两个方案的优缺点，最终选定半控型改造方案。根据现场条件制作电源改造柜，尽量减少对原有电源柜的改动。实际测试结果显示，两个电流台阶衔接正常，低电流台阶宽度可调、幅值可调，满足改造要求。
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doi: 10.11884/HPLPB202335.230248
摘要:
针对高功率微波在大气传输中可能出现的击穿现象，文章重点研究了脉冲序列中首次击穿时的延迟脉冲数，发现其与种子电子、脉冲击穿概率以及微波场强密切相关。研究发现，微波场强可通过作用于种子电子间接影响脉冲击穿概率和延迟脉冲数，由此提出利用延迟脉冲数估计微波击穿临界场强的方法，并定义在脉冲击穿概率大于一定值时的微波临界场强作为击穿阈值。文章推导了脉冲击穿概率的估计公式，并对估计量的性能进行了分析，随后利用S波段微波大气击穿模拟装置开展了实验验证。实验结果表明，在一定范围内，重复频率微波脉冲击穿延迟脉冲数仅与种子电子产生率和脉宽成反比，能用于估计脉冲击穿概率，进而给出击穿临界场强。
针对高功率微波在大气传输中可能出现的击穿现象，文章重点研究了脉冲序列中首次击穿时的延迟脉冲数，发现其与种子电子、脉冲击穿概率以及微波场强密切相关。研究发现，微波场强可通过作用于种子电子间接影响脉冲击穿概率和延迟脉冲数，由此提出利用延迟脉冲数估计微波击穿临界场强的方法，并定义在脉冲击穿概率大于一定值时的微波临界场强作为击穿阈值。文章推导了脉冲击穿概率的估计公式，并对估计量的性能进行了分析，随后利用S波段微波大气击穿模拟装置开展了实验验证。实验结果表明，在一定范围内，重复频率微波脉冲击穿延迟脉冲数仅与种子电子产生率和脉宽成反比，能用于估计脉冲击穿概率，进而给出击穿临界场强。
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doi: 10.11884/HPLPB202335.230158
摘要:
目前的高压保护开关缓冲电路参数设计缺乏相关理论设计方法，同时缓冲电路方案由于设计过程中并未考虑分布电容影响，因此均为等参数设计方案，这种方法均压效果不够理想。为了解决目前参数设计中存在的问题，首先建立了含缓冲电路和杂散电感的MOSFET模型并对其关断过程进行了分析，从而得到了抑制电压尖峰的缓冲电路理论设计方法及表达式。针对于串联均压未考虑分布电容的问题，通过构造等电位点，建立了含有分布电容的等效电路并进行分析，根据电荷方程等式得到了缓冲电路非等参数设计方法及表达式，该参数设计方法可以补偿分布电容造成的电压分布不均，并更好地指导高压保护开关的均压方案设计。为了验证参数设计的合理性进行了仿真分析，结果表明，最终得到的整体设计方案可以满足尖峰抑制以及均压的设计要求。
目前的高压保护开关缓冲电路参数设计缺乏相关理论设计方法，同时缓冲电路方案由于设计过程中并未考虑分布电容影响，因此均为等参数设计方案，这种方法均压效果不够理想。为了解决目前参数设计中存在的问题，首先建立了含缓冲电路和杂散电感的MOSFET模型并对其关断过程进行了分析，从而得到了抑制电压尖峰的缓冲电路理论设计方法及表达式。针对于串联均压未考虑分布电容的问题，通过构造等电位点，建立了含有分布电容的等效电路并进行分析，根据电荷方程等式得到了缓冲电路非等参数设计方法及表达式，该参数设计方法可以补偿分布电容造成的电压分布不均，并更好地指导高压保护开关的均压方案设计。为了验证参数设计的合理性进行了仿真分析，结果表明，最终得到的整体设计方案可以满足尖峰抑制以及均压的设计要求。
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doi: 10.11884/HPLPB202436.230275
摘要:
等离子体相对论微波发生器（PRMG）可以产生宽带高功率微波输出，同时又具有良好的频率可调谐性，因此在雷达、通信、电子对抗和物体探测等诸多领域均具有良好的应用前景。PRMG通常采用加载环形等离子体束的圆柱波导作为其波束互作用区，工作模式为慢等离子体波TM01模（下称P-TM01模）的色散特性及其变化规律对PRMG输出性能有着重要影响。利用全电磁粒子模拟程序对加载环形等离子体束的圆柱波导中P-TM01模的色散特性和场分布进行了粒子模拟和分析，获得等离子体束密度np、径向厚度Δrp和径向位置rp以及外加引导磁场强度Bz和波导半径rw等参数对P-TM01模的色散特性和场分布的影响规律。主要研究结果包括：（1）一定范围内，np 和Δrp的变化对色散特性影响较大，rp，Bz和rw的变化对色散特性影响较小。值得关注的是，由于波导中环形等离子体束的存在，随着波导半径rw的增加，相同纵向波数kz对应的P-TM01模的频率没有降低而是略有提高。因此，在实际应用时，可以适当加大波导径向尺寸以提高器件功率容量；适当降低磁场，则有利于提高器件的紧凑性。（2）P-TM01模的纵向电场的方向不随径向位置变化，径向电场的方向在等离子体束内外两侧相反,外侧的场分布与同轴波导中TEM模相似。主要物理参数变化时，场分布基本特点不会改变。但随着纵向模式数N和kz相应增加，电场能量向等离子体束收拢，不利于波束相互作用和电磁场的耦合输出。因此为了PRMG的高效运行，束波互作用的共振点最好落在kz相对较小的区域。上述研究结果对PRMG的设计和优化具有一定的理论参考价值。
等离子体相对论微波发生器（PRMG）可以产生宽带高功率微波输出，同时又具有良好的频率可调谐性，因此在雷达、通信、电子对抗和物体探测等诸多领域均具有良好的应用前景。PRMG通常采用加载环形等离子体束的圆柱波导作为其波束互作用区，工作模式为慢等离子体波TM01模（下称P-TM01模）的色散特性及其变化规律对PRMG输出性能有着重要影响。利用全电磁粒子模拟程序对加载环形等离子体束的圆柱波导中P-TM01模的色散特性和场分布进行了粒子模拟和分析，获得等离子体束密度np、径向厚度Δrp和径向位置rp以及外加引导磁场强度Bz和波导半径rw等参数对P-TM01模的色散特性和场分布的影响规律。主要研究结果包括：（1）一定范围内，np 和Δrp的变化对色散特性影响较大，rp，Bz和rw的变化对色散特性影响较小。值得关注的是，由于波导中环形等离子体束的存在，随着波导半径rw的增加，相同纵向波数kz对应的P-TM01模的频率没有降低而是略有提高。因此，在实际应用时，可以适当加大波导径向尺寸以提高器件功率容量；适当降低磁场，则有利于提高器件的紧凑性。（2）P-TM01模的纵向电场的方向不随径向位置变化，径向电场的方向在等离子体束内外两侧相反,外侧的场分布与同轴波导中TEM模相似。主要物理参数变化时，场分布基本特点不会改变。但随着纵向模式数N和kz相应增加，电场能量向等离子体束收拢，不利于波束相互作用和电磁场的耦合输出。因此为了PRMG的高效运行，束波互作用的共振点最好落在kz相对较小的区域。上述研究结果对PRMG的设计和优化具有一定的理论参考价值。
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doi: 10.11884/HPLPB202335.230119
摘要:
针对低信噪比条件下，现有的雷达辐射源信号识别方法存在识别正确率低、时效性差的问题，提出了一种基于压缩残差网络的雷达辐射源信号识别方法。首先，利用Choi-Williams分布的时频分析方法将时域信号转换为二维时频图像；然后，根据应用场景特点，选择卷积神经网络（Convolutional Neural Networks, CNN）“压缩”范围；最后，构建压缩残差网络来自动提取图像特征并完成分类。仿真实验结果表明，在同等体量的设计下，与当前较为常用的标准CNN以及ResNet模型相比，所提模型能够降低信号识别运行时间约8.4倍，在信噪比为-14dB条件下对14种雷达辐射源信号的平均识别率高约5%。提供了一种高效的雷达辐射源信号智能识别方法，具有潜在的工程应用前景。
针对低信噪比条件下，现有的雷达辐射源信号识别方法存在识别正确率低、时效性差的问题，提出了一种基于压缩残差网络的雷达辐射源信号识别方法。首先，利用Choi-Williams分布的时频分析方法将时域信号转换为二维时频图像；然后，根据应用场景特点，选择卷积神经网络（Convolutional Neural Networks, CNN）“压缩”范围；最后，构建压缩残差网络来自动提取图像特征并完成分类。仿真实验结果表明，在同等体量的设计下，与当前较为常用的标准CNN以及ResNet模型相比，所提模型能够降低信号识别运行时间约8.4倍，在信噪比为-14dB条件下对14种雷达辐射源信号的平均识别率高约5%。提供了一种高效的雷达辐射源信号智能识别方法，具有潜在的工程应用前景。
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doi: 10.11884/HPLPB202335.230281
摘要:
Microwave heating inhomogeneity has always been a hot issue in the minds of researchers engaged in microwave heating control. According to the physical structure of the microwave heating device, the static difference model of the surface temperature of each layer in the furnace is established, and the actual power of microwave heating is obtained by combining with experiments. Based on the finite difference method of heat transfer, the temperature distribution model in 3D space is established, and the effectiveness of the model is verified by MATLAB and COMSOL simulation. Compare the equilibrium temperature of the heated medium obtained by uniformly heating the microwave with the temperature distribution during uneven heating, and identify the partial temperature rise equilibrium point of the medium during the microwave heating process. Finally, it is compared with each other to find out the best point for the control object for expert PID (proportion-integral-derivative) microwave heating. The experimental results show that this method can accurately measure the equilibrium temperature of liquid heated medium at any time, and can make microwave heating more widely used in industrial production.
Microwave heating inhomogeneity has always been a hot issue in the minds of researchers engaged in microwave heating control. According to the physical structure of the microwave heating device, the static difference model of the surface temperature of each layer in the furnace is established, and the actual power of microwave heating is obtained by combining with experiments. Based on the finite difference method of heat transfer, the temperature distribution model in 3D space is established, and the effectiveness of the model is verified by MATLAB and COMSOL simulation. Compare the equilibrium temperature of the heated medium obtained by uniformly heating the microwave with the temperature distribution during uneven heating, and identify the partial temperature rise equilibrium point of the medium during the microwave heating process. Finally, it is compared with each other to find out the best point for the control object for expert PID (proportion-integral-derivative) microwave heating. The experimental results show that this method can accurately measure the equilibrium temperature of liquid heated medium at any time, and can make microwave heating more widely used in industrial production.
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doi: 10.11884/HPLPB202335.230207
摘要:
为满足雷达整机对发射机小型化的需求，针对8～18 GHz宽带脉冲行波管设计了一种小型化高压电源。采用脉冲峰值功率设计方法，结合高压电容储能，实现了行波管在脉冲工作期间高压稳定输出。同时主功率逆变电路采用了移相全桥拓扑结构，高压整流电路采用了碳化硅二极管，这可减轻电源的散热压力，提高高压电源的功率密度。研制的小型化脉冲高压电源，阴极电压−6.5 kV，最大工作脉宽2 ms，峰值功率最大1600 W。与某型号脉冲行波管联调，在脉冲工作期间行波管输出射频信号功率稳定，测试结果验证了该设计方法的可行性。
为满足雷达整机对发射机小型化的需求，针对8～18 GHz宽带脉冲行波管设计了一种小型化高压电源。采用脉冲峰值功率设计方法，结合高压电容储能，实现了行波管在脉冲工作期间高压稳定输出。同时主功率逆变电路采用了移相全桥拓扑结构，高压整流电路采用了碳化硅二极管，这可减轻电源的散热压力，提高高压电源的功率密度。研制的小型化脉冲高压电源，阴极电压−6.5 kV，最大工作脉宽2 ms，峰值功率最大1600 W。与某型号脉冲行波管联调，在脉冲工作期间行波管输出射频信号功率稳定，测试结果验证了该设计方法的可行性。
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doi: 10.11884/HPLPB202335.230155
摘要:
电源中的磁性元件对外部磁场天然敏感，其工作特性直接影响电源的输出特性。实现背景磁场的建模是研究电源中磁性元件受强杂散磁场干扰问题的重要前提，但目前关注这一应用场景的相关研究较少，且常用的电磁场分析方法难以兼顾计算的精度和效率。基于等效磁路网络法提出了一种杂散磁场效应的分析方法，该法将研究对象等效生成磁路单元，离散形成网络模型，并通过求解等效磁路系统方程得到模型的场量分布。以一款具体的环形铁氧体磁芯为例，利用等效磁路网络法计算了环形磁芯在直流激励和均匀正交磁场下的场量分布，分析了背景磁场对其等效电感的影响。通过对比等效磁路网络法与有限元法的计算结果，验证了所提分析方法的准确性与高效性，表明了该方法适用于电源受背景磁场干扰问题的分析。
电源中的磁性元件对外部磁场天然敏感，其工作特性直接影响电源的输出特性。实现背景磁场的建模是研究电源中磁性元件受强杂散磁场干扰问题的重要前提，但目前关注这一应用场景的相关研究较少，且常用的电磁场分析方法难以兼顾计算的精度和效率。基于等效磁路网络法提出了一种杂散磁场效应的分析方法，该法将研究对象等效生成磁路单元，离散形成网络模型，并通过求解等效磁路系统方程得到模型的场量分布。以一款具体的环形铁氧体磁芯为例，利用等效磁路网络法计算了环形磁芯在直流激励和均匀正交磁场下的场量分布，分析了背景磁场对其等效电感的影响。通过对比等效磁路网络法与有限元法的计算结果，验证了所提分析方法的准确性与高效性，表明了该方法适用于电源受背景磁场干扰问题的分析。
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/HPLPB202436.230101
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相对论电子束在理想顺磁环境下能够以较高的注量率击中靶目标，但实际情况中由于受环境的影响，相对论电子束的传输方向可能会与地磁场呈小角度偏差，因此会受到地磁场的作用产生拉莫尔进动，影响电子束的到靶瞄准以及到靶注量。基于二维片状相对论电子束，分别对相对论电子束顺磁和偏离磁场3°角两种传输情况进行仿真模拟，通过模拟束团的传输过程，分析研究了顺磁环境下不同传输距离束团到靶率的变化规律，以及偏离磁场3°角时传输过程中注量率的变化规律，为相对论电子束到靶率的预估和靶目标的瞄准提供数据参考。
相对论电子束在理想顺磁环境下能够以较高的注量率击中靶目标，但实际情况中由于受环境的影响，相对论电子束的传输方向可能会与地磁场呈小角度偏差，因此会受到地磁场的作用产生拉莫尔进动，影响电子束的到靶瞄准以及到靶注量。基于二维片状相对论电子束，分别对相对论电子束顺磁和偏离磁场3°角两种传输情况进行仿真模拟，通过模拟束团的传输过程，分析研究了顺磁环境下不同传输距离束团到靶率的变化规律，以及偏离磁场3°角时传输过程中注量率的变化规律，为相对论电子束到靶率的预估和靶目标的瞄准提供数据参考。
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doi: 10.11884/HPLPB202436.230260
摘要:
基于宽禁带光导半导体的固态光导微波源是高功率微波产生的一种新途径，该方案具有功率密度高、频带范围宽等特点，且其低时间抖动特性使其在功率合成方面具有巨大潜力，利用光波束形成网络构建光导微波有源相控阵是光导微波器件迈向实用的重要途径。分析了光导微波相控阵系统原理，设计了光导微波真延时网络架构，并构建了差分真延时相控阵和考虑相位随机误差的真延时相控阵的理论模型，对影响功率合成和波束扫描的关键因素开展定量分析和仿真验证。结果表明，对于发射1 GHz信号的n×10阵列，延时均方差在10 ps以下时，指向偏差小于0.13°，峰值增益损耗小于2%；延时步进精度在10 ps以下时，指向偏差小于0.2°，峰值增益损耗小于0.03%。由此提出延时精度指标，为未来更高功率、更大规模的光导微波合成技术发展提供参考。
基于宽禁带光导半导体的固态光导微波源是高功率微波产生的一种新途径，该方案具有功率密度高、频带范围宽等特点，且其低时间抖动特性使其在功率合成方面具有巨大潜力，利用光波束形成网络构建光导微波有源相控阵是光导微波器件迈向实用的重要途径。分析了光导微波相控阵系统原理，设计了光导微波真延时网络架构，并构建了差分真延时相控阵和考虑相位随机误差的真延时相控阵的理论模型，对影响功率合成和波束扫描的关键因素开展定量分析和仿真验证。结果表明，对于发射1 GHz信号的n×10阵列，延时均方差在10 ps以下时，指向偏差小于0.13°，峰值增益损耗小于2%；延时步进精度在10 ps以下时，指向偏差小于0.2°，峰值增益损耗小于0.03%。由此提出延时精度指标，为未来更高功率、更大规模的光导微波合成技术发展提供参考。
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doi: 10.11884/HPLPB202436.230173
摘要:
介质阻挡放电 (DBD) 在工业中得到广泛应用，但效率限制了它的进一步应用。提出了一种DBD结构和针板结构相结合的三电极结构。将正极性脉冲电源施加在DBD电极上，负极性脉冲电源施加到针板电极上。分析了不同结构下三电极DBD的放电特性、现象和光谱强度。结果表明，三电极结构更加有利于DBD放电通道的产生，其放电均匀性、发光强度均强于双电极DBD，特别是在丝网接地电极条件下，放电更加强烈。当三种电极结构正极性电压维持在11 kV，负极性电压为−5 kV时，丝网接地三电极中DBD的放电电流峰值达到1.54 A，而实心接地三电极和传统双电极中DBD的放电电流峰值为1.14 A和0.74 A。在负极性脉冲维持期间，针网间隙处于击穿状态，DBD放电出现很大的放电电流。在三电极结构中，随着施加在针板上负极性电压的升高也使三电极DBD放电更加强烈。不同结构下的DBD的放电光谱表明在丝网接地时三电极DBD激发粒子的光谱强度最强。这一趋势与DBD放电电流和功率一致。
介质阻挡放电 (DBD) 在工业中得到广泛应用，但效率限制了它的进一步应用。提出了一种DBD结构和针板结构相结合的三电极结构。将正极性脉冲电源施加在DBD电极上，负极性脉冲电源施加到针板电极上。分析了不同结构下三电极DBD的放电特性、现象和光谱强度。结果表明，三电极结构更加有利于DBD放电通道的产生，其放电均匀性、发光强度均强于双电极DBD，特别是在丝网接地电极条件下，放电更加强烈。当三种电极结构正极性电压维持在11 kV，负极性电压为−5 kV时，丝网接地三电极中DBD的放电电流峰值达到1.54 A，而实心接地三电极和传统双电极中DBD的放电电流峰值为1.14 A和0.74 A。在负极性脉冲维持期间，针网间隙处于击穿状态，DBD放电出现很大的放电电流。在三电极结构中，随着施加在针板上负极性电压的升高也使三电极DBD放电更加强烈。不同结构下的DBD的放电光谱表明在丝网接地时三电极DBD激发粒子的光谱强度最强。这一趋势与DBD放电电流和功率一致。
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doi: 10.11884/HPLPB202436.230212
摘要:
作为脉冲系统的核心部件，开关承担着脉冲成形、功率调制等重要作用，开关通断速度往往决定脉冲上升时间，高速开关是纳秒短脉冲形成的关键。提出一种高速SiC-MOSFET叠层封装结构，整体布局无引线、无外接，具有极低寄生电感。开展了电磁场仿真研究，揭示了脉冲形成过程中封装多介质界面电磁场分布规律，明确了封装结构电磁薄弱环节，为进一步绝缘优化提供指导。搭建双脉冲测试平台，对研制的SiC-MOSFET叠层封装开关与同芯片商用TO-263-7封装开关的动态性能进行测试。结果表明，大电流工况下，所提封装电流开通速度提升48%，关断速度提升50%，开通损耗降低54.6%，关断损耗降低62.8%，实验结果验证了所提叠层封装结构对开关动态性能的改善。
作为脉冲系统的核心部件，开关承担着脉冲成形、功率调制等重要作用，开关通断速度往往决定脉冲上升时间，高速开关是纳秒短脉冲形成的关键。提出一种高速SiC-MOSFET叠层封装结构，整体布局无引线、无外接，具有极低寄生电感。开展了电磁场仿真研究，揭示了脉冲形成过程中封装多介质界面电磁场分布规律，明确了封装结构电磁薄弱环节，为进一步绝缘优化提供指导。搭建双脉冲测试平台，对研制的SiC-MOSFET叠层封装开关与同芯片商用TO-263-7封装开关的动态性能进行测试。结果表明，大电流工况下，所提封装电流开通速度提升48%，关断速度提升50%，开通损耗降低54.6%，关断损耗降低62.8%，实验结果验证了所提叠层封装结构对开关动态性能的改善。
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doi: 10.11884/HPLPB202436.230214
摘要:
大功率电磁脉冲冲击下，射频集成微系统内部容易产生负载失配问题，严重者可能导致系统失效甚至损毁。采用实时的波形测试方法，对射频器件的负载失配进而导致器件损毁的机理进行了分析。该方法以矢量网络分析仪作为主要测试仪器，结合回波信号注入和相位参考模块获得待测器件实时电压电流波形，进而分析其负载失配影响机制。采用有源负载牵引技术模拟大功率耦合电磁脉冲注入，进行了电压驻波比39∶1的失配测试，大幅提升了测试范围。创新性地采用了谐波信号源注入模拟杂散谐波电磁干扰，评估器件的谐波阻抗失配特性。通过实际异质结双极型晶体管（HBT）器件测试的结果表明，基波的失配会造成负载端电压过大，增加器件的易损性；基波和谐波频率的干扰分量组合使得输出电压瞬态峰值升高，造成器件的损毁。在进行电磁安全防护时，应同时考虑基波和谐波频率的防护。
大功率电磁脉冲冲击下，射频集成微系统内部容易产生负载失配问题，严重者可能导致系统失效甚至损毁。采用实时的波形测试方法，对射频器件的负载失配进而导致器件损毁的机理进行了分析。该方法以矢量网络分析仪作为主要测试仪器，结合回波信号注入和相位参考模块获得待测器件实时电压电流波形，进而分析其负载失配影响机制。采用有源负载牵引技术模拟大功率耦合电磁脉冲注入，进行了电压驻波比39∶1的失配测试，大幅提升了测试范围。创新性地采用了谐波信号源注入模拟杂散谐波电磁干扰，评估器件的谐波阻抗失配特性。通过实际异质结双极型晶体管（HBT）器件测试的结果表明，基波的失配会造成负载端电压过大，增加器件的易损性；基波和谐波频率的干扰分量组合使得输出电压瞬态峰值升高，造成器件的损毁。在进行电磁安全防护时，应同时考虑基波和谐波频率的防护。
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doi: 10.11884/HPLPB202436.230148
摘要:
提出用P型开关作为充电管、N型开关作为放电管串联形成半桥结构，将其门极也短接，以同一个信号同时驱动充电管和放电管。再利用共原边的串心磁环驱动方案，只需1个半桥电路就可以从原边同时传递驱动功率和信号，同步驱动所有充电管和放电管，大幅简化了脉冲电源结构和尺寸，降低了成本。并以此搭建了24级固态Marx发生器，在10 kΩ阻性负载上，获得了10 kV、1 kHz、5 μs的高压方波脉冲，验证了方案的可行性，且该电源主电路的尺寸仅有20 cm（长）×13 cm（宽）×5.5 cm（高）。
提出用P型开关作为充电管、N型开关作为放电管串联形成半桥结构，将其门极也短接，以同一个信号同时驱动充电管和放电管。再利用共原边的串心磁环驱动方案，只需1个半桥电路就可以从原边同时传递驱动功率和信号，同步驱动所有充电管和放电管，大幅简化了脉冲电源结构和尺寸，降低了成本。并以此搭建了24级固态Marx发生器，在10 kΩ阻性负载上，获得了10 kV、1 kHz、5 μs的高压方波脉冲，验证了方案的可行性，且该电源主电路的尺寸仅有20 cm（长）×13 cm（宽）×5.5 cm（高）。
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doi: 10.11884/HPLPB202436.230197
摘要:
纳秒脉冲电场消融要求在100 Ω负载上产生数千伏的纳秒脉冲，加快脉冲前沿有利于获得更窄的纳秒脉冲。提出了一种具有快速前沿的固态Marx发生器，在每级电路中插入一个电感，并且让放电管和充电管同时导通数十纳秒，等放电管完全开通后，关断充电管，对负载进行放电，以消除放电管和放电回路杂散电感对脉冲前沿的限制，获得具有快前沿的高压脉冲。搭建了32级Marx样机，实验中通过调节直通时间，在100 Ω的低阻负载上获得了电压上升沿35 ns、脉宽800 ns、电流186 A的高压脉冲。对比并分析了充电管和放电管直通时间对上升沿的影响，发现直通时间越长，脉冲电流的前沿越快。输出端的峰值电流最大可达186 A。表明该脉冲电压源可以有效地提高电流的输出，提高系统带载能力。该方案相比于传统的改进方法，提高了系统抗干扰能力的同时，也减少了的所使用开关管的数量，降低了脉冲电源的成本。
纳秒脉冲电场消融要求在100 Ω负载上产生数千伏的纳秒脉冲，加快脉冲前沿有利于获得更窄的纳秒脉冲。提出了一种具有快速前沿的固态Marx发生器，在每级电路中插入一个电感，并且让放电管和充电管同时导通数十纳秒，等放电管完全开通后，关断充电管，对负载进行放电，以消除放电管和放电回路杂散电感对脉冲前沿的限制，获得具有快前沿的高压脉冲。搭建了32级Marx样机，实验中通过调节直通时间，在100 Ω的低阻负载上获得了电压上升沿35 ns、脉宽800 ns、电流186 A的高压脉冲。对比并分析了充电管和放电管直通时间对上升沿的影响，发现直通时间越长，脉冲电流的前沿越快。输出端的峰值电流最大可达186 A。表明该脉冲电压源可以有效地提高电流的输出，提高系统带载能力。该方案相比于传统的改进方法，提高了系统抗干扰能力的同时，也减少了的所使用开关管的数量，降低了脉冲电源的成本。
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doi: 10.11884/HPLPB202436.230322
摘要:
模块化多电平换流器（MMC）已成为新型全固态特种高压电源的有效解决方案，对其进行轻量化设计以节约设备空间成本成为当前研究热点。MMC中限制功率密度提升的首要因素为子模块大尺寸电容，为降低MMC对子模块容值的需求，提高系统功率密度，提出一种改进型MMC（I-MMC）拓扑。应用隔离型开关电容变换器，实现上下桥臂一对子模块高频链互联。研究中相单元内上、下桥臂子模块对并联的高频链两侧采用同步控制，使子模块电容之间呈现开关电容特性，实现波动功率在电容之间的自由传递，进而消除相位相反的基频与3倍频波动分量。结合MMC运行调制比和功率因数分析基频与3倍频波动分量消除后子模块电容取值，完成模块化设计。所提方案可将子模块电容减小至常规MMC的1/4。仿真与实验结果验证了所提拓扑方案的正确性与有效性。
模块化多电平换流器（MMC）已成为新型全固态特种高压电源的有效解决方案，对其进行轻量化设计以节约设备空间成本成为当前研究热点。MMC中限制功率密度提升的首要因素为子模块大尺寸电容，为降低MMC对子模块容值的需求，提高系统功率密度，提出一种改进型MMC（I-MMC）拓扑。应用隔离型开关电容变换器，实现上下桥臂一对子模块高频链互联。研究中相单元内上、下桥臂子模块对并联的高频链两侧采用同步控制，使子模块电容之间呈现开关电容特性，实现波动功率在电容之间的自由传递，进而消除相位相反的基频与3倍频波动分量。结合MMC运行调制比和功率因数分析基频与3倍频波动分量消除后子模块电容取值，完成模块化设计。所提方案可将子模块电容减小至常规MMC的1/4。仿真与实验结果验证了所提拓扑方案的正确性与有效性。
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doi: 10.11884/HPLPB202436.230159
摘要:
基于负离子的中性束注入是未来大型托卡马克装置不可或缺的辅助加热方式。中性束系统中的加速极电源需要输出−200 kV电压和5 MW的功率，还经常面临负载短路和断路的特殊工况。过去对加速极电源的研究中缺少高压部分的方案设计，而电源中高压部件的绝缘设计是电源研制过程中必不可少的关键环节。据电源指标和特殊工况的特点，计算了电源高压部分的隔离升压变压器、高压整流器和高压滤波器的电路参数，并对这些部件基于油浸式绝缘进行了工程设计，通过有限元仿真分析进行了绝缘验证。仿真结果表明，这些部件中的电场强度最高为16.22 kV/mm，小于变压器油击穿场强并具有2倍的绝缘裕度。设计的高压部件结构可以满足电源的绝缘要求。
基于负离子的中性束注入是未来大型托卡马克装置不可或缺的辅助加热方式。中性束系统中的加速极电源需要输出−200 kV电压和5 MW的功率，还经常面临负载短路和断路的特殊工况。过去对加速极电源的研究中缺少高压部分的方案设计，而电源中高压部件的绝缘设计是电源研制过程中必不可少的关键环节。据电源指标和特殊工况的特点，计算了电源高压部分的隔离升压变压器、高压整流器和高压滤波器的电路参数，并对这些部件基于油浸式绝缘进行了工程设计，通过有限元仿真分析进行了绝缘验证。仿真结果表明，这些部件中的电场强度最高为16.22 kV/mm，小于变压器油击穿场强并具有2倍的绝缘裕度。设计的高压部件结构可以满足电源的绝缘要求。
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doi: 10.11884/HPLPB202436.230228
摘要:
随着电气化的发展，电气与电子系统中的电磁兼容问题越来越被重视，为了消除或抑制电磁耦合的影响，实现设备或元件电磁兼容的工作，有必要对线缆间的串扰进行研究。但目前少有相关研究关注独立的发射回路与接收回路构成的双差模回路间的电磁串扰问题。提出了一种基于多导体传输线理论的五导体传输线模型，并基于此研究了双差模非屏蔽线缆回路间的串扰问题。该方法根据耦合机理，首先建立单位长度五导体传输线等效模型，然后根据有限差分的方法列写基尔霍夫方程组，最后补充边界条件后求解得到串扰的频域解。将串扰计算结果与CST软件仿真结果进行对比，验证了该模型和计算方法的可行性与有效性，经计算分别研究了感性耦合与容性耦合，分析得到了不同因素对线束间串扰的影响规律，可为实际工程中采取措施抑制线缆间串扰提供指导，体现出该模型的先进性。
随着电气化的发展，电气与电子系统中的电磁兼容问题越来越被重视，为了消除或抑制电磁耦合的影响，实现设备或元件电磁兼容的工作，有必要对线缆间的串扰进行研究。但目前少有相关研究关注独立的发射回路与接收回路构成的双差模回路间的电磁串扰问题。提出了一种基于多导体传输线理论的五导体传输线模型，并基于此研究了双差模非屏蔽线缆回路间的串扰问题。该方法根据耦合机理，首先建立单位长度五导体传输线等效模型，然后根据有限差分的方法列写基尔霍夫方程组，最后补充边界条件后求解得到串扰的频域解。将串扰计算结果与CST软件仿真结果进行对比，验证了该模型和计算方法的可行性与有效性，经计算分别研究了感性耦合与容性耦合，分析得到了不同因素对线束间串扰的影响规律，可为实际工程中采取措施抑制线缆间串扰提供指导，体现出该模型的先进性。
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doi: 10.11884/HPLPB202436.230211
摘要:
电磁发射的能力主要取决于脉冲功率电源系统，脉冲功率电源的优化是电磁发射技术取得进一步突破的关键技术之一。电感储能型脉冲功率电源在能量密度方面有很大优势，具备深远的发展潜力。基于串联充电和并联放电的XRAM型脉冲功率电源具有结构简单、可扩展性强的优点。分析了多级XRAM电源拓扑结构中二极管器件的工作原理，按照功能分类，提出了简化二极管器件数量的方案。建立了基于ICCOS的30级XRAM型脉冲功率电源带轨道炮负载的仿真模型，每5级为一个电源模块，系统总储能为365 kJ，发射效率近20%。通过对比简化前后模型性能指标的仿真结果，证明了简化第一级的下臂二极管不利于多级电源的运行。简化多级拓扑中的最后一级逆流电容串联二极管，以及在优化逆流电容参数的前提下简化充电晶闸管的反并二极管，对电源模块的放电电流没有明显影响。
电磁发射的能力主要取决于脉冲功率电源系统，脉冲功率电源的优化是电磁发射技术取得进一步突破的关键技术之一。电感储能型脉冲功率电源在能量密度方面有很大优势，具备深远的发展潜力。基于串联充电和并联放电的XRAM型脉冲功率电源具有结构简单、可扩展性强的优点。分析了多级XRAM电源拓扑结构中二极管器件的工作原理，按照功能分类，提出了简化二极管器件数量的方案。建立了基于ICCOS的30级XRAM型脉冲功率电源带轨道炮负载的仿真模型，每5级为一个电源模块，系统总储能为365 kJ，发射效率近20%。通过对比简化前后模型性能指标的仿真结果，证明了简化第一级的下臂二极管不利于多级电源的运行。简化多级拓扑中的最后一级逆流电容串联二极管，以及在优化逆流电容参数的前提下简化充电晶闸管的反并二极管，对电源模块的放电电流没有明显影响。
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doi: 10.11884/HPLPB202436.230171
摘要:
随着航空航天技术的不断发展，航天器对于霍尔电推进功率处理单元(PPU)的需求不断提高，高增益、大功率以及高效的PPU成为研究的主流方向。LLC拓扑能够在全负载范围内实现软开关，因此在PPU阳极电源中具有广阔的应用前景。原边LLC因其原副边增益特性，给阳极电源高增益变换器的谐振电感设计带来极大的挑战。针对上述问题，提出了一种改进的副边LLC谐振拓扑，在保留原边LLC谐振电路软开关特性的同时，有效解决了谐振电感设计问题，使得PPU阳极电源具备高增益的性能。首先利用时域分析法建立了副边LLC拓扑数学模型，其次在模型的基础上给出其峰值增益的计算方法，最后通过一台样机验证了所建模型的正确性并验证了副边LLC电路的有效性。
随着航空航天技术的不断发展，航天器对于霍尔电推进功率处理单元(PPU)的需求不断提高，高增益、大功率以及高效的PPU成为研究的主流方向。LLC拓扑能够在全负载范围内实现软开关，因此在PPU阳极电源中具有广阔的应用前景。原边LLC因其原副边增益特性，给阳极电源高增益变换器的谐振电感设计带来极大的挑战。针对上述问题，提出了一种改进的副边LLC谐振拓扑，在保留原边LLC谐振电路软开关特性的同时，有效解决了谐振电感设计问题，使得PPU阳极电源具备高增益的性能。首先利用时域分析法建立了副边LLC拓扑数学模型，其次在模型的基础上给出其峰值增益的计算方法，最后通过一台样机验证了所建模型的正确性并验证了副边LLC电路的有效性。
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doi: 10.11884/HPLPB202335.230186
摘要:
随着移动通信、物联网、车联网、工业互联网等网络的发展，电磁环境日益复杂，非法电子设备也日渐增多，各类信号耦合互调现象严重，这给泄漏信号类型识别带来了难题。提出基于融合特征的泄漏信号分类识别方法，综合运用高维度特征提取方法和图形化降维表征方法，结合残差网络等深度学习模型与特征融合分析方法，能够更综合地区分多类电磁泄漏信号，特征抗噪声鲁棒性高，方法可解释性好，可支撑基于电磁信号类型识别的辐射源智能检测工程应用。
随着移动通信、物联网、车联网、工业互联网等网络的发展，电磁环境日益复杂，非法电子设备也日渐增多，各类信号耦合互调现象严重，这给泄漏信号类型识别带来了难题。提出基于融合特征的泄漏信号分类识别方法，综合运用高维度特征提取方法和图形化降维表征方法，结合残差网络等深度学习模型与特征融合分析方法，能够更综合地区分多类电磁泄漏信号，特征抗噪声鲁棒性高，方法可解释性好，可支撑基于电磁信号类型识别的辐射源智能检测工程应用。
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doi: 10.11884/HPLPB202335.230139
摘要:
提出了一种新型高功率微波宽带紧耦合偶极子阵列天线。在常规的紧耦合偶极子阵列天线的基础上，该阵列天线通过采用全金属结构设计、天线匹配层和密封层一体化设计以及调节天线结构的手段，获得了宽带高功率性能。仿真结果显示，在0.8～4.0 GHz的范围内，天线未扫描时的驻波比小于2；在16 mm×32 mm单元尺寸内和1个大气压的SF6气体中，功率容量达到0.12 MW；以该单元天线组成10×10阵列，100个单元总尺寸仅为160 mm×320 mm，在1个大气压的SF6气体中，功率容量可以达到12 MW，另外，该天线可实现45°的宽角扫描。该阵列天线的提出为实现高功率微波宽带天线的宽频带、大角度扫描、紧凑化、小型化以及低剖面化提供了参考。
提出了一种新型高功率微波宽带紧耦合偶极子阵列天线。在常规的紧耦合偶极子阵列天线的基础上，该阵列天线通过采用全金属结构设计、天线匹配层和密封层一体化设计以及调节天线结构的手段，获得了宽带高功率性能。仿真结果显示，在0.8～4.0 GHz的范围内，天线未扫描时的驻波比小于2；在16 mm×32 mm单元尺寸内和1个大气压的SF6气体中，功率容量达到0.12 MW；以该单元天线组成10×10阵列，100个单元总尺寸仅为160 mm×320 mm，在1个大气压的SF6气体中，功率容量可以达到12 MW，另外，该天线可实现45°的宽角扫描。该阵列天线的提出为实现高功率微波宽带天线的宽频带、大角度扫描、紧凑化、小型化以及低剖面化提供了参考。
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2023, 35: 121001.
doi: 10.11884/HPLPB202335.230145
摘要:
提出了一种用于单纵模激光器选模的基于光纤耦合器的光纤复合环腔（CRC）滤波器的仿真方法，利用该方法对两种新型双耦合器双环CRC （DCDR-CRC）滤波器及三耦合器双环CRC （TCDR-CRC）滤波器进行了理论仿真，通过引入游标原理，分析了两种滤波器在不同环长差下的滤波特性，并通过调整DCDR-CRC及TCDR-CRC的耦合比、环长及环长差，对有效自由光谱范围 （FSR）、抑制比 （SR）及主透射峰带宽进行优化，计算结果表明优化后环腔的有效FSR可有效抑制波长选择器传输通带内的增益竞争，较低的SR可以抑制CRC滤波器相邻透射峰之间的增益竞争，较窄的主透射峰可以保证仅有一个激光器的纵模被选择。
提出了一种用于单纵模激光器选模的基于光纤耦合器的光纤复合环腔（CRC）滤波器的仿真方法，利用该方法对两种新型双耦合器双环CRC （DCDR-CRC）滤波器及三耦合器双环CRC （TCDR-CRC）滤波器进行了理论仿真，通过引入游标原理，分析了两种滤波器在不同环长差下的滤波特性，并通过调整DCDR-CRC及TCDR-CRC的耦合比、环长及环长差，对有效自由光谱范围 （FSR）、抑制比 （SR）及主透射峰带宽进行优化，计算结果表明优化后环腔的有效FSR可有效抑制波长选择器传输通带内的增益竞争，较低的SR可以抑制CRC滤波器相邻透射峰之间的增益竞争，较窄的主透射峰可以保证仅有一个激光器的纵模被选择。
2023, 35: 121002.
doi: 10.11884/HPLPB202335.230046
摘要:
为更好地解决少模光纤在传输中由于模式耦合过强而导致的信号串扰问题，对弱耦合光子晶体光纤中的线偏振（LP）模式以及矢量模的传输特性进行了研究，设计了一种可传输20种矢量模的双包层光子晶体光纤。通过有限元法模拟光纤参数对相邻LP模式间最小有效折射率差的影响，优化结构参数，使光纤支持稳定传输6种LP模式并满足弱耦合要求。最后分析了不同模式的有效模场面积、弯曲损耗。结果表明：各模式之间的最小有效折射率差达到1.12×10−4，表明模式间的串扰可忽略。基模有效模场面积达到了1040 μm2，且其相应的非线性系数低至1.07×10−10。此外，在弯曲半径为38 mm时，各模式弯曲损耗最大仅为5.65×10−8 dB/km。与主流的单模光纤及少模单包层相比，该结构具有大模场面积，低模间串扰及更强的抗弯曲能力，丰富了空分复用技术的开发思路。在大数据、虚拟现实、网络传输容量等新兴业务以及光纤传感方面提供了有益的参考方案。
为更好地解决少模光纤在传输中由于模式耦合过强而导致的信号串扰问题，对弱耦合光子晶体光纤中的线偏振（LP）模式以及矢量模的传输特性进行了研究，设计了一种可传输20种矢量模的双包层光子晶体光纤。通过有限元法模拟光纤参数对相邻LP模式间最小有效折射率差的影响，优化结构参数，使光纤支持稳定传输6种LP模式并满足弱耦合要求。最后分析了不同模式的有效模场面积、弯曲损耗。结果表明：各模式之间的最小有效折射率差达到1.12×10−4，表明模式间的串扰可忽略。基模有效模场面积达到了1040 μm2，且其相应的非线性系数低至1.07×10−10。此外，在弯曲半径为38 mm时，各模式弯曲损耗最大仅为5.65×10−8 dB/km。与主流的单模光纤及少模单包层相比，该结构具有大模场面积，低模间串扰及更强的抗弯曲能力，丰富了空分复用技术的开发思路。在大数据、虚拟现实、网络传输容量等新兴业务以及光纤传感方面提供了有益的参考方案。
2023, 35: 121003.
doi: 10.11884/HPLPB202335.220400
摘要:
基于电子动能与温度的关系以及费米黄金定律，对速率方程进行了优化，使其能够计算电子温度，进而实现了更为精准的速率方程求解。与已有的动能平衡法比较，该方法对能带电子温度变化过程进行了详细的描述，故无需采用优化算法求解，所以可以避免因陷入局部最优解而带来的多次计算的收敛值一致性较差的问题。计算结果表明，该方法在选取不同的初始温度时，通过自洽求解，即可解出各能级电子温度，且均可获得一致性较好的收敛值。
基于电子动能与温度的关系以及费米黄金定律，对速率方程进行了优化，使其能够计算电子温度，进而实现了更为精准的速率方程求解。与已有的动能平衡法比较，该方法对能带电子温度变化过程进行了详细的描述，故无需采用优化算法求解，所以可以避免因陷入局部最优解而带来的多次计算的收敛值一致性较差的问题。计算结果表明，该方法在选取不同的初始温度时，通过自洽求解，即可解出各能级电子温度，且均可获得一致性较好的收敛值。
2023, 35: 121004.
doi: 10.11884/HPLPB202335.230191
摘要:
通过光纤激光光谱合成技术，可以打破单个光纤激光器输出功率受非线性因素制约的限制，实现更高功率的激光输出。通过梳理光谱合成技术的发展历程并分析其现状，对其原理及优劣势进行分析，结合自身研究，设计了一款便携式3路合成系统，通过设计及优化光纤激光器的放大结构，严格把控参与合束的子束光源的质量，将1055、1070和1085 nm三路高功率窄线宽光纤激光进行合束，对合成系统中采用的双色镜进行研究，对其膜系指标进行严格的设计，对高陡度截止滤光膜的设计方法以及制备工艺进行分析，对其热损伤规律及控制技术进行研究，优化整个合成系统，最终实现合成功率9650 W的高功率激光输出，合成效率92%，光束质量M2为1.7，并对未来双色镜光谱合成进行了展望。
通过光纤激光光谱合成技术，可以打破单个光纤激光器输出功率受非线性因素制约的限制，实现更高功率的激光输出。通过梳理光谱合成技术的发展历程并分析其现状，对其原理及优劣势进行分析，结合自身研究，设计了一款便携式3路合成系统，通过设计及优化光纤激光器的放大结构，严格把控参与合束的子束光源的质量，将1055、1070和1085 nm三路高功率窄线宽光纤激光进行合束，对合成系统中采用的双色镜进行研究，对其膜系指标进行严格的设计，对高陡度截止滤光膜的设计方法以及制备工艺进行分析，对其热损伤规律及控制技术进行研究，优化整个合成系统，最终实现合成功率9650 W的高功率激光输出，合成效率92%，光束质量M2为1.7，并对未来双色镜光谱合成进行了展望。
2023, 35: 121005.
doi: 10.11884/HPLPB202335.230204
摘要:
采用高温固相合成法制备了多组Yb3+/Ho3+/Tm3+不同物质的量分数掺杂的LiTaO3多晶材料，测试了双掺Yb3+/Ho3+，Yb3+/Tm3+和三掺Yb3+/Ho3+/Tm3+的LiTaO3多晶的X射线衍射图谱、紫外-可见吸收谱和上转换荧光发射谱。X射线衍射（XRD）结果显示，稀土离子掺杂没有改变LiTaO3多晶的物质结构，这表明稀土离子以取代基质离子的方式进入了晶格中。样品的紫外吸收边显示，增加Ho3+或Tm3+物质的量分数会导致吸收边先红移再蓝移。在980 nm泵浦光激发下，可见光区域中出现上转换蓝光（475 nm）、绿光（545 nm）和红光（663 nm和650 nm）发射，通过改变LiTaO3中的激活离子Ho3+-Tm3+物质的量分数，可对上转换荧光色度进行调节，物质的量分数配比为2.0%Yb3+/0.05%Ho3+/0.4%Tm3+的掺杂LiTaO3多晶材料实现了最为接近标准白光的发射。
采用高温固相合成法制备了多组Yb3+/Ho3+/Tm3+不同物质的量分数掺杂的LiTaO3多晶材料，测试了双掺Yb3+/Ho3+，Yb3+/Tm3+和三掺Yb3+/Ho3+/Tm3+的LiTaO3多晶的X射线衍射图谱、紫外-可见吸收谱和上转换荧光发射谱。X射线衍射（XRD）结果显示，稀土离子掺杂没有改变LiTaO3多晶的物质结构，这表明稀土离子以取代基质离子的方式进入了晶格中。样品的紫外吸收边显示，增加Ho3+或Tm3+物质的量分数会导致吸收边先红移再蓝移。在980 nm泵浦光激发下，可见光区域中出现上转换蓝光（475 nm）、绿光（545 nm）和红光（663 nm和650 nm）发射，通过改变LiTaO3中的激活离子Ho3+-Tm3+物质的量分数，可对上转换荧光色度进行调节，物质的量分数配比为2.0%Yb3+/0.05%Ho3+/0.4%Tm3+的掺杂LiTaO3多晶材料实现了最为接近标准白光的发射。
2023, 35: 123001.
doi: 10.11884/HPLPB202335.230150
摘要:
为满足太赫兹领域对大功率、宽带宽的太赫兹辐射源的需求，提出了一种新型交错双栅脊波导（RDSG）慢波结构。设计并优化了交错双栅脊波导返波振荡器的高频结构，同时对交错双栅脊波导和常规交错双栅的高频特性进行了仿真和对比，结果表明：当二者相速度接近时，交错双栅脊波导拥有更宽的“冷”通带带宽和更高的耦合阻抗。PIC仿真结果表明，在1 THz频段，交错双栅脊波导返波振荡器拥有超过175 GHz的可调谐带宽以及1.1 W的输出功率，比相同工作条件下的常规交错双栅结构输出功率了提高34%～42%。
为满足太赫兹领域对大功率、宽带宽的太赫兹辐射源的需求，提出了一种新型交错双栅脊波导（RDSG）慢波结构。设计并优化了交错双栅脊波导返波振荡器的高频结构，同时对交错双栅脊波导和常规交错双栅的高频特性进行了仿真和对比，结果表明：当二者相速度接近时，交错双栅脊波导拥有更宽的“冷”通带带宽和更高的耦合阻抗。PIC仿真结果表明，在1 THz频段，交错双栅脊波导返波振荡器拥有超过175 GHz的可调谐带宽以及1.1 W的输出功率，比相同工作条件下的常规交错双栅结构输出功率了提高34%～42%。
2023, 35: 123002.
doi: 10.11884/HPLPB202335.230238
摘要:
电磁探测成像系统能够对电磁干扰源进行大范围、宽频带且快速的定位，系统主要由抛物反射面和多通道超宽频带信号采集系统组成。由于各个通道器件参数受限于制造工艺的影响不可能完全一致，探测不同频率干扰源的响应特性也不相同，导致获得的电磁图像中存在的条带噪声随干扰源的频率变化而呈现出不同的特征，严重地影响定位的精度。构建了双向门控循环单元（BiGRU）-卷积神经网络（CNN）模型，根据实测数据构建数据集作为模型的输入，BiGRU和CNN利用图像相邻行间的强相关性，从过去和未来的输入中广泛收集冗余信息，对条带噪声进行提取并对空间信息进行整合处理，利用数据之间的差值对这个过程进行循环迭代。通过大量的实验对模型进行验证，BiGRU-CNN方法与测试的经典方法相比更优，在垂直梯度能量方面降低了15.2%，在残差非均匀性方面降低了21.9%。
电磁探测成像系统能够对电磁干扰源进行大范围、宽频带且快速的定位，系统主要由抛物反射面和多通道超宽频带信号采集系统组成。由于各个通道器件参数受限于制造工艺的影响不可能完全一致，探测不同频率干扰源的响应特性也不相同，导致获得的电磁图像中存在的条带噪声随干扰源的频率变化而呈现出不同的特征，严重地影响定位的精度。构建了双向门控循环单元（BiGRU）-卷积神经网络（CNN）模型，根据实测数据构建数据集作为模型的输入，BiGRU和CNN利用图像相邻行间的强相关性，从过去和未来的输入中广泛收集冗余信息，对条带噪声进行提取并对空间信息进行整合处理，利用数据之间的差值对这个过程进行循环迭代。通过大量的实验对模型进行验证，BiGRU-CNN方法与测试的经典方法相比更优，在垂直梯度能量方面降低了15.2%，在残差非均匀性方面降低了21.9%。
2023, 35: 124001.
doi: 10.11884/HPLPB202335.230110
摘要:
引出系统是中国散裂中子源快循环同步加速器的核心组成部分，对束流精确打靶和加速器稳定运行具有重要意义。首先，详细介绍了快循环同步加速器的引出系统和束流引出方案，重点介绍了一些引出系统相关的关键技术。其次，对引出束流调试进行深入研究，包括纵向束流调试、横向束流调试、引出束流分布优化等，其中纵向束流调试主要针对8个引出Kicker定时进行精确标定，横向束流调试主要指Lambertson型磁铁、8个Kicker磁铁、高能输运线模式的匹配设置。最后，对引出束流束损进行深入研究和针对性优化，探索引出束流损失的各种来源，对Lambertson型磁铁漏场、引出束团长度、Kicker波形平顶、Kicker波形变化进行深入研究并对一些新的测量方法进行详细论述。同时，对Lambertson型磁铁入口产生超大辐射热点的现象进行深入研究，寻找其产生大量束流损失的根源，并提出最终解决方案，降低引出束流损失和辐射剂量，使其满足加速器运行要求。
引出系统是中国散裂中子源快循环同步加速器的核心组成部分，对束流精确打靶和加速器稳定运行具有重要意义。首先，详细介绍了快循环同步加速器的引出系统和束流引出方案，重点介绍了一些引出系统相关的关键技术。其次，对引出束流调试进行深入研究，包括纵向束流调试、横向束流调试、引出束流分布优化等，其中纵向束流调试主要针对8个引出Kicker定时进行精确标定，横向束流调试主要指Lambertson型磁铁、8个Kicker磁铁、高能输运线模式的匹配设置。最后，对引出束流束损进行深入研究和针对性优化，探索引出束流损失的各种来源，对Lambertson型磁铁漏场、引出束团长度、Kicker波形平顶、Kicker波形变化进行深入研究并对一些新的测量方法进行详细论述。同时，对Lambertson型磁铁入口产生超大辐射热点的现象进行深入研究，寻找其产生大量束流损失的根源，并提出最终解决方案，降低引出束流损失和辐射剂量，使其满足加速器运行要求。
2023, 35: 124002.
doi: 10.11884/HPLPB202335.230109
摘要:
加速器束流轨道校正对于加速器稳定运行具有非常重要的作用，精确预测加速器束流轨道的变化对于实现束流自动化校准也具有重要意义。通过对束流轨道变化的准确预测，可以为调整加速器控制参数提供可靠的信息，从而实现对束流的精确控制和调节。通过研究束流在直线加速器中等能量传输段的传输过程，利用模拟加速器数据，基于多级级联的反向传播（BP）神经网络搭建了加速器束流轨道预测模型，能够实现对束流轨道参数的预测。结果表明，与采用传统单隐层BP神经网络建立的预测模型相比，多级级联BP神经网络能够实现更高的预测精度与可靠性，为直线加速器中等能量传输段的优化设计和束流轨道自动化校准提供了一种有效的方法。
加速器束流轨道校正对于加速器稳定运行具有非常重要的作用，精确预测加速器束流轨道的变化对于实现束流自动化校准也具有重要意义。通过对束流轨道变化的准确预测，可以为调整加速器控制参数提供可靠的信息，从而实现对束流的精确控制和调节。通过研究束流在直线加速器中等能量传输段的传输过程，利用模拟加速器数据，基于多级级联的反向传播（BP）神经网络搭建了加速器束流轨道预测模型，能够实现对束流轨道参数的预测。结果表明，与采用传统单隐层BP神经网络建立的预测模型相比，多级级联BP神经网络能够实现更高的预测精度与可靠性，为直线加速器中等能量传输段的优化设计和束流轨道自动化校准提供了一种有效的方法。
2023, 35: 124003.
doi: 10.11884/HPLPB202335.230125
摘要:
高能同步辐射光源（HEPS）的预准直单元数量庞大，且磁铁准直精度要求极高，为检验HEPS增强器预准直单元磁铁准直精度，需要在实验厅按照一定比例对其进行振动线磁中心验证测量。基于预研阶段已研发的振动线系统，详细介绍了振动线磁中心测量原理及扫描方法，研究了HEPS增强器两铁单元的磁中心准直精度检测方法并进行了验证实验。设计并搭建了振动线高精度重复定位夹持机构装置，研究了振动线下垂量的修正方法，并对增强器两铁单元的磁中心扫描结果进行拟合分析。实验结果表明，HEPS增强器两铁单元满足磁铁间相对位置误差优于 50 μm的预准直精度要求。
高能同步辐射光源（HEPS）的预准直单元数量庞大，且磁铁准直精度要求极高，为检验HEPS增强器预准直单元磁铁准直精度，需要在实验厅按照一定比例对其进行振动线磁中心验证测量。基于预研阶段已研发的振动线系统，详细介绍了振动线磁中心测量原理及扫描方法，研究了HEPS增强器两铁单元的磁中心准直精度检测方法并进行了验证实验。设计并搭建了振动线高精度重复定位夹持机构装置，研究了振动线下垂量的修正方法，并对增强器两铁单元的磁中心扫描结果进行拟合分析。实验结果表明，HEPS增强器两铁单元满足磁铁间相对位置误差优于 50 μm的预准直精度要求。
2023, 35: 124004.
doi: 10.11884/HPLPB202335.230097
摘要:
环形正负电子对撞机（CEPC）对注入器出口处的束团的电荷量、横向发射度、纵向长度等指标提出了严格的要求，设计开发高性能的电子枪及注入器成为了重要挑战。为了得到满足指标的束流，必须同时考虑众多非线性且相互耦合的变量。基于光阴极微波电子枪，提出了一种用多目标遗传算法在高维参数空间进行搜索的方法，对束团的横向归一化发射度和纵向长度进行优化，以期将电子枪的性能发挥至极限。由于考虑空间电荷效应后的束团传输过程模拟计算非常耗时，我们构建了一个3层的深度高斯过程作为替代模型，以解决目标值计算开销大的问题。通过对影响束流横、纵向相空间演化的关键因素分析，共确定了16个几何参数和10个束流元件参数。最后，展示了对由一个L-band的常温微波电子枪、一对螺线管和一个行波加速管组成的注入器，在初始电荷量为10 nC的优化结果。在计算了8 000个有效解后，观察到在两个优化目标上均表现良好的解，其对应的横向归一化发射度为19.8 π·mm·mrad，束团长度（RMS）为1.0 mm，与当前的设计结果比较，横向归一化发射度压低了约70%。
环形正负电子对撞机（CEPC）对注入器出口处的束团的电荷量、横向发射度、纵向长度等指标提出了严格的要求，设计开发高性能的电子枪及注入器成为了重要挑战。为了得到满足指标的束流，必须同时考虑众多非线性且相互耦合的变量。基于光阴极微波电子枪，提出了一种用多目标遗传算法在高维参数空间进行搜索的方法，对束团的横向归一化发射度和纵向长度进行优化，以期将电子枪的性能发挥至极限。由于考虑空间电荷效应后的束团传输过程模拟计算非常耗时，我们构建了一个3层的深度高斯过程作为替代模型，以解决目标值计算开销大的问题。通过对影响束流横、纵向相空间演化的关键因素分析，共确定了16个几何参数和10个束流元件参数。最后，展示了对由一个L-band的常温微波电子枪、一对螺线管和一个行波加速管组成的注入器，在初始电荷量为10 nC的优化结果。在计算了8 000个有效解后，观察到在两个优化目标上均表现良好的解，其对应的横向归一化发射度为19.8 π·mm·mrad，束团长度（RMS）为1.0 mm，与当前的设计结果比较，横向归一化发射度压低了约70%。
2023, 35: 124005.
doi: 10.11884/HPLPB202335.230176
摘要:
中国散裂中子源（CSNS）靶站质子束窗位于环到靶站输运线（RTBT）与靶站交接面，起到隔离加速器高真空和靶站氦气环境的作用。随着束流功率提高，目前质子束窗单层膜结构形式已无法满足CSNS-II 500 kW的高功率需求，因此开展CSNS-II质子束窗研制，设计出双层膜中间通水的冷却结构，完成质子束窗双层膜的薄膜半径、薄膜厚度、水冷槽长度与宽度、对流换热系数等各参数对质子束窗温升与热应力的影响分析。通过冷却水需求分析得出，冷却水流速需大于15 L/min。通过质子束窗主体的流固耦合分析，消除箱体内部死水区域。最终优化后质子束窗薄膜位置最高温度47.8 ℃，薄膜位置最高热应力30.758 MPa。通过FLUKA软件对质子束窗材料的辐照损伤性能进行分析，在每年5000 h工作时长、500 kW高功率束流的辐照下，辐照损伤DPA计算值为1.285 DPA，质子束窗的安全使用寿命在7年以上。
中国散裂中子源（CSNS）靶站质子束窗位于环到靶站输运线（RTBT）与靶站交接面，起到隔离加速器高真空和靶站氦气环境的作用。随着束流功率提高，目前质子束窗单层膜结构形式已无法满足CSNS-II 500 kW的高功率需求，因此开展CSNS-II质子束窗研制，设计出双层膜中间通水的冷却结构，完成质子束窗双层膜的薄膜半径、薄膜厚度、水冷槽长度与宽度、对流换热系数等各参数对质子束窗温升与热应力的影响分析。通过冷却水需求分析得出，冷却水流速需大于15 L/min。通过质子束窗主体的流固耦合分析，消除箱体内部死水区域。最终优化后质子束窗薄膜位置最高温度47.8 ℃，薄膜位置最高热应力30.758 MPa。通过FLUKA软件对质子束窗材料的辐照损伤性能进行分析，在每年5000 h工作时长、500 kW高功率束流的辐照下，辐照损伤DPA计算值为1.285 DPA，质子束窗的安全使用寿命在7年以上。
2023, 35: 124006.
doi: 10.11884/HPLPB202335.230070
摘要:
衍射极限储存环（DLSR）作为第四代同步辐射光源，正得到世界各国的大力发展和建设。如何在尽量减小对存储束流扰动情况下，高效率地将束流注入到储存环中，是衍射极限储存环设计与运行中的重要课题之一。传统的局部凸轨注入法有着很长的历史，应用广泛且技术成熟，但是传统凸轨注入法会对存储束流造成扰动，且衍射极限储存环的动力学孔径较小，这给传统凸轨注入法的应用带来了困难。为了解决这些问题，改进了一些传统的离轴注入法，提出并发展了一些在轴的注入方法。合肥先进光源（HALF）是规划建设中的衍射极限储存环光源，基于HALF储存环的物理设计方案，设计并应用了几种离轴或在轴的注入方案，通过粒子跟踪和模拟的方法验证了它们的可行性并研究了注入效率等物理问题，并对模拟结果进行了讨论和总结。
衍射极限储存环（DLSR）作为第四代同步辐射光源，正得到世界各国的大力发展和建设。如何在尽量减小对存储束流扰动情况下，高效率地将束流注入到储存环中，是衍射极限储存环设计与运行中的重要课题之一。传统的局部凸轨注入法有着很长的历史，应用广泛且技术成熟，但是传统凸轨注入法会对存储束流造成扰动，且衍射极限储存环的动力学孔径较小，这给传统凸轨注入法的应用带来了困难。为了解决这些问题，改进了一些传统的离轴注入法，提出并发展了一些在轴的注入方法。合肥先进光源（HALF）是规划建设中的衍射极限储存环光源，基于HALF储存环的物理设计方案，设计并应用了几种离轴或在轴的注入方案，通过粒子跟踪和模拟的方法验证了它们的可行性并研究了注入效率等物理问题，并对模拟结果进行了讨论和总结。
2023, 35: 124007.
doi: 10.11884/HPLPB202335.230227
摘要:
中国散裂中子源二期升级采用超导腔技术方案，其中在165～300 MeV能量段采用648 MHz 6-cell 超导腔模组，每个模组中集成3只6-cell超导腔。超导腔工作在脉冲模式，为了保证超导腔2 K下的频率满足运行要求，每只超导腔需要一套低温调谐器对其频率进行精确调节控制。针对648 MHz 6-cell超导腔的结构和运行特点进行了低温调谐器的设计，采用快慢组合机构补偿超导腔的频率偏移，对调谐器的基本性能和超导腔脉冲模式运行下的动态洛伦兹失谐进行了分析。
中国散裂中子源二期升级采用超导腔技术方案，其中在165～300 MeV能量段采用648 MHz 6-cell 超导腔模组，每个模组中集成3只6-cell超导腔。超导腔工作在脉冲模式，为了保证超导腔2 K下的频率满足运行要求，每只超导腔需要一套低温调谐器对其频率进行精确调节控制。针对648 MHz 6-cell超导腔的结构和运行特点进行了低温调谐器的设计，采用快慢组合机构补偿超导腔的频率偏移，对调谐器的基本性能和超导腔脉冲模式运行下的动态洛伦兹失谐进行了分析。
2023, 35: 124008.
doi: 10.11884/HPLPB202335.230264
摘要:
针对当前单次通过型数字束流位置探测器（BPM）有效采样点数少、数据信噪比低、测量分辨率差的问题，提出了一种基于“束流单次通过”的数字BPM测量改进算法。该算法通过模拟信号的功分-延迟-合成，增加了有效采样数据，并通过采样数据的截取与数据拼接、数字滤波等数据处理方式，提高了采样数据的信噪比，并最终实现了BPM测量分辨率的提高。实验结果表明，该算法在不改变模数转换器（ADC）采样率的情况下，将单次通过型BPM的测量分辨率提高了约2倍。该测量方法为提高单次通过型BPM的测量分辨率提供了一种新的解决方案，已成功应用于北京正负电子对撞机（BEPCII）和高能同步辐射光源（HEPS）直线加速器项目中。
针对当前单次通过型数字束流位置探测器（BPM）有效采样点数少、数据信噪比低、测量分辨率差的问题，提出了一种基于“束流单次通过”的数字BPM测量改进算法。该算法通过模拟信号的功分-延迟-合成，增加了有效采样数据，并通过采样数据的截取与数据拼接、数字滤波等数据处理方式，提高了采样数据的信噪比，并最终实现了BPM测量分辨率的提高。实验结果表明，该算法在不改变模数转换器（ADC）采样率的情况下，将单次通过型BPM的测量分辨率提高了约2倍。该测量方法为提高单次通过型BPM的测量分辨率提供了一种新的解决方案，已成功应用于北京正负电子对撞机（BEPCII）和高能同步辐射光源（HEPS）直线加速器项目中。
2023, 35: 124009.
doi: 10.11884/HPLPB202335.230412
摘要:
报道了基于常温射频直线加速器建成的10 MeV光子FLASH放疗射线源样机，采用高平均电流电子束轰击高速旋转辐射转化靶，在距离靶点1 m远处的固体水模内，X射线剂量率达到80.5 Gy/s，达到未来临床实验与推广所需剂量率阈值。
报道了基于常温射频直线加速器建成的10 MeV光子FLASH放疗射线源样机，采用高平均电流电子束轰击高速旋转辐射转化靶，在距离靶点1 m远处的固体水模内，X射线剂量率达到80.5 Gy/s，达到未来临床实验与推广所需剂量率阈值。
2023, 35: 125001.
doi: 10.11884/HPLPB202335.230152
摘要:
线性电源因其干扰小、动态响应速度快等优点被广泛用作半导体激光器驱动电源。针对线性电源中调整管易因功耗过大发生故障的问题，提出了一种脉宽脉幅混合调制方法，利用调整管漏源电压和漏极电流调制生成高频方波，通过平均值电路计算方波平均值，并基于此方法设计了一种调整管功耗检测电路。搭建实验平台对电路进行测试，结果表明，电路检测精度高、硬件成本低、响应速度快，最大检测误差为−2.64%，线性拟合度为0.9987，可广泛用于调整管的功耗检测以及安全区保护。
线性电源因其干扰小、动态响应速度快等优点被广泛用作半导体激光器驱动电源。针对线性电源中调整管易因功耗过大发生故障的问题，提出了一种脉宽脉幅混合调制方法，利用调整管漏源电压和漏极电流调制生成高频方波，通过平均值电路计算方波平均值，并基于此方法设计了一种调整管功耗检测电路。搭建实验平台对电路进行测试，结果表明，电路检测精度高、硬件成本低、响应速度快，最大检测误差为−2.64%，线性拟合度为0.9987，可广泛用于调整管的功耗检测以及安全区保护。
2023, 35: 126001.
doi: 10.11884/HPLPB202335.230016
摘要:
CPR1000系列反应堆是目前国内广泛应用的第二代压水堆型号之一，蒙特卡罗程序在CPR1000系列反应堆的验证与确认是该程序实现反应堆工程设计应用的关键环节。基于某CPR1000机组实际参数，使用由国内单位研发的蒙特卡罗程序JMCT在该机组开展了粒子输运建模计算，分别进行了临界计算和固定源计算，并进行了验证与确认。对于临界计算，采用JMCT建立了全堆芯pin-by-pin模型，计算了堆芯有效增殖因子和功率分布。对于固定源计算，建立适用于屏蔽分析的反应堆模型和辐照监督管精细结构模型，计算了两个核电机组多个循环的辐照监督管探测器位置累积快中子注量。通过将JMCT的计算结果与参考程序的计算结果、反应堆实际测量值进行了对比，验证了JMCT程序在CPR1000反应堆工程设计中的实际使用效果，证明了JMCT程序具备工程级的计算精度。
CPR1000系列反应堆是目前国内广泛应用的第二代压水堆型号之一，蒙特卡罗程序在CPR1000系列反应堆的验证与确认是该程序实现反应堆工程设计应用的关键环节。基于某CPR1000机组实际参数，使用由国内单位研发的蒙特卡罗程序JMCT在该机组开展了粒子输运建模计算，分别进行了临界计算和固定源计算，并进行了验证与确认。对于临界计算，采用JMCT建立了全堆芯pin-by-pin模型，计算了堆芯有效增殖因子和功率分布。对于固定源计算，建立适用于屏蔽分析的反应堆模型和辐照监督管精细结构模型，计算了两个核电机组多个循环的辐照监督管探测器位置累积快中子注量。通过将JMCT的计算结果与参考程序的计算结果、反应堆实际测量值进行了对比，验证了JMCT程序在CPR1000反应堆工程设计中的实际使用效果，证明了JMCT程序具备工程级的计算精度。
2023, 35: 126002.
doi: 10.11884/HPLPB202335.230193
摘要:
由于基体中有着大量随机分布的弥散颗粒，双重非均匀系统具有复杂的几何结构，传统中子学计算方法往往难以处理双重非均匀系统，反应性等效物理转换（RPT）方法是常用的近似处理方法。通过分析RPT方法的三个关键步骤：精确初始值的求解、等效半径的求解、燃耗算法的选取，探讨了各步骤采用不同算法对RPT方法效率和精度的影响，并基于OpenMC在Python应用程序接口之上开发了RPT模块。数值结果表明，优化后的RPT模块，在保持良好计算效率的同时，也能满足工程计算精度的需要。
由于基体中有着大量随机分布的弥散颗粒，双重非均匀系统具有复杂的几何结构，传统中子学计算方法往往难以处理双重非均匀系统，反应性等效物理转换（RPT）方法是常用的近似处理方法。通过分析RPT方法的三个关键步骤：精确初始值的求解、等效半径的求解、燃耗算法的选取，探讨了各步骤采用不同算法对RPT方法效率和精度的影响，并基于OpenMC在Python应用程序接口之上开发了RPT模块。数值结果表明，优化后的RPT模块，在保持良好计算效率的同时，也能满足工程计算精度的需要。
2023, 35: 126003.
doi: 10.11884/HPLPB202335.230143
摘要:
为进一步发展基于蒙特卡罗模拟方法的α粒子能谱探测参数优化技术，利用PyQt5设计一款调用蒙特卡罗模拟程序包Geant4进行α粒子能谱模拟研究的软件。一方面，建立了测量α粒子的钝化离子注入平面硅探测器（Passivated Implanted Planar Silicon）物理模型，根据实际α粒子测量条件对模拟的物理过程、模型材料及粒子源几何形状、成分等参数进行校正，结合PyQt5界面开发平台将粒子源参数、探测器参数修改等功能可视化。在多个探源距和不同真空压强条件下进行模拟实验，得到该模型的探测效率，并将获取的能量沉积成谱后，通过EMG-Landau响应函数模型展宽。另一方面，为验证该探测器模型的准确性，将模拟结果与实测结果的探测效率进行对比，实验结果表明，两者探测效率误差均在5%之内，且EMG-Landau响应函数模型展宽效果良好。本文研究结果验证了该Geant4模拟软件在α粒子能谱研究方面的可靠性，该软件可直观修改α粒子能谱测量条件，简化了模拟步骤，提高了模拟效率，为基于蒙特卡罗模拟方法的α粒子能谱探测参数优化技术提供了有力工具。
为进一步发展基于蒙特卡罗模拟方法的α粒子能谱探测参数优化技术，利用PyQt5设计一款调用蒙特卡罗模拟程序包Geant4进行α粒子能谱模拟研究的软件。一方面，建立了测量α粒子的钝化离子注入平面硅探测器（Passivated Implanted Planar Silicon）物理模型，根据实际α粒子测量条件对模拟的物理过程、模型材料及粒子源几何形状、成分等参数进行校正，结合PyQt5界面开发平台将粒子源参数、探测器参数修改等功能可视化。在多个探源距和不同真空压强条件下进行模拟实验，得到该模型的探测效率，并将获取的能量沉积成谱后，通过EMG-Landau响应函数模型展宽。另一方面，为验证该探测器模型的准确性，将模拟结果与实测结果的探测效率进行对比，实验结果表明，两者探测效率误差均在5%之内，且EMG-Landau响应函数模型展宽效果良好。本文研究结果验证了该Geant4模拟软件在α粒子能谱研究方面的可靠性，该软件可直观修改α粒子能谱测量条件，简化了模拟步骤，提高了模拟效率，为基于蒙特卡罗模拟方法的α粒子能谱探测参数优化技术提供了有力工具。
2023, 35: 129001.
doi: 10.11884/HPLPB202335.230128
摘要:
为实现高效太赫兹调控，迫切需要一种高效且成本低的材料。新型钙钛矿材料由于其优异的光电特性，加上钙钛矿制备工艺简单、可大批量生产等优点，非常适合作为太赫兹超材料的活性材料，通过外部激励改变活性材料的属性，可灵活调控太赫兹波。因此，选择新型钙钛矿材料外加光场调控太赫兹，分析在光场作用前（绝缘态）和在光场作用后（金属态）两种状态对单元结构太赫兹宽波段下幅值和相位的影响。设计出光场灵活调控的钙钛矿基1 bit太赫兹编码超表面结构，该结构由有机无机杂化钙钛CH3NH3PbI3（MAPbI3）、聚酰亚胺和铝构成。通过CST仿真结果显示，该超表面结构在光场的调控下能够实现宽谱（0.1、1、2、6 THz）太赫兹波的180°相位差变化，经过超表面编码结构的设计，同一编码序列实现远场波束的变换。研究结果表明，基于光场操控钙钛矿材料的编码超表面为实现灵活的太赫兹波调控提供了新的思路，在太赫兹通信、安检、生物医学成像等方面具有巨大的应用潜力。
为实现高效太赫兹调控，迫切需要一种高效且成本低的材料。新型钙钛矿材料由于其优异的光电特性，加上钙钛矿制备工艺简单、可大批量生产等优点，非常适合作为太赫兹超材料的活性材料，通过外部激励改变活性材料的属性，可灵活调控太赫兹波。因此，选择新型钙钛矿材料外加光场调控太赫兹，分析在光场作用前（绝缘态）和在光场作用后（金属态）两种状态对单元结构太赫兹宽波段下幅值和相位的影响。设计出光场灵活调控的钙钛矿基1 bit太赫兹编码超表面结构，该结构由有机无机杂化钙钛CH3NH3PbI3（MAPbI3）、聚酰亚胺和铝构成。通过CST仿真结果显示，该超表面结构在光场的调控下能够实现宽谱（0.1、1、2、6 THz）太赫兹波的180°相位差变化，经过超表面编码结构的设计，同一编码序列实现远场波束的变换。研究结果表明，基于光场操控钙钛矿材料的编码超表面为实现灵活的太赫兹波调控提供了新的思路，在太赫兹通信、安检、生物医学成像等方面具有巨大的应用潜力。
