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, 最新更新时间 , doi: 10.11884/HPLPB202335.230117
摘要:
随着粒子加速器对束流的精确控制要求越来越高，对工程控制网的设计与测量提出了更高的要求，详细介绍了高能同步辐射光源（HEPS）工程测量首级地面控制网的布设及测量方案。地面控制网永久点标志布设于粒子加速器建筑隧道内，通过垂直通视孔与架设在线站大厅顶面的仪器铅锤对中，并形成平面互相通视的观测条件，实现了平面测站和坐标的联系传递；高程方向采用水平通视孔及门窗通视的方式实现水准测站和高程坐标的联系传递。由此构成了立体化通视与观测结构，这在国内同步辐射光源建设中有独特之处，有力保证了加速器轨道的精确控制。平面控制网分别采用GNSS控制网和全站仪边角网测量的方案，高程控制网采用室内隧道地面和室外地面水准测量的方案。在加速器隧道设备安装前进行了两次地面控制网测量，数据处理采用平面+高程的模式平差。经过不同测量方案的对比来验证测量过程的正确性，同时对比两次控制网的测量结果来验证可靠性。平均点位标准偏差为2 mm，反映测量成果的精确可靠，满足后续二级隧道控制网测量及设备安装准直需要。HEPS对永久控制点的稳定性提出了很高的要求，通过优化设计和特殊施工，在狭窄隧道空间内成功建设了超高、超细、高稳定的基岩隔空桩，为储存环构成了稳固的三维永久控制点，为长期监测束流轨道的稳定性提供了基准，为后续同步辐射光源建设提供了借鉴。
随着粒子加速器对束流的精确控制要求越来越高，对工程控制网的设计与测量提出了更高的要求，详细介绍了高能同步辐射光源（HEPS）工程测量首级地面控制网的布设及测量方案。地面控制网永久点标志布设于粒子加速器建筑隧道内，通过垂直通视孔与架设在线站大厅顶面的仪器铅锤对中，并形成平面互相通视的观测条件，实现了平面测站和坐标的联系传递；高程方向采用水平通视孔及门窗通视的方式实现水准测站和高程坐标的联系传递。由此构成了立体化通视与观测结构，这在国内同步辐射光源建设中有独特之处，有力保证了加速器轨道的精确控制。平面控制网分别采用GNSS控制网和全站仪边角网测量的方案，高程控制网采用室内隧道地面和室外地面水准测量的方案。在加速器隧道设备安装前进行了两次地面控制网测量，数据处理采用平面+高程的模式平差。经过不同测量方案的对比来验证测量过程的正确性，同时对比两次控制网的测量结果来验证可靠性。平均点位标准偏差为2 mm，反映测量成果的精确可靠，满足后续二级隧道控制网测量及设备安装准直需要。HEPS对永久控制点的稳定性提出了很高的要求，通过优化设计和特殊施工，在狭窄隧道空间内成功建设了超高、超细、高稳定的基岩隔空桩，为储存环构成了稳固的三维永久控制点，为长期监测束流轨道的稳定性提供了基准，为后续同步辐射光源建设提供了借鉴。
, 最新更新时间 , doi: 10.11884/HPLPB202335.230154
摘要:
7075铝合金因其优异的各项性能，作为结构部件，广泛应用于航天领域中。航天器空间环境中存在各种辐射粒子，这些粒子会对航天器材料产生不同程度的辐照损伤，对其可靠性构成了巨大的威胁，甚至会导致航天任务失败。通过选取不同剂量下3 MeV的Fe11+离子辐照7075铝合金，采用XRD、AFM和纳米压痕等测试手段对7075铝合金的辐照损伤进行了研究，分析了辐照前后7075铝合金的微观组织、表面形貌和硬度的变化。结果显示，离子辐照后的7075铝合金未形成新的相，且结构保持完整，表明其具有一定的抗辐照性能。同时，观察表面发现了由级联碰撞演化及表面缺陷扩散导致的山峰状突起，且样品表面粗糙度和突起的分布密度随剂量增加呈先增加后减小的趋势。另外，纳米压痕测试表明，辐照后样品硬度增加，且随剂量增加，硬度逐渐趋于饱和，经分析可知，样品产生辐照硬化是由于辐照缺陷阻碍了位错的滑移导致。
7075铝合金因其优异的各项性能，作为结构部件，广泛应用于航天领域中。航天器空间环境中存在各种辐射粒子，这些粒子会对航天器材料产生不同程度的辐照损伤，对其可靠性构成了巨大的威胁，甚至会导致航天任务失败。通过选取不同剂量下3 MeV的Fe11+离子辐照7075铝合金，采用XRD、AFM和纳米压痕等测试手段对7075铝合金的辐照损伤进行了研究，分析了辐照前后7075铝合金的微观组织、表面形貌和硬度的变化。结果显示，离子辐照后的7075铝合金未形成新的相，且结构保持完整，表明其具有一定的抗辐照性能。同时，观察表面发现了由级联碰撞演化及表面缺陷扩散导致的山峰状突起，且样品表面粗糙度和突起的分布密度随剂量增加呈先增加后减小的趋势。另外，纳米压痕测试表明，辐照后样品硬度增加，且随剂量增加，硬度逐渐趋于饱和，经分析可知，样品产生辐照硬化是由于辐照缺陷阻碍了位错的滑移导致。
, 最新更新时间 , doi: 10.11884/HPLPB202335.230149
摘要:
根据地面中子探测与宇宙线环境之间的关联性，在太阳活动平静期以GOES系列卫星及全球各个中子探测站的探测数据构建数据集。基于极端梯度提升决策树（XGBoost）和人工神经网络建立了由地面中子探测数据反演宇宙线质子环境的模型。模型采用遗传算法求解模型的最优超参数并对神经网络的各个神经元参数进行训练，实现了宇宙线质子环境在太阳活动平静期的反演，模型训练的均方差MSE为0.499，对测试集的平均反演误差分别为26.9%，对比航天常用的辐射环境模型误差通常在200%以内，提高显著。同时使用包括SVR、BP、LSTM在内的多种其他机器学习算法进行了对比，结果表明本文所建立的模型具有训练时间短、计算速度快、占用资源小的优点。
根据地面中子探测与宇宙线环境之间的关联性，在太阳活动平静期以GOES系列卫星及全球各个中子探测站的探测数据构建数据集。基于极端梯度提升决策树（XGBoost）和人工神经网络建立了由地面中子探测数据反演宇宙线质子环境的模型。模型采用遗传算法求解模型的最优超参数并对神经网络的各个神经元参数进行训练，实现了宇宙线质子环境在太阳活动平静期的反演，模型训练的均方差MSE为0.499，对测试集的平均反演误差分别为26.9%，对比航天常用的辐射环境模型误差通常在200%以内，提高显著。同时使用包括SVR、BP、LSTM在内的多种其他机器学习算法进行了对比，结果表明本文所建立的模型具有训练时间短、计算速度快、占用资源小的优点。
, 最新更新时间 , doi: 10.11884/HPLPB202335.220311
摘要:
The cyclotron is designed as the injector of the Heavy Ion Medical Machines (HIMMs) in Wuwei city and Lanzhou city, China. It provides 10 µA carbon ion beams to fulfill the accumulation requirement in the following synchrotron. Four picoammeters acquire the beam current signals gathered by the radial detectors; meanwhile, the beam time structure is measured with Field Programmable Gate Arrays and a real-time operating system. This paper introduces the mechanical design of the radial detectors and further provides the thermal structure analysis result of probe tips with and without water cooling. Moreover, the hardware and software architecture of the control system for this detector is described, including the motion control and data acquisition system, which can implement beam current data and position simultaneous acquisition at more than 10 kS/s. At last, the laboratory test and acceptance scheme of both mechanical and control systems are listed, and the beam current and turn pattern measurement results at HIMMs are presented in this paper.
The cyclotron is designed as the injector of the Heavy Ion Medical Machines (HIMMs) in Wuwei city and Lanzhou city, China. It provides 10 µA carbon ion beams to fulfill the accumulation requirement in the following synchrotron. Four picoammeters acquire the beam current signals gathered by the radial detectors; meanwhile, the beam time structure is measured with Field Programmable Gate Arrays and a real-time operating system. This paper introduces the mechanical design of the radial detectors and further provides the thermal structure analysis result of probe tips with and without water cooling. Moreover, the hardware and software architecture of the control system for this detector is described, including the motion control and data acquisition system, which can implement beam current data and position simultaneous acquisition at more than 10 kS/s. At last, the laboratory test and acceptance scheme of both mechanical and control systems are listed, and the beam current and turn pattern measurement results at HIMMs are presented in this paper.
, 最新更新时间 , doi: 10.11884/HPLPB202335.230211
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。
, 最新更新时间 , doi: 10.11884/HPLPB202335.230173
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。
, 最新更新时间 , 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。
, 最新更新时间 , doi: 10.11884/HPLPB202335.230171
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。
, 最新更新时间 , doi: 10.11884/HPLPB202335.230148
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）。
, 最新更新时间 , doi: 10.11884/HPLPB202335.230123
摘要:
基于TCAD数值仿真软件，建立了异面结构砷化镓光导开关（GaAs PCSS）的二维数值计算模型，研究了触发区域宽度对GaAs PCSS输出特性影响。首先分析了PCSS的瞬态导通特性，结果表明，急剧增加的载流子浓度与快速演化的空间电离畴使PCSS工作在超快速导通模式。基于此，研究了触发区域宽度对PCSS输出特性影响，结果表明，宽度变大会促进载流子密度急剧倍增和雪崩电离畴的快速演化，缩短PCSS的延迟时间和导通时间。研究分析了不同触发位置对延迟时间与导通时间影响，结果表明，阴极触发的延迟时间明显低于阳极触发，而导通时间受触发位置的影响不显著。
基于TCAD数值仿真软件，建立了异面结构砷化镓光导开关（GaAs PCSS）的二维数值计算模型，研究了触发区域宽度对GaAs PCSS输出特性影响。首先分析了PCSS的瞬态导通特性，结果表明，急剧增加的载流子浓度与快速演化的空间电离畴使PCSS工作在超快速导通模式。基于此，研究了触发区域宽度对PCSS输出特性影响，结果表明，宽度变大会促进载流子密度急剧倍增和雪崩电离畴的快速演化，缩短PCSS的延迟时间和导通时间。研究分析了不同触发位置对延迟时间与导通时间影响，结果表明，阴极触发的延迟时间明显低于阳极触发，而导通时间受触发位置的影响不显著。
, 最新更新时间 , 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。
, 最新更新时间 , doi: 10.11884/HPLPB202335.230166
摘要:
柱矢量光束因其独特的偏振分布特性而在光镊、高分辨率成像、遥感、等离子体聚焦等领域发挥着重要作用。为实现全光纤高功率柱矢量MOPA激光器，采用自主设计基于集成超表面的模式转换光纤器件，进行了理论分析与实验验证。自主设计集成超表面的模式转换光纤器件可直接稳定输出数瓦功率的径向偏振柱矢量种子光，且输出模式纯度可达95%以上。实验中通过降低弯曲损耗并对模式进行控制，获得了单级放大输出功率为52.2 W的径向偏振柱矢量光稳定输出，且模式光场分布在输出功率增加过程中并未出现明显变化。为进一步分析输出的模式特性，采用旋转检偏器的方法检测输出光的偏振特性及偏振纯度，并利用非相干模式叠加方法计算了输出的径向偏振柱矢量光的模式纯度。结果表明，集成超表面模式转换的全光纤柱矢量MOPA激光器在最大输出功率情况下，输出光的偏振纯度约为95.2%，模式纯度约为94%，验证了该全光纤方案的可行性。
柱矢量光束因其独特的偏振分布特性而在光镊、高分辨率成像、遥感、等离子体聚焦等领域发挥着重要作用。为实现全光纤高功率柱矢量MOPA激光器，采用自主设计基于集成超表面的模式转换光纤器件，进行了理论分析与实验验证。自主设计集成超表面的模式转换光纤器件可直接稳定输出数瓦功率的径向偏振柱矢量种子光，且输出模式纯度可达95%以上。实验中通过降低弯曲损耗并对模式进行控制，获得了单级放大输出功率为52.2 W的径向偏振柱矢量光稳定输出，且模式光场分布在输出功率增加过程中并未出现明显变化。为进一步分析输出的模式特性，采用旋转检偏器的方法检测输出光的偏振特性及偏振纯度，并利用非相干模式叠加方法计算了输出的径向偏振柱矢量光的模式纯度。结果表明，集成超表面模式转换的全光纤柱矢量MOPA激光器在最大输出功率情况下，输出光的偏振纯度约为95.2%，模式纯度约为94%，验证了该全光纤方案的可行性。
, 最新更新时间 , doi: 10.11884/HPLPB202335.230111
摘要:
完美涡旋（POV）光束具有光束半径与拓扑荷数无关的特点，与其他涡旋光束相比具有更加稳定的空间强度分布特性。利用多相位屏法和傅里叶变换法，分析了POV光束在大气湍流中的斜程传输特性。采用光束漂移和孔径评价闪烁指数作为大气湍流影响光束质量的评价参数，对比了POV光束与高斯涡旋光束在相同传输条件下的光束质量。结果表明：相比于高斯涡旋光束，POV光束的光束稳定性更好。当拓扑荷数增大或天顶角减小时，POV光束抵抗大气湍流的能力增强。在不改变POV光束拓扑荷数的前提下增大其光束半径，也能提高POV光束对大气湍流的抵抗能力。
完美涡旋（POV）光束具有光束半径与拓扑荷数无关的特点，与其他涡旋光束相比具有更加稳定的空间强度分布特性。利用多相位屏法和傅里叶变换法，分析了POV光束在大气湍流中的斜程传输特性。采用光束漂移和孔径评价闪烁指数作为大气湍流影响光束质量的评价参数，对比了POV光束与高斯涡旋光束在相同传输条件下的光束质量。结果表明：相比于高斯涡旋光束，POV光束的光束稳定性更好。当拓扑荷数增大或天顶角减小时，POV光束抵抗大气湍流的能力增强。在不改变POV光束拓扑荷数的前提下增大其光束半径，也能提高POV光束对大气湍流的抵抗能力。
