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2025, 37: 044005.
doi: 10.11884/HPLPB202537.240286
2025, 37: 035025.
doi: 10.11884/HPLPB202537.240417
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doi: 10.11884/HPLPB202537.240362
摘要:
当光电晶体管偏置在5 V下，辐照前，其暗电流约为58 nA，对365 nm紫外光的响应度约为31 A/W；器件经过10 MeV电子束辐照后，暗电流的数量级下降到10−11 A，响应度下降到原来的1/8左右。辐照后，器件的响应度受偏置电压的影响明显，随着偏置电压的减小而下降，当光电晶体管偏置在3 V下，响应度下降到2.25 A/W。电子束辐照还会影响紫外探测器的开关响应，使响应的总时间变长。本文结合光电晶体管工作时的电路模型，电子束辐照后引起光产生电流减小、晶体管增益下降和串联电阻增大是引起光电探测器紫外响应性能退化的主要原因。
当光电晶体管偏置在5 V下，辐照前，其暗电流约为58 nA，对365 nm紫外光的响应度约为31 A/W；器件经过10 MeV电子束辐照后，暗电流的数量级下降到10−11 A，响应度下降到原来的1/8左右。辐照后，器件的响应度受偏置电压的影响明显，随着偏置电压的减小而下降，当光电晶体管偏置在3 V下，响应度下降到2.25 A/W。电子束辐照还会影响紫外探测器的开关响应，使响应的总时间变长。本文结合光电晶体管工作时的电路模型，电子束辐照后引起光产生电流减小、晶体管增益下降和串联电阻增大是引起光电探测器紫外响应性能退化的主要原因。
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doi: 10.11884/HPLPB202537.250004
摘要:
激光无线能量传输技术具有高功率、远距离、非接触式、能信同传等优点，有望成为一种革新性的能源传递方式，在消费电子产品、无人机、航天等领域展现巨大的应用潜力。分析了激光无线能量传输系统的核心模块以及在地面、航天、水下等领域的国内外发展现状，总结了其面临的技术挑战。最后，讨论了激光无线能量传输系统的未来发展趋势。
激光无线能量传输技术具有高功率、远距离、非接触式、能信同传等优点，有望成为一种革新性的能源传递方式，在消费电子产品、无人机、航天等领域展现巨大的应用潜力。分析了激光无线能量传输系统的核心模块以及在地面、航天、水下等领域的国内外发展现状，总结了其面临的技术挑战。最后，讨论了激光无线能量传输系统的未来发展趋势。
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doi: 10.11884/HPLPB202537.240391
摘要:
在高功率微波辐射领域中，模式变换器加喇叭天线是实现旋转轴对称模定向辐射的常用技术，但模式变换器与喇叭天线的分离设计往往会使得天线轴向和口面尺寸较大。为了满足实际应用场景对天线小型化的需求，提出了一种模式控制与辐射一体化的阶梯型双半圆波导辐射天线。该天线由圆波导TM01模输入，通过插板将圆波导TM01模分成两路相位相反的半圆波导TE11模，之后再连接两个不对称的阶梯型半圆波导辐射器实现微波辐射。功分器采用了渐变圆波导进行匹配，同时采用大半径的内导体以提高功率容量。双半圆波导辐射器利用模式匹配法结合粒子群优化算法进行相位调节和模式控制。通过分区域的模式控制和辐射一体化设计，在辐射口面处达到更加均匀的同相电场分布，实现定向辐射，从而缩短了天线长度、降低了口面大小。优化设计了一个中心频率为2.85 GHz的天线模型，天线尺寸为1.18λ×1.18λ × 2.42λ。仿真结果表明：在2.75～2.96 GHz内天线回波损耗大于15 dB，在2.71～3 GHz内实际增益大于15.5 dBi，中心频点的实际增益为16.14 dBi，真空功率容量为906 MW。相比于传统的模式转换器加喇叭天线的技术路线，该天线具有高功率容量、小型化的特点。
在高功率微波辐射领域中，模式变换器加喇叭天线是实现旋转轴对称模定向辐射的常用技术，但模式变换器与喇叭天线的分离设计往往会使得天线轴向和口面尺寸较大。为了满足实际应用场景对天线小型化的需求，提出了一种模式控制与辐射一体化的阶梯型双半圆波导辐射天线。该天线由圆波导TM01模输入，通过插板将圆波导TM01模分成两路相位相反的半圆波导TE11模，之后再连接两个不对称的阶梯型半圆波导辐射器实现微波辐射。功分器采用了渐变圆波导进行匹配，同时采用大半径的内导体以提高功率容量。双半圆波导辐射器利用模式匹配法结合粒子群优化算法进行相位调节和模式控制。通过分区域的模式控制和辐射一体化设计，在辐射口面处达到更加均匀的同相电场分布，实现定向辐射，从而缩短了天线长度、降低了口面大小。优化设计了一个中心频率为2.85 GHz的天线模型，天线尺寸为1.18λ×1.18λ × 2.42λ。仿真结果表明：在2.75～2.96 GHz内天线回波损耗大于15 dB，在2.71～3 GHz内实际增益大于15.5 dBi，中心频点的实际增益为16.14 dBi，真空功率容量为906 MW。相比于传统的模式转换器加喇叭天线的技术路线，该天线具有高功率容量、小型化的特点。
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doi: 10.11884/HPLPB202537.240398
摘要:
放射性核素已在核医疗、核安保及无损检测等领域中广泛应用，而对其准确识别是放射性核素定性检测的基础。在便携式核素识别仪中，基于传统能谱分析方法存在延迟高、识别率低等不足。提出一种基于核脉冲峰值序列的核素识别轻量化神经网络模型及其FPGA硬件加速方法，通过引入深度可分离卷积和倒残差模块，并使用全局平均池化替代传统全连接层，构建了一种轻量化、高效的神经网络模型。针对网络训练数据集，通过蒙特卡罗工具包Geant4构建NaI(Tl)探测器模型，获取模拟能谱，再由核脉冲信号模拟仿真器根据能谱产生核脉冲信号序列，构建了16种核脉冲信号数据。最后，将训练好的模型通过量化、融合与并行计算等优化方法部署到PYNQ-Z2异构芯片，实现加速。实验结果表明，模型识别精度可达98.3%，相较传统卷积神经网络模型提高了13.2%，参数量仅为2 128。FPGA优化加速后单次识别耗时0.273 ms，功耗为1.94 W。
放射性核素已在核医疗、核安保及无损检测等领域中广泛应用，而对其准确识别是放射性核素定性检测的基础。在便携式核素识别仪中，基于传统能谱分析方法存在延迟高、识别率低等不足。提出一种基于核脉冲峰值序列的核素识别轻量化神经网络模型及其FPGA硬件加速方法，通过引入深度可分离卷积和倒残差模块，并使用全局平均池化替代传统全连接层，构建了一种轻量化、高效的神经网络模型。针对网络训练数据集，通过蒙特卡罗工具包Geant4构建NaI(Tl)探测器模型，获取模拟能谱，再由核脉冲信号模拟仿真器根据能谱产生核脉冲信号序列，构建了16种核脉冲信号数据。最后，将训练好的模型通过量化、融合与并行计算等优化方法部署到PYNQ-Z2异构芯片，实现加速。实验结果表明，模型识别精度可达98.3%，相较传统卷积神经网络模型提高了13.2%，参数量仅为2 128。FPGA优化加速后单次识别耗时0.273 ms，功耗为1.94 W。
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doi: 10.11884/HPLPB202537.240269
摘要:
为了研究激光聚变内爆中出现的流体力学不稳定性问题，需要具备大视场、高分辨率的X射线诊断技术。菲涅耳波带片（FZP）是一种圆形非周期光栅结构，可实现X射线的高空间分辨率成像。开展了基于衍射成像的高分辨X射线诊断技术仿真研究，展示了FZP对于流体力学不稳定性问题的应用前景。基于衍射理论建立FZP理论模型，根据诊断实验环境，设计了工作能点为8.04 keV下的FZP结构参数。基于光学仿真模型，对FZP成像色差问题进行模拟，给出了空间分辨与光谱带宽的关系，仿真结果表明，光源带宽小于0.2 keV，FZP的分辨率优于3 μm。通过网格背光成像仿真表明，FZP在0.8 mm视场内，可以实现优于3 μm的分辨。
为了研究激光聚变内爆中出现的流体力学不稳定性问题，需要具备大视场、高分辨率的X射线诊断技术。菲涅耳波带片（FZP）是一种圆形非周期光栅结构，可实现X射线的高空间分辨率成像。开展了基于衍射成像的高分辨X射线诊断技术仿真研究，展示了FZP对于流体力学不稳定性问题的应用前景。基于衍射理论建立FZP理论模型，根据诊断实验环境，设计了工作能点为8.04 keV下的FZP结构参数。基于光学仿真模型，对FZP成像色差问题进行模拟，给出了空间分辨与光谱带宽的关系，仿真结果表明，光源带宽小于0.2 keV，FZP的分辨率优于3 μm。通过网格背光成像仿真表明，FZP在0.8 mm视场内，可以实现优于3 μm的分辨。
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doi: 10.11884/HPLPB202537.240356
摘要:
指标高、结构紧凑、稳定性好的固态高压脉冲开关对脉冲功率技术的进步具有重要意义。本文提出基于光电导开关（PCSS）和电涌抑制晶闸管（TSS）阵列的高压纳秒开关技术路线，采用便于实现高压隔离的PCSS作为TSS阵列的触发单元，研制了一种新型高压纳秒开关模块（PTTSSM）。研制的20 kV开关模块输出峰值电流23.7 A，脉冲宽度122.1 ns，上升时间和下降时间分别为55.9 ns和128.3 ns，尺寸为60 mm×60 mm×40 mm；100 kV模块输出峰值电压60～100 kV可调、最大输出峰值电流356 A，脉宽1.308 μs，上升和下降时间分别是160.4 ns和2.454 μs，尺寸为150 mm×100 mm×50 mm，均能够长时间稳定工作。基于新型高压纳秒开关模块的脉冲电源在有机废水处理实验中成功产生大量稳定低温等离子体，有效降解有机物，验证了开关模块驱动产生等离子体的可行性和有效性。
指标高、结构紧凑、稳定性好的固态高压脉冲开关对脉冲功率技术的进步具有重要意义。本文提出基于光电导开关（PCSS）和电涌抑制晶闸管（TSS）阵列的高压纳秒开关技术路线，采用便于实现高压隔离的PCSS作为TSS阵列的触发单元，研制了一种新型高压纳秒开关模块（PTTSSM）。研制的20 kV开关模块输出峰值电流23.7 A，脉冲宽度122.1 ns，上升时间和下降时间分别为55.9 ns和128.3 ns，尺寸为60 mm×60 mm×40 mm；100 kV模块输出峰值电压60～100 kV可调、最大输出峰值电流356 A，脉宽1.308 μs，上升和下降时间分别是160.4 ns和2.454 μs，尺寸为150 mm×100 mm×50 mm，均能够长时间稳定工作。基于新型高压纳秒开关模块的脉冲电源在有机废水处理实验中成功产生大量稳定低温等离子体，有效降解有机物，验证了开关模块驱动产生等离子体的可行性和有效性。
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doi: 10.11884/HPLPB202537.240083
摘要:
横向尾场导致的束流崩溃效应是限制加速器向强流小型化发展发展的主要因素.介质金属盘片混合加速结构是具有小型化高束流功率特性的新型加速结构，但其结构较为复杂导致装配和调谐困难。通过开展介质金属盘片混合加速结构研究，明确介质材料对腔体性能的影响，从而优化结构以解决装配和调谐的问题。该结构优化后可以大幅度降低横向尾场导致的束流崩溃，增大束流功率。基于优化后的结构，设计一只工作频率为S波段2856 MHz，具有小型化高束流平均功率特性的2.5 MeV加速管。本文介绍了加速结构的优化及加速管的物理设计，采用数值计算方法完成了加速管束流动力学设计，并用PARMELA进行了验证计算。本研究明确该结构具有成为新一代大束流功率辐照直线加速器的潜力。
横向尾场导致的束流崩溃效应是限制加速器向强流小型化发展发展的主要因素.介质金属盘片混合加速结构是具有小型化高束流功率特性的新型加速结构，但其结构较为复杂导致装配和调谐困难。通过开展介质金属盘片混合加速结构研究，明确介质材料对腔体性能的影响，从而优化结构以解决装配和调谐的问题。该结构优化后可以大幅度降低横向尾场导致的束流崩溃，增大束流功率。基于优化后的结构，设计一只工作频率为S波段
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doi: 10.11884/HPLPB202537.240327
摘要:
为了解激光焦斑尺寸对极紫外转换效率影响及产生影响的物理机制，通过理论解析的方式提出了激光烧蚀平面靶产生冕区等离子体的二维瞬态膨胀模型来研究激光焦斑对极紫外光转换效率的影响。发现在激光光强7.45×1010 W/cm2、半高全宽5 ns、波长1064 nm时，随着激光焦斑半径从60 μm增大到300 μm，相应地极紫外转换效率从1%增大到5.5%；而焦斑半径大于300 μm后，相应地极紫外转换效率保持在5.5%。这是由于激光烧蚀平面靶产生的冕区等离子体从初始的一维膨胀到随后的二维膨胀过程决定了发射极紫外光的等离子体区的饱和尺寸，并最终决定了极紫外光的转换效率。转换效率随焦斑半径变化的趋势可以解释激光烧蚀锡靶实验观察到的物理现象。
为了解激光焦斑尺寸对极紫外转换效率影响及产生影响的物理机制，通过理论解析的方式提出了激光烧蚀平面靶产生冕区等离子体的二维瞬态膨胀模型来研究激光焦斑对极紫外光转换效率的影响。发现在激光光强7.45×1010 W/cm2、半高全宽5 ns、波长
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doi: 10.11884/HPLPB202537.240241
摘要:
采用磁控溅射技术控制不同的铝靶电流在 聚对苯二甲酸乙二醇酯 （PET）的表面制备双面铝薄膜。利用扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）观察铝薄膜的微观形貌，使用X射线衍射仪（XRD）对铝薄膜进行物相分析，利用划格法检测铝薄膜和PET的结合情况，利用紫外-可见分光光度计检测铝薄膜的挡光性，采用手持式核辐射探测器检测α和β粒子射线粒子在铝薄膜中的透过率。结果表明：铝薄膜表面光滑平整，具有金属光泽，Al晶粒均匀致密。铝薄膜无孔洞、裂纹等缺陷；随着Al靶电流增加，Al晶粒尺寸、铝薄膜厚度及沉积速率均增大，铝薄膜粗糙度先降低后增大。铝薄膜的挡光性先提高后降低，α、β粒子的平均透过率均逐渐降低；当铝靶电流为2.0 A时，铝薄膜的粗糙度最小，为2.49 nm，光透过率最低在0.025%左右，α、β粒子的平均透过率最高，分别为581.7 CPS、547.2 CPS。
采用磁控溅射技术控制不同的铝靶电流在 聚对苯二甲酸乙二醇酯 （PET）的表面制备双面铝薄膜。利用扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）观察铝薄膜的微观形貌，使用X射线衍射仪（XRD）对铝薄膜进行物相分析，利用划格法检测铝薄膜和PET的结合情况，利用紫外-可见分光光度计检测铝薄膜的挡光性，采用手持式核辐射探测器检测α和β粒子射线粒子在铝薄膜中的透过率。结果表明：铝薄膜表面光滑平整，具有金属光泽，Al晶粒均匀致密。铝薄膜无孔洞、裂纹等缺陷；随着Al靶电流增加，Al晶粒尺寸、铝薄膜厚度及沉积速率均增大，铝薄膜粗糙度先降低后增大。铝薄膜的挡光性先提高后降低，α、β粒子的平均透过率均逐渐降低；当铝靶电流为2.0 A时，铝薄膜的粗糙度最小，为2.49 nm，光透过率最低在0.025%左右，α、β粒子的平均透过率最高，分别为581.7 CPS、547.2 CPS。
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doi: 10.11884/HPLPB202537.240312
摘要:
随着高能量密度（HED）物质诊断需求的日益增长，X射线干涉成像技术在该领域得到了广泛关注和应用。主要综述了X射线干涉成像技术与系统的国内外最新进展，介绍了基于Talbot和Talbot-Lau干涉的X射线光栅成像原理和能力，Talbot干涉和Talbot-Lau干涉是通过利用具有周期性结构的光栅，对X射线的相位、吸收和散射特性进行高精度测量，从而实现对样品内部结构的无损检测与成像。总结了该技术在高能量密度物质诊断实验中的应用，介绍了Talbot干涉分析（TIA）代码，并依靠TIA程序与Flash流体力学代码结合进行了初步模拟，成功获取了Flash模型中的吸收、相位和暗场三种信息，最后总结和展望了X射线Talbot-Lau干涉诊断技术在高能量密度等离子体实验中的应用。
随着高能量密度（HED）物质诊断需求的日益增长，X射线干涉成像技术在该领域得到了广泛关注和应用。主要综述了X射线干涉成像技术与系统的国内外最新进展，介绍了基于Talbot和Talbot-Lau干涉的X射线光栅成像原理和能力，Talbot干涉和Talbot-Lau干涉是通过利用具有周期性结构的光栅，对X射线的相位、吸收和散射特性进行高精度测量，从而实现对样品内部结构的无损检测与成像。总结了该技术在高能量密度物质诊断实验中的应用，介绍了Talbot干涉分析（TIA）代码，并依靠TIA程序与Flash流体力学代码结合进行了初步模拟，成功获取了Flash模型中的吸收、相位和暗场三种信息，最后总结和展望了X射线Talbot-Lau干涉诊断技术在高能量密度等离子体实验中的应用。
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doi: 10.11884/HPLPB202537.240358
摘要:
Constructing a photoconductive semiconductor switch (PCSS)-metal coil structure, we discovered a new phenomenon of electromagnetic oscillation in vanadium-compensation semi-insulating (VCSI) PCSS. Here the PCSS responds to laser pulse and high-voltage signal while the metal coil generates an oscillating voltage pulse envelope signal. The generation of this oscillating signal is not related to the input bias voltage of the PCSS, the pulse circuit components, or the electrode structure of the PCSS, rather it is related to the output characteristic of the PCSS. This physical phenomenon can be explained using the current surge model in photoconducting antenna. Preparing ohmic contact electrode on the silicon carbide material forms the PCSS, which generates a large number of photogenerated carriers when ultra-fast laser pulses irradiate the surface of the material and Simultaneously applies a bias voltage signal between the electrode. At this time inside the PCSS the electric field causes the transient current, radiating electromagnetic wave to the metal coil to generate oscillating signal.
Constructing a photoconductive semiconductor switch (PCSS)-metal coil structure, we discovered a new phenomenon of electromagnetic oscillation in vanadium-compensation semi-insulating (VCSI) PCSS. Here the PCSS responds to laser pulse and high-voltage signal while the metal coil generates an oscillating voltage pulse envelope signal. The generation of this oscillating signal is not related to the input bias voltage of the PCSS, the pulse circuit components, or the electrode structure of the PCSS, rather it is related to the output characteristic of the PCSS. This physical phenomenon can be explained using the current surge model in photoconducting antenna. Preparing ohmic contact electrode on the silicon carbide material forms the PCSS, which generates a large number of photogenerated carriers when ultra-fast laser pulses irradiate the surface of the material and Simultaneously applies a bias voltage signal between the electrode. At this time inside the PCSS the electric field causes the transient current, radiating electromagnetic wave to the metal coil to generate oscillating signal.
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doi: 10.11884/HPLPB202537.240335
摘要:
介绍了基于百千焦激光装置开展的一系列激光间接驱动双金属壳靶内爆出中子实验。双金属壳靶的设计来源于体点火方案，该方案通过解耦辐射烧蚀与内爆压缩过程，从而提高了内爆的鲁棒性。然而，由于双金属壳靶制备难度较大，首次实验中的中子产额远低于模拟预期。为解决这一问题，提出了两项关键改进措施：一是优化外壳接缝设计，降低流体力学不稳定性因素的影响，提高内外壳的碰撞效率以及内球的内爆效率；二是提高黑腔靶丸的耦合效率，增强激光能量的有效传递。通过这些改进，靶丸的压缩性能和内爆效率得到显著提升，最终实现了中子产额从\begin{document}$ 5.0\times {10}^{7} $\end{document} ![]()
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\begin{document}$ 7.1\times {10}^{8} $\end{document} ![]()
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介绍了基于百千焦激光装置开展的一系列激光间接驱动双金属壳靶内爆出中子实验。双金属壳靶的设计来源于体点火方案，该方案通过解耦辐射烧蚀与内爆压缩过程，从而提高了内爆的鲁棒性。然而，由于双金属壳靶制备难度较大，首次实验中的中子产额远低于模拟预期。为解决这一问题，提出了两项关键改进措施：一是优化外壳接缝设计，降低流体力学不稳定性因素的影响，提高内外壳的碰撞效率以及内球的内爆效率；二是提高黑腔靶丸的耦合效率，增强激光能量的有效传递。通过这些改进，靶丸的压缩性能和内爆效率得到显著提升，最终实现了中子产额从
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doi: 10.11884/HPLPB202537.240326
摘要:
闪光照相技术可以对快速物理过程进行诊断，但由于是瞬时照相，获得的投影数量稀少。考虑视角典型受限（即一个视角）的情况下，CT图像重建不确定度量化方法的研究。目前的单视角CT图像重建不确定度量化方法通常假设在线性光程方程中含有高斯噪声的模型，但这种物理模型过于简化。从朗博比尔定律（Lambert-Beer’s law）出发，构建了关于透射率的指数衰减方程及其高斯噪声项，得到更合理的非线性图像重建模型，推导得到相应的非线性后验概率密度函数，然后利用RTO算法以及Gibbs算法对该后验概率进行抽样，通过统计抽样样本得到图像重建的平均值及其不确定度。为了验证新方法的有效性，给出了模拟数据，并与基于光程方程的线性图像重建结果进行了对比，结果表明基于透射率方程的非线性图像重建方法具有更好的不确定度估计潜力。
闪光照相技术可以对快速物理过程进行诊断，但由于是瞬时照相，获得的投影数量稀少。考虑视角典型受限（即一个视角）的情况下，CT图像重建不确定度量化方法的研究。目前的单视角CT图像重建不确定度量化方法通常假设在线性光程方程中含有高斯噪声的模型，但这种物理模型过于简化。从朗博比尔定律（Lambert-Beer’s law）出发，构建了关于透射率的指数衰减方程及其高斯噪声项，得到更合理的非线性图像重建模型，推导得到相应的非线性后验概率密度函数，然后利用RTO算法以及Gibbs算法对该后验概率进行抽样，通过统计抽样样本得到图像重建的平均值及其不确定度。为了验证新方法的有效性，给出了模拟数据，并与基于光程方程的线性图像重建结果进行了对比，结果表明基于透射率方程的非线性图像重建方法具有更好的不确定度估计潜力。
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doi: 10.11884/HPLPB202537.240314
摘要:
热扩散系数是大能量、高功率激光系统中光学元件的重要参数，关系到元件的抗激光损伤性能，但现有热扩散系数测量方法在多维热传导情况下的测量结果误差较大，且热扩散长度是热扩散系数测量的基础，因此采用有限元法仿真了热源连续加热下的二维热传导并总结了热扩散长度与热扩散系数及加热时间之间的关系规律，据此提出了热源连续加热下测量二维热扩散长度的模型与方法。首先采用有限元分析建立模型仿真了一维热传导情况下的热扩散长度与热扩散系数的关系式并与数值解析表达式比较，二者符合较好，验证了使用连续热源与热扩散长度求解热扩散系数的可行性；之后扩展到二维热扩散情况，并讨论了热损失、样品厚度和热源加载时间对结果的影响；最后给出了实际测量方案，并给出提升测量精度措施。该工作为方便准确地测量材料或元件的热扩散长度提供思路，对制备高功率、大能量激光系统元件具有重要意义。
热扩散系数是大能量、高功率激光系统中光学元件的重要参数，关系到元件的抗激光损伤性能，但现有热扩散系数测量方法在多维热传导情况下的测量结果误差较大，且热扩散长度是热扩散系数测量的基础，因此采用有限元法仿真了热源连续加热下的二维热传导并总结了热扩散长度与热扩散系数及加热时间之间的关系规律，据此提出了热源连续加热下测量二维热扩散长度的模型与方法。首先采用有限元分析建立模型仿真了一维热传导情况下的热扩散长度与热扩散系数的关系式并与数值解析表达式比较，二者符合较好，验证了使用连续热源与热扩散长度求解热扩散系数的可行性；之后扩展到二维热扩散情况，并讨论了热损失、样品厚度和热源加载时间对结果的影响；最后给出了实际测量方案，并给出提升测量精度措施。该工作为方便准确地测量材料或元件的热扩散长度提供思路，对制备高功率、大能量激光系统元件具有重要意义。
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doi: 10.11884/HPLPB202537.240365
摘要:
深圳中能高重复频率X射线自由电子激光（S3FEL）的预研项目中的束流测试平台，将用于攻克高重复频率自由电子激光中的多项重大关键技术。对S3FEL束流测试平台中注入段废束桶束窗进行结构设计，结合电子束流参数设计了一种钎焊水冷铜窗。通过有限元分析方法对束窗进行热结构计算，分析了不同冷却通道和冷却流速下的温度、应力和变形。综合考虑冷却效果、流致振动和经济效益因素，最终选取了M型水冷通道和流速为1 m/s的束窗设计。并对该束窗处的真空分布进行计算，结果满足了设计要求，验证了设计的合理性，能够确保装置稳定可靠运行。
深圳中能高重复频率X射线自由电子激光（S3FEL）的预研项目中的束流测试平台，将用于攻克高重复频率自由电子激光中的多项重大关键技术。对S3FEL束流测试平台中注入段废束桶束窗进行结构设计，结合电子束流参数设计了一种钎焊水冷铜窗。通过有限元分析方法对束窗进行热结构计算，分析了不同冷却通道和冷却流速下的温度、应力和变形。综合考虑冷却效果、流致振动和经济效益因素，最终选取了M型水冷通道和流速为1 m/s的束窗设计。并对该束窗处的真空分布进行计算，结果满足了设计要求，验证了设计的合理性，能够确保装置稳定可靠运行。
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doi: 10.11884/HPLPB202537.240323
摘要:
为探究电子设备在强电磁场环境中出现重启、关机现象的根本原因，以某型直流稳定电源为受试对象，观察在强场连续波电磁辐射作用下受试电源表现出的敏感现象。选择电压相对变化量作为效应参量，并描述效应参量随干扰场强的变化规律。辐照试验在GTEM室中进行，干扰信号频段为80～1000 MHz，最高场强为300 V/m。试验结果表明，受试电源的输出电压变化可分为两个阶段。干扰场强较低时，电压变化量表现为单调上升、单调下降或先上升后下降；该阶段电压变化量不超过20%，负载设备仍能正常运转。干扰场强较高时，电压变化量表现为突变，可分为停止干扰后关停（80～120 MHz、320～350 MHz）、施加干扰时关停（220～270 MHz、360～420 MHz）、重启（570～590 MHz、700～720 MHz、860～880 MHz）等三种对负载用电设备造成实际威胁的干扰现象。两个阶段的敏感现象无明显对应关系。
为探究电子设备在强电磁场环境中出现重启、关机现象的根本原因，以某型直流稳定电源为受试对象，观察在强场连续波电磁辐射作用下受试电源表现出的敏感现象。选择电压相对变化量作为效应参量，并描述效应参量随干扰场强的变化规律。辐照试验在GTEM室中进行，干扰信号频段为80～
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doi: 10.11884/HPLPB202537.240350
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基于电磁能装备的电爆破在基坑工程中有巨大应用前景。提出了基于脉冲电源-电爆炸负载阵列的协同破岩技术，通过多应力波叠加实现大体积硬岩可控电爆破。分析了电爆炸过程中过电压产生机理以及多阵列协同过程中的过电压传递特性，提出了强流开关的过电压抑制方法。分析了单电爆炸负载与阵列协同破岩的作用效果，双电爆炸负载阵列单位体积破岩能耗为单电爆炸负载的38%，表明电爆炸负载阵列协同可有效实现大体积硬岩的可控电爆破。
基于电磁能装备的电爆破在基坑工程中有巨大应用前景。提出了基于脉冲电源-电爆炸负载阵列的协同破岩技术，通过多应力波叠加实现大体积硬岩可控电爆破。分析了电爆炸过程中过电压产生机理以及多阵列协同过程中的过电压传递特性，提出了强流开关的过电压抑制方法。分析了单电爆炸负载与阵列协同破岩的作用效果，双电爆炸负载阵列单位体积破岩能耗为单电爆炸负载的38%，表明电爆炸负载阵列协同可有效实现大体积硬岩的可控电爆破。
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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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2025, 37: 035001.
doi: 10.11884/HPLPB202537.240406
摘要:
随着SiC MOSFET器件快速开关特性的发展，其在需要高速、灵活高压脉冲输出的电路系统中得到广泛应用。研究表明，SiC MOSFET的导通时间主要受栅极驱动技术及其实现方式的影响，因此相关研究多聚焦于其栅极驱动方法优化。该研究通过对SiC MOSFET栅极驱动回路进行参数测试与优化设计，并将其应用于超快导通型SiC MOSFET器件，以实现导通时间的显著缩减。为验证优化效果，研究团队设计并制备了栅极升压驱动器的优化原型进行实验测试。测试数据表明，经过优化的栅极驱动电压调节方法有效提升了器件性能，在10 kV电压等级与50 A电流条件下，脉冲电压上升沿时间可达27 ns。
随着SiC MOSFET器件快速开关特性的发展，其在需要高速、灵活高压脉冲输出的电路系统中得到广泛应用。研究表明，SiC MOSFET的导通时间主要受栅极驱动技术及其实现方式的影响，因此相关研究多聚焦于其栅极驱动方法优化。该研究通过对SiC MOSFET栅极驱动回路进行参数测试与优化设计，并将其应用于超快导通型SiC MOSFET器件，以实现导通时间的显著缩减。为验证优化效果，研究团队设计并制备了栅极升压驱动器的优化原型进行实验测试。测试数据表明，经过优化的栅极驱动电压调节方法有效提升了器件性能，在10 kV电压等级与50 A电流条件下，脉冲电压上升沿时间可达27 ns。
2025, 37: 035002.
doi: 10.11884/HPLPB202537.240409
摘要:
真空弧中子发生器是一种短脉冲高产额的中子源，被广泛应用在石油测井、元素活化分析等领域。真空弧中子发生器的典型特点是放电弧流大、脉宽短，为此研制了一套大电流的真空弧放电及其引出电源，包含触发模块、主弧模块和引出模块等。触发模块为LRC放电，输出电压峰值大于5 kV。主弧模块采用LRCD半周期放电方式产生主弧电流，电流峰值大于600 A，半高宽大于0.5 μs。引出模块使用多倍压整流电路，将交流高压整流成所需的高压直流，输出电压峰值大于120 kV，负载电流大于2 A。根据设计方案建立了仿真模型，仿真结果表明该电源能很好地输出设定的电参数。最后制备了一套大电流真空弧放电及引出电源，测试结果表明该电源输出参数和设计值一致，可用来作为真空弧中子发生器驱动电源。
真空弧中子发生器是一种短脉冲高产额的中子源，被广泛应用在石油测井、元素活化分析等领域。真空弧中子发生器的典型特点是放电弧流大、脉宽短，为此研制了一套大电流的真空弧放电及其引出电源，包含触发模块、主弧模块和引出模块等。触发模块为LRC放电，输出电压峰值大于5 kV。主弧模块采用LRCD半周期放电方式产生主弧电流，电流峰值大于600 A，半高宽大于0.5 μs。引出模块使用多倍压整流电路，将交流高压整流成所需的高压直流，输出电压峰值大于120 kV，负载电流大于2 A。根据设计方案建立了仿真模型，仿真结果表明该电源能很好地输出设定的电参数。最后制备了一套大电流真空弧放电及引出电源，测试结果表明该电源输出参数和设计值一致，可用来作为真空弧中子发生器驱动电源。
2025, 37: 035003.
doi: 10.11884/HPLPB202537.240377
摘要:
针对重复频率Marx型脉冲功率源的应用需求，采用固态调制恒流充电与脉冲变压器感应叠加相结合的技术方式，开展了大功率重复频率高电压脉冲充电电源技术研究。分析了基于BUCK-BOOST拓扑电路的恒流充电技术，给出了高电压脉冲变压器、脉冲调制模块、BUCK-BOOST充电模块、控制单元等关键参数设计，完成了大功率重复频率脉冲充电电源样机研制。样机设计指标最大输出平均功率250 kW，最高重复频率100 Hz。在0.5 μF负载电容上进行了充电测试，获得了电压约100 kV、脉冲前沿约300 μs的脉冲输出。该脉冲充电电源在脉冲变压器初级设计中采用了多模块并联的设计思路，即减小了装置体积又降低了高电压绝缘风险，在输出功率大、电压高的条件下，实现了紧凑化、模块化设计。
针对重复频率Marx型脉冲功率源的应用需求，采用固态调制恒流充电与脉冲变压器感应叠加相结合的技术方式，开展了大功率重复频率高电压脉冲充电电源技术研究。分析了基于BUCK-BOOST拓扑电路的恒流充电技术，给出了高电压脉冲变压器、脉冲调制模块、BUCK-BOOST充电模块、控制单元等关键参数设计，完成了大功率重复频率脉冲充电电源样机研制。样机设计指标最大输出平均功率250 kW，最高重复频率100 Hz。在0.5 μF负载电容上进行了充电测试，获得了电压约100 kV、脉冲前沿约300 μs的脉冲输出。该脉冲充电电源在脉冲变压器初级设计中采用了多模块并联的设计思路，即减小了装置体积又降低了高电压绝缘风险，在输出功率大、电压高的条件下，实现了紧凑化、模块化设计。
2025, 37: 035004.
doi: 10.11884/HPLPB202537.240376
摘要:
为满足如速调管等对输出长达毫秒量级脉冲调制器需求，介绍一种基于Marx电路的长脉冲高压脉冲电源，它采用固态半导体开关作为主放电开关，通过在Marx每一级单元引入独立的充电半导体开关，解决了Marx采用电阻对储能电容充电导致无法高重频工作的问题。设计一辅助电源给每一级Marx单元半导体开关的驱动电路供电，通过光纤触发，可输出1 ms以上的长脉冲。采用该电路设计的Marx验证装置共有6级，可输出电压幅度−10 kV/ 1 A、脉冲宽度1 ms的长脉冲，输出短脉冲时最高输出频率达50 kHz以上。
为满足如速调管等对输出长达毫秒量级脉冲调制器需求，介绍一种基于Marx电路的长脉冲高压脉冲电源，它采用固态半导体开关作为主放电开关，通过在Marx每一级单元引入独立的充电半导体开关，解决了Marx采用电阻对储能电容充电导致无法高重频工作的问题。设计一辅助电源给每一级Marx单元半导体开关的驱动电路供电，通过光纤触发，可输出1 ms以上的长脉冲。采用该电路设计的Marx验证装置共有6级，可输出电压幅度−10 kV/ 1 A、脉冲宽度1 ms的长脉冲，输出短脉冲时最高输出频率达50 kHz以上。
2025, 37: 035005.
doi: 10.11884/HPLPB202537.240254
摘要:
为降低脉冲功率源使用门槛，设计并实现了一种基于Marx发生器的紧凑型脉冲功率源：Marx发生器为7级单极性充电同轴结构，采用低电感陶瓷电容、紫外光预电离输出窄脉冲；使用可调初级高压电源和2路同步触发开关，金属外壳作为接地屏蔽与放电回路；发生器内部充填高气压N2。基于上述设计获得的脉冲功率源在充电电压26 kV、充气0.3 MPa时，在60 Ω负载上获得了前沿33 ns、脉宽59 ns、幅度109.2 kV的高电压脉冲；功率源封装在一个直径0.2 m、长1.1 m的铝合金圆筒内。为紧凑型、模块化脉冲功率源的实现提供了设计思路和参考样机，可用于闪光X射线照相驱动源。
为降低脉冲功率源使用门槛，设计并实现了一种基于Marx发生器的紧凑型脉冲功率源：Marx发生器为7级单极性充电同轴结构，采用低电感陶瓷电容、紫外光预电离输出窄脉冲；使用可调初级高压电源和2路同步触发开关，金属外壳作为接地屏蔽与放电回路；发生器内部充填高气压N2。基于上述设计获得的脉冲功率源在充电电压26 kV、充气0.3 MPa时，在60 Ω负载上获得了前沿33 ns、脉宽59 ns、幅度109.2 kV的高电压脉冲；功率源封装在一个直径0.2 m、长1.1 m的铝合金圆筒内。为紧凑型、模块化脉冲功率源的实现提供了设计思路和参考样机，可用于闪光X射线照相驱动源。
2025, 37: 035006.
doi: 10.11884/HPLPB202537.240183
摘要:
中性束注入加热是磁约束聚变实验中有效的加热手段，离子源在实验运行过程中出现打火情况就终止离子束的引出，降低了中性束离子源束的引出效率与功率。离子源在发生异常情况时为延长离子源束的引出，开展高压电源快恢复技术研究，即通过再次运行高压电源重新进行束的引出。针对快恢复技术，采用PXIe-8861处理器、PXIe-7820R可编程逻辑门阵列硬件板卡，基于PXI Express技术研制了一套快恢复控制系统。控制系统采用心跳包机制进行板卡及通讯状态监测，具有客户端及上位机两种参数配置方法，满足在线/离 线数据查看与分析功能。通过上位机模式配置，控制系统支持电压、个数控制，满足调制、快恢复、单次等多种工作模式。在兆瓦级强离子源上开展测试结果表明，控制系统操作界面简洁，逻辑结构设计清晰，满足多种控制模式，并通过重启高压电源进行束引出，提高了实验过程离子源束的引出功率。
中性束注入加热是磁约束聚变实验中有效的加热手段，离子源在实验运行过程中出现打火情况就终止离子束的引出，降低了中性束离子源束的引出效率与功率。离子源在发生异常情况时为延长离子源束的引出，开展高压电源快恢复技术研究，即通过再次运行高压电源重新进行束的引出。针对快恢复技术，采用PXIe-8861处理器、PXIe-7820R可编程逻辑门阵列硬件板卡，基于PXI Express技术研制了一套快恢复控制系统。控制系统采用心跳包机制进行板卡及通讯状态监测，具有客户端及上位机两种参数配置方法，满足在线/离 线数据查看与分析功能。通过上位机模式配置，控制系统支持电压、个数控制，满足调制、快恢复、单次等多种工作模式。在兆瓦级强离子源上开展测试结果表明，控制系统操作界面简洁，逻辑结构设计清晰，满足多种控制模式，并通过重启高压电源进行束引出，提高了实验过程离子源束的引出功率。
2025, 37: 035007.
doi: 10.11884/HPLPB202537.240253
摘要:
基于自触发技术提出了一种带截尾功能的方波脉冲叠加器。N型开关与P型开关串联形成特殊的半桥结构，只需要提供一路隔离双极性信号控制第一级的充电和放电开关，所有其他级的开关逐级导通和关断，即可产生高压方波脉冲。该技术不仅大幅简化了脉冲叠加器的驱动电路，还实现了截尾功能，产生快速前后沿的准方波脉冲。并且利用耗尽型N型开关的自动导通特点实现了无需控制的自取电，显著提升驱动电路的绝缘水平。搭建了9级电源样机进行实验验证，实验结果表明：在10 kΩ阻性负载上产生了稳定的重频正极性方波脉冲，电压幅值2.3～3.6 kV可调，脉宽1～10 μs可调，频率0～1 kHz可调，前后沿在100 ns左右，且随着工作电压的升高而加快。10 kΩ和3 nF阻容串联负载下波形仍然是较好的方波脉冲，脉冲前后沿与阻性负载相比没有明显变慢。该脉冲叠加器结构紧凑，有利于实现固态脉冲电源的小型化。
基于自触发技术提出了一种带截尾功能的方波脉冲叠加器。N型开关与P型开关串联形成特殊的半桥结构，只需要提供一路隔离双极性信号控制第一级的充电和放电开关，所有其他级的开关逐级导通和关断，即可产生高压方波脉冲。该技术不仅大幅简化了脉冲叠加器的驱动电路，还实现了截尾功能，产生快速前后沿的准方波脉冲。并且利用耗尽型N型开关的自动导通特点实现了无需控制的自取电，显著提升驱动电路的绝缘水平。搭建了9级电源样机进行实验验证，实验结果表明：在10 kΩ阻性负载上产生了稳定的重频正极性方波脉冲，电压幅值2.3～3.6 kV可调，脉宽1～10 μs可调，频率0～1 kHz可调，前后沿在100 ns左右，且随着工作电压的升高而加快。10 kΩ和3 nF阻容串联负载下波形仍然是较好的方波脉冲，脉冲前后沿与阻性负载相比没有明显变慢。该脉冲叠加器结构紧凑，有利于实现固态脉冲电源的小型化。
2025, 37: 035008.
doi: 10.11884/HPLPB202537.240315
摘要:
脉冲功率驱动源是高功率微波技术的关键部分，其输出波形质量直接影响高功率微波器件的输出，针对脉冲功率驱动源输出波形平顶存在的振荡问题，设计并研制了一套基于PFN-Marx的紧凑化脉冲功率驱动源并进行波形优化，通过PSpice仿真分析了不同结构的PFN-Marx发生器的参数，从而确定了PFN-Marx发生器的节数与级数；将输出波形存在的振荡问题转化为波形平顶区域各极值点距离基准值的偏移程度，以平顶纹波误差最小为目标，以均方根误差构建目标函数，在Simulink中建立电路模型，结合MATLAB遗传算法，对PFN的电感进行不断迭代优化，最后确定一组最优值，重新设计电感结构，使其可以方便快捷调整电感值，以此实现波形优化。优化后的单级PFN在10 Ω负载上输出波形前沿24.4 ns，脉宽93.6 ns，其平顶性能良好。装配完成的7级PFN-Marx发生器在充电电压53.8 kV、负载阻抗75 Ω条件下，输出准方波波形的峰值为189.2 kV，脉宽93.2 ns，前沿8.4 ns，后沿33.6 ns，纹波系数为3.5%。
脉冲功率驱动源是高功率微波技术的关键部分，其输出波形质量直接影响高功率微波器件的输出，针对脉冲功率驱动源输出波形平顶存在的振荡问题，设计并研制了一套基于PFN-Marx的紧凑化脉冲功率驱动源并进行波形优化，通过PSpice仿真分析了不同结构的PFN-Marx发生器的参数，从而确定了PFN-Marx发生器的节数与级数；将输出波形存在的振荡问题转化为波形平顶区域各极值点距离基准值的偏移程度，以平顶纹波误差最小为目标，以均方根误差构建目标函数，在Simulink中建立电路模型，结合MATLAB遗传算法，对PFN的电感进行不断迭代优化，最后确定一组最优值，重新设计电感结构，使其可以方便快捷调整电感值，以此实现波形优化。优化后的单级PFN在10 Ω负载上输出波形前沿24.4 ns，脉宽93.6 ns，其平顶性能良好。装配完成的7级PFN-Marx发生器在充电电压53.8 kV、负载阻抗75 Ω条件下，输出准方波波形的峰值为189.2 kV，脉宽93.2 ns，前沿8.4 ns，后沿33.6 ns，纹波系数为3.5%。
2025, 37: 035009.
doi: 10.11884/HPLPB202537.240355
摘要:
电感储能是脉冲功率技术的主要储能方式之一，而断路开关的限压问题是其固有难题。为了探究超导脉冲电源的限压方法，介绍了ZnO压敏电阻限压和脉冲电容器限压两种传统限压方式，提出联合脉冲电容器和压敏电阻以限制断路开关电压。分析了三种限压方式下超导脉冲电源的工作原理，基于同一超导脉冲变压器参数进行仿真，并分别分析了不同限压参数下的输出特性，对比分析了不同限压方法之间的输出特性差异。针对联合限压方式，为验证其限压性能，搭建了小型实验平台进行验证性实验。仿真和实验结果表明，联合限压方式比压敏电阻限压传输效率高，关断性能好；比脉冲电容限压放电速度快，电压幅值低。
电感储能是脉冲功率技术的主要储能方式之一，而断路开关的限压问题是其固有难题。为了探究超导脉冲电源的限压方法，介绍了ZnO压敏电阻限压和脉冲电容器限压两种传统限压方式，提出联合脉冲电容器和压敏电阻以限制断路开关电压。分析了三种限压方式下超导脉冲电源的工作原理，基于同一超导脉冲变压器参数进行仿真，并分别分析了不同限压参数下的输出特性，对比分析了不同限压方法之间的输出特性差异。针对联合限压方式，为验证其限压性能，搭建了小型实验平台进行验证性实验。仿真和实验结果表明，联合限压方式比压敏电阻限压传输效率高，关断性能好；比脉冲电容限压放电速度快，电压幅值低。
2025, 37: 035010.
doi: 10.11884/HPLPB202537.240344
摘要:
针对强流重离子加速器装置（HIAF）离子源束流快速切换需求，设计并研制了一台快切束脉冲电源。根据兼顾电流快速变化和平顶稳定度的要求，提出了基于高低压双前级电压快切换的实现方案，分析了电路工作原理，计算了关键参数，讨论了适应电压突变的控制方法。根据电源模块化原则研制了16 kW整机并在真实磁铁负载进行了测试。结果表明，电源在13 mH电感上输出570 A，误差小于±1×10−4，重复频率3 Hz，上升下降时间小于30 ms，平顶900 ms内可调，电源设计方案合理可行。
针对强流重离子加速器装置（HIAF）离子源束流快速切换需求，设计并研制了一台快切束脉冲电源。根据兼顾电流快速变化和平顶稳定度的要求，提出了基于高低压双前级电压快切换的实现方案，分析了电路工作原理，计算了关键参数，讨论了适应电压突变的控制方法。根据电源模块化原则研制了16 kW整机并在真实磁铁负载进行了测试。结果表明，电源在13 mH电感上输出570 A，误差小于±1×10−4，重复频率3 Hz，上升下降时间小于30 ms，平顶900 ms内可调，电源设计方案合理可行。
2025, 37: 015011.
doi: 10.11884/HPLPB202537.240302
摘要:
为满足中子测试装置对闪烁探测器的高可靠度要求，研制了一种全硬件自动检测控制电路。提出采用多谐振荡器产生设定时间周期的自检脉冲信号，利用比较器、单稳态触发器等电路对闪烁探测器主通道工作状态进行实时监测和判断，在主通道故障时通过模拟开关实现主通道信号和备用通道信号之间进行自动切换控制。解决了目前自动检测控制电路实现通道切换输出电路复杂、体积大、辐射环境适应性较差等问题，实现了闪烁探测器通道的冗余设计，提高了闪烁探测器的工作可靠度。该电路成功使探测器工作可靠度达到99.9%以上，满足了实验要求。
为满足中子测试装置对闪烁探测器的高可靠度要求，研制了一种全硬件自动检测控制电路。提出采用多谐振荡器产生设定时间周期的自检脉冲信号，利用比较器、单稳态触发器等电路对闪烁探测器主通道工作状态进行实时监测和判断，在主通道故障时通过模拟开关实现主通道信号和备用通道信号之间进行自动切换控制。解决了目前自动检测控制电路实现通道切换输出电路复杂、体积大、辐射环境适应性较差等问题，实现了闪烁探测器通道的冗余设计，提高了闪烁探测器的工作可靠度。该电路成功使探测器工作可靠度达到99.9%以上，满足了实验要求。
2025, 37: 035012.
doi: 10.11884/HPLPB202537.240259
摘要:
磁压缩电源主要用于为压缩磁体供电，以形成压缩场反等离子体所需的磁场位形，是磁压缩系统中的重要组成部分。压缩磁体线圈数量众多，线圈之间耦合关系复杂，导致求解形成目标磁场所需的电源参数非常困难，对电源设计带来一定挑战。提出了一种基于遗传算法的磁压缩电源参数设计方法，以提高参数设计效率。根据磁压缩电源工作电路拓扑及线圈之间的耦合关系，推导了磁压缩电源系统的物理模型。在物理模型的基础上，提出了基于遗传算法的磁压缩电源参数设计方法，并阐明了该方法的基本原理。编写了算法代码并建立了MATLAB仿真模型，在理想情况及实际工程两种设计情况下对HFRC磁压缩系统电源参数进行了优化设计，得到了优化磁场与目标磁场位形基本一致的结果。同时建立了MAXWELL仿真模型对比分析，两种模型的输出结果吻合度很高，验证了该方法在电源设计时的有效性和准确性。
磁压缩电源主要用于为压缩磁体供电，以形成压缩场反等离子体所需的磁场位形，是磁压缩系统中的重要组成部分。压缩磁体线圈数量众多，线圈之间耦合关系复杂，导致求解形成目标磁场所需的电源参数非常困难，对电源设计带来一定挑战。提出了一种基于遗传算法的磁压缩电源参数设计方法，以提高参数设计效率。根据磁压缩电源工作电路拓扑及线圈之间的耦合关系，推导了磁压缩电源系统的物理模型。在物理模型的基础上，提出了基于遗传算法的磁压缩电源参数设计方法，并阐明了该方法的基本原理。编写了算法代码并建立了MATLAB仿真模型，在理想情况及实际工程两种设计情况下对HFRC磁压缩系统电源参数进行了优化设计，得到了优化磁场与目标磁场位形基本一致的结果。同时建立了MAXWELL仿真模型对比分析，两种模型的输出结果吻合度很高，验证了该方法在电源设计时的有效性和准确性。
2025, 37: 035013.
doi: 10.11884/HPLPB202537.240431
摘要:
高压电源是中性束注入加热系统的重要组成部分，决定着束能量和引出束流的品质。为满足HL-3装置中性束注入系统功率需求，设计了基于PSM技术的模块化高压电源系统，通过串联叠加若干电源模块，实现额定电压输出。电源模块采用单相桥式整流和半桥输出控制，设计了软启动电路和泄能回路，实现电源模块在市电供电条件下进行功能测试；设计调节模块电路，通过控制调节模块的输出电压等级，实现对电源输出电压的精确控制。利用MATLAB中Simulink工具箱对电源模块及系统进行仿真测试，测试了电源的软启动功能、额定输出及短路保护性能。搭建1 600 V/50 A/5 s试验样机和80 kV/50 A/5 s测试平台，实验验证电源系统模块电气性能。经仿真和实验验证，电源模块试验样机满足额定输出要求，通过串联叠加，实现80 kV电压稳定输出。电源短路保护时间小于6 μs，实现了快速保护关断，满足HL-3装置5 MW中性束注入系统对高压电源的性能要求。
高压电源是中性束注入加热系统的重要组成部分，决定着束能量和引出束流的品质。为满足HL-3装置中性束注入系统功率需求，设计了基于PSM技术的模块化高压电源系统，通过串联叠加若干电源模块，实现额定电压输出。电源模块采用单相桥式整流和半桥输出控制，设计了软启动电路和泄能回路，实现电源模块在市电供电条件下进行功能测试；设计调节模块电路，通过控制调节模块的输出电压等级，实现对电源输出电压的精确控制。利用MATLAB中Simulink工具箱对电源模块及系统进行仿真测试，测试了电源的软启动功能、额定输出及短路保护性能。搭建1 600 V/50 A/5 s试验样机和80 kV/50 A/5 s测试平台，实验验证电源系统模块电气性能。经仿真和实验验证，电源模块试验样机满足额定输出要求，通过串联叠加，实现80 kV电压稳定输出。电源短路保护时间小于6 μs，实现了快速保护关断，满足HL-3装置5 MW中性束注入系统对高压电源的性能要求。
2025, 37: 035014.
doi: 10.11884/HPLPB202537.240273
摘要:
深圳中能高重复频率X射线自由电子激光（S3FEL）需要MHz的高重复频率高稳定性冲击磁铁（Kicker）系统，传输线结构冲击磁铁系统是实现高重复频率的有效途径。但传输线结构冲击磁铁的波形稳定性不足限制了该类型冲击磁铁在大型粒子加速器中的应用。为改善上述不足，基于传输线结构冲击磁铁的输入波形和电路结构参数开展了研究，利用傅里叶分析等数学工具分析了影响冲击磁铁工作波形稳定性的主要因素，揭示了冲击磁铁理想波形的谐波次数与传输线结构冲击磁铁截止频率之间的关系。在此基础上，提出一种减小冲击磁铁实际波形与理想波形偏差的方法。该方法通过调整冲击磁铁输入波形参数或者传输线结构冲击磁铁截止频率，在一定范围内可以获得冲击磁铁理想的工作波形。为验证上述关系，用电路仿真软件对冲击磁铁不同工作波形和不同电路参数进行了仿真。仿真结果证实了上述关系且验证了所提方法的有效性。
深圳中能高重复频率X射线自由电子激光（S3FEL）需要MHz的高重复频率高稳定性冲击磁铁（Kicker）系统，传输线结构冲击磁铁系统是实现高重复频率的有效途径。但传输线结构冲击磁铁的波形稳定性不足限制了该类型冲击磁铁在大型粒子加速器中的应用。为改善上述不足，基于传输线结构冲击磁铁的输入波形和电路结构参数开展了研究，利用傅里叶分析等数学工具分析了影响冲击磁铁工作波形稳定性的主要因素，揭示了冲击磁铁理想波形的谐波次数与传输线结构冲击磁铁截止频率之间的关系。在此基础上，提出一种减小冲击磁铁实际波形与理想波形偏差的方法。该方法通过调整冲击磁铁输入波形参数或者传输线结构冲击磁铁截止频率，在一定范围内可以获得冲击磁铁理想的工作波形。为验证上述关系，用电路仿真软件对冲击磁铁不同工作波形和不同电路参数进行了仿真。仿真结果证实了上述关系且验证了所提方法的有效性。
2025, 37: 035015.
doi: 10.11884/HPLPB202537.240318
摘要:
混合集成DC-DC变换器因其工作温度范围宽和长期可靠性高在苛刻环境及高可靠需求应用场景中得到广泛应用。基于GaN HEMT器件优异的高频低损耗特性，结合有源箝位软开关拓扑、混合集成微组装技术和高载流低热阻气密封装技术，设计了一款28 V输入、5 V/20 A输出的混合集成DC-DC变换器。该变换器开关频率800 kHz，峰值效率达92%。详细阐述了有源箝位功率电路设计、GaN HEMT驱动电路寄生参数与震荡电压控制、同步整流时序与死区时间优化、厚膜混合集成工艺及散热的设计方法和技术细节，并通过仿真与样机实验，验证和展示了GaN HEMT和混合集成电路在高功率密度和高效率方面的优势。
混合集成DC-DC变换器因其工作温度范围宽和长期可靠性高在苛刻环境及高可靠需求应用场景中得到广泛应用。基于GaN HEMT器件优异的高频低损耗特性，结合有源箝位软开关拓扑、混合集成微组装技术和高载流低热阻气密封装技术，设计了一款28 V输入、5 V/20 A输出的混合集成DC-DC变换器。该变换器开关频率800 kHz，峰值效率达92%。详细阐述了有源箝位功率电路设计、GaN HEMT驱动电路寄生参数与震荡电压控制、同步整流时序与死区时间优化、厚膜混合集成工艺及散热的设计方法和技术细节，并通过仿真与样机实验，验证和展示了GaN HEMT和混合集成电路在高功率密度和高效率方面的优势。
2025, 37: 035016.
doi: 10.11884/HPLPB202537.240258
摘要:
屏蔽层在抑制电磁干扰应用中被广泛使用，但目前少有研究聚焦于屏蔽层对独立的功率回路与信号回路构成的双差模回路间电磁串扰的影响。提出了一种基于多导体传输线理论的双差模带屏蔽线缆回路间的串扰分析模型。该方法首先建立了多导体系统单位长度等效电路模型，然后利用有限差分的思想并依据基尔霍夫电压定律和电流定律列写出系统的传输线方程组，最后求解得到串扰结果。将计算结果与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。对感性耦合和容性耦合进行单独计算，研究了屏蔽层对线缆间串扰的影响，得到了抑制串扰的方法，可为实际应用中电缆选型以及屏蔽层接地方式的选择提供指导。
屏蔽层在抑制电磁干扰应用中被广泛使用，但目前少有研究聚焦于屏蔽层对独立的功率回路与信号回路构成的双差模回路间电磁串扰的影响。提出了一种基于多导体传输线理论的双差模带屏蔽线缆回路间的串扰分析模型。该方法首先建立了多导体系统单位长度等效电路模型，然后利用有限差分的思想并依据基尔霍夫电压定律和电流定律列写出系统的传输线方程组，最后求解得到串扰结果。将计算结果与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。对感性耦合和容性耦合进行单独计算，研究了屏蔽层对线缆间串扰的影响，得到了抑制串扰的方法，可为实际应用中电缆选型以及屏蔽层接地方式的选择提供指导。
2025, 37: 035017.
doi: 10.11884/HPLPB202537.240403
摘要:
为解决中性束注入系统中加速极高压电源输出电压纹波低、打火时高压电源输出能量低、打火快速关断的需求，以及高压打火可能损坏高频开关器件的问题，采用模块化逆变式电源模块方案，设计了120 kV/80 A模块化大功率逆变式高压电源，该电源将84个1600 V/80 A的高频逆变式模块化电源错相级联。高频逆变式电源模块通过变压器隔离，可在打火时有效保护开关器件；采用逆变频率20 kHz的错相控制，在保证电压纹波的同时还可减小滤波电容的容量，满足打火能量限制的要求。最后仿真并搭建样机对模块性能进行测试，模块上升时间为67 µs；打火关断时间为3.3 µs；打火释放能量为1.3 J；电压纹波为3.3%，经交错级联后模块可以满足纹波低于1%。结果表明该设计满足电压纹波低、快速关断、低打火释放能量的要求，验证了设计方案的可行性。
为解决中性束注入系统中加速极高压电源输出电压纹波低、打火时高压电源输出能量低、打火快速关断的需求，以及高压打火可能损坏高频开关器件的问题，采用模块化逆变式电源模块方案，设计了120 kV/80 A模块化大功率逆变式高压电源，该电源将84个
2025, 37: 035018.
doi: 10.11884/HPLPB202537.240233
摘要:
电容器充电电源充电期间输入端的功率随着输出电压的升高而逐渐增加，不仅需要电网提供较大的峰值功率，还会引起较大的电流谐波，基于一种仅采用单级能量变换就实现了恒功率输入恒流输出功能的带辅助储能电容的单级充电方案提出一种新的控制算法，该算法不仅实现了更好的恒功率特性，还解除了对辅助储能电容的限制，可以通过控制储能电容电压提高等效激励电压实现升压功能。利用Matlab/Simulink搭建了恒功率输入的电容器充电的仿真模型，仿真结果显示，在电容器充电400～2000 V阶段，实现了输入端的恒功率，同时提升了辅助电容初始电压和负载电容电压。这表明该算法能实现输入端更优良的恒功率特性以及电路的升压功能。
电容器充电电源充电期间输入端的功率随着输出电压的升高而逐渐增加，不仅需要电网提供较大的峰值功率，还会引起较大的电流谐波，基于一种仅采用单级能量变换就实现了恒功率输入恒流输出功能的带辅助储能电容的单级充电方案提出一种新的控制算法，该算法不仅实现了更好的恒功率特性，还解除了对辅助储能电容的限制，可以通过控制储能电容电压提高等效激励电压实现升压功能。利用Matlab/Simulink搭建了恒功率输入的电容器充电的仿真模型，仿真结果显示，在电容器充电400～
2025, 37: 035019.
doi: 10.11884/HPLPB202537.240267
摘要:
为获取无源积分器实际的带宽以及RC时间常数，使用有源高阻探头配合网络分析仪测量了1 MΩ负载条件下积分器的频率特性。仿真计算表明，积分器连接1 MΩ负载时，低频拐点远远低于连接50 Ω的结果，测量结果与仿真结果一致。实测结果表明，积分器频率特性的高频段背离了与频率成反比的线性衰减的理论趋势，这个结果与实际电路的杂散参数有关。通过转换纵坐标判断积分器的频率上限，结合计算的低频结果，可以得到积分器的工作带宽。应用积分器的幅频特性公式结合扫频测量结果计算RC常数，该方法较为简便且不确定度较小。
为获取无源积分器实际的带宽以及RC时间常数，使用有源高阻探头配合网络分析仪测量了1 MΩ负载条件下积分器的频率特性。仿真计算表明，积分器连接1 MΩ负载时，低频拐点远远低于连接50 Ω的结果，测量结果与仿真结果一致。实测结果表明，积分器频率特性的高频段背离了与频率成反比的线性衰减的理论趋势，这个结果与实际电路的杂散参数有关。通过转换纵坐标判断积分器的频率上限，结合计算的低频结果，可以得到积分器的工作带宽。应用积分器的幅频特性公式结合扫频测量结果计算RC常数，该方法较为简便且不确定度较小。
2025, 37: 035020.
doi: 10.11884/HPLPB202537.240423
摘要:
介绍了为高重频自由电子激光装置的注入器样机沿线布置的数台低能段电源、功率源以及高能段电源等研制的一套基于EPICS的控制系统。由于EPICS自身在加速器领域的国际通用性和国内较为广泛的应用技术基础，本系统采用EPICS的体系结构来部署，利用网络化的分层分布式结构，在TCP/IP协议之上建立CA的通道访问机制，为客户和服务器分别提供应用接口子程序库，并通过其特有的基于数据流的设备通讯驱动软件模块完成了所有底层电源设备的驱动开发，以及基于CSS的客户端控制软件。本系统满足用户对电源的参数设置、状态监测和操作控制等功能的实时集中远程监控需求，以及与装置其他相关子系统的数据共享，提高了装置运行效率和可靠性。
介绍了为高重频自由电子激光装置的注入器样机沿线布置的数台低能段电源、功率源以及高能段电源等研制的一套基于EPICS的控制系统。由于EPICS自身在加速器领域的国际通用性和国内较为广泛的应用技术基础，本系统采用EPICS的体系结构来部署，利用网络化的分层分布式结构，在TCP/IP协议之上建立CA的通道访问机制，为客户和服务器分别提供应用接口子程序库，并通过其特有的基于数据流的设备通讯驱动软件模块完成了所有底层电源设备的驱动开发，以及基于CSS的客户端控制软件。本系统满足用户对电源的参数设置、状态监测和操作控制等功能的实时集中远程监控需求，以及与装置其他相关子系统的数据共享，提高了装置运行效率和可靠性。
2025, 37: 035021.
doi: 10.11884/HPLPB202537.240303
摘要:
为了开展高参数物理研究，研制了满足脉冲发电机组、电网供电需求的长脉冲开关电源模块及控制系统。电源模块通过改变交流接线端接线方式进行模块供电类型切换，通过内置的软启电路减小模块充电过程中浪涌电流冲击对电网及开关的影响，模块控制器满足两种运行方式下的保护、驱动、状态监测设计需求。控制系统采用单片机及可编程逻辑门阵列架构，具有液晶屏本地/上位机远程两种控制功能。在单片机中采用集成电路总线扩展IO的方式实现软启控制、监测功能，减少数据传输链路及系统的复杂性；在可编程逻辑门阵列中实现电源的控制算法，并通过电平信号转换处理，统一了光电转换箱接口设计。在搭建的测试条件下测试结果表明，模块及控制系统设计满足要求，电源实现80 kV/100 s/20 A输出参数测试及保护实验测试。
为了开展高参数物理研究，研制了满足脉冲发电机组、电网供电需求的长脉冲开关电源模块及控制系统。电源模块通过改变交流接线端接线方式进行模块供电类型切换，通过内置的软启电路减小模块充电过程中浪涌电流冲击对电网及开关的影响，模块控制器满足两种运行方式下的保护、驱动、状态监测设计需求。控制系统采用单片机及可编程逻辑门阵列架构，具有液晶屏本地/上位机远程两种控制功能。在单片机中采用集成电路总线扩展IO的方式实现软启控制、监测功能，减少数据传输链路及系统的复杂性；在可编程逻辑门阵列中实现电源的控制算法，并通过电平信号转换处理，统一了光电转换箱接口设计。在搭建的测试条件下测试结果表明，模块及控制系统设计满足要求，电源实现80 kV/100 s/20 A输出参数测试及保护实验测试。
2025, 37: 035022.
doi: 10.11884/HPLPB202537.240272
摘要:
航天器在轨服役期间长期处于复杂恶劣的空间辐射环境，以GaAs为代表的III-V族化合物太阳能电池因具备高光电转换效率和抗辐照能力而被广泛应用于航天领域。采用有限元法，基于计算机辅助设计技术（TCAD）对GaAs太阳能电池的空间辐照损伤效应进行了研究。以AM0光谱辐照下的GaAs太阳能电池电学参数为依据，建立了单结太阳能电池结构模型和辐照损伤模型，获得了在不同电子辐照条件下电池的伏安特性曲线，结合已有实验结果验证了本文模拟结果，分析了空间环境辐照下GaAs太阳能电池电学性能退化规律。结果表明，辐照损伤缺陷使得少数载流子扩散长度减小，降低了光生载流子的收集效率，在一定电子能量下，太阳能电池电学性能的退化幅度随辐照注量水平的提高而增大。
航天器在轨服役期间长期处于复杂恶劣的空间辐射环境，以GaAs为代表的III-V族化合物太阳能电池因具备高光电转换效率和抗辐照能力而被广泛应用于航天领域。采用有限元法，基于计算机辅助设计技术（TCAD）对GaAs太阳能电池的空间辐照损伤效应进行了研究。以AM0光谱辐照下的GaAs太阳能电池电学参数为依据，建立了单结太阳能电池结构模型和辐照损伤模型，获得了在不同电子辐照条件下电池的伏安特性曲线，结合已有实验结果验证了本文模拟结果，分析了空间环境辐照下GaAs太阳能电池电学性能退化规律。结果表明，辐照损伤缺陷使得少数载流子扩散长度减小，降低了光生载流子的收集效率，在一定电子能量下，太阳能电池电学性能的退化幅度随辐照注量水平的提高而增大。
2025, 37: 035023.
doi: 10.11884/HPLPB202537.240371
摘要:
对于数十个基本放电支路并联同步放电的直线变压器驱动源（LTD）模块，触发隔离元件直接影响高功率气体开关的触发导通同步性，进而对整个LTD模块输出性能产生影响。为了优化选择触发隔离元件类型及参数，针对电阻及电感两种隔离方式进行了计算分析和实验对比。结果表明，电感隔离效果优于电阻隔离，同时对于不同的隔离电感参数，5 μH隔离电感下LTD模块输出结果相对最好。
对于数十个基本放电支路并联同步放电的直线变压器驱动源（LTD）模块，触发隔离元件直接影响高功率气体开关的触发导通同步性，进而对整个LTD模块输出性能产生影响。为了优化选择触发隔离元件类型及参数，针对电阻及电感两种隔离方式进行了计算分析和实验对比。结果表明，电感隔离效果优于电阻隔离，同时对于不同的隔离电感参数，5 μH隔离电感下LTD模块输出结果相对最好。
2025, 37: 035024.
doi: 10.11884/HPLPB202537.240263
摘要:
针对托卡马克装置中共振磁扰动线圈电源采用传统PI控制器存在响应速度与超调之间的矛盾以及在复杂电磁环境下工作抗干扰能力差的问题，采用线性自抗扰控制策略，安排过渡过程提取参考信号的微分品质，从而实现快速无超调的电流输出。并基于电源系统部分已知数学模型参数，设计了四阶线性扩张状态观测器，估计系统干扰量作为系统新的状态量进行补偿，从而抑制了电源系统内部不确定因素和外部扰动。最后仿真结果表明：相较于采用传统PI控制策略，自抗扰控制策略能够有效提高输出电流信号的动态特性；同时在复杂环境扰动情况下具有更强的鲁棒性和抗干扰特性。
针对托卡马克装置中共振磁扰动线圈电源采用传统PI控制器存在响应速度与超调之间的矛盾以及在复杂电磁环境下工作抗干扰能力差的问题，采用线性自抗扰控制策略，安排过渡过程提取参考信号的微分品质，从而实现快速无超调的电流输出。并基于电源系统部分已知数学模型参数，设计了四阶线性扩张状态观测器，估计系统干扰量作为系统新的状态量进行补偿，从而抑制了电源系统内部不确定因素和外部扰动。最后仿真结果表明：相较于采用传统PI控制策略，自抗扰控制策略能够有效提高输出电流信号的动态特性；同时在复杂环境扰动情况下具有更强的鲁棒性和抗干扰特性。
2025, 37: 035025.
doi: 10.11884/HPLPB202537.240417
摘要:
为匹配中国环流三号装置磁体线圈功率和能量需求，基于模型预测控制理论，设计电池-超级电容混合储能系统放电策略。以环向场线圈为储能系统输出端负载，建立系统预测模型，根据电池、超级电容特性和负载能量需求设计目标函数，实时求解最优开关序列。对电池储能子系统、超级电容储能子系统分别采用长周期慢控、短周期快控，实现电池稳定放电和超级电容瞬态响应。基于MATLAB/Simulink平台进行仿真验证，混合储能系统稳定输出满足负载需求的平顶电流，其电流纹波为0.22%，验证控制策略有效性。
为匹配中国环流三号装置磁体线圈功率和能量需求，基于模型预测控制理论，设计电池-超级电容混合储能系统放电策略。以环向场线圈为储能系统输出端负载，建立系统预测模型，根据电池、超级电容特性和负载能量需求设计目标函数，实时求解最优开关序列。对电池储能子系统、超级电容储能子系统分别采用长周期慢控、短周期快控，实现电池稳定放电和超级电容瞬态响应。基于MATLAB/Simulink平台进行仿真验证，混合储能系统稳定输出满足负载需求的平顶电流，其电流纹波为0.22%，验证控制策略有效性。
